機車車架:鑽石形、單脊梁、搖籃式、環抱式(雙翼梁)

機車的車架就像是汽車的底盤,對操控性能產生很大的影響,車架基本上決定了車輛性格的大方向,就算你用上最高檔的歐老師,也只是在既有的性格上進化。

機車車架形式有非常多種,在英文資料上,也有很多不同的分類法,翻譯成中文後又衍生了更多的說法,造成網路討論上的激戰點。

以下主要是根據英文版WiKi的分類,並用台灣比較常用的名詞與例子,來做一個介紹。大家也就不用太拘泥於這些名詞,只要知道設計重點就好了。

機車車架示意圖。大部分機車車架固定著前後懸吊、引擎、變速箱、油箱與副車架,也有很多機車的車架與副車架是結為一體的。


哪種車架比較好

先說說山葉三兄弟的故事好了

YAMAHA 600cc等級,以前有著三兄弟,三者基本機械架構相近,引擎基本上是同一顆但調教設定不同,卻造就了三輛騎乘風格迥異的車。

老大R6,身為600cc仿賽車唯一的高轉速引擎代表,原廠設定當然瞄準了賽道騎乘,因而採用了鋁合金環抱式車架,高性能懸吊,承襲了YAMAHA優良的轉向能力。

老二FZ6,中量級街跑開創者,原廠著重在時速70公里左右的山道騎乘,雖然也採用鋁合金環抱式車架,但車架看起來明顯沒有R6粗壯,配上反應柔和的懸吊與煞車,讓FZ6在山道上不會帶給騎士壓力,展現出400cc等級的靈活性。

老三XJ6,是極少數為了城市街道騎乘設計的中量級車輛,同樣採用了環抱式車架,但不是鋁合金材質,而是鋼管加鋼板製成,副車架與主車架結為一體,更特別的是後搖臂樞軸,是如同單脊梁與單搖籃車架般,固定在車架外側,是三兄弟裡面車架最「軟」的一員。軟性的設定,讓轉向靈敏輕快,非常適合在城市裡遊走,在中高速或加減速時也沒有不安定感。

三輛車都是採用傳說中有著「高剛性、操控保證」的環抱式車架,卻有著不同的設計與材質,配合不同的引擎、懸吊、煞車設定,讓三者在分別在賽道、山道、街道中能充分發揮。

三兄弟的身世告訴了我們,並沒有哪一種車架是最好的,都是原廠針對不同的騎士需求,做出最佳化的設計。

以現在世界一線大廠的實力,加上電腦輔助設計的進步,許多如上面XJ6那樣的「混種」車架設計陸續出現,一般的車架分類顯得沒那麼重要哩,只是讓我們在騎乘之前,對於原廠的設定,有一點點粗淺的認知罷了。

MT-07的車架,就長的非常「混種」,各種車架的特徵好像都有一點,也有一些獨創的設計。


什麼是車架

機車車架是連結前後懸吊、引擎等設備的構造。

如果用常理判斷,可能會覺得車架剛性越高越好?!實際上車架太過死硬,車子的加減速穩定性會很好,但騎起來會有笨重感;車架過軟,騎乘感會很輕快靈活,但穩定性就較差。

當然會影響騎乘感的不只是車架,包含引擎特性、懸吊設定,甚至連輪胎的影響都很大,不可能單從車架去決定一輛車的性格。

原廠就是在穩定性與靈活性這兩個端點,依據車輛的企畫、車廠的目標,來調整各個部件,決定車輛的性格。

設計車輛時,要設定三個軸向的剛性平衡,搭配懸吊與輪胎的設定,來決定一輛車的性格:是舒適或靈敏,讓騎士覺得好騎或好累!X軸稱為扭轉剛性,會影響到操控龍頭時的反應;Y軸稱為縱向剛性,會影響到加減速時的穩定性與平衡;Z軸稱為橫向剛性,會影像直行與轉彎時的性能。

這篇文章,只是概略講講車架的分類與特性,若要瞭解車架對操控的影響,可以參考本網誌另一篇文章「公升級四缸仿賽車開創者YAMAHA YZF R1發展史(一):設計概念」,從R1的設計瞭解車架設定與操控性的關係。



