車輪輕量化時代來臨 超輕車輪如何改變未來汽車?

2017-12-23 00:00:00

相比於其他汽車零組件科技在最近十年突飛猛進,輪胎與輪圈領域的創新卻乏善可陳,不過前述遺憾近期卻有了突破!Toyota剛宣佈他們計劃2020年之前推出免充氣輪胎,還可顯著降低整車重量。另一方面,輪胎也進入了「碳纖維時代」了嗎?Porsche近期推出一款純碳纖維增強塑膠輪圈,意味著駕駛動態和駕駛樂趣的間接提昇;「超輕車輪」時代離我們還有多遠?更低的簧下與簧上荷重將如何影響未來汽車產品?請看我們的分析。

因為材料特性,碳纖維從1950年代初開始應用在航空太空領域,也廣泛應用於體育器材、紡織、化工機械、醫學與汽車領域。

 

文 許鴻德

如何地減輕汽車重量、扭轉20年來讓新車因滿載各種安全和舒適配備而愈來愈重的大趨勢,已成為高級與豪華車廠的首要挑戰與未來生死存亡的關鍵!

從中國到歐盟總部比利時、再到全球最大單一汽車市場美國,各國政府都要求新車使用更少的汽油,或最好是完全不使用汽油(電動能源)。來自鋼鐵生產廠商Arcelor-Mittal、Robert Bosch GmbH與諮詢公司Arthur D. Little的分析得出一個發人深省的結論:若汽車全車重量降低10%,則燃油效率可提高6~8%,全車重量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3~0.6升,車身減重的成本比加裝任何形式的混合動力系統都要更低。

現有的節油科技包括可變氣門與進氣岐管、渦輪增壓和個別汽缸熄火等等,但沒有一種能達到5%的節油效果!降低車身重量還能減輕煞車系統壓力並提高引擎效能,當前由於環保和節能的需要,「汽車輕量化」已經成為世界汽車發展的潮流。

許多超跑產品都已經大量應用碳纖維材料。

許多超跑產品都已經大量應用碳纖維材料。

 

減輕車輪重量的效益明顯

相比於其他汽車零件科技在最近十年突飛猛進,在輪胎與輪圈領域的創新卻乏善可陳,過去對於降低輪胎與輪圈重量的研究投入也遠低於車身其他部位。但身為車輛唯一與地面接觸的零件,同時也是簧下荷重(包括車輪、懸吊搖臂、煞車系統)的主要部分,輪胎與輪圈的減重對於節能與性能提昇的效果都非常明顯!車輪的轉動慣量對車輛性能有著非常直接的影響,不論引擎的馬力或扭力有多大,都得先克服車輪的轉動慣性後,才能將扭力透過車輪有效傳遞到地面。

降低車輪(當然還包括一起旋轉的煞車碟)重量可以讓引擎動力的傳遞更加直接,這也是提昇車輛性能最快的方式之一:業界共識是車輪減少1公斤相等於車身重量(簧上荷重)負擔少了10~15公斤左右(僅是車輪減重30%,燃油效率就可提昇7%以上),許多競賽用車輛最常見改裝的就是車輪重量減輕,才能讓車輛加速性能方面有著明顯助益。

在降低車身重量的手段上,汽車工程師很早就運用了先進複合材料(主要以碳纖維材料為主),碳纖維是指碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異。碳纖維具有一般碳素材料的特性如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,碳纖維其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現出很高的強度。與樹脂、金屬、陶瓷等基體複合而成的複合材料其強度在現有結構材料無人能出其右。

也就是因為其材料特性,碳纖維從上個世紀1950年代初開始應用在航空太空領域。火箭工程師發現太空梭重量每減少1公斤,就可使運載火箭減輕500公斤燃料。飛機重量的減輕也可以節省油耗並提高航速。美國JSF先進戰鬥機F-35上的碳纖維複合材料已佔全機重量的1/4、機翼重量的1/3。隨著科技的發展,碳纖維複合材料的生產技術上不斷進步、成本也愈來愈低。除了前述的航太應用之外,也廣泛應用於體育器材、紡織、化工機械、醫學與汽車領域(各類超跑與高級車輛的使用佔比逐漸上昇)。


