Các loại khung gầm ôtô

Khung gầm là một bộ phận cốt lõi không thể thiếu trong một chiếc xe hoàn chỉnh nhưng không phải ai cũng hiểu rõ về nó.

1. Khung gầm hình chiếc thang

Khung gầm hình chiếc thang ứng dụng trên mẫu xe AC Cobra.

Đây là loại khung gầm ra đời sớm nhất. Đến tận những năm 1960, hầu như tất cả các mẫu xe trên thế giới đều sử dụng loại khung gầm này. Thậm chí, các mẫu SUV hiện đại ngày nay vẫn còn dùng khung gầm hình chiếc thang. Chỉ cần đọc tên, mọi người cũng có thể đoán được cấu trúc của loại khung gầm này. Nhìn bề ngoài, trông nó chẳng khác nào một chiếc thang với hai thanh nằm dọc nối với nhau bằng các thanh giằng chéo và hai bên. Các thanh dọc là thành phần chịu lực chính. Chúng có khả năng chịu tải và các lực tác động theo chiều dọc xuất hiện khi tăng tốc hoặc phanh. Các thanh giằng chéo và hai bên có tác dụng chống đỡ các lực tác dụng bên đồng thời tăng độ cứng xoắn.

* Ưu điểm: ngày nay, khung gầm hình chiếc thang không sở hữu nhiều ưu điểm ngoài giá thành rẻ và dễ lắp ráp bằng tay.

* Nhược điểm: vì có cấu trúc 2 chiều nên độ cứng xoắn thấp hơn hẳn so với các loại khung gầm khác, đặc biệt là khi chịu tác động của trọng tải đứng hoặc xóc nảy lên.

Các loại xe sử dụng khung gầm hình chiếc thang: dòng xe SUV, xế cổ, Lincoln Town, Ford Crown Victoria…

2. Khung gầm hình ống rỗng

Bộ khung gầm hình ống rỗng trang bị cho Lamborghini Countach có cấu trúc rất phức tạp.

Do khung gầm hình chiếc thang không đủ mạnh nên các kỹ sư chế tạo xe đua đã phát triển thêm loại thiết kế 3 chiều mang tên khung gầm hình ống rỗng. Một trong những đại diện cổ xưa nhất ứng dụng loại khung gầm này là chiếc xe đua Maserati Tipo 61 “Birdcage”. Khung gầm hình ống rỗng sử dụng hàng tá các ống cắt hình tròn (hoặc hình vuông để dễ nối với các tấm pa-nô ốp thân mặc dù hình tròn mới là loại cho lực tối đa). Các ống được đặt theo nhiều hướng khác nhau nhằm tạo ra lực cơ học chống lại các lực tác động từ khắp mọi nơi. Chúng được hàn lại với nhau và tạo thành một cấu trúc rất phức tạp.

Để tạo ra lực mạnh hơn sao cho phù hợp với các loại xe thể thao tính năng cao, khung gầm hình ống rỗng thường đi kèm với một cấu trúc rắn chắc bên dưới cửa (giống như trên chiếc Lamborghini Countach), kéo theo chiều cao bất thường của khung cửa và sự bất tiện khi bước vào bên trong khoang lái.

Đầu thập niên 1950, hãng Mercedes-Benz đã thiết kế thành công chiếc xe đua 300SLR ứng dụng khung gầm hình ống rỗng. Đây cũng là nền tảng ra đời 300SL Gullwing – chiếc xe đường phố đầu tiên sở hữu khung gầm hình ống rỗng. Do ngưỡng cửa khá cao gây khó khăn cho người sử dụng khi ra vào cabin nên hãng Mercedes đã kéo dài cửa tới tận trần xe để tạo ra “đôi cánh hải âu” huyền thoại.

Từ giữa những năm 1960, rất nhiều mẫu xe thể thao high-end cũng chọn khung gầm hình ống rỗng để tăng tỷ số độ cứng/trọng lượng. Tuy nhiên, một vài mẫu trong số đó sử dụng khung gầm rỗng cho cấu trúc trước và sau đồng thời tách cabin ra khỏi khối thân xe để giảm chi phí.

* Ưu điểm: rắn chắc từ mọi phía (so với khung gầm hình chiếc thang và khung gầm liền thân với trọng lượng tương đương).

* Nhược điểm: rất phức tạp, tốn kém và mất nhiều thời gian để chế tạo. Không thể sản xuất bằng dây chuyền tự động. Bên cạnh đó, loại khung gầm này chiếm rất nhiều không gian, tăng chiều cao của ngưỡng cửa và gây khó khăn cho người sử dụng khi ra vào xe.

Các loại xe ứng dụng khung gầm hình ống rỗng: toàn bộ mẫu xe của Ferrari ra đời sau 360M, Lamborghini Diablo, Jaguar XJ220, Caterham, TVR…

3. Khung gầm liền khối

Ngày nay, hầu hết các mẫu xe sản xuất hàng loạt đều sử dụng khung gầm liền khối nhờ ưu điểm giá thành thấp, khả năng bảo vệ tốt và tiết kiệm không gian.