原廠「調配」各個部件決定了車輛的性格,但騎士還是可以透過改裝來改變,一般最常做的就是懸吊、煞車系統、輪胎與輪框的改裝,只有賽車車隊才會對車架下手修改。不過YAMAHA(Y'S Gear)有推出車架阻尼器Performance Damper,可以減少震動外,並可增加穩定性、減少些許靈活性。從這個小零件上,我們也可以得知車架是有充分彈性的,可以靠一根小小的阻尼棒來修改。


車架的發展

常有人說機車的車架是從腳踏車架演變而來的,這句話只能算是對一半。世界上第一輛機車的車架,是雙搖籃式車架,不是腳踏車上面市佔率最高的鑽石形車架。

公認的世界上第一輛「機器腳踏車」:1885年的Daimler Reitwagen。那時候內燃機比較大台,於是採用木製的雙搖籃車架,還附有輔助輪,看起來轉向性能不會太好。(圖片來源:Mercedes-Benz AG)


鑽石形車架

1900年代機車越來越多,很多機車是腳踏車裝上引擎而來的,造就了機車的英文:「motor」加「bicycle」。下圖的Indian與Harley Davidson,車架就是腳踏車的鑽石形車架。

Indain的共同創辦人Oscar Hedstrom與1901年份原型機車。(圖片來源:Indian Motorcycle)
1908年,Walter Davidson騎乘哈雷贏得耐力賽的合影。上面兩張照片中的機車,都可以看出濃濃的腳踏車味道。(圖片來源:Harley-Davidson Museum)
上圖橘色部位就是車架,可以看成是兩個三角形組合成的菱形結構,三角形結構是最穩定的構造,重量又相對較輕。這種車架已經用在腳踏車上一百多年了,基礎設計幾乎沒有啥變化,只有材質從鐵管,一路進化成現在的碳纖維複合材質。(圖片來源:捷安特)

因為這是最穩定的構造,因此除了單脊梁式車架外,其他型式的車架可以說都是從鑽石形車架演變而來。


單脊梁式車架Backbone

車架中的「脊梁」,就是指夾在引擎上面那一根縱梁,這根縱梁再跟一個中柱結合,成為一個倒L形的結構,前端連接前叉,後端連接副車架與後搖臂,引擎吊在橫梁下面。

Honda MSX125採用的就是脊梁式車架,從上圖可以看到引擎後方、後上方與車架相連,前叉的頭管部位只有與縱梁相接。MSX的短軸距與小車體,採用此結構就可以符合需求,並達到輕量化的效果。



單搖籃式車架Single cradle

台灣常見的野狼、金勇、KTR、雲豹等,都是單搖籃式車架。

金勇就是非常典型的單搖籃式車架

搖籃式車架跟單脊梁式車架最大的差別,就是車架多了下管,引擎像是被車架環繞起來,如搖籃般抱住引擎。但要注意的是,很多單搖籃式車架,引擎下方卻沒有車架結構,而是將引擎設計成剛性結構的一部份,因此並不需要那根環抱的圓管。

金勇的車架與單搖籃車架示意圖,可以看到搖籃「斷掉」了,車架下方並沒有相連的鋼管,直接拿引擎來當結構的一部份。

有些車架也像上圖那樣少了下方結構,卻分類為單脊梁式車架,最主要的差別在於搖籃式車架的主要引擎固定點,都是在引擎本體,也就是引擎下方的位置。

在wiki裡面,CB600F的車架是歸類在單脊梁式車架。

單搖籃車架成本低、重量相對也輕,很適合中小排氣量的的車,台灣大部分125~150cc等級的檔車都是採用這種車架設計(註1),你可以在山上見到忍辱負重的野狼125在產業道路打拼、在市區看到掛滿瓦斯鋼瓶的金勇(註2)在大街小巷穿梭,就知道這種設計有多好用了。


註1:台灣125~150cc等級的檔車,大多採用此車架的原因,也有很大一部份是因為好用的CG引擎,光陽自己就用在很多車款上了,其他車廠如哈特佛、CPI、宏佳騰等也都拿去用,引擎一樣,車架自然也一併沿用了。

