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有外傷、無內傷 車體結構的重要性

有外傷、無內傷

車體結構的重要性

文 張家榮

還記得沒多久前在東海發生的大七事件嗎?當時就有不少人在討論車體結構對車輛安全的影響,但更多人則是抱持著「鈑金厚=安全」的迷思,這兩者之間到底對車輛安全有多大影響呢?且讓編輯部來為您進行全面剖析。 

車體架構演變

在開始說明車體結構以及其他的關聯前,先讓我們來了解車體架構的演進史。

承載式車身(Body on Frame)

最早的車體製造方式之一,係指單獨製造車體,並與底盤相互結合而成的車輛,因底盤非設計為單一車體使用,因此會有同一具底盤但不同車身的情形產生;此架構於現今多半為越野車或貨車所使用,屬於低成本但行路感不夠舒適的設計。

BodyonFrame

管狀車架+蒙皮車身(Space Frame)

係指利用圓管架構起車體,並將引擎等零件安裝在管架之中,比起乘載式車身結構更加完整,在其外則是覆蓋上一層蒙皮。早期僅用於賽車上面,現今部分跑車廠在設計上依舊使用此工法。

TubeFrame

一體成形車身(Unibody)

現今最被廣泛使用的車體設計,以沖壓及壓鑄的方式先行生產獨立鈑件,再依序進行點焊或是黏合等工序,最終形成健全的車體結構,且此設計在素體(Body in White)時即已有成車的外型。後期更衍生出籠型車體概念(Zone Body Concept),藉由建立潰縮區的方式讓車體在撞擊時車室能夠更加完整,而這也是本主題要討論到的範疇。以此衍生的還有「單體式車架」設計,亦即以碳纖維車室為主架構,前後加上引擎、懸吊等支撐結構而成,成本相當高昂,因此多使用在超跑等級車款上。

Unibody

鈑金厚≠安全

翻遍台灣汽車討論區,每當有撞車意外發生時,總是會有不少有關於車輛安全的討論,絕大多數圍繞在鈑金厚度上,但其實良好設計的「車體結構」於撞擊時能讓車室保持完整,才是保護車內乘員安全的主要因素;而在材料工程快速演進的時代,採用強度相同的材料卻有著更輕的重量,可同時帶來更佳的駕馭感受以及油耗表現。傳統印象中「大車=耐撞」的想法也隨著更為進步的車體設計而逐漸改變,若以現今的新標準來說,一部微型車的撞擊結果或許比起20年前的大車要來得更佳。

而最多人常說的鈑金,若以人類來比喻其就像是皮膚一樣,主要作用為覆蓋主結構,但要說到其對車輛安全性的加成效果,影響力或許沒有許多人想像中的大,就算厚度再高也無法與負擔整體受力的結構相比。同時在經過了幾十年的演進,現代撞擊測試中對「車室完整性」的要求早已超越對「車體完整性」的要求,這也是在保護乘員下所必須滿足的條件之一。

當然會有人說那車體結構越硬不就越安全?這可不是非A即B的選擇,過於極端的設計也是會帶來反效果。舉個例子,將鏡子置入於鐵盒中並丟向牆壁,撿起後盒子外觀雖未有嚴重損傷,但內部的玻璃皆已破碎,這就是盒子無法減緩衝擊力所造成的結果;同樣的,如果將玻璃裝入軟紙盒以同樣手法試驗,由於盒子無法完全吸收衝擊力,玻璃仍然會破損,依舊無法達到保護的效果;但若換個方式,將玻璃同樣置入硬盒中,但內層包覆可吸收衝擊力的軟材質,再丟向牆壁,撿起後可發現外觀雖有破損,但材質減弱了衝擊力,讓盒內的玻璃能夠保持完整。這個概念也就是後面會提到潰縮區的主要作用。

Crash
車輛發生撞擊意外時,主要是以車室是否完整,能夠保全車內乘員的安全為重點。

潰縮區=吸收能量的防禦層

慣性定律告訴我們當一等速運動中物體在未受外力影響時,會依舊維持同方向的運動狀態,假若受力時則會改變其運動狀態。舉例來說,當一輛車以100km/h撞上一面牆,車輛運動狀態即會改變,但車內乘員因未受到外力影響而繼續原先的運動狀態,最終會撞擊前方物品並造成嚴重傷害。