Ngày nay, có đến 99% mẫu xe sản xuất trên thế giới được trang bị khung gầm thép liền khối nhờ chi phí sản xuất thấp và phù hợp với dây chuyền tự động.

Khung gầm liền khối là cấu trúc một mảnh tạo hình cho kiểu dáng tổng thể của chiếc xe. Trong khi khung gầm hình chiếc thang, hình ống rỗng và hình xương sống chỉ sở hữu các bộ phận chịu lực và cần có thân bao quanh thì khung gầm liền thân lại nối liền với thân xe thành một khối.

Trên thực tế, khung gầm “một mảnh” là sự kết hợp của nhiều miếng hàn chặt với nhau. Trong đó, miếng có kích thước lớn nhất là sàn xe, các miếng khác được nén chặt bằng máy đầm. Chúng được hàn điểm với nhau bằng robot hoặc laze trong dây chuyền sản xuất hơi nước. Toàn bộ quá trình chỉ diễn ra trong vài phút. Sau đó, một số phụ kiện khác như cửa, ca-pô, nắp thùng xe, pa-nô bên và trần mới được ghép thêm vào.

Khung gầm liền khối còn có khả năng bảo vệ người lái khi xảy ra va chạm. Do sử dụng rất nhiều kim loại nên vùng biến dạng có thể được ghép liền luôn trong cấu trúc.

Một ưu điểm khác là tiết kiệm không gian. Không giống các loại khung gầm khác, toàn bộ cấu trúc thực chất chỉ là một lớp vỏ bên ngoài nên không cần đến sự có mặt của ống truyền động lớn, ngưỡng cửa cao hay thanh uốn to bản… Hiển nhiên, loại khung gầm này có sức hút rất lớn với các loại xe sản xuất hàng loạt.

Bên cạnh đó, cũng còn rất nhiều nhược điểm. Loại khung gầm này rất nặng do phải sử dụng một lượng kim loại khá lớn. Vì lớp vỏ phải được tạo hình sao cho thật tiết kiệm không gian hơn là độ rắn chắc cộng thêm các tấm kim loại nén không khỏe bằng ống nên tỷ số độ cứng/trọng lượng của khung gầm liền khối thuộc hạng thấp nhất so với các “đồng nghiệp” khác trừ khung gầm hình chiếc thang. Hơn nữa, trong khi các loại khung gầm khác đều kết hợp thép với thân bằng nhôm hoặc sợi thủy tinh thì toàn bộ khung gầm liền khối đều được làm từ kim loại. Vì vậy, loại khung gầm này nặng hơn hẳn những “người anh em” của mình.

Mặc dù khung gầm liền khối rất phù hợp với các dây chuyền tự động nhưng không thể sản xuất trong các nhà máy qui mô nhỏ. Chi phí lắp đặt công cụ như máy đập và khuôn rất cao. Có thể nói, chỉ có hãng Porsche chuyên sản xuất dòng xe thể thao mới có đủ năng lực để sản xuất khung gầm liền khối.

* Ưu điểm: sản xuất hàng loạt rẻ, khả năng bảo vệ khi xảy ra va chạm tốt và tiết kiệm không gian.

* Nhược điểm: nặng và không thích hợp cho các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ.

Các loại xe ứng dụng khung gầm liền khối: gần như toàn bộ các mẫu xe sản xuất hàng loạt và tất cả thành viên của gia đình Porsche.

4. Khung gầm liền khối ULSAB

Khung gầm liền khối ULSAB ra đời nhằm thay thế loại khung gầm liền khối thông thường với trọng lượng quá lớn.

Trong thập niên 1990, những qui định nghiêm ngặt về độ an toàn đã đòi hỏi phải ra đời loại khung gầm rắn chắc hơn trong khi loại khung gầm liền khối thép truyền thống lại quá nặng. Từ đó, nhiều nhà sản xuất xe chuyển sang các loại vật liệu thay thế cho thép, trong đó đáng chú ý nhất là nhôm. Mặc dù không có chiếc xế sản xuất hàng loạt nào ngoài Audi A8 và A2 loại bỏ hoàn toàn thép trong cấu trúc khung gầm nhưng hiện nay ngày càng có nhiều mẫu xe sử dụng nhôm để chế tạo ca-pô, nắp thùng xe, đòn treo và bộ khung phụ. Chẳng còn nghi ngờ gì nữa, ngành công nghiệp thép đang rơi vào tình trạng khó khăn hơn bao giờ hết.

Đứng trước tình hình đó, các hãng sản xuất thép của Mỹ đã thuê trung tâm Dịch vụ Kỹ thuật Porsche phát triển một công nghệ khung gầm liền khối bằng thép hoàn toàn mới mang tên Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB). Về cơ bản, loại khung gầm mới có cấu trúc tương tự khung gầm liền khối thông thường. Điểm khác biệt duy nhất là khung gầm liền khối ULSAB sử dụng các phụ kiện Hydroform, thép đa lớp và hàn laze.

