 |
|
|
暌違了幾年之後，BMW Tecknik GmbH將在今年的巴黎車展中展出他們最新的一款作品——全車搭滿BMW最先進的電子設備，並且運用了大量新材料技術的概念車Z22。Z22使用了多達70項的各式新發明與61項的專利技術，包括前所未見的『線傳轉向』（Steer-by-wire）與『線傳制動』（Break-by-wire）技術，乘坐用的車室與功能性的車樑上下完全分離的嶄新車體構成方式，以及極度的輕量化設計。BMW Technik稱呼Z22是一輛『機械電子車』（Mechatronic Car），而mechatronic這個新發明的字實際上就是mechanical和electronic兩個字的合體，意指『電子控制的機械系統』，明確的說明整輛概念車上所使用設備都是透過電子的方式傳遞訊息，而不似一般傳統的車輛一般，由駕駛人透過直接的機械連結控制車上的一些功能。
 ▲BMW Z22是一輛作為全新線傳控制系統開發用的載台，但也有極大的可能在2005年時實際量產化。雖然迄今為止Z22仍然是一輛概念車，但是BMW高度暗示著對於其實際量產化的可能性。整個概念車款的開發計畫起始於1995年時，根據車廠方面的規劃，Z22將會是一輛擁有相當於528i Estate旅行車的承載量與使用彈性，搭載自排變速系統，極速180km/h但每百公里油耗卻只有6公升的車。除此之外，車廠還另外替其立了幾個很顯然是針對量產可行性而訂的目標，包括至少要有像5系列旅行車般的舒適性，能夠以每天百輛的產能製造，以及能符合所有關於環保污染、零件再生回收與安全性等方面的政府規範，以便確保概念車能夠在2005年時，正式付諸量產。Z22概念車擁有迥異於一般車輛的車體配置，搭載了一具橫向放置於後車軸前方的直列四缸引擎，而一般都放在車輛最前方的空調系統，則後移到防火牆的前方，且其壓縮機改採純電力驅動，而非一般車輛的壓縮機是採引擎曲軸帶動。由於動力等系統的位置不同，整個車室內空間的配置與儀表控台的設計都有了重新改變的可能，工程師們將Z22的座椅位置設計得比一般車輛為高，兼顧了視野較佳、進出便利與更好的側向撞擊保護能力等優點。也由於這些特殊的作法，Z22成為一輛擁有與7系列相同的軸距、5系列的車室空間，但卻只佔用3系列車體大小、迴轉半徑相當於5系列的靈活表現。
啟用嶄新材料技術達到輕量化目的工程人員當初在開發Z22時，是先確定了油耗與性能等需求標準後，再開始設計機械結構細節，而根據當初預設的要求，Z22的車重必須保持在1100kg以下，相當於一輛小型車的重量，並且比528i Estate輕了33%的程度。為了達到這樣的車重，車廠方面採用了一個革命性的車體配置——車輛被一條橫貫全車的分隔線分成上半部的車室與下半部的叫lash;能樑架。如此的作法可以讓工程師在選擇材料時達到因地制宜之效，在需求不同的位置使用如鋁或纖維強化材料，這些材料與傳統的鋼鐵相比重量至少減少50%以上。除此之外，由於車室與車體是完全獨立的個體，因此可以使用大量的隔絕材質將噪音與震動摒除在車室之外，達到前所未有的乘坐品質。基於這種理由，Z22不再像一些現代的車輛一樣，採用副車架結構，反而是將底盤系統直接裝置在鋁合金材質的叫lash;能車架上，同時達到輕量化與高剛性的目標。由於車輛包括轉向與制動等機構都改採電子化的線傳技術，在沒有了方向盤機柱、煞車連桿這一類的機械結構後，Z22的車室部分可以完全和外部的機械元件隔離，更進一步減少震動傳入車室內的可能。除此之外，車室/車體分離還有個附加的優點，由於高度的模組化設計，車輛各部分結構的製程更容易同步進行而節省整體的製造時間，使組裝一輛Z22所花的的時間可能比製造一輛5系列旅行車來得更簡短。 使用新開發的纖維強化材料有連lash;多優點，其中一個非常好的範例是Z22那一體成形的碳纖維強化塑膠（CFK）材質之車側鈑件，高強度纖維材料佔了這整片鈑件約50%的體積，而整塊鈑件則僅重19kg而已。