Zone
潰縮區可吸收撞擊力道,再搭配強健的車體結構才能有效保護乘客安全。

為了避免發生此種情形,早期車廠開發出了不少應對措施,包含加裝預縮式安全帶以及SRS輔助安全氣囊,藉由緩衝撞擊力道來保護乘客安全,但這些只是治標不治本的做法,如無法降低車輛撞擊時的力量,依舊會對人體造成極大的傷害,在如此的考量之下潰縮區的概念因而興起。透過車體結構以及不同材料的搭配運用,能於撞擊時達到吸收動能,同時搭配前述的安全氣囊及安全帶,整體減低對人體的傷害。但潰縮區並不是越多越好,如何在最小的空間稀釋最大的撞擊能量,同時讓車體結構保有其應有強度,一向都是工程師最頭痛的事情,同時也是許多網路論壇在看車禍事件時最常被討論的話題。

Zone2
除了車體前方外,車廠在後方也會設置潰縮區,主要是為了吸收撞擊能量,防止乘員受傷。

而一個有著良好設計的潰縮區應如何看出呢?其實從撞擊測試中不難發現,在一定速限下進行撞擊,能吸收撞擊能量讓車室乘員不受到嚴重傷害,即可算是一個好的潰縮區設計。而許多人常把潰縮區與車體剛性不足聯想在一起,這也是錯誤的想法,因為車輛在撞擊時所最需保護的東西是車室成員,理所當然會將車室使用高強度的材質打造,並透過車體其餘的地方先將力量卸除,降低乘客所受到的傷害,這也是為何現在撞擊測試中許多車款都是車頭撞爛,但車室依舊保持完整的結果。

Body2

Zone3
由此兩張圖可看出車輛在受到撞擊時,撞擊力道會沿著紅色部分擴散至整個車體,透過此方式保全車室的完整及乘客的安全。

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尺碼小≠安全性差

上文已讓讀者了解只要車體結構與潰縮區設計良好,並能夠讓車室維持完整的情況下,就算車撞得再嚴重人還是可以安全地走下來;反之就算車再硬再大,無法吸收撞擊時的能量,這個力量也不會憑空消失,而是會轉移到別的物體上,造成嚴重的傷害。在此就舉一個較為極端的例子,以Smart fortwo為例,其僅2.7米的車長,且前後並未有明顯的潰縮區設計,常被認為安全性相對不足,但真的是如此嗎?瀏覽Euro NCAP網站,在資料中可發現其撞測成績為有著頗佳的四顆星,如以細項來看成人及孩童的保護上分別獲得82%及80%的評分;行人保護則是Smart的弱項,僅獲得56%;同時也因其並無配備主動防護系統因使讓其在安全輔助上也僅獲得56%的評分。整體而言,fortwo在乘員防護上能獲得好成績係因優秀的車體設計,雖車身尺碼小,但在保護方面可是一點都不馬虎。

Smart
Smart fortwo由於車身結構設計良好,使其雖為微型車的級距卻有著十分充足的保護措施。

Smart1
經NCAP測試後Smart獲得了整體4顆星的評價,其中在成人及孩童的保護上能達到82%及80%的效果

車體結構構成

看過以上章節後,已大略了解一個安全車體的基礎架構含有多少元素,接下來就要談到較為材料層面的內容。在文章最一開始有提到關於車體架構的演變,自承載式車身演變到現在的Unibody,不僅能有效降低成本還可提高車室結構的強度。而在設計時常會考量到成本、潰縮區範圍、使用材料強度的因素而有不同的實際應用,入門車款通常使用單一材料(例:鋼或是強化金屬等),除了省成本之外製造工序也較簡單;至於高階車款則會考量到車體在受力時的情形,採用高強度材料打造車體,但價格相對昂貴;現今車壇主流則是採用多重材料組合,設計出兼具高強度與低成本的車體。以下將列出現今車廠常使用之車體結構,讓讀者了解車廠在成本與結構安全上的考量有何不同。

Body
現今車廠最普遍使用的車體構造,製造成本低但因材質主要為鋼製件而使車重偏高。
Body1
多數超跑使用的結構設計,將傳統鋼件改為碳纖維製品,強度更高車重也更輕,缺點是成本相當昂貴。

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總結

在了解車輛在如何對應撞擊情況的來龍去脈後,不難發現許多「鍵盤專家」所說的「完全潰縮的車一定不安全」、「鈑金要厚才安全」等的理論皆不正確。在有著科學根據以及撞測單位的測試下,已證明了有良好潰縮區以及車身結構的設計才是建構車輛安全的基礎,同時也說明了車身尺碼小與不安全並非劃上等號

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