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車殼製作
本文將介紹省油車的車殼設計、製作。
作者:侯凱中
我們都知道車輛在行走時﹐最大的動能損耗就在於機械摩擦以及空氣阻力。因此我們在設計之初﹐就苦心思考該如何製作我們的車身。其中除了材料的選用之外﹐車殼的形狀也是讓我們煞費苦心。
很明顯的﹐當物體在大氣中移動時﹐必定會受到空氣的影響﹐而利用不同的形狀效果﹐我們就可以得到不同的空氣動力模式。其中的原理我在此不加以詳述﹐只以一個最淺顯的例子加以說明。飛機翅膀的形狀大家都相當熟悉﹐我們利用機翼上､下表面形狀所造成的壓力差﹐使飛機向上飛起來。同樣的道理在車輛行走時﹐為了穩定車身﹐我們會刻意使得車身上方的壓力大於車底的壓力﹐這也就是許多的跑車都採用流線的車殼設計和大型氣壩的原因。而我們的新世代省油車當然也不例外﹐特別將車殼依照氣體動力學的原理加以設計﹐也就是增加上半部份車殼的氣壓﹐而減低車底的氣壓﹐以期造成最大的向下正壓力﹐以維持車輛行走時的穩定性和順暢性﹐這就是我們車殼在垂直地面､車身縱向方向形狀的設計要點。
而在另外一方面我們都很清楚﹐空氣阻力主要是來自於車輛前後方的壓力差﹐以及車殼的表面摩擦阻力。所以如果要減少阻力﹐除了縮小前視的投影面積之外﹐就是要朝著減低前後方的壓力差著手了﹗要減低壓差就得改變車殼的形狀﹐使前後方壓力的改變達到最小才行﹐也就是要改變車身在平行地面的切面方向的形狀。以下我們利用一個明顯而常見的範例來說明:我們都聽過水滴狀的車身﹐它的前端較圓､尾端較尖﹐以便使空氣在流過車身之後﹐所形成的尾流(Wake)現象向後延遲發生的位置﹐這樣就可以避免或是減低車身尾部的低壓狀態﹐進而減小車身前後方的壓力差。基於這個原因﹐我們將切面設計成為更先進的一近零阻力形狀的剖面﹐也就是所謂的Near optimum shape for low-drag strut的切面﹐有時我們可以也稱之為Zero force shape﹐相信以大家對流體力學的認識﹐必定都能夠對我們的設計理念有所瞭解。而以上的設計﹐最後使得我們的車身由上方看來如同一條魟魚﹐當然無庸置疑地這是一個理所當然會得到的一個形狀﹐因為如果魚的形狀會使牠在游泳時消耗許多的體力的話﹐那相信牠一定活得很痛苦。
因此在我們得到了車殼形狀的設計之後﹐立刻著手展開尋找材料的工。開始之初﹐我們也曾想過要利用複合材料來製作﹐但是馬上面臨的一個問題就是工程師們最常遇到的問題﹐那就是問題到底是什麼﹖當然﹐我們參加的是省油車比賽﹐所追求的就是省油﹐所以其它的問題都是次要的﹐因此除了要找到一種最能符合前述形狀的車殼之外﹐它的重量也不能太重。雖然根據國外相關的測試報告顯示﹐增加10kg左右的車重﹐對每公升燃油所能行駛的距離影響不到5%(大約的估計)﹐但是對於一個工程師而言﹐只要能夠做到的就決不妥協。所以就算複合材料的強度重量比高於一般的鋼鐵或是鋁合金﹐但是如果我們做出一個20公斤重的車殼﹐卻不能對結構的強度有些許的幫助﹐那再好的材料都是枉然。不然現成可以買到的浴缸﹐稍稍修改一下﹐以不失為是一個不錯的車殼﹐而且似乎也有人這麼做。因此我們決定尋找最輕的材料﹐而不考慮它的強度﹐並希望具有最佳的加工性﹐使我們在製作時能夠完全的掌握它的形狀。
經過了數日的苦思﹐終於在偶然的機會中發現了一種車殼的製作方法﹐當然這也就是我們最後採用的﹕鍍鋅鐵絲加上塑膠布包覆。也就是一般人所俗稱的:花燈。
首先我們將鐵絲裁成適當長短﹐再利用點焊機將一個個彎曲好的骨架焊接成為所要的形狀﹐最後再將塑膠布以熱融膠貼附於骨架之上﹐完成後再噴漆就成為我們的車殼了。至於車身的顏色問題﹐有許多人都曾經提出疑問:為什麼要選擇紅色呢? 其實理由很簡單﹐還記得兩年前台大機械的"Alpha"嗎? 學長為了要在車殼上噴車號﹐就去買了罐紅色的噴漆。毫無疑問地﹐在兩年後的現在﹐我們基於環保以及資源回收的理念﹐也就發揮出了那罐噴漆最後的一絲價值。
當然﹐因為我們並未將車殼置於風洞中測試﹐所以或多或少會有人懷疑它的效果﹐但是經由我們利用風很大的時候﹐騎著腳踏車與加上車殼於腳踏車的車頭上騎乘時的風阻作比較﹐我們可以相當明顯的感受到﹐騎乘時的阻力大大的減小了﹐而且車殼也會產生向下的壓力﹐因此就算是只用手指輕輕鉤住﹐在大風中車殼也不致被吹走﹐因此我們的設計可以說是相當的成功。當然其中最值得一提的﹐就是這個功效卓著的車殼﹐在一公尺長的車身部份尚不到1000g重﹐而負擔最多功能以及任務的車頭部份﹐更是不到600g﹐而其效果直可與重達20公斤的玻璃纖維殼相比﹐相信這也是我們這次大幅領先並且獲勝的重要原因之一。