降低車輪(與煞車碟)重量可以讓引擎動力的傳遞更加直接,也是提昇車輛性能最快的方式之一:業界共識是車輪減少1公斤相等於車身重量(簧上荷重)負擔少了10~15公斤左右;僅是車輪減重30%,燃油效率就可提昇7%以上。

許多競賽用車輛最常見改裝的就是車輪重量減輕,才能讓車輛加速性能方面有著明顯助益。

 

成本高昂 量產之路卻不遠

汽車工程師嘗試將碳纖維材料應用在輪圈上已有一段時日,卻始終無法克服成本及性能上的瓶頸!考慮到碳纖維本身耐衝擊性較差,以及克服這一問題需要投入更多成本等因素,儘管實現起來難度不高,但願意將碳纖維材質引入到民用車輛輪圈中的,過去僅有Koenigsegg與Ford的特殊車款。Koenigsegg Agera R與ONE:1的確是世界上率先採用中空式、一片式全碳纖維輪圈的民用車型,獨有的Aircore空心技術,輪圈的重量降低的成效明顯(每個輪圈重量僅6公斤)、同時也減少了20%的簧下重量,不過一套這樣的輪圈配上米其林Pilot Sport Cup 2輪胎要價60,000歐元。

全碳纖維輪圈成本高昂的原因在於:採用人力以輪圈的雛型將碳纖維材料一片一片交織於模具上,無論是框面還是框身的基本結構都是用這複雜且緩慢的生產模式。

我們可從Koenigsegg原廠公開碳纖維輪圈的製作過程來一窺全碳纖維輪圈成本高昂的原因:採用人力(手工)以輪圈的雛型將碳纖維材料一片一片交織於模具上,無論是框面還是框身的基本結構都是用這複雜且慢條斯理的前置生產模式,最後再將完成的碳纖維框架真空處理並送到烤爐成型,完成後進行打磨、烤漆的外觀保護,而這樣僅完成ONE:1的一個輪圈而已。相較於鋁合金「鍛造」輪圈的全自動生產流程:用機器將鋁材壓成輪圈成型,再修飾細節打磨上漆即可,手工打造的碳纖維輪圈成本之高可想而知,由於碳纖維是種交錯編織的材質,過往技術是無法採用機器來大量生產輪圈。

之後Ford在Mustang Shelby GT350R跑車上使用的碳纖維輪圈選擇與Carbon Revolution共同設計,為了確保這套輪圈能夠達到民用車輛的耐久度,他們先後進行了包括撞擊、紫外線/化學暴露以及極端熱耐久性等測試,還採用了熱熔射塗層技術以強化使用壽命。

碳纖維輪圈需經過大量測試,並採用了熱熔射塗層技術以強化使用壽命。

如何降低碳纖維輪圈的生產成本,以擴大其潛在客戶基礎?這是汽車工程師長久以來的努力目標,而Porsche近期也宣佈其研發成果:該廠推出的純碳纖維增強塑膠輪圈預計將搭載於2018年初的911 Turbo S Exclusive Series車型,也將讓他們成為首個大幅量產碳纖維輪圈的汽車品牌。

Porsche碳纖維輪圈的中心以交織性的碳纖維織物為材料,並經由200多個單獨的零件切割、組裝而成,為此該廠還投資了全球最大的碳纖維編織機來用於生產,一個輪圈總計採用11英哩長的碳纖維絲材料。編織機完成輪圈的雛形後,再經由高壓和高溫情況下進行樹脂填充和初步的樹脂固化、模塑成型,冷卻、上保護漆、美化外觀等程序後完成。碳纖維輪圈對性能的提昇是顯而易見的:單個碳纖維輪圈的重量僅約8~9公斤,如果將材質換成鋁合金的話、其重量可能會飆昇至15公斤。

為了提供量產產品給客戶,Porsche還投資了全球最大的碳纖維編織機來用於生產碳纖維絲輪圈。

Porsche表示碳纖維輪圈的堅韌度也比同等鋁合金輪圈高出20%,整套車輪的選配價格雖仍達16,000歐元,但規模化生產已較Koenigsegg Agera車廠的同類產品價格大幅下降60%、同時品質更穩定,相信隨著生產規模的擴大,未來將有更多車主可享受到碳纖維輪圈所增加駕駛動態和駕駛樂趣。

 

何謂熱熔射塗層技術?

