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余斯青專欄:纖維物料的應用 (下)~碳纖維輪圈
2022-02-06
繼續講碳纖維在汽車上的應用,碳纖維輪圈在千禧年之後,才逐漸開始成熟使用,而且產品長時間未能取得德國TÜV 認證,原因為何?
最早採用碳纖維物料製作的複合輪圈,原來是出現於1971 年的法國雪鐵龍(Citroën)SM 型格個性轎跑車。在1934 年,雪鐵龍出現經濟危機,因此被同國另一大企業米芝蓮輪胎公司(Michelin)收購。米芝蓮於五十年代,成功將放射線(radial-ply)輪胎優化繼而商業化,於是也順便研發輪圈。當時的想法是,如果輪胎能夠使用特別纖維去加固其結構,照理輪圈亦應該可以。

七十年代初面世的雪鐵龍SM,可會是最早使用碳纖維物料製作的複合輪圈車款。1971年,米芝蓮研發出碳纖維複合輪圈,並於同年應用在雪鐵龍SM戰車上,參加蒙地卡羅越野賽,繼而奪得冠軍。從1972年開始,碳纖維複合輪圈放在量產車身上,作為特別配置的選項。其碳纖維15吋複合輪圈,重量很輕,只有4.3公斤,比原廠配置的鋼軨輕一半。安裝的螺絲孔,亦非傳統的PCD160mmx5。其售價也非常昂貴,當時價格為500美元一隻。最後一批於1980年初售出,之後正式停產。
至於最早把碳纖維織紋呈現在輪圈表面的,應該是日本Rays Engineering (Volk Racing) C1 3-piece 三夾軨,後邊刻有最早複合材料製造字樣「FIRST COMPOSITE MADE」,並在1985 年發售。做法是將中心餅的平面,貼上一塊碳纖維板,主要是為了裝飾,沒有結構性的功能。整體重量亦沒有因為採用了碳纖維而有所減輕,但是售價昂貴,市販一年便停產了。
最早將碳纖維織紋呈現於輪圈表面的,可會是Rays Engineering( Volk Racing )C1 3-piece 三夾軨,後邊刻有最早複合材料製造字樣「FIRST COMPOSITE MADE」。
後來於1989 年,在美國以著名的Shelby 掛名的道濟(Dodge)CSX-VNT,便配置有玻璃纖維複合輪圈。輪圈是由Shelby 設計,並由Motor Wheel Corporation 代為生產,稱之為「Fiberrides」,重量比一般鋁合金輪圈為輕。也因為受到玻璃纖維物料結構所限制,外形顯得比較遲鈍,以及跟塑膠蓋無異,生產成本亦很高,故未能大行其道,很快便消聲匿跡。

