2018年4月1日 星期日

模稜兩可:MotoGP裡的碳纖維搖臂

「對我而言,碳纖維更好,雖然有缺點...」─Corrado Cecchinelli, MotoGP技術總監

今年冬測,Honda加入Ducati的行列,在他們的原型賽車上裝上了碳纖維搖臂。

測試時始終保持神祕的HRC,在卡達開幕戰時讓Marc Marquez跟Dani Pedrosa用上了新的複合設計。

這場比賽的結果也因為Andrea Dovizioso以些微的差距擊敗Marquez,讓碳纖維搖臂車種囊括一二名。

於此同時,曾在250cc時代使用碳纖維搖臂的Aprilia,也將在赫雷茲測試時在他們的MotoGP賽車上亮相。

碳纖維搖臂到底有甚麼好處?為什麼每個人都在用?

為了更進一步了解這點,在卡達的比賽周,我們與MotoGP技術總監Corrado Cecchinelli談了許多

在此之前,Cecchinelli曾經在Piaggio與Ducati工作過。

Ducati在2006年引進了碳纖維搖臂,而Ducati也一直使用到2009年底。

雖然理論上碳纖維會是個優勢,但實際上卻有許多問號...

Crash.net(以下簡稱:CN)
Corrado,當時Ducati開始推碳纖維計畫時你也在?

Corrado Cecchinelli(以下簡稱CC)
是的。當時推動碳纖維搖臂計畫時我在Ducati。這並不是開先例,Aprilia 250cc賽車就已經用過了。

如果是用大範圍面積,而不是小東西的話,碳纖維是非常適合的材料。因此對我來說,用在搖臂上剛好,也因為搖臂需要剛性。

但不代表是要越硬越好,是有個目標的。

而且你要的是3D整塊的硬度都夠。舉例來說,賽車產生傾角的時候你會希望搖臂可以跟著型變,但不能扭曲。用碳纖維,你可以讓他照著你要的方向加強硬度。

還有,一般而言設定目標硬度,再考量到所需的強度,用碳纖維打造的搖臂會比鋁合金輕。

不過我可以告訴你,當我還在Ducati時MSMA極力反對碳纖維搖臂,因為它造價不斐。如果只做一個,而不是去考慮整個賽季的話,的確很貴。

我們是MSMA的笑柄,因為我們一直說這是在省錢!但這是事實,如果用鋁合金來做,為了符合目標硬度,可能會做得很薄,這樣在正常使用下就很有可能出現裂痕。

就連是現在,也是會發生這些事!所以用碳纖維並不會讓成本提高。

然而,用碳纖維只做一個搖臂是很難的,而且比用鋁合金做還貴。

還有一些安全性問題。不是因為碳纖維比較不安全,而是發生轉倒的時候,碳纖維搖臂的內傷比鋁合金搖臂來得更難發現。

發生嚴重轉倒事件後,我們會把搖臂送回工廠做X光以及其他複雜的檢查。這不是在賽道旁做得到的。

這也是碳纖維會貴的原因,因為你要準備很多備料,在發生重大轉倒事故之後才能確保有零件能換。

所以用碳纖維的確會有一些問題產生。但如果你問我,我還是會堅持這個製造搖臂的技術是正確的。因為那些我所提到的優點。

CN:
如果是這樣,那MotoGP裡的所有車隊為何都不一起用?

CC:
首先,如果還沒有把鋁合金搖臂的厚度減到一個極限,那在設定目標硬度的時候就不會有強度問題。

在那樣的情況,我所說的打造碳纖維搖臂會比鋁合金搖臂便宜的結果則不成立。因為如果不是極端設計的話,鋁合金製品不需要時常更換。

我還要告訴你還有其他原因:設計上很困難,製作上很困難,碰上嚴重轉倒的時候會有疑慮。如果是用鋁合金,大家都能想到結果如何,因為這是現在最常用的技術。

但對我來說,就算有缺點,碳纖維還是比較好。

CN:
所以就性能而言,你能讓碳纖維保持更好的撓度,又不用怕會向鋁合金一樣太薄。

CC:


設計賽車用的搖臂時,我們總會找一些非等向性材質,這代表材料在不同地方有不一樣的性質。

碳纖維對此有幫助,因為我們可以在特定區域多編幾層或少編幾層,而且碳纖維編織方向也可以不一樣。改變碳纖維的編織方向也能改變剛性。

搖臂最終可能會因碳纖維而減輕,但不能忘記的是碳纖維的阻尼跟鋁合金不同。

因此,如果碰到振動問題,你可能會想換成另一種[從碳纖維換成鋁合金,反之亦然],因為另一個搖臂的重量與阻尼都不同。

這是其中一個原因。很複雜,但是重量與阻尼的些微不同,就會造成很大的震動。

CN:

現在廣傳的概念是碳纖維對摩托車來說太硬了...

CC:

這不是真的!剛性只是設計目標。一般而言,設計機構零件的時候,你會先設定目標剛性,或目標阻力(強度)

兩者不一定會綁在一起。如果你是要設計要掉重物的吊鉤,主要的設計目標就是強度,這通常會伴隨著高剛性。

但如果你是要設計搖臂或車架,設計目標就是剛性。當你達成你的目標剛性,強度可能就會不足。這是鋁合金搖臂的狀況。

舉例來說,可能我們希望它能靈巧一點,但風險就是可能會出現裂痕。或者─在不那麼極端的狀況下─金屬板會太薄而難以焊接。

所以那些以目標剛性為目的的零件,用鋁合金來做不一定有足夠的強度。

CN:

這是個有趣的狀況,當人們會想用碳纖維的時候,通常是要他們的東西更硬一點...