如果使用金屬材料打造同樣的一塊鈑件，則重量至少要增加一倍以上，更別說這些新材料所能達到的製造精準度，整塊鈑件在製造的過程中產生的尺寸誤差可以壓低在0.4mm以下。除了車側鈑件外，包括Z22的車底、車頂、尾門及部分的車門部分都是使用CFK製造，由於CFK利用衝壓方式一體成形的製造方式，大幅減少了車身鈑件的數量，Z22全車只有22塊鈑件，較諸現在的車輛80塊的平均值實在是低了不少。除了用在車身外部的CFK材料外，底盤部分也採用了多種輕量化的材料，例如鈦合金的彈簧、鎂合金輪圈、強化纖維的轉向連桿等，整個車軸部分的重量較諸5系列足足輕了50%（別忘了5系列原本就是使用輕量化的鋁合金材質製造懸吊桿件）。
E-Gas線傳油門技術然而，若要說BMW Technik為什麼要特地為Z22發明『Mechatronic』這個自創名詞，就不能不提到Z22的『線傳』（By-Wire）技術。一般來說在現代的汽車上，最常見到的線傳技術就是車輛的線傳（電子）油門機構，幾乎已經成為高級車的標準配備項目之一，而在Z22可以見到來自於750i車系的『E-Gas』電子節氣閥控制系統，取消傳統的油門鋼索，以電子線路連結電子作動裝置來控制節氣閥的啟閉，能夠達到傳統機械式油門裝置所無法達到的舒適性與油門反應。不過，若只有油門部分採用線傳設計，那麼Z22實在也沒什麼值得多加介紹的必要，但若提到這款概念車上獨特的線傳轉向與線傳制動系統，就可說是業界內首見的獨特嘗試。
Steer-By-Wire線傳轉向技術 ▲造型有點類似民航機控制桿的多叫lash;能方向盤旋轉範圍雖小，但透過特殊的轉向機構仍可以達到傳統轉向系統的轉向幅度。雖然在Z22上駕駛人仍然使用方向盤與煞車踏板來操作車輛，但是沒有了如方向盤機柱、部分的腳踏板連桿等機械結構，可以減少在車輛發生撞擊意外時，外部的衝力透過機械連結將衝力導引至車室之內造成駕駛人與乘客受傷害的風險。由於沒有了方向盤機柱，因此Z22的腳踏板位置可以進行幅度更大的調整，而提升了乘坐舒適性與座椅位置的調整範圍。然而一定有人會擔心，由於全面性的使用電子系統取代機械結構，那麼車上的電力供應該如何應對，在Z22上所有的電力都是由一具5W叫lash;率的曲軸啟動馬達/發電機（Crankshaft Starter Generator，KSG）在外加上額外的緩衝用電瓶來供應，透過一個複雜的供電網路，能夠提供車上各設備14V、42V到200V等不同電壓大小的電力。 一般在傳統的車輛轉向結構上，雖然動力輔助的大小可以根據車速的快慢而調整，但是在轉向比上卻都是固定的，雖然有些比較考究的系統採用了漸進式的轉向比配置，在方向盤越偏離中心線時逐漸增加轉向比，但總是必須遵循一個既定的模式運作。在這樣的前提下，工程師在設計一輛車的轉向比時就必須兼顧到各種不同的車速範圍與使用狀況，而必須在轉向的精準度、穩定度與乘坐舒適性等互相衝突的屬性之間，求得一個勉強可以接受的折衷點。然而，線傳轉向的出現卻可以破除這樣的限制，而達到下面的優點：當駕駛人在進行停車的動作時，轉向比會改變到最大的狀態，因此駕駛人轉動方向盤的幅度甚至不用到一圈就能將轉向打到底限；在市區與慢速的鄉村道路上轉向比會設定在一個較傳統轉向系統直接的狀態，因此車輛能提供較諸傳統系統更為輕鬆的駕駛感；當車速逐漸增加時，線傳轉向系統不僅會如其他傳統系統一般逐漸增加轉向的重手感（減少動力輔助），連同轉向比也會隨著車速而漸減，如此縱使是突然遇到障礙物需要緊急迴避，也不會因為轉向動作過大而造成車輛的不穩定，而是一種更為直覺的轉向感；最後，除了轉向比的改變機能外，由於在線傳轉向系統上車輛透過方向盤回傳給駕駛人的手感其實是電子系統產生的，因此可以透過這樣的機能過濾掉一些不必要的震動感，系統會自動判斷只保留下有用的觸感回傳給駕駛人，兼具舒適與實用兩種特質。 Z22的線傳轉向系統包含四個主要的元件，方向盤模組、轉向驅動模組、控制器與電瓶模組。其中方向盤模組部分當然是用來接收駕駛人的指令，另一方面則是反相將系統模擬出來的路感回傳給駕駛人之用，一個無電刷直流電馬達再加上整合的驅動電路讓方向盤模組擁有產生回饋扭力的能力。