Hầu hết những chiếc ô tô hiện đại đều có 4 bánh xe và hệ thống truyền động để xe lăn bánh, nhưng cấu tạo khung gầm của chúng lại có nhiều khác biệt vì tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà một vài loại khung gầm nhất định sẽ phát huy công năng phù hợp hơn những loại khác. Những thuật ngữ như body-on-frame, unibody, monocoque, space frame, backbone chassis… có ý nghĩa gì, khác biệt ra sao và loại nào tốt nhất?
Định nghĩa về khung gầm body-on-frame và những khung gầm thuộc nhóm này
Những chiếc xe cơ giới đầu tiên được phát minh với việc chuyển từ xe ngựa kéo sang dùng động cơ thay cho ngựa, cùng các phương thức kết nối để có thể khiến xe lăn bánh. Dạng khung gầm sơ khai này, được gọi là “rolling chassis” (khung gầm lăn), trở thành nền tảng để nâng đỡ phần thân xe, vốn có nhiều kiểu khác nhau như cabin gắn với thùng hàng, thân mở với nhiều chỗ ngồi, thân kín, v.v…
Thân (body)…
… và khung (frame)
Theo thời gian, ngành công nghiệp ô tô non trẻ dần phát triển, khái niệm về bộ khung sườn chứa hệ thống truyền động và hệ thống treo để sau đó gắn thêm thân xe lên được công nhận là “body-on-frame” (thân trên khung), từ đó tiếp tục phát sinh nhiều biến thể.
- Ladder frame (khung hình thang): Đây là kiểu đơn giản nhất, bao gồm 2 thanh ray dọc đối xứng đóng vai trò chịu lực chính, được kết nối bởi nhiều thanh ngắn bắt chéo, nhìn giống như một chiếc thang. Thiết kế này vẫn được sử dụng phổ biến ngày nay ở hầu hết các xe bán tải và SUV dân dụng từ cỡ trung trở lên, hoặc các mẫu xe tải thương mại.
- Backbone chassis (khung gầm xương sống): Cũng có cấu tạo khá đơn giản, chỉ gồm một ống hình trụ có mặt cắt dọc theo trọng tâm của xe để nối trục phía trước với phía sau xe, trông giống một khung xương chính. Bên trong còn có một khoảng trống cho trục lái. Vì thế, loại khung gầm này có khả năng chống chịu với mọi địa hình phức tạp, rất thích hợp với các dòng xe thể thao cỡ nhỏ. Nó xuất hiện từ rất sớm bên trong các mẫu xe như Rover 8 mã lực đời 1904 của Anh hay Simplicia đời 1909 của Pháