Lịch sử của thân và khung xe hơi

Trong 120 năm lịch sử của ngành công nghiệp xe hơi, nhiều giải pháp công nghệ đã xuất hiện, một vài trong số chúng đã biến mất chỉ sau vài năm, một số khác thì được các nhà sản xuất xe hơi chấp nhận và sử dụng cho đến tận ngày hôm nay.  

Dưới đây là những khái quát về sự phát triển của khung và thân xe hơi đi theo xu hướng của ngành công nghiệp này và giới thiệu cho bạn đọc biết về những giải pháp thú vị được lựa chọn để áp dụng trên các xe mẫu hoặc xe sản xuất hàng loạt. Ngay cả khi không có những thành công về mặt thương mại nhưng tất cả chúng đã mang đến nhiều ý tưởng có tính chất bước ngoặt và được xem xét một cách có chọn lọc khi thiết kế các kết cấu xe hơi cải tiến.

Từ khi khởi đầu cho đến những năm 1920

Sự ra đời của xe hơi chính là thành quả trực tiếp từ sự phát triển của động cơ đốt trong. Sau đó những kỹ sư ôtô đã phải đối mặt với các vấn đề mang tính thực tiễn mới như hệ thống lái và phanh cho những chiếc xe này.

Trong giai đoạn đó, kết cấu của hệ thống khung hỗ trợ thân xe và những phần tử cơ khí chỉ được xem là thứ yếu: Không cần thiết phải đạt được độ cứng, chống xoắn cũng như yêu cầu về trọng lượng bởi vì những động cơ lúc đó có công suất rất hạn chế. Trong khi những kỹ sư này lại không hề có chút kinh nghiệm trước đó với hệ thống phanh, hộp truyền động và hệ thống lái. Đối với thân xe và khung sàn họ có thể sự dụng những kiến thức và hiểu biết kinh nghiệm trong việc đóng xe ngựa.

Cuối thế kỷ 19, những chiếc xe hơi đầu tiên đã có kết cấu phù hợp với lực đẩy của động cơ đốt trong. Ngay cả nhiều thuật ngữ cũng được đưa vào từ nghề chế tác thân xe như phaeton, tonneau, landaulet, wagonette…

 
Coupe (trái) và Phaeton (phải)

Kết cấu của xe hơi được làm từ khung gỗ với các tấm thân bằng gỗ lắp ghép phía trên khung này. Công suất và tốc độ tối đa bị hạn chế cho phép sử dụng kết cấu này một cách dễ dàng trong việc chống chịu lại các ứng suất tĩnh và động khi xe vận hành.  

Khoảng năm 1900, với việc giới thiệu tôn lá bằng thép và nhôm cùng sự phát triển của các phương pháp gia công như rèn và rập đã tạo ra nhiều cuộc cách mạng trong ý tưởng chế tạo kết cấu xe hơi: những tấm ván bằng gỗ thẳng hay uốn ở những góc cong đơn giản đã được thay thế bằng các tấm kim loại.

Điều này cho phép các nhà thiết kế có thể tạo ra nhiều hình dạng thân xe khác nhau một cách tự do và khá thoải mái. Các tấm thân xe được làm chủ yếu từ thép nhưng trên những chiếc xe sang trọng thì nó lại được làm từ nhôm. Những tấm thân xe này vẫn lắp trên loại khung gỗ thông thường được gia cố thêm bởi những chi tiết chịu lực bằng thép. Loại kết cấu này (thân vỏ kim loại trên khung gỗ) trở nên rất thông dụng trong thời gian 10 năm cho đến năm 1910.

Mặt bên của hệ thống khung gầm

Năm 1915, H.J. Hayes giới thiệu một giải pháp mới: thân xe có chức năng cấu trúc. Ưu điểm của loại này là có giá rẻ hơn, giảm được tiếng ồn và rung xóc. Kết cấu này được áp dụng trên Ruler Frameless, một lô xe gồm 3.000 chiếc. Trên chiếc xe này, các tấm thân xe có dạng ống mang đến độ cứng cần thiết trong khi động cơ và hệ thống treo được lắp trên một sàn nằm ngang.

Dodge Brothers 1914

Cùng trong những năm đó, Edward G. Budd đề xuất một chiếc xe làm hoàn toàn bằng thép: một ý tưởng đầu tiên sử dụng những tấm thép được hàn lại với nhau. Tuy nhiên công nghệ dập vào thời điểm không quá hiện đại và không cho phép tạo hình những chi tiết có góc phức tạp.  Vì vậy rất nhiều phần tử gia cố và số lượng lớn các mối hàn là cần thiết.

 

Dù sao chăng nữa thì ý tưởng của Budd đã làm nền tảng cho nhiều phát triển trong tương lai của loại thân xe đơn nhất bằng thép (Unibody). Giải pháp này đã được áp dụng trên chiếc Dodge Brother với số lượng lớn hàng ngàn chiếc.

Trong năm 1922, Lancia Lambda làm nên một cuộc cách mạng trong sự phát triển của thiết kế thân xe. Nó được tạo ra bởi Vincenza Lancia, người tìm thấy ý tưởng từ trong cấu trúc thân đơn khối của những con thuyền. Với chiếc Lambda, lần đầu tiên kết cấu này được sử dụng trên cả khung và thân xe.

Lancia Lambda 1922

Kết cấu của Lambda làm hoàn toàn bằng thép. Sàn xe bao gồm một ống truyền động và một thân hỗ trợ mang đến độ cứng một cách tổng thể cho xe. Cùng thời điểm đó, Auburn giới thiệu kết cấu “X-Frame” với ưu điểm cải thiện độ cứng và giảm rung xóc.

Khung sàn của Lancia Lambda 1922