文 | 嗷嗷胡
除了網際網路上喜聞樂見的“雲評”車禍時間,車身鐵殼子,大概是一輛車上最沒人在意的東西了。
雖說大部分正經車企,都會在媒體資料包裡放幾張車身結構圖,也常常在釋出現場擺出白車身展具,但在很多哪怕是從業者眼裡,這些五顏六色摸不著頭腦的玩意兒,能得到的待遇多半也就是一筆帶過。
低難度猜車
人們會關心發動機馬力有多大,會關心油耗電耗是多少,會關心車內大屏多少寸,會關心豪華配置有多少,會關心舒適性表現好不好……誰能想到看似平平無奇百年不變的鐵殼子,居然也能影響這一切?
揭開真正的“殼”
我們經常說的所謂“白車身(body-in-white,BIW)”,指經過沖壓和焊接、但未經塗裝的整個車身結構,通俗講就是大家理解的“車殼子”或“車架子”。
一般來講,白車身在範圍上,需要區分包含、不包含覆蓋件兩個語境維度。車身覆蓋件,即車門、前機蓋、尾門/後備廂蓋、翼子板等(俗稱“四門兩蓋”),通常是不參與整車剛度建設的。換言之,它們才是真正的“只是個殼”。翼子板保險槓被腳踏車撞癟,和車身安不安全真沒關係。
像車門與車身主體的連線,其實就只有轉軸和鎖銷幾個點而已,對於車身受外力發生的振動形變,它們並不能“幫上忙”。(但覆蓋件對碰撞有一定作用,如車門內基本都有防撞梁。這裡需區分“剛度”與“強度”,請參閱《99%的人都不知道,“剛”和“強”是兩碼事》。)
奧迪A4,含覆蓋件的白車身
這是去掉覆蓋件的A4白車身
覆蓋件就像車輛內飾一樣,反而會受車體振動形變的影響。因為它們更換起來很簡單,不影響車身主體結構的原有設計,海外車型引入國產有時會出現“鋁換鋼”的現象(本人對此不置可否)。不過由於覆蓋件對剛度基本無影響,此類改變主要損害的是重量方面。
覆蓋件會佔到白車身總重的1/4-1/6,極端輕量化的超跑會更低。一些運動效能車在門板、前後艙蓋、車頂使用鋁材乃至碳纖維,但由於覆蓋件本身重量不佔大頭,減重和降低重心的實際效果有限(尤其與視覺效果比)。雷克薩斯LC的碳纖維車頂,就只讓整車重心降低了1.2mm。
一般如無特別強調,我們講的白車身都是指不含覆蓋件的狹義概念。
寶馬M4 CS的碳纖維機艙蓋
越剛,越安靜?
刨去車身覆蓋件,白車身的核心結構才是重頭戲。
剛度是白車身最重要的效能指標之一,尤其是抗扭剛度。這也是你最容易從市面主流渠道獲知的車身效能資料,尤其是在白車身方面下血本的廠商就更愛言必稱剛度。蔚來一直以高達44140N·m/°的驚人資料為傲(確實很高),麥格納出品的北汽極狐也時常炫耀其55000N·m/°的車身剛度。
(不過需要說明,電動車在剛度戰爭上是有天然優勢的。)
所謂剛度,即車身抵禦外界應力造成的可塑形變的能力。44140N·m/°,即需要施以44140N·m的扭轉力矩,車身才會發生一度的扭轉變形。顯然這個數字越高,車身抗形變的能力越強,同樣外力作用下的形變越小。
在車輛行駛過程中,路面顛簸、機械運轉都會持續對車身施加應力。我們從宏觀上看,車身是一個堅固的鋼鐵籠子;但微觀上看,車身幾乎無時無刻不在發生著微小形變。在諸如賽道競速或越野脫困這樣的極端情況下,車身形變還會擴大為宏觀影響。
比如,一些SUV廠商會將車開上交叉軸,在對角線兩輪著地的情況下,測試車門是否能正常開啟和關閉。別笑,真有不少SUV車型在這種情況下,要麼車門因為車身(門框)形變而打不開,要麼打開了的車門再關不回去(開下正常路面才能關上)。這就是車身形變被放大並可視化了。
賽道競速也是類似,在極限駕駛時車身發生的形變,足以讓前後懸架偏離原始設定。所以對於高效能車和超級跑車,車身剛性也是重中之重,所以鋁材和碳纖維被超跑青睞,主要原因便是兼顧了輕量化與車身剛度。
邁凱倫碳纖維單體殼車身,前後車架是鋁材
