本文来自微信公众号:autocarweekly(ID:autocarweekly),作者:嗷嗷胡,头图来源:视觉中国
除了互联网上喜闻乐见的“云评”车祸时间,车身铁壳子,大概是一辆车上最没人在意的东西了。
虽说大部分正经车企,都会在媒体资料包里放几张车身结构图,也常常在发布现场摆出白车身展具,但在很多哪怕是从业者眼里,这些五颜六色摸不着头脑的玩意儿,能得到的待遇多半也就是一笔带过。
人们会关心发动机马力有多大,会关心油耗电耗是多少,会关心车内大屏多少寸,会关心豪华配置有多少,会关心舒适性表现好不好……谁能想到看似平平无奇百年不变的铁壳子,居然也能影响这一切?
一、揭开真正的“壳”
我们经常说的所谓“白车身(body-in-white,BIW)”,指经过冲压和焊接、但未经涂装的整个车身结构,通俗讲就是大家理解的“车壳子”或“车架子”。
一般来讲,白车身在范围上,需要区分包含、不包含覆盖件两个语境维度。车身覆盖件,即车门、前机盖、尾门/后备厢盖、翼子板等(俗称“四门两盖”),通常是不参与整车刚度建设的。换言之,它们才是真正的“只是个壳”。翼子板保险杠被自行车撞瘪,和车身安不安全真没关系。
像车门与车身主体的连接,其实就只有转轴和锁销几个点而已,对于车身受外力发生的振动形变,它们并不能“帮上忙”。(但覆盖件对碰撞有一定作用,如车门内基本都有防撞梁。这里需区分“刚度”与“强度”,请参阅《99%的人都不知道,“刚”和“强”是两码事》。)
覆盖件就像车辆内饰一样,反而会受车体振动形变的影响。因为它们更换起来很简单,不影响车身主体结构的原有设计,海外车型引入国产有时会出现“铝换钢”的现象(本人对此不置可否)。不过由于覆盖件对刚度基本无影响,此类改变主要损害的是重量方面。
覆盖件会占到白车身总重的1/4~1/6,极端轻量化的超跑会更低。一些运动性能车在门板、前后舱盖、车顶使用铝材乃至碳纤维,但由于覆盖件本身重量不占大头,减重和降低重心的实际效果有限(尤其与视觉效果比)。雷克萨斯LC的碳纤维车顶,就只让整车重心降低了1.2mm。
一般如无特别强调,我们讲的白车身都是指不含覆盖件的狭义概念。
二、越刚,越安静?
刨去车身覆盖件,白车身的核心结构才是重头戏。
刚度是白车身最重要的性能指标之一,尤其是抗扭刚度。这也是你最容易从市面主流渠道获知的车身性能数据,尤其是在白车身方面下血本的厂商就更爱言必称刚度。蔚来一直以高达44140N·m/°的惊人数据为傲(确实很高),麦格纳出品的北汽极狐也时常炫耀其55000N·m/°的车身刚度。
(不过需要说明,电动车在刚度战争上是有天然优势的。)
所谓刚度,即车身抵御外界应力造成的可塑形变的能力。44140N·m/°,即需要施以44140N·m的扭转力矩,车身才会发生一度的扭转变形。显然这个数字越高,车身抗形变的能力越强,同样外力作用下的形变越小。
在车辆行驶过程中,路面颠簸、机械运转都会持续对车身施加应力。我们从宏观上看,车身是一个坚固的钢铁笼子;但微观上看,车身几乎无时无刻不在发生着微小形变。在诸如赛道竞速或越野脱困这样的极端情况下,车身形变还会扩大为宏观影响。
比如,一些SUV厂商会将车开上交叉轴,在对角线两轮着地的情况下,测试车门是否能正常开启和关闭。别笑,真有不少SUV车型在这种情况下,要么车门因为车身(门框)形变而打不开,要么打开了的车门再关不回去(开下正常路面才能关上)。这就是车身形变被放大并可视化了。
赛道竞速也是类似,在极限驾驶时车身发生的形变,足以让前后悬架偏离原始设定。所以对于高性能车和超级跑车,车身刚性也是重中之重,之所以铝材和碳纤维被超跑青睐,主要原因便是兼顾了轻量化与车身刚度。