熱熔射技術是在物品表面上噴覆特別的模層,以增加抗腐蝕性、抗高溫氧化性、絕緣性、熱傳導性、耐磨耗性等能力,可延長物品的使用壽命。

 

 

輪胎相關科技仍無明顯突破

除了輪圈之外,車輪的另一個重要組成:輪胎也是汽車工程師盼望升級換代的重要目標!如同所有的消費性產品,「新科技」始終是推動產品革命的動力。在1930年代、多數汽車都必須攜帶一個以上的備胎。因惡劣的路況與不甚耐用的輪胎所導致「爆胎意外」就像是家常便飯。30年代末期、Michelin首次將橡膠和鋼絲完美地結合,成功設計出鋼絲輪胎,朝著子午線輪胎的發展邁出了重要的一步。

節省燃油、使用壽命更長、操控性也更佳的子午線輪胎從1950年代誕生、並於1970年代開始成為主流輪胎產品,備胎的數目從此縮減為一個。

節省燃油、使用壽命更長、操控性也更佳的子午線輪胎從1950年代誕生、並於1970年代開始成為主流輪胎產品,備胎的數目從此縮減為一個。甚至有人說子午線輪胎毀掉了汽車產業!1970年以前幾乎所有的輪胎都是斜交輪胎:在橡膠胎面下,尼龍皮帶以30度或45度角對角線形成交叉線,讓輪胎的側壁更強韌,價格更便宜,問題是每行駛1.2萬英哩就要換輪胎,Michelin發明的子午線輪胎雖然製造成本較高、但可以行駛4萬英哩才更換,從此輪胎產業進入「大者恆大」的格局,而子午線輪胎帶來的輪胎回收難度也成為嚴重的環保問題。

Michelin輪胎廠的無氣輪胎概念產品:Tweel輪胎有兩層沒有空氣的實心橡膠,傳統輪胎的充氣部分是為了吸收來自路面的震動。

在子午線輪胎獨領風騷至今約50年的時間內,輪胎相關科技並無特別重大突破,「Run-Flat」防爆輪胎(正式名稱為「失壓續跑胎」)雖然一度被認為是下一個輪胎革命的主角,一度有75%的美國車主和92%的法國車主都認為防爆輪胎是重要的創新科技,卻因為較低的使用壽命與更高的養護成本而被用戶抱怨連連。其實「防爆輪胎」的構想早在1983年就已出現,當時Pirelli與Goodyear曾聯手推出一種特別的防爆胎技術(也立刻成為Porsche 959超級跑車的標準配備),但由於這種防爆輪胎要搭配昂貴的特殊輪圈,所以始終沒有普及。

 

1990年代中期Goodyear工程師首度推出扁平但剛性十足的胎壁、可讓爆胎後零胎壓的車輛持續以時速80公里再續航200公里的創新產品。透過強化附加環帶的胎壁以及耐高溫橡膠化合物,「Run Flat」輪胎即使在胎壓降低至零的情況下仍具備近乎輪胎原始輪廓的支撐力,也仍可利用其結構來承載車身的重量。1996年Michelin推出了名為「PAV」(之後更名為PAX)的防爆輪胎產品,Goodyear、Pirelli、Continental、Bridgestone與Sumitomo等其他輪胎廠商亦紛紛跟進,防爆輪胎開始進入「百花齊放」的時代。

在2017年的東京車展上,Toyota展示了其氫氣驅動的概念車Fine-Comfort Ride,並首次使用無氣輪胎。

然而關鍵技術的瓶頸卻讓用戶反感連連:防爆輪胎的壽命(約三萬公里就需更換)僅是子午線輪胎(約六萬公里)的一半,這意味防爆輪胎的使用成本是傳統輪胎的四倍!6位Toyota Sienna車主曾於2005年對Toyota及防爆輪胎的製造商Dunlop提出告訴,他們認為這些防爆輪胎壽命實在太短。位於加州的一位Odyssey車主Maria V. Ocampo抱怨她要打電話給Michelin的客服中心才能找到擁有維修防爆輪胎設備的Honda經銷商。而她的防爆輪胎行駛了二萬英里以後就壽命告終,而一套新胎(外加安裝費用)的價錢竟高達1,600美元(這也導致二手車價下跌)。

 

 