九十年代之後,高性能跑車馬力愈來愈大,煞車卡鉗和煞車碟的尺寸也愈來愈大。為這些大馬力跑車裝上碳纖維輪圈的話,會出現問題,就是當速度高至接近極限,而需要猛力煞車時,煞車鉗和煞車碟的溫度非常高,達到攝氏數百度。如果輪圈是用碳纖維物料製造,而碳纖維必須要經過環氧樹脂加固來成形,以前生產的環氧樹脂,耐熱能力一般不超過攝氏200 度,當到達攝氏200 度以上便會開始分解。碳纖維輪圈安裝在高性能跑車上,煞車鉗和煞車碟整套裝備都是包裹在輪圈內,如果在賽車場上不停繞圈,煞車也會用到極限,到完成繞圈把車停下來,熱能就會一直焗在輪圈內,熱力散不走,環氧樹脂便會因此而過熱分解。也由於這個原因,早前的碳纖維輪圈,只能應用在電單車上。因為電單車的煞車碟外露,產生的熱力不會焗在輪圈內壁,沒有散熱問題。所以,電單車早在1990年已經開始使用碳纖維輪圈,行之有年。
英國Dymag 的貢獻
碳纖維輪圈一直在研發,英國一家名叫Dymag 的公司,本業是製造賽車合金輪圈和電單車碳纖維輪圈。在八、九十年代,很多F1 鎂合金輪圈都是他們的產品。要到大約在千禧年初開始,新研發的環氧樹脂,才可以抵受高於攝氏200 度的高溫,高性能跑車因此才可以搭載真正的碳纖維輪圈。Dymag 於2004 年最早推出適用於街道版汽車的碳纖維輪圈,但在2008 年金融風暴後出現財赤,翌年便宣布破產,隨後由新老闆接管公司繼續經營。
在破產期間,原有效力Dymag 的工程師們,因公司停業而轉往其他機構,繼續發展碳纖維事業。因此,多間工廠也開始研發和製造碳纖維輪圈。最早應用於原廠車配備的碳纖維輪圈,是2015 年的寶馬(BMW)M4 GTS。由奧地利的Carbo Tech公司生產,而這公司亦代工生產麥拿侖(McLaren),以及林寶堅尼(Lamborghini)的碳纖維座艙及部件,產品使用兩夾式2-piece 混合模式結構,以碳纖維製造最大面積的輪圈桶形部分,中心柱位是鍛壓鋁合金,以特別螺絲與碳纖維桶連接。整套碳纖維輪圈,重量比原廠的鍛壓合金輪圈輕了七公斤。
Carbo Tech 於2016 年,亦成功取得勞斯萊斯(Rolls-Royce)的碳纖維輪圈訂單,同樣是2-piece 兩夾式,結構上與寶馬一樣,作為Black Badge 型號的特別配置。其輪圈桶由22 層碳纖結合而成,在邊緣位置將其折叠,變成44 層,加以鞏固。這款21 吋碳纖維輪圈,每隻重量比鍛壓鋁合金輪圈只輕約1 公斤,但這項配置卻要花費大約12,000 歐元!
若以產量最多的廠家計算,得要一提來自澳洲墨爾本的Carbon Technology。他們以一體化的1-piece monoblock 結構,讓輪圈桶和中心柱部位皆以碳纖維整體一件過製造。他們成功地取得車廠的OEM 代工生產訂單,例如法拉利(Ferrari)488 Pista,便是法拉利第一次原裝配用碳纖維輪圈。如果大家有留意,會見到輪圈內部鍍了一層白色的物體,而那些白色物體其實是瓷,作用是當煞車導致高熱時,瓷層能將熱能分散得均勻一點,避免聚焦在一個位置上,減低輪圈樹脂受損的機會。此外,Carbon Technology 不僅供應輪圈予法拉利,其產品還可以在福特Mustang 和Ford GT 的附加特別配置選項上見得到。
值得一提的是,碳纖維輪圈在道路用汽車上一直只能作為原廠設備,究其原因,原來它們合法與否,值得相榷。原因何在?在歐洲,特別是德國,任何售後改裝設備也需要取得TÜV 合格驗證,確保用家能夠安全使用。而碳纖維一直未能達標,為甚麼呢?因為TÜV 合格驗證,其中一項是撞擊和疲勞測試,主要測試輪圈有沒有出現裂痕。這種測試只能應用在金屬物料上,因為碳纖維有一個缺點,就是遇到撞擊也不會彎曲,即使結構受損也察覺不到,沒有先兆,直到完全解體的一刻。而金屬在開始疲勞,沒有大裂的時候,會發現到微絲裂痕的先兆。TÜV 撞擊測試,是可以接受輪圈出現彎曲和微絲裂痕,但不可以斷裂,主要是避免充了氣的輪胎會突然破漏洩氣,導致汽車失控。所以,碳纖維輪圈只能安裝在原裝車上,由廠方去保證輪圈符合安全,是整個汽車結構的其中一部分。