Hydroform là một công nghệ tạo mới dùng để tạo hình kim loại theo ý muốn thay cho đập. Công nghệ đập thông thường sử dụng máy trọng lượng lớn để nén kim loại lá thành một khối, tạo ra độ dày không đồng nhất – phần gờ và góc luôn mỏng hơn bề mặt. Để duy trì độ dày tối thiểu mà vẫn có được độ cứng như ý, các nhà thiết kế phải chọn các tấm kim loại lá dày hơn yêu cầu. Trong khi đó, công nghệ hydroform rất khác biệt. Thay vì sử dụng kim loại lá, công nghệ này tạo ra các ống kim loại mỏng. Ống kim loại được xếp thành một khối tạo hình theo ý muốn. Sau đó, một dung dịch áp suất cao sẽ được bơm vào ống và lấp kín bề mặt bên trong khối. Do áp suất của dung dịch là đồng nhất nên độ dày của kim loại cũng giống hệt nhau. Nhờ đó, các nhà thiết kế có thể sử dụng thép có độ dày tối thiểu để giảm trọng lượng.

Thép đa lớp chính là sự kết hợp giữa lõi nhựa dẻo nóng (polypropylen) với hai lớp thép cực mỏng kẹp xung quanh giúp giảm 50% trọng lượng so với một miếng thép đồng nhất mà không ảnh hưởng đến tính năng. Loại thép này rất cứng nên thường được sử dụng ở những khu vực cần độ cứng uốn cong lớn. Tuy nhiên, không phải chỗ nào cũng dùng được thép đa lớp bởi vì nó phải đi kèm với các khớp nối chắc chắn hoặc tán đinh thay cho hàn.

Theo trung tâm Dịch vụ Kỹ thuật Porsche, khung gầm ULSAB nhẹ hơn 36% và cứng hơn 50% so với loại khung gầm liền khối thông thường. Mặc dù ULSAB mới xuất hiện đầu năm 1998 nhưng Opel Astra và BMW 3-Series đã ứng dụng nó trong một số bộ phận. Chắc chắn trong tương lai khung gầm ULSAB sẽ thế chân loại khung gầm liền khối thông thường.

* Ưu điểm: rắn chắc và nhẹ hơn khung gầm liền khối thông thường mà không tăng chi phí sản xuất.

* Nhược điểm: độ rắn chắc và trọng lương chưa thích hợp cho các loại xe thể thao hạng nhất.

Các mẫu xe sử dụng khung gầm liền khối ULSAB: Opel Astra, BMW 3-Series.

5. Khung gầm hình xương sống

Khung gầm hình xương sống dùng cho mẫu xe Lotus Elan Mk II.

Colin Chapman, người sáng lập ra nhãn hiệu Lotus đã phát minh khung gầm hình xương sống trong chiếc Elan roadster nguyên bản của mình. Sau khi thử nghiệm loại khung gầm liền khối sợi thủy tinh rơi vào thất bại, Chapman phát hiện ra một loại khung gầm rắn chắc mà lại rẻ hơn rất nhiều. Đó là thời điểm ra đời của loại khung gầm hình xương sống.

Khung gầm hình xương sống rất đơn giản: một xương sống hình ống rắn chắc (thường cắt hình chữ nhật) nối trục trước và sau đồng thời tạo ra gần như toàn bộ lực cơ học. Bên trong loại khung gầm này có một khoảng trống dành cho trục lái rất thích hợp với những loại xe dẫn động cầu sau, động cơ đặt trước như Elan. Toàn bộ hệ dẫn động, động cơ và hệ thống treo đều nối với hai đầu của xương sống. Thân xe được dựng trên xương sống thường làm từ sợi thủy tinh.

Loại khung gầm này có thể ứng dụng cho dòng xe thể thao loại nhỏ nhưng không thích hợp với loại high-end. Trên thực tế, mẫu De Tomaso Mangusta nguyên bản cũng được trang bị loại khung gầm do hãng Lotus sản xuất.

Khung gầm trên mẫu xe TVR được cải tiến từ thiết kế này, dùng xương sống lưới làm từ khung ống rỗng thay cho loại xương sống cứng. Nhờ đó, bộ khung gầm trở nên nhẹ và chắc hơn (phần lớn là do ống truyền động được mở rộng và nâng cao lên).

* Ưu điểm: thích hợp cho dòng xe thể thao loại nhỏ. Dễ chế tạo bằng tay kéo theo chi phí thấp đối với các dây chuyền sản xuất qui mô nhỏ. Cấu trúc đơn giản giúp giảm chi phí. Tiết kiệm không gian hơn cả loại khung gầm liền khối.

* Nhược điểm: không phù hợp với dòng xe thể thao high-end. Khung gầm xương sống không thể bảo vệ người lái trong các vụ va chạm bên hoặc so le. Do đó, nó cần đi kèm các thiết bị bù khác trong thân xe. Không tiết kiệm chi phí nếu sản xuất hàng loạt.

Các loại xe sử dụng khung gầm hình xương sống: Lotus Espirit, Elan Mk II, TVR và Marcos.

TVH – Theo Zing news

các loại khung gầm ôtô, Khung gầm hình chiếc thang, Khung gầm hình ống rỗng, Khung gầm hình xương sống, Khung gầm liền khối, Khung gầm liền khối ULSAB