CC:

不!他們想要的是理想的剛性,但要重量更輕,強度更高。或者是他們希望要各個方向的剛性去耦合

因為通常我們會希望搖臂做動起來就像旋掉一樣,但不能扭曲。

如果你對碳纖維的理解非常獨到,有一天就能實現這個夢想。

CN:

用過碳纖維後,你有再回去用鋁合金嗎?

CC:

有啊!我們曾試過。在我那年代,我們考慮過很多次要用回鋁合金,試著做一對一的比較測試。當然我指的是10年前。

CN:

當你做一對一的比較測試時,碳纖維的狀況總是比較好的嗎?

CC:


不,據我所知,不是這樣的。就理論上以及一些賽道來說,碳纖維的確是比較好。但不是絕對。

首先是要列出你要甚麼,這取決於你最主要的目標是甚麼。

舉例來說,如果我要打造道路用車,碳纖維就沒戲了,因為成本太高,還有就是我曾告訴過你的,遇到轉倒可能會碰上的狀況。

CN:

但如果是比賽,性能至上來說,碳纖維應該比較好?

CC:

如果你非常了解你要的剛性需求,而且對於複合材質的技術也相當擅長,那麼最好用碳纖維。

但並非全是如此。我的意思是,如果我跟你一起打造賽車,那用鋼管車架會比較好點。

因為你不知道你要的是甚麼,你沒辦法掌握非常高階的技術,最後可能會推出很糟的碳纖維產品。

你必須要專精這項技術,如果你對於碳纖維技術不熟,那最好離它遠一點。

但在這些複雜的製造問題出現之前,要先了解問題在哪,才會知道碳纖維到底哪裡有用。

使用碳纖維還有最重要的一點是要將各方向的剛性去耦合─但如果你不知道哪個方向的剛性要多少,那何必這麼做呢?

如果你用碳纖維的方法跟用鋁合金一樣,讓所有纖維循著同一方向走,然後又不知道哪個方向需要多少剛性,對我來說,你只會得到一塊更重的東西,或者是更貴卻沒有任何優勢的東西。

所以不全是好處。


Jorge Lorenzo的Aprilia賽車, Jerez Test, 2007 (pic: Gold&Goose)

如果你還記得Aprilia的250賽車,那他們肯定找到最佳的剛性-重量比,而且還包含土除,好讓碳纖維搖臂如果一開始所說的那樣運做。但當然,這是不把設計的高成本列入考量之中,因為如果壞了一個土除,就要把整個搖臂換掉。

因此,車廠最後可能會因為各種不同的原因,使用他們覺得最值最高的設計,而這些設計不一定會相同。

舉例來說,我們來談車架,對我來說沒有最好的材質。

所以如果你對於鋼管技術比較熟[KTM],那你最好用鋼管設計,不要用碳纖維殼式車架。雖然理論上碳纖維是相當高級的設計。

CN:

所以關鍵在於你到底想要甚麼?

CC:

如果你不知道你要甚麼,那你永遠沒辦法達到你要的目的。

接著,就算你知道你要甚麼,但卻沒辦法掌握設計方法,那你最好繼續用你有自信的技術。

碳纖維在理論上是正確的技術,因為它具有非對稱的剛性,而且剛好適合搖臂大小的面積。

但實際上,在現實生活中,用碳纖維打造的搖臂比鋁合金搖臂好又是另一個故事。

CN:

你認為Honda跟Aprilia這個賽季開始用這項技術是巧合嗎?

CC:

我不知道,可能是因為一些未知因素,或者是因為新輪胎的關係。

可能是這世代的輪胎突然更適合碳纖維搖臂的性能。但這只是我的猜測。

想像你是研發部門,你設計出最棒的碳纖維搖臂還有最棒的鋁合金搖臂。兩者差了0.5公斤,然後你發現碳纖維搖臂對於震動抑制效果更好。

這取決於輪胎,但這不是你主要的目的。

CN:

你說0.5公斤,這是能省下的重量嗎?

CC:

大概是,但我不能確定。如果用碳纖維搖臂能更少一公斤我會非常訝異的。

CN:

Marquez在測試時說『用碳纖維搖臂抓地力好像比較好一點,但用舊胎,震動就會變大....』

CC:

要回答這個問題,我們可以假設他的碳纖維搖臂比鋁合金硬,所以有抓地力的時候比較好用,但沒有抓地力的時候會變得很糟。

CN:

最有用的碳纖維搖臂剛性不是要比鋁合金搖臂低嗎?

CC:

我沒這麼說。碳纖維可以讓你有更多機會達到你要的目的,不管他是甚麼。

CN:

但為了達到這個目的,不用怕金屬變得太薄不是?

CC:

通常不會。因為,你能選擇纖維層的方向,使他具有合理的厚度又不會太硬。

但如同生活一樣多變,只有優秀的人才有辦法從中獲得一些好處。就拿我來說,要上賽道,我比較適合騎600cc,而不是1000cc。

在剛性要求上其實有很多選擇,但要用碳纖維,你得非常了解這項技術。你得知道你要甚麼,知道你要怎麼設計你需要的東西,然後把它做出來。

不是每個人都做得到的。

CN:

像你們都花多久時間來掌握這個技術?

CC:

確切的時間我不記得,但我記得當初引進碳纖維搖臂目標是一個賽季的時間。但最後非常有可能會搞錯,變成兩個賽季,或者永遠都不會用它。

Crash.net

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