沒有TÜV 測試認證,便不能在歐洲合法作為售後配備使用,但美國、日本也沒有這些嚴格的驗證要求,碳纖維輪圈可以獨立出售。最新發展是意大利輪圈廠Bucci,在三月宣布它們是全球首間輪圈廠,取得碳纖維輪圈的TÜV 合格驗證。
從手工藝到最高科技
至於最昂貴的碳纖維輪圈應是Koenigsegg,這家瑞典極級跑車製造商,連碳纖維輪圈也是自家製作,以人手慢慢地把一塊又一塊栽剪好的dry carbon 乾式碳纖維,在轉盤裏逐塊逐塊貼上去,工藝要求非常高,所以這個輪圈如果要賣出來,我想售價必定要六位數字。
再講到最高科技級別的碳纖維輪圈,實非保時捷(Porsche)莫屬。約在四年前,他們推出一款碳纖維輪圈,其圓環部分是無縫的,以桶形整體編織出來,沒有駁口,故結構性一定最好。其他所有碳纖維輪圈,造法都是以一塊一塊,重重叠叠鋪上去而形成。保時捷使用的3D 碳纖維編織機器,體積非常巨大,直徑達九米。這保時捷碳纖維輪圈,是991 Turbo S Exclusive Series 的原廠配置,買家不能將碳纖輪圈後期放上去或應用在其他型號,只能是訂車時的原裝配置。
製造碳纖維產品,近年出現一種新方法,名為鍛壓碳纖forged carbon。這生產方法由林寶堅尼和高爾夫球用品製造商Callaway 共同研發,於2010 年註冊專利。最早應用在2010 年推出的Callaway 高爾夫球棒頭跟林寶堅尼Sesto Elemento 的部件。
其生產過程主要是將切碎的碳纖維組成如布料形狀的物料,裁剪好所需的形狀放在模具底,由上模壓下來,同時注入樹脂再加熱成形。優點是生產時間短,更可製造複雜的形狀,但由於製造模具投資甚高,只適用於量產部件。其成品表面現出好像黑色雲石般的紋路,頗特別。

這種方法製造的輪圈,只有出現於售後市場,未見有車廠作為原廠設置。結構上它沒有傳統編織碳纖維相同的剛性,所以暫時未見有賽車使用。因為生產快而準,如寶馬、豐田(Toyota)、阿士頓馬田(Aston Martin)、瑪莎拉蒂(Maserati)等多家大型車廠,都陸續使用這方法去製作某些部件。
最新研發的碳纖維輪圈,採用了注壓方式,與塑膠製造相似,即是把切碎了的碳纖維,混合聚氨脂polyurethane 塑膠材料,然後注入模具中,即可成形,但至今尚未有產品現身市場。若以款式論,中國應是出產最多花款碳纖維輪圈的地方,形形式式,無奇不有。最近在展覽場上,見過一款中國製造的仿古線性碳纖維輪圈,造法與古典跑車上的鋼線電鍍輪圈相同,只不過每條鋼線都由碳纖維造成而已。
到底碳纖維輪圈日後會否成為通行產品?我相信不會。碳纖維輪圈唯一的優點是輕,但比鍛壓式合金輪圈只能輕約一公斤,缺點卻比傳統合金輪圈多。款式上,因受材料結構所影響,設計彈性和自由度不可能與合金輪圈相比,而表面纖維受到輕微磨損後,是不能修復原有外觀。最近,汽車設計大師哥頓・梅利(Gordan Murrary)推出超輕量版超級跑車T.50,整部車的總重量少於一噸。他特別提到碳纖維輪圈的整體應用,並不比鍛壓合金輪圈優勝,故他選用傳統的鍛壓鋁合金輪圈。
資料提供 = JIMMY YEE
圖片提供 = FERRARI MEDIA + GORDON MURRAY AUTOMOTIVE MEDIA + LAMBORGHINI MEDIA + PORSCHE MEDIA + 網上圖片

余斯青 (Jimmy Yee)
最早引入歐洲名牌改裝部件到港的先驅,八十年代大坑浣紗街的SPEEDLINE已是香港車壇的icon,及後推動AMG品牌,將平治AMG廠隊帶到澳門作賽,留給一代人美好的回憶。
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