說回到非極端情況。
對於我們普通人,車身剛度顯著影響著一輛車的NVH表現,放到日常語境中就是振動、噪聲、靜謐性、舒適性。你在選車試駕時或許未曾想到,舒適性這個所有人最熟悉的維度,影響因素不只是發動機噪音、隔音措施、輪胎、風阻,還有車身。
這是因為車身剛度的高低,直接決定了車身的模態頻率。所謂模態頻率,粗淺理解就是車身的固有振動頻率。中學物理課上體育老師教過大家:任何物體都有一個固有頻率,當外界激勵頻率接近這個固有頻率就會誘發共振,使振動能量顯著增大。曾經有一隊士兵過橋,走著走著橋就被共振震塌了。
剛度越高模態頻率越高,這好理解,越“剛”的東西越不容易形變,你想讓它共振所需達到的頻率自然越高。在鋪裝路面上,來自路面的振動激勵頻率,與車輛行駛速度是正相關的,所以越是注重巡航舒適性、高速舒適性,就越需要高模態、高剛度的白車身。
車輛行駛中的噪音,除了容易理解的風噪、胎噪、機噪,還有一個重要組成部分是結構噪聲。如果你乘坐某一輛車發現,每到某個速度車子就出現如振動棒一般的劇烈震顫,這就是明顯的因共振導致的結構噪聲急劇增大。
如果車身的剛度過低、模態頻率過低,日常速度下的路面激勵都可能讓車身接近固有頻率而產生共振。越是新一代車型、越是高階豪華車、越是注重舒適性的車型,就越需要高剛度高模態,將車輛被誘發共振的車速儘可能“推離”合法車速上限,離得越遠越好。
路虎新一代攬勝,車身剛度比上代提高50%,結構噪聲減少24%
為什麼高階車豪華車經常“不知不覺就開快了”,為什麼廉價車往往到某個不算高的速度就有恐懼感,為什麼同樣效能的豪華車比小鋼炮們更“沒速度感”,為什麼強調高速巡遊的“GT”車型會成為一個圖騰——不只是心理作用在作祟。
另外,相當一部分車內異響來自於內飾元件之間的振動和摩擦。所以如果車身的剛度越高,形變和振動越小,工程師就可以允許更小的內飾元件間隙,在我們看來就是“做工更好、更精細”。這同樣是促使廠商,尤其豪華車企提高車身剛度的誘因之一。
不息的剛度戰爭
一分錢一分貨的道理,在大的層面上籠統地看是適用的。橫向比較,同一時代下,高階車往往有著比廉價車更高的車身剛度。縱向比較,看似風平浪靜的車身製造行業,百年來剛度戰爭也從沒停火。
今天,多數主流中型轎車的剛度在20000~35000N·m/°(非常不精確,僅作大致數量級參考),優秀的白車身可以接近40000N·m/°,而40000N·m/°以上則是賓士S級、寶馬7系、奧迪A8這類行政級豪華車的領域。
(衡量車身剛度一般有扭轉剛度和彎曲剛度之分,剛度又存在靜剛度和動剛度之分,為便於理解在此姑且不做區分。)
Cayman/Boxster,敞篷車剛度總是吃虧
需要說明,不同車身型別,剛度會有天然的區別。比如之前在《掀背三廂車為何總是不入流?》談到,兩廂車、旅行車、SUV這類掀背車,要想達到同樣的車身剛度就會比三廂車費勁。而敞篷車因為沒有上部結構——無論軟頂硬頂都只是個“棚子”不參與剛度——就更加困難,同樣技術、成本條件下剛度必定墊底。
所以你也就能理解,為什麼長期以來,代表著“最舒適”的車型一定是三廂轎車。
純電動車帶來了另一個例外。由於電動車在車底需要佈置一塊電池包,而電池包被鋼鐵外殼嚴密保護,堅固的電池殼體歪打正著,成了電動車車身剛度上的buff。比如前面提到的蔚來和極狐,在低得多的售價輕鬆超越了S級/7系/A8的“4萬大關”。
油改電更容易說明問題:寶馬X3燃油版的車身抗扭剛度約25000N·m/°,而電池包直接讓純電版iX3達到了52500N·m/°,奧迪e-tron也高達50000N·m/°。二者售價同樣比行政級轎車低得多,蔚來和極狐並非賠本做買賣。
