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带大梁的越野车为什么被淘汰了?

时间:2022-11-19 12:30:19 | 浏览:305

自从1941年全球首台越野车--威利斯诞生后,“硬派越野车”似乎就与带大梁的非承载式车身结构深度绑定在了一起。可谁承想,这种大梁之于硬派越野车,就像是水之于鱼的关系大概持续了70年的时间后,鱼竟然离开水上岸了!帕杰罗、卫士、发现5等硬派越野

自从1941年全球首台越野车--威利斯诞生后,“硬派越野车”似乎就与带大梁的非承载式车身结构深度绑定在了一起。可谁承想,这种大梁之于硬派越野车,就像是水之于鱼的关系大概持续了70年的时间后,鱼竟然离开水上岸了!帕杰罗、卫士、发现5等硬派越野车竟然纷纷转向了“无大梁”的承载式车身,这究竟是为什么呢?!

为了避免大家产生阅读障碍,在了解“大梁”为什么被淘汰之前,咱们先来简单讲解一下“大梁车身”与承载式车身有何不同。实际上,在汽车的官方叫法中,并没有“大梁车身”这一说法,如果一台车拥有大梁,则会被称之为“非承载式车身”。而之所以会有“大梁车身”的叫法,主要是因为非承载车身的英文是“Ladder frame”,直译过来就是“梯形框架”的意思。而梯形框架由于就像房屋的承重大梁一样承载着车身,所以才有了“大梁车身”的叫法。

非承载式车身主要由两根纵梁加上若干用来补强结构的横梁组成,以此来形成类似“井”字型的框架。由于车辆的悬架、发动机、变速箱、转向机构、油箱等部件都是直接固定在框架之上,所以对于非承载式车型而言,即使没有上方的车壳也是可以开走的。

而布置在大梁上方用来坐人的车身,则会以螺栓加橡胶圈的方式与大梁进行固定。这也就意味着,大梁与车身之间并非是纯刚性连接,所以当车辆因为路面不平整而出现一定的变形时,整车的扭转力基本都是由大梁来承受的,上方的车身基本不受力。这也是Jeep牧马人、福特Bronco能轻松拆卸车门、车顶,而不会对车辆结构产生影响的原因。

与非承载式车身不同的是,承载式车身并没有真正意义上的底盘,它是作为一个整体来进行设计,并通过焊接的方式形成刚性连接的。所以当车辆因为路面或自身动态承受各种方向的弯曲和扭转时,车架的A、B、C柱,车顶、车底横梁以及中央通道隆起等结构都会一起参与受力。

此外,民用车为了保证下地库、过桥洞的便利性,所以车身高度通常都不会高于1.9米,但由于非承载式车身的车壳都是落在大梁之上,而大梁自身的厚度又比较大,所以在车身高度近似的情况下,没有大梁的承载式车型在纵向空间方面便会有着得天独厚的优势,这也是城市SUV会采用承载式车身的原因之一。

在了解了两种汽车主流底盘构造后,下面我们就可以来聊聊为什么越野车在诞生后的70年时间里都与大梁深深绑定在一起,以及为什么很多越野老炮对带大梁的越野车情有独钟了!

最小离地间隙

在汽车行业中,为了将车辆的通过能力进行更直观的展示,于是便有了“最小离地间隙”这个可以量化的数据,即车辆满载、静止状态下,底盘上最低部件与地面的垂直距离。而对于主打通过能力的非承载式越野车而言,为了保证通过性,自然不会把最小离地间隙设计的太小,像是Jeep牧马人就拥有着251mm的原厂最小离地间隙,可以说是相当残暴了。

但这并不意味着采用承载式车身的SUV的离地间隙就一定会小于非承载式车身,因为像是一些搭载空气悬架的百万级SUV,在升高悬架后也同样能达到很夸张的最小离地间隙数字,像是宝马X5就拥有着和牧马人近乎一致的250mm最小离地间隙。那么问题就来了,这是否就意味着Jeep牧马人能通过的障碍高度,宝马X5就一定能通过呢?非也!

这是因为,承载式车身的底盘会为传动轴、排气等底盘部件设计凹槽,并且就连悬架部件(如上图绿框内所示)基本也是“藏于”底盘内部的,最终底盘整体便会趋于一个平面,这便会导致底盘各个地方的离地间隙几乎都是相同的。

反观非承载式车身,由于它的传动轴、排气等底盘部件都是安装在大梁结构附近,而悬架(上图绿框)却安装在了大梁下方的车轴上(上图黄框),并向上固定在大梁的两根纵梁之上,相当于车辆的悬架直接将包括传动轴、排气等部件在内的大梁结构给架高了,所以非承载式车身的底盘并不会像承载式车身那样,呈现出底盘各个地方离地间隙几乎相同的状态,而是后轴上的差速器牙包会明显低于“底盘”,并成为离地间隙最小的位置,其它底盘部件也会明显高于后轴差速器牙包。