無氣輪胎商用化日程指日可待

針對用戶的抱怨,其實汽車與輪胎製造商早已將目光放在另一個革命性的新科技!傳統充氣式輪胎是Michelin兄弟發明,但也很可能被Michelin輪胎廠的新產品所淘汰!早在2005年該廠就發表了「Tweel」輪胎研發計畫,如果這個計畫能廣為市場所接受、下一代的輪胎壽命將比現有產品多上三倍、而且永遠不必充氣(因為裡面根本沒有空氣)。Tweel計畫的名稱(「車胎」Tyre與「車輪」Wheel的組合字),我們不難推測到它所傳達的「整合性車輪」概念:傳統車輪的輪圈(與圈內的輪幅)及輪胎未來將被整合為一體(一個單元),Tweel輪胎有兩層沒有空氣的實心橡膠,傳統輪胎的充氣部分是為了吸收來自路面的震動,在Tweel輪胎中、這個任務由Polyurethane(聚氨酯)為材料的高分子輪幅來擔任。Michelin的工程團隊表示Tweel輪胎胎壁能提供的橫向抵抗力比現有輪胎多上5倍,對於追求更佳車輛操駕性能車主來說、這是天大的好消息。

Toyota車廠首席工程師Takao Sato表示無氣輪胎可提高行駛時的安全感,讓駕駛不用擔心輪胎被刺破或是胎壓不夠的問題。

經過了10餘年的持續研發改進(這中間無氣輪胎已經在割草機、高爾夫球車、建築機械車輛、娛樂性質的全地形車輛上使用,而中國最大的共享單車業者:摩拜單車Mobike也採用實心輪胎以降低維護成本),無氣輪胎商用化的那一天已經指日可待。

在2017年的東京車展上,Toyota展示了其氫氣驅動的概念車Fine-Comfort Ride,他們也在這款車上首次使用無氣輪胎,這款輪胎主要是以橡膠帶環繞塑膠鋁合金輪圈,而且每個車輪上都有各自的驅動馬達。Fine-Comfort Ride概念車所使用的無氣輪胎是由日本住友橡膠所開發。Toyota首席工程師Takao Sato表示無氣輪胎可提高行駛時的安全感,讓駕駛不用擔心輪胎被刺破或是胎壓不夠的問題。現階段無氣輪胎和普通輪胎的重量相當,但Takao Sato推估在2025年時,隨著橡膠技術的發展、每條無氣輪胎將減掉11磅(約5公斤)或者30%的重量。Toyota無氣輪胎主管Wako Iwamura規劃在2020年之前將無氣輪胎推向商用市場,並認為無氣輪胎可有效降低車輛(尤其是電動車)的車身重量。

而除了減輕輪胎重量外,無氣輪胎廠商還需要迫切解決的是摩擦阻力問題,在滾動阻力(輪胎運動時對輪胎起作用的摩擦力)方面,無氣輪胎的性能要比目前的充氣輪胎差上10到20%,這對於無氣輪胎的主要應用點靠鋰離子電池驅動的電動汽車來說非常不利。不過相信在材料工程師的努力之下,前述問題應該會可見的未來有所突破。

全面換用無氣輪胎後,不再需要備胎,行李廂則可多出15%空間。

車輪相關技術的突破對減輕車重及提昇車輛性能的助益顯而易見:光是換用碳纖維車輪可降低的簧下荷重就可輕易達到20公斤,未來換用無氣輪胎又有機會降低將近20公斤,這意味著約降低25%簧上(車身)荷重的同等效果。而全面換用無氣輪胎後,備胎順理成章的從後行李廂消失,行李廂在移除備胎與工具組後多出了15%空間,負載還減輕將近20公斤,無氣輪胎能夠大幅提昇現有產品的性能(不論是車室內空間或油耗表現),當移除備胎(降低車重)所節省的油耗成本逐漸接近換用的額外開支,新世代輪胎的吸引力也一天比一天增加。不可諱言,近年來車輪相關科技的發展相對緩慢,還是有非常大的空間需要提昇,我們也期待前述關鍵新技術能夠早日普及。

 

Toyota首席工程師Takao Sato表示無氣輪胎可讓駕駛不用擔心輪胎被刺破或是胎壓不夠的問題;目前雖和普通輪胎的重量相當,但Takao Sato推估在2025年時,每條無氣輪胎將減掉約5公斤或者30%的重量。Toyota無氣輪胎主管Wako Iwamura則規劃在2020年前將無氣輪胎推向商用市場。

  

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