註2:載瓦斯機車界的扛霸子,原本是雄獅或B1的天下,但二行程停產已久而逐漸凋零,商用車目前為光陽金勇獨霸的局面。


半/全 雙搖籃式車架(Half/Full)Duplex cradle

雙搖籃式車架,就像是YAMAHA愛將那樣,引擎下方的搖籃有兩個,所以叫雙搖籃式車架。

至於前面的「半/全」,是指引擎上方的脊梁是一根還是兩根,一根脊梁稱為「半」,兩根脊梁叫做「全」。

這種車架可以裝上更寬、更大顆的引擎,因此比較常在中高排氣量的車種上見到。

愛將的車架,就是半雙搖籃車架。

這種車架值得注意的是頭管與後搖臂樞軸結構。

頭管是車架設計的最大重點,雙搖籃與下面要說的環抱式車架,頭管部位有更多的支撐結構,可以換取更好的剛性,以對應更深的轉彎傾角。

其次,絕大部分單脊梁跟單搖籃車架的後搖臂樞軸,都是鎖在車架外側(註),彈性比較好;雙搖籃的後搖臂樞軸是鎖在車架裡面,能有更為穩固的連結。

單搖籃車架,後搖臂是固定在車架外側。(光陽豪爽)
單搖籃車架,後搖臂是固定在車架外側。(三陽野狼)
單搖籃車架,後搖臂是固定在車架外側。(Honda Monkey)
雙搖籃車架,後搖臂是固定在車架內側。(YAMAHA 愛將)

以現代車廠的技術而言,這兩種設計沒有好壞的分別,只是車廠針對不同需求所做的設定罷了。

註:也有單搖籃車架在後搖臂樞軸部位,再額外鎖上固定架,以增加剛性。


環抱式車架Perimeter(雙翼梁)

環抱式車架就是大部分仿賽車的那種車架。主要是指引擎上方有兩根縱梁,從車輛上方來看,像是一個蛋形,左右環抱著引擎。

YAMAHA YZF R1的鋁合金環抱式車架

這種車架算是仿賽、街跑重機最常採用的車架,除了結構上的優點外,這種車架不會擋到引擎上方,更有利於安裝集氣箱、噴油系統,甚至於電池之類的設備。

一體式車架Monocoqueu

這幾年DUCATI跟Kawasaki常用這個名詞,雖然也是環抱式車架,但車架還擔負著其他任務,例如扮演集氣箱、電瓶箱的工作。

脫光光的Kawasaki GTR1400 與長相奇特的Monocoqueu車架

不過我認為將這種結構發揮到極致的,應該是Buell的車,其獨特的IRC (Intuitive Response Chassis) 直線式車架,拿車架當油箱用,連後搖臂都兼任機油箱,造就出體重只有不到170公斤的1200cc級車款,輕量化幅度驚人哩!

Buell Lightning XB12S,注意它的車架與後搖臂是完全直線化的設計。

一物多用的車架,怎麼能不提到Confederate Motorcycle的車咧!看這輛P-51 Combat Fighter (Gen 2),車架已經提升到藝術品的境界,並且裝上透明視窗,讓人欣賞一下裡面的空濾與汽油哩!是個高調的奢華啊!
P-51 Combat Fighter (Gen 2)

車架的外型設計與材質

若說汽車外型是流體力學的結晶,那機車外型就是機械美感的呈現了,上圖的Confederate算是最極致的例子,環抱式車架大剌剌地顯露在外,外型優不優也成為設計上的一大重點。

剛開始騎車的時候,說實話對車架沒啥概念,第一次注意到車架,是將近30年前的某天等紅燈時,停在隔壁的一輛Aprillia RS125,那亮晶晶的拋光鋁合金環抱車架,吸引周遭所有人的目光,根本沒人在看紅綠燈跟檳榔西施

雖然只是125等級,但有著優美線條的鋁合金車架與後搖臂,尤其那拋光的質感,一直在放閃!