所以即使宝马X5和Jeep牧马人的最小离地间隙几乎相同,但如上图所示,由于最小离地间隙对于宝马X5来说是一个“面”,对于Jeep牧马人只是一个“点”,所以采用非承载式车身的Jeep牧马人的整体离地间隙还是要高于宝马X5的。更何况,作为承担非承载式越野车所有重量的部件,包括差速器牙包在内的车轴强度,也是要远高于承载式底盘上的各种零部件的,即使磕了碰了也不会有太大影响。

门式桥轮边减速器

但如果你还是嫌非承载式越野车的前后轴以及前后轴牙包会在越野中碍事,那还可以通过改装门式桥的方法来大幅提高车辆的最小离地间隙。与普通车轴被固定在轮胎中心直接驱动轮胎不同的是,门式桥的车轴高度直接被抬高至了轮圈上沿附近,当传动轴带动车轴旋转时,高于轮胎中心的车轴将会带动一个叫做门式桥轮边减速器的部件,由于这个部件的下端与车轮中心相连,于是便能将驱动力从高处的门式桥传递给车轮。

在使用门式桥之后,原本作为底盘最低点的车桥将会被大幅提高,车辆下方也会呈现出空无一物的效果,像是奔驰G的4x4²就原厂提供了这种硬核装备。

由于非承载式车身上诸如发动机、变速箱、提供四驱的分动箱等硬件都会被安置在大梁的上方,而非像承载式车身那样“暴露”于底盘之下,所以即使出现了严重拖底的情况,这些脆弱的零件也能在大梁的保护下,减少受伤害的程度。

无论是承载式车身还是非承载式车身,当车辆遇到交叉轴情况,即一个或两个轮胎离地时,车辆自身的重量便会对车身造成不小的扭转力,并使车身产生一定的形变。在十几年前,由于车身制造技术还不够先进,因此承载式车身的抗扭转刚性是不如非承载式的。不过,近些年随着车身结构、材料技术的突飞猛进,承载式车身在抗扭转刚性方面又超越了非承载式车身。但如果是面对高强度的越野,无论是什么车身形式最终也难逃车身变形的命运。

而当出现变形时,硬派越野车使用的非承载式车身结构就会展现出得天独厚的优势了。这是因为,非承载式车身负责承担扭转力的部件是大梁,而承载式则是整个车身。当发生变形后,非承载的大梁是可以通过类似钣金一样的技术恢复到接近车辆出厂时的结构状态,这便是我们俗称的“校大梁”。

反观承载式车身,由于它的车身是一个整体,并且在设计之初的受力结构十分复杂,所以一旦车身发生变形,受力结构遭到破坏,就很难像非承载那样通过“校大梁”的方式恢复到接近原厂的状态。这也是承载式越野车在越野时受到猛烈冲击导致车身变形后,其贬值率会远远大于同样情况下非承载式越野车的原因。

50年前几乎所有车都是非承载式车身

得益于非承载式车身是靠大梁来承担力的关系,因此相比起承载式复杂的车身结构来说,非承载式在车身的设计难度和成本上就要低出很多了。同时,车身不受力的特性也为非承载式车身的造型师留出了更大的施展余地,完全不用担心因为造型需求而导致车身受力结构不达标,最终被车身工程师退回。

不仅如此,由于非承载式大梁上的车身不参与受力,所以无论是以前采用非承载式的跑车,还是沿袭至今的那些非承载式越野车,它们都可以随便搞敞篷、卸车门、加后斗变皮卡等骚操作,而不会对车辆的抗扭刚性造成什么影响。可对于承载式车身来说,要想在保证车身刚性的前提下去搞敞篷这类设计,那就需要对车身其它位置进行大规模、大重量的结构性补强了。

在看完上述非承载式车身离地间隙高、底盘保护性好、容易维修、对车壳强度要求低等优点后,估计不少原本中立的朋友已经动摇到了“无大梁不越野”的阵营。既然大梁这么好,那为何如今越来越多的越野车都转向了承载式阵营呢?往下看!

通过上图可以看出,非承载式车身的梯形框架本质上就是一个中间通过横梁补强的矩形。那当面对交叉轴时,这个矩形的对角线自然会产生一定的扭转、变形。相对于可以通过计算机优化整车受力,以及应用先进材料的新时代承载式车身来说,非承载这种简单平板式结构的抗扭刚性自然会处于劣势地位。

脊管式大梁

看到这里可能有朋友会问,像是越野卡车、重载卡车这种大载重走烂路的车型,不都专门通过非承载式车身来提升车辆的抗扭刚性吗?没错,但它们所使用的非承载式车身并非是越野车上的矩形结构,而是在材料力学中拥有最强抗扭刚性的圆筒形结构,名为“脊管式大梁”。但由于这种“圆筒形”的粗度极大(上图显得不粗是因为那是大型卡车底盘),所以它完全不适用于对空间有很大要求的民用车。