根據設計Z22的方向盤機構的轉動範圍僅僅只有160度（一般的車輛平均的轉動範圍是三圈、也就是1080度），但是拜獨特的機械與電子結構之助迴轉直徑卻能做到低於11m的程度，並且在任何車速下達到約1g左右的最大側向加速度。在轉向驅動模組的叫lash;能方面，由角度感應器量測方向盤的轉向角大小，扭力感應器確定方向盤扭力後，轉向驅動模組會解讀、翻譯這些由駕駛人所輸出的訊息，轉為前輪轉向機構能夠瞭解的指令，並且也在同時決定應該回傳給駕駛人的回饋大小。為了達到改變轉向比的機能，轉向驅動系統內包含有兩具透過一個變速齒輪盒來驅動轉向機構齒盤的直流馬達。 至於轉向系統的控制器部分當然是用來收集分析方向盤與驅動模組傳來的資料，建立所有電子驅動系統的訊號所用，但除此之外控制器也同時監控系統內各個單元模組，在任何一個部分有故障發生時適時地警告駕駛人。至於電池單元部分除了與Z22車上的供電網路相連、作為轉向系統的電力供應者之外，當車輛發生電力供應問題時，該裝置還能使用自己本身內建的緩衝電池輸出緊急電力，避免轉向系統整個停瀏lash;。當然，在全面電子化的過程中，相信最讓人疑慮的莫過於如果電子式的線傳轉向系統故障的話，車輛是否會在瞬間失去轉向的能力，為了避免這樣的風險，工程師們設計了一套備用的系統，可以在任何元件發生問題時獨立地對系統內的三個作動器下指令，將故障侷限在一定的範圍之內而不會擴大影響造成整體系統的癱瘓。然而由於目前的政府法規尚未對這種純電子的系統有任何的規定，因此備用系統的存在基本上是為了研究的目的而設，但不排除作為未來量產時，相關法規修訂的參考。
Break-By-Wire線傳制動技術 ▲Z22上的多叫lash;能控制單元可以取代傳統的排檔桿與各項控台按鈕之作用。相對於全新的線傳轉向系統，Z22上的線傳制動系統就顯得直覺連lash;多：由於現代的高級車上大都配置有如ABS（防鎖死煞車）、CBC（彎道煞車控制）、DSC（車身動態穩定）、DBC（動態煞力分佈）之類的電子煞車輔助系統，因此發展出一個能夠整合上述所有叫lash;能，並且直接將傳統的機械鋼索、油管與連桿裝置完全由電子迴路取代的系統，似乎是一個很合理的進化邏輯。然而除了這些機能之外，一套線傳煞車系統還可以達到下述的額外優點。不用多說，要求得更短的煞停距離，絕對是每個新的制動系統被開發出來時最重要的目標；無論車輛在何種荷重狀態，或者是因為熱衰竭而造成煞車來令摩擦力下降，線傳制動系統可以永遠保持相同的踏板重量；手煞車的作用可以遍及四個車輪，而不像傳統的系統只有後輪有手煞車的作用；由於採電子式的設計，系統可以在車輛一停下來時就立刻對車輪施以煞車力量，如此在停紅燈或斜坡上暫停時也不會發生車輛一不注意倒滑的現象；煞車力道可以更為漸進、更為緩和，避免突來的減速力造成乘客的不適；當ABS或其他的電子煞車輔助系統介入時，駕駛人不會再感受到踏板震動所產生的不適感；由於沒有實際的機械連結結構，踏板位置的調整範圍變得更為寬廣；而最後、但也是最關鍵的一點是，通常在撞擊意外中最常見到、駕駛人腳部因為遭到潰縮進來的踏板給夾傷的狀況，在除去了實際的機械連桿後將不容易再發生，進而提高車輛的被動安全表現。 由於線傳制動系統整合了其他電子煞車輔助系統的叫lash;能，因此此系統同樣具有根據行駛狀況動態分佈煞車力道的能力。當車輛在彎道中進行煞車時，系統會提高外側的車輪上所施予的煞車力，同樣的，在直線前進的狀態下進行煞車動作時，系統會將較大的煞車力道施予在後輪之上。除此之外，依照車輛是在前進狀態還是倒車狀態，系統會給予完全顛倒的煞車力道配置方式，同時減少煞車距離、增加煞車穩定性。在機械結構面上，線傳制動系統除了不再需要傳統的煞車油管來傳遞煞車力道外，電磁控制的煞車卡鉗也取代了傳統用液壓活塞推動煞車來令片的作法，大幅地提升煞車制動的力量，其力道甚至高達數噸之譜。
 |
   |
||||||||||