所謂純電動車是未來,“環保”只是原因之一而非全部。不過,並非所有電動車都將“剛度紅利”兌現了出來,也有一些讓出了剛度優勢換取了省材料成本。整體層面比較的結論,到個體層面永遠要具體分析。
蔚來ES8/ES6並不是孤例
什麼決定著結構剛度的高低?截面面積、材料厚度、彈性模量,只有這三個因素。
截面面積,比如A柱的整體寬度、門檻的整體厚度高度,這些“柱子”尺寸越粗壯,對剛度的貢獻越大;材料厚度不用多說,同樣截面積,2mm鋼板做的肯定比1mm的剛度高;至於彈性模量,這是由材料本身特性決定的。
彈性模量有一個比較有意思的特點:它幾乎只與材料的化學材質相關。你應該知道車用鋼材往往有高低不同強度的鋼,但不論高強度鋼還是低強度鋼,其彈性模量幾乎是相同的。換言之,一切把“大量使用高強度鋼”作為“車身剛性好”直接原因的表述,都是錯誤的可以直接忽略。
本田NSX為了視野,靠三維熱彎淬火才讓A柱變細了點
提高剛度不是件容易事,這三個因素都不是“善茬”。增加截面面積?A柱、B柱、C柱關係著視野和盲區,門檻高度寬度會讓上下車困難(所以超跑門檻都很寬),車身內設的橫樑縱梁影響著機艙和乘員艙的空間。
增加材料厚度?依然使用鋼材而僅增厚,車身重量會水漲船高;為了達到同樣的效能,需要更大功率的動力系統;更大的發動機加上更重的車身,又會攜手讓油耗增加。要將車重和油耗壓下去?那隻能砍掉車載豪華裝置,或者減少隔音減振措施——問題又回到了舒適性上。
更換材料?可以,鋼換成鋁、鋁換成碳纖維。鋁的彈性模量雖然只有鋼的1/3,但重量/密度低而可以擁有更大的厚度,從而獲得高剛度(碳纖維與之同理,只是更好更貴)。但鋁材成本是鋼材的數倍,碳纖維則是數十倍起步。如果是鋼鋁混合,還需要焊接以外的其他連線工藝,調整生產線又是成本。
還是本人總掛嘴邊的幾句老話:牽一髮而動全身,有得則必有失,天下沒免費午餐。
寶馬i8,最後碳纖維才是完美方案,當然除了價格
車身之所以重要,是因為它決定——甚至是定義——了一輛車的先天特性。比如剛度和模態決定了NVH能有一個什麼樣的起點,哪怕後天能靠種種隔音減振措施去提升最終的NVH表現,也總會需要在重量、成本、技術等其他方面做投入或犧牲。
比如車身的輕量化程度,決定了車輛的效能和能耗有一個什麼樣的基礎,當然後天也有種種減重措施、使用更高效的動力系統,但一具輕量化達到要求的白車身,是不需要你捨棄部分豪華裝置、使用更新更復雜更貴的技術作為代價的。
所以我會說,白車身的技術水平和各項效能,作為一個基礎決定著整車各方面的可能區間:地板在哪,天花板又在哪。有點像本科畢業文憑,它不是絕對重要,本科學校不好還有考研機會,到社會最終還要看實際能力;但從社會宏觀上講,一個更高的學歷起點總會導向更符合成功學的人生。
車身是一個基礎,但也只是一個基礎;反過來,它只是一個基礎,卻又為一切奠定根基。
作為消費者,其實你很難去準確瞭解到某款車的白車身效能究竟如何,甚至哪怕汽車媒體從業者也多半拿不到足夠資訊。像車身模態頻率,根本不會出現在任何車企的對外公佈資料中。好在車身剛度近年開始受到關注,但也僅限於部分車身投入高、表現好的廠商,願意拿出來作為技術水平背書。
但你至少可以知道車身對於一輛車至關重要的作用和意義,絲毫不亞於大家平時津津樂道的其他方方面面。遍觀消費者認知和汽車媒體行業現狀,“車殼子”處在絕對的被低估狀態。反正影響不直接、解釋不容易、不性感、不爆炸,乾脆大家集體忽略算了。
而假如你認識到了這一切,又應該辯證地認識到,也不能矯枉過正將車身視為絕對重要——實際上就沒有什麼是“絕對重要”。和動力、傳動、懸架等沒什麼不同,車身也只是組成和定義汽車的子系統之一,而最終我們要的是一輛完整的車。
戰略上重視,戰術上平視。