義大利車對美感最為要求,車架細細雕琢,最著名的當然就是桁架結構環抱式車架(以下簡稱桁架環抱式車架),以鋼管彎曲成環抱式形狀,用鋼管形狀、厚度與桁架結構來調整車架剛性,呈現出純粹的結構美!

這種車架用最兇的當然首推Ducati,有別於日本車常有的黑色車架,DUCATI有時還將車架噴成紅色來招搖一下,就是要讓桁架結構成為注目的焦點。

2007 Ducati Monster S4R

這二十年幾年來,Ducati各車種的頂級車款,一定有這火紅桁架環抱式車架與金光閃閃歐老師的組合。下圖是最新的Monster 1200s,雖然也用上了無車架設計,但那頭管支架還是要做成桁架,而不是仿賽車1199版本的鋁合金,算是想要延續傳統的構型吧?!就像Triumph Bonneville的電子噴射系統外觀要做得像化油器一樣。

2019 Ducati Monster 1200S

日本車喜歡用貼紙塗裝來妝點車子,歐洲車則是喜歡用結構美來直接呈現。

如KTM就算是單缸車,也要有橘色亮眼的桁架環抱式車架;Aprillia 與Benelli是結合桁架與鋁合金結構,做出另一種機械美感。

KTM這輛Duke 390的車架塗裝,為我們清楚標示著:橘色是車架,白色是副車架。歐洲人是有多愛桁架式車架啦?!此外,可以注意到車架用上了長橢圓形斷面的鋼管來調配剛性。


純種賽車設定的KTM RC 8C,配置899cc雙缸引擎,車架看起來卻比Duke390還短小精悍。
副車架看起來非常粗壯厚實,事實上它兼任油箱的角色,這是很多賽車的配置,藉此來集中並降低車輛重心,並減低因為汽油量的高低而對車輛重心造成太多影響。
也有鋼管與鋁合金合體的設計,利用不同材質的特性來調配剛性與重量。圖為 Aprillia Shiver 900。

日本車秉持著學習別人優點並加以改良發揚光大的精神,也有車用上了桁架環抱式車架,如Honda VTR 250,這輛V2缸引擎配上桁架環抱車架,不說也知道在向誰「致敬」

台灣重機市場剛開放的時候,Honda 在250cc等級有兩輛好車,Hornet 250與上圖的VTR 250。Hornet是採用四缸高轉速引擎,標準的日本科技仔,而VTR就是很歐化的設計,騎起來不快但很有味道,可惜當初進口的數量很少,現在應該沒剩幾輛了。

比較特殊的是Suzuki的SV 650,也是V2配上桁架環抱式車架,但大家的桁架式車架都是鋼管做的,只有SV是鋁合金做的,給人很大的視覺衝擊啊!


Suzuki SV 650,有著非常特殊的鋁合金桁架環抱式車架。
改款之後,
Suzuki SV 650換上比較正常的鋼管桁架環抱式車架。

最早成名的鋁合金環抱式車架,應該首推YAMAHA的DeltaBox,還特地取了個名字來行銷宣傳這車架,那時總覺得有了DeltaBox,都可以跑得比別人快,但事實證明:只有被偷的比較快,沒辦法,太潮了。


最早用鋁合金車架是SUZUKI,但名聲最響亮的應該是YAMAHA的DELTABOX,1982年在工廠賽車YZR500(0W61)上採用鋼製DELTABOX,次年的廠車0W70上進化為鋁合金版本DELTABOX,市售車則是啟用1985年的TZR250上,車架上還有小小的「DELTABOX」貼紙哩。
FZR 150
是五、六年級生的夢幻車之一,車架上頭也有DELTABOX幾個大字, 不過TZR的DELTABOX是鋁合金的,國產FZR150的DELTABOX是鋼板衝壓焊接成型的。

鋁合金環抱式車架逐漸成為日本仿賽與部分街跑的標配,但也只注重在功能性上,一直到了21世紀,才逐漸重視美觀,始作俑者也還是YAMAHA,用CF鑄造技術做出如雕塑般的車架外型,讓日本車終於開始擺脫貼紙,直接用機械構造來呈現美感。