说回到非极端情况。
对于我们普通人,车身刚度显著影响着一辆车的NVH表现,放到日常语境中就是振动、噪声、静谧性、舒适性。你在选车试驾时或许未曾想到,舒适性这个所有人最熟悉的维度,影响因素不只是发动机噪音、隔音措施、轮胎、风阻,还有车身。
这是因为车身刚度的高低,直接决定了车身的模态频率。所谓模态频率,粗浅理解就是车身的固有振动频率。中学物理课上体育老师教过大家:任何物体都有一个固有频率,当外界激励频率接近这个固有频率就会诱发共振,使振动能量显著增大。曾经有一队士兵过桥,走着走着桥就被共振震塌了。
刚度越高模态频率越高,这好理解,越“刚”的东西越不容易形变,你想让它共振所需达到的频率自然越高。在铺装路面上,来自路面的振动激励频率,与车辆行驶速度是正相关的,所以越是注重巡航舒适性、高速舒适性,就越需要高模态、高刚度的白车身。
车辆行驶中的噪音,除了容易理解的风噪、胎噪、机噪,还有一个重要组成部分是结构噪声。如果你乘坐某一辆车发现,每到某个速度车子就出现如振动棒一般的剧烈震颤,这就是明显的因共振导致的结构噪声急剧增大。
如果车身的刚度过低、模态频率过低,日常速度下的路面激励都可能让车身接近固有频率而产生共振。越是新一代车型、越是高端豪华车、越是注重舒适性的车型,就越需要高刚度高模态,将车辆被诱发共振的车速尽可能“推离”合法车速上限,离得越远越好。
为什么高端车豪华车经常“不知不觉就开快了”,为什么廉价车往往到某个不算高的速度就有恐惧感,为什么同样性能的豪华车比小钢炮们更“没速度感”,为什么强调高速巡游的“GT”车型会成为一个图腾——不只是心理作用在作祟。
另外,相当一部分车内异响来自于内饰组件之间的振动和摩擦。所以如果车身的刚度越高,形变和振动越小,工程师就可以允许更小的内饰组件间隙,在我们看来就是“做工更好、更精细”。这同样是促使厂商,尤其豪华车企提高车身刚度的诱因之一。
三、不息的刚度战争
一分钱一分货的道理,在大的层面上笼统地看是适用的。横向比较,同一时代下,高端车往往有着比廉价车更高的车身刚度。纵向比较,看似风平浪静的车身制造行业,百年来刚度战争也从没停火。
今天,多数主流中型轿车的刚度在20000~35000N·m/°(非常不精确,仅作大致数量级参考),优秀的白车身可以接近40000N·m/°,而40000N·m/°以上则是奔驰S级、宝马7系、奥迪A8这类行政级豪华车的领域。
(衡量车身刚度一般有扭转刚度和弯曲刚度之分,刚度又存在静刚度和动刚度之分,为便于理解在此姑且不做区分。)
需要说明,不同车身类型,刚度会有天然的区别。比如之前在《掀背三厢车为何总是不入流?》谈到,两厢车、旅行车、SUV这类掀背车,要想达到同样的车身刚度就会比三厢车费劲。而敞篷车因为没有上部结构——无论软顶硬顶都只是个“棚子”不参与刚度——就更加困难,同样技术、成本条件下刚度必定垫底。
所以你也就能理解,为什么长期以来,代表着“最舒适”的车型一定是三厢轿车。
纯电动车带来了另一个例外。由于电动车在车底需要布置一块电池包,而电池包被钢铁外壳严密保护,坚固的电池壳体歪打正着,成了电动车车身刚度上的buff。比如前面提到的蔚来和极狐,在低得多的售价轻松超越了S级/7系/A8的“4万大关”。
油改电更容易说明问题:宝马X3燃油版的车身抗扭刚度约25000N·m/°,而电池包直接让纯电版iX3达到了52500N·m/°,奥迪e-tron也高达50000N·m/°。二者售价同样比行政级轿车低得多,蔚来和极狐并非赔本做买卖。
