抗扭剛度、抗彎剛度是個啥?

先前我們討論過,談車架剛性時隻關註或者過度唯一化地關註鋼材硬度就是“耍流氓”!

如果要介紹車架剛性問題,那無論結構說也好、材料說也罷,都繞不開“抗扭剛度”和“抗彎剛度”兩大通俗易懂的指標。那麼這兩個剛度是什麼東西呢?它們會對駕駛產生怎樣的影響呢?我們又應該如何提高這兩項指標呢?帶著這些疑問,接下來,我們一探究竟。

圖:我們先要有一個基本的認知,不一定要和圖中這臺車的狀態一樣才叫車架形變,所謂的形變有分塑性形變和彈性形變。圖中這臺車就算被拖出來形變依然無法自動恢復,這叫塑性形變;我們日常駕駛時車架並不是一成不變的,它受外力就會發生輕微形變,當外力消失時形變能自行恢復,這是彈性形變。所以車架形變在我們的車輛上是經常發生的,隻是我們不一定能察覺到而已。

先來談談比較好理解的“抗彎剛度”吧。

車輛在地面上是靠四個車輪支撐的,所以前後兩條車軸對車架分別有一個向上的支撐力;車架的主要載物區域就在前軸與後軸之間,當人、貨物、車輛的零部件裝載到這個區域時,會對車架有一個向下的壓力;於是在兩個反向力的作用下,車架就會產生彎曲形變。

圖:車架是個空間結構,彎曲形變會發生在多個部位上。通過這個示意圖其實就能明白咱們一直在強調的理論:某部分用上多少多少兆帕的鋼材並不能有效減輕圖示的完全形變,但合理且出色的框架結構就可以,這就是治標與治本的關系瞭。

在這種狀態下,車身抵禦彎曲形變的能力就是其抗彎剛度,施加相同外力時車架彎曲幅度越小則抗彎剛性越強。當車身彎曲後,傳動系統、前後軸的位置多少會產生偏差,這便會影響車輛的性能與操控。而在某些有較重載物需求的車輛上(例如貨車)該項性能還能直接影響其運載能力,這也解釋瞭為什麼至今還有那麼多貨車使用非承載式車身,因為梯形陣式車架在平面承載力方面,比單體式框架車架要高得多。

圖:為什麼軸距稍微短一點的車開起來會更有駕駛樂趣?除瞭車身小巧靈活之外,還因為其縱向受力時力臂更短,其抗彎剛度也更容易做強。

那麼,在原廠狀態無法個性化選配的大前提下,買車後該如何提升車輛的抗彎剛度呢?一般我們能通過加裝側桿(Side Bar)來加強車架縱向的強度,這類型產品主要針對的是乘員艙部份的變形。

圖:根據實際情況甚至可以裝多組側桿,Side bar的安裝方式采用縱向安裝,與主車架之間采用剛性連接方式,雖然鋁合金、鉻鉬鋼管等的硬度未必比車架鋼材硬,但它屬於一個整體和輔助性質,效果大概能提升5~10%之間,安裝後的效果基本上可以被普通人明顯感覺到不同。

由於車架對發動機起到支撐作用,當發動機運轉時車架會在第一時間通過機腳承受發動機運轉的反作用力,這也是車廠在提升車型動力後相應也要對車架作一定強化的原因。又由於橫置發動機運轉方向的原因,大部份前驅車對車頭縱向的車架強度有更高要求。因此會有不少玩傢選擇加裝翼子板拉桿來針對車頭作特定強化。

圖:由於這部分空間形狀的緣故,翼子板拉桿一般都會設計成非常牢固的三角形,對於前橫置發動機的前輪驅動車型的抗彎剛性有一定的幫助。

說完抗彎剛度,我們一起來瞭解一下更影響操控的抗扭剛度。

在經過凹凸不平的路面,或者過彎時,四個輪子的受力均不同,這裡必須清楚認識到一個基礎知識,那就是任何避震套件都是無法百分之百地消化掉所有沖擊的,所以四個角的避震塔頂所承受的力也會不同。在四個大小甚至方向都不同的外力作用下,車架就會像被扭麻花一樣,產生被扭曲的形變趨勢。而車架抵禦這種扭曲形變的能力就叫作抗扭剛度瞭,我們通常會通過車架被扭曲一度所需力的大小來作為衡量指標。

圖:舉一個比較極端的例子,一些承載式車身的SUV在像圖上一樣單輪離地時,車架的扭曲甚至會影響其車門的正常開合。這也是當今許多越野車仍然采用非承載式車身的原因。

車架的扭曲形變會導致懸掛幾何與最初設定的狀態產生偏差,駕駛者的輸入在車身上不一定能得到預期中的輸出,從而影響操控。所以,在車身抗扭剛度太弱的情況下改硬避震,效果往往會適得其反,操控性能反而會惡化。避震活動量更小會導致孱弱的車架被迫吃掉更多的力,從而產生更多形變,操控反而會變差。因此在強化避震前,我們需要先確認我們的車架強度是否足夠,適當地提升一下抗扭剛度很重要。

圖:當車架在橫向與垂直方向得到更多的加強,其抗扭剛度也會隨之增強。所以由於垂直方向的連接缺失,一般我們都會認為敞篷車的車架剛性會沒那麼強(當然,有一些廠商會為敞篷版本做額外的車架強化)。例如保時捷996 Cabriolet的抗扭剛度(11,600 Nm/deg)就會比Coupe(27,000 Nm/deg)差很多。

要想增強抗扭剛度,我們除瞭加裝常見的頂吧以及各種橫向拉桿外,還可以在底盤加裝“X型”支架以產生更多封閉的三角形結構。有一些兩廂車型還能在尾箱安裝垂直方向的C柱撐桿,不過這樣就會侵占很多的實用空間瞭。

圖:這種後市場裡較為罕見的“X型”輔助支架,具有極高的技術含量,所以並非普通的改裝品牌能完成研發,它除瞭能提升抗扭剛度,還能一並提高抗彎剛度,至於圖中這個是什麼品牌,這裡就不開名瞭,而這傢公司則是馬自達的禦用改裝品牌,它擁有的數據可不是普通改裝公司能具備的。

圖:具有“X型”結構的C柱撐桿,它將後塔頂和兩廂車特有的C柱撐桿連成一個受力整體,從而大幅改善後輪的抗扭剛性和車身剛性,從而提升後輪的跟隨性。

因為這些部件僅與部份車架相連,並不能全部連接成一個整體並最終與避震塔頂相連,所以它們也僅僅能對抗扭、抗彎剛度的提高起輔助作用。大傢不必將其視作神物,它們也無法讓你的車架有“脫胎換骨”般的飛躍。如果盲目加裝這些支架也會大大增加車身重量甚至侵占空間,最終所得的效果很可能適得其反,所以大傢按需適度加裝即可。

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