CF技術的優勢是可以鑄造出複雜的構造、調配細部的厚度與形狀,並減少金屬中的空氣殘留,讓車架剛性設計可以更為優化。

CF技術鑄造的車架。YAMAHA的鋁合金鑄造技術一直都很出名、造型設計也很常得獎,才有辦法、才會想花心思去創造出這般兼顧性能與造型的結構。上圖可以看出車架內部複雜的結構,讓剛性分布與重量上都達到很好的效果。

視覺效果最囂張的車架,應該就是高貴的碳纖維車架了,雖然四輪超跑常使用碳纖維單體結構的底盤,但機車上很少使用,目前只有在限量車款上會看見,畢竟製程麻煩、成本太高了。
市售車用上碳纖維車架的代表:2017年上市的BMW HP4 Race,全球限量700輛。不只車架用上碳纖維,連輪框也是,其他如外殼、消音器當然都是碳纖維。


HP4 Race的碳纖維車架

碳纖維有著高強度與輕量的特點,更重要的是可以藉由碳纖維的編織方式、堆疊層數來調整剛性與彈性。


仔細觀察HP4 Race的車架、副車架、油箱外殼與擋泥版,雖然都是碳纖維材質,但可以看出編織方式有明顯的不同,藉此達成不同的剛性需求。

除了大家熟悉的編織碳纖維,Lamborghini還有開發鍛造複合材質(Forged Composites)碳纖維,應用在低強度的部件上。這種材質不用編織,甚至回收使用一般碳纖維製作時的廢料,不過廠商的著眼點主要是加快量產速度,同時也有不同於一般碳纖維紋路的視覺效果。現在路上也可以看到這種複合材質式樣的貼膜,不過說真的,認識這種紋路的人並不多。

碳纖維有一定的彈性,但又不像金屬材質那般會造成很大的反彈。有的MotoGP廠車,甚至會在車架上包覆碳纖維來吸收震動。圖為Suzuki GSX-RR,上面為2021賽季後測試版本,下面為2021正式賽版本,可以看到廠方在測試碳纖維包覆車架,車手表示包了碳纖維的車架提高了煞車時的穩定性,可以更晚煞車。(圖片來源:new.in-24.com)

引擎車架

還有一些車並沒有所謂的「主車架」,這種車的前叉頭管、後搖臂、副車架等結構,都是鎖在引擎上,因為這種特徵,我暫時稱它為引擎車架好了。

雖然現代機車中,引擎本來就被設計為結構的一部份,但像這種直接把引擎拿來當車架的車,還是非常少數。


BMW R1150系列的構造。
Ducati 1199,也是沒有車架的設計,連後避震器都是鎖在汽缸上,而看起來像是車架那塊物體,只是連結前叉的頭管結構,並不是傳統上定義的車架。

騎這種車需祈禱引擎要乖乖的,不然修個引擎,整輛車要拆光光。


速克達(scooter)車架

速克達也有悠久的歷史,目前大家熟悉的速克達構型,主要是源自將速克達發揚光大的Vespa(台灣稱為偉士牌)。

設計Vespa的設計師原本是設計飛機的,這點從Vespa的流線型外型與前懸吊系統可以看得出來,這位設計師很討厭機車,尤其討厭會亂噴機油的引擎與腳開開的騎乘姿勢,最後設計的成品就是可以解決這些問題的Vespa啦!

1946年的Vespa 98,已經很像大家印象中的偉士牌了。

Vespa的車殼是金屬製的,車架就是這副車殼,也算是前面提過的一體式車架(Monocoqueu)。

Vespa這種金屬車殼車架,需要用貴森森的鋼模來衝壓成形,能使用的車種,多半是萬年不改經典款。金屬車殼質感好,加上Vespa設計的優美線條與厲害行銷,打造出精品聯名車款。上圖是Vespa 946的Emporio Armani聯名版與Dior聯名版,標準版的946當初台灣的報價就要四十幾萬了,這兩個聯名版更是突破六十萬大關!!!好貴的125cc速克達呀!