扭转刚性测试

当然了,科学的论证一定是少不了数据支持的。在车身设计阶段,工程师都会通过测试台架对白车身进行纵向扭转来得出精准的抗扭刚性数据,而数字越大就说明整台车的抗扭刚性越好。这也就意味着,当车辆在通过交叉轴这种一个或两个车轮离地的情况下,“底盘”形变的范围就越小。举个例子,坦克300的大梁抗扭刚性为4935Nm/°,上一代丰田陆巡的大梁抗扭刚性为5080Nm/°,如果算上车壳的话,整体的抗扭刚性应该在10000Nm/°左右。而采用承载式车身的全新卫士的扭转刚性为29000Nm/°,已经达到了非承载式越野车的3倍了。由此可见,在抗扭刚性方面,拥有大梁的非承载式车身已经完败于被许多越野“老炮”唾弃的承载式车身了。

由于大梁承担了非承载式车身的主要受力任务,所以厂商自然不会像打造承载式车身那样,在非承载式的车壳结构、材料上花费过多成本。那在面对越来越严苛的碰撞法规时,使用非承载式车身的硬派越野车就很难以优秀的成绩通过了。

为了避免非承载式车型的乘员舱在碰撞中被过度压缩,车企只好通过在车头设计更有针对性的结构来将力分散到别的地方,像是全新Jeep牧马人就通过在叶子板和大梁处设计了一个能在碰撞时将冲撞力向斜后方分散的凸起结构,来应对IIHS的25%小面积偏置碰撞,最终成功在碰撞中通过向侧方推开车辆的方式,避免了上方车身承受巨大冲击力。但即使这样,牧马人的最终成绩也仅为M(仅及格)......

丰田4 Runner碰撞测试

此外,在美国一向以安全著称的丰田,旗下的非承载式越野车4 Runner也只取得了M(仅及格)的成绩。那么可想而知的,那些早期使用非承载式车身的老式硬派越野车的碰撞表现会有多糟糕......好在随着美国IIHS 25%小面积偏置碰撞的诞生,后续的非承载式车型也都针对车头结构以及A柱强度进行了补强,所以像是新款雪佛兰索罗德、福特F150和丰田坦途也都在25%碰撞中取得了G(优秀)的成绩。

不仅如此,由于承载式车身结构的强度要优于使用大梁的非承载式结构,因此像是国内10米以上的大巴,也已经被强制要求改用在碰撞时能最大程度保证客舱结构完整,提高乘员生存几率的承载式车身结构了。与此同时,由于少了下方梯形框架的缘故,所以车底的行李舱也可以做得更高、更大,同时司机的座位高度也能降得更低,而更低的坐姿由于能带来更快的速度感,所以也能在一定程度上降低司机超速驾驶的概率。

如果你的日常座驾是一台使用承载式底盘的车型,那相信当你第一次驾驶非承载式底盘的硬派越野车时,一定会感到一种前所未有的底盘“隔阂感”,根本无法通过底盘感知到曾经路面会传递给你的信息,而这也正是非承载式车身的另一大缺点。

相较于承载式车身会将路面震动通过悬架直接传递到驾驶舱来说,非承载式的震动首先会通过悬架传递到大梁上,然后大梁才能将震动传递到驾驶员乘坐的驾驶舱上。可由于车身与大梁之间是通过螺栓加橡胶圈这种非刚性连接的关系,所以橡胶圈会将部分震动直接过滤掉,进而造成了驾驶员与路面之间的“隔阂感”。但如果不使用橡胶圈的话,车身与大梁之间的金属又会因为摩擦产生异响,所以非承载车型也就只能通过橡胶圈固定了。

对于硬派越野车来说,虽说没人会对它的铺装道路驾驶感受抱有太大期望,但由于驾驶员很难感知到车辆实时的行驶状态,所以日常开起来会感到分外劳累。更何况,现如今买硬派越野车的人,又有多长时间在“下道”撒欢呢?

非承载式车身的最后一个缺点就是重。相比集成度更高的承载式车身来说,大梁加车身这种分体式结构自然会使用更多的钢材,进而导致车重增加。众所周知,车越重,油耗就越不占优势,那在面对日益严苛的双积分法规时,厂家就得花更多的钱来“平事”了。而这些额外成本最终还得加在车价上,导致产品的竞争力下降。

举个例子,使用非承载式车身的路虎发现4车重在2.4-2.5吨左右,而使用承载式车身的发现5则为2.2吨多,这200kg的重量差距让它们的工信部油耗也产生了差别,其中发现4 V6版本的NEDC油耗为11.6L/100km,而发现5 V6版本则为11.4L/100km。虽然油耗只差了0.2L/100km,但是对于车企而言,一台车能省下0.2L油已经会对双积分产生很大影响了。

很多人不知道的是,在上世纪60年代左右,无论是轿车、跑车还是越野车,所有车几乎都采用的是非承载式车身结构。而使用这个结构的原因也很简单,就是制造简单。但由于70年代的石油危机爆发,不少车企都转投了重量更轻,空间利用率更高的承载式车身。随着承载式阵营的壮大,这种车身形式的制造成本也开始逐渐变得亲民,并且结构的先进程度也呈现出了指数级的提升。与此同时,技术老旧的非承载式车身由于跟不上承载式革新的步伐,开始出现了群雄倒戈的局面。不过从现在这个时间点来看,承载非承载也没必要争了,毕竟等过几年全面电动化后,非承载式应该就彻底消亡了......

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