所谓纯电动车是未来,“环保”只是原因之一而非全部。不过,并非所有电动车都将“刚度红利”兑现了出来,也有一些让出了刚度优势换取了省材料成本。整体层面比较的结论,到个体层面永远要具体分析。
什么决定着结构刚度的高低?截面面积、材料厚度、弹性模量,只有这三个因素。
截面面积,比如A柱的整体宽度、门槛的整体厚度高度,这些“柱子”尺寸越粗壮,对刚度的贡献越大;材料厚度不用多说,同样截面积,2mm钢板做的肯定比1mm的刚度高;至于弹性模量,这是由材料本身特性决定的。
弹性模量有一个比较有意思的特点:它几乎只与材料的化学材质相关。你应该知道车用钢材往往有高低不同强度的钢,但不论高强度钢还是低强度钢,其弹性模量几乎是相同的。换言之,一切把“大量使用高强度钢”作为“车身刚性好”直接原因的表述,都是错误的可以直接忽略。
提高刚度不是件容易事,这三个因素都不是“善茬”。增加截面面积?A柱、B柱、C柱关系着视野和盲区,门槛高度宽度会让上下车困难(所以超跑门槛都很宽),车身内设的横梁纵梁影响着机舱和乘员舱的空间。
增加材料厚度?依然使用钢材而仅增厚,车身重量会水涨船高;为了达到同样的性能,需要更大功率的动力系统;更大的发动机加上更重的车身,又会携手让油耗增加。要将车重和油耗压下去?那只能砍掉车载豪华设备,或者减少隔音减振措施——问题又回到了舒适性上。
更换材料?可以,钢换成铝、铝换成碳纤维。铝的弹性模量虽然只有钢的1/3,但重量/密度低而可以拥有更大的厚度,从而获得高刚度(碳纤维与之同理,只是更好更贵)。但铝材成本是钢材的数倍,碳纤维则是数十倍起步。如果是钢铝混合,还需要焊接以外的其他连接工艺,调整生产线又是成本。
还是本人总挂嘴边的几句老话:牵一发而动全身,有得则必有失,天下没免费午餐。
车身之所以重要,是因为它决定甚至是定义了一辆车的先天特性。比如刚度和模态决定了NVH能有一个什么样的起点,哪怕后天能靠种种隔音减振措施去提升最终的NVH表现,也总会需要在重量、成本、技术等其他方面做投入或牺牲。
比如车身的轻量化程度,决定了车辆的性能和能耗有一个什么样的基础,当然后天也有种种减重措施、使用更高效的动力系统,但一具轻量化达到要求的白车身,是不需要你舍弃部分豪华设备、使用更新更复杂更贵的技术作为代价的。
所以我会说,白车身的技术水平和各项性能,作为一个基础决定着整车各方面的可能区间:地板在哪,天花板又在哪。有点像本科毕业文凭,它不是绝对重要,本科学校不好还有考研机会,到社会最终还要看实际能力;但从社会宏观上讲,一个更高的学历起点总会导向更符合成功学的人生。
车身是一个基础,但也只是一个基础;反过来,它只是一个基础,却又为一切奠定根基。
作为消费者,其实你很难去准确了解到某款车的白车身性能究竟如何,甚至哪怕汽车媒体从业者也多半拿不到足够信息。像车身模态频率,根本不会出现在任何车企的对外公布资料中。好在车身刚度近年开始受到关注,但也仅限于部分车身投入高、表现好的厂商,愿意拿出来作为技术水平背书。
但你至少可以知道车身对于一辆车至关重要的作用和意义,丝毫不亚于大家平时津津乐道的其他方方面面。遍观消费者认知和汽车媒体行业现状,“车壳子”处在绝对的被低估状态。反正影响不直接、解释不容易、不性感、不爆炸,干脆大家集体忽略算了。
而假如你认识到了这一切,又应该辩证地认识到,也不能矫枉过正将车身视为绝对重要——实际上就没有什么是“绝对重要”。和动力、传动、悬架等没什么不同,车身也只是组成和定义汽车的子系统之一,而最终我们要的是一辆完整的车。
战略上重视,战术上平视。
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