台灣沒事就愛改款換外型的速克達,是不可能用上金屬車殼車架,再加上台灣特殊的「停車習慣」,用金屬車殼根本就是找X,常見的速克達都是採用鋼骨車架披上塑膠外殼這種組合,因此也常常稱速客達為塑膠車。

這就是一般速克達的車架設計。

跟打檔車相比,速克達的鋼管車架看起來有點弱不禁風,但就像前面說的,廠商都是設計符合需求的車架,車架沒有絕對的好壞、強弱。

大家在台灣也不難看到速客達三貼,我還看過五貼的高手,也有車後面拖著手拉車來拼經濟,這應該可以證明這看起來弱不禁風的車架也是很強壯的!

速克達的重點就是要有端正的坐姿、車廂最好能塞進兩顆安全帽、靈活好鑽又要省油、當然價錢也要便宜,於是乎上圖這般的車架構型與材質,是最能符合需求的設計嚕,將騎士可以使用的空間做到極大化。
這應該是台灣特產之一的「打拼機車」,可以看出速克達車架的「堅實剛性」。

也因為這種使用需求,設計出類似U型的車架外型(縱向剛性不強);單一三角台加上小車輪(穩定性不優);由引擎與變速箱組成的後搖臂(簧下重量太重),使得速克達一直跟「運動性能」沾不上邊。

但是,比拼速度好像是人類的天性,連大卡車都有人搞賽車了,重視日常實用機能的速克達,一定也可以變成運動員的!

YAMAHA聽到大家的心聲,推出公認的第一輛運動型速克達:T-Max,台灣代號「T媽媽」。

T媽媽的機械配置,將上面說的速克達劣勢全部改正,車架看起來堅固多了,根本就是全雙搖籃式車架嚕。

T媽媽推出後大獲好評,第二代T媽媽再接再勵,竟然用上了全鋁合金車架!

前面有說過,仿賽車的環抱式車架,有時也是視覺上的焦點,讓廠商在上面大做文章。可惜速克達的車架都是包覆在塑膠殼內,沒辦法看到YAMAHA精心的車架設計。


還是有改裝廠聽到了這個心聲,讓速克達也展現出機能美。上圖為RSD所推出的爆改T媽媽,除了車架這個重點之外,大家可以仔細看看那重新打造的副車架。

說真的,要不是有上面那一張T媽媽的裸照來比對,還真認不出來這一輛車的真實身份!

留言

  1. 大哥你的文章都好專業
    請問你都怎麼學習這些知識的呢
    還是說你在汽機車產業界工作呢

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    1. 我的本業是設計跟攝影,哈哈哈!

      這個網誌算是我自己DIY維修保養車輛的心得筆記。

      維修保養是興趣。大學時牽車去換個機油,被菜鳥學徒把洩油螺絲孔搞到滑牙,從此立志簡單的維修保養工作都自己來,就算是弄壞也是可以學到經驗。

      為了DIY,開始搜尋累積資料,從以前沒啥網路的年代開始,就會把雜誌上有興趣的資料CPOY下來保存,到現在逛網路也會把相關資料複製下來,看Discovery也會做筆記。

      網路上的資料不一定是正確的,所以會從雜誌期刊、專業書籍、電視節目等較具公信力的資料上比對。我網誌上算是自己的筆記,裡面的資料不一定正確,但遇到我有疑問的地方,我都會附註或是列舉我找到的各種內容,以後找到解答也會隨時更新內容。

      不過最重要的是...找到信任的店家,跟師傅聊天學技術。遇到比較複雜的工作,我一開始還是會到車行委託師傅進行,與師傅打好關係之後,就可以請教許多問題。

      關於原理類的文章、我會先擬定幾個主題,再慢慢累積資料,等到資料夠了、我沒有疑惑了、也沒有發懶了,就會把它寫出來。你看我有關引擎的文章,第一篇大概是十年前寫的吧,但到現在也還沒寫完!

      更新比較快的就是DIY的文章,只要是第一次進行的DIY工作,我都會記錄下來做為筆記之用。

      就這樣慢慢累積出這個網誌的內容哩!

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  2. 絕頂好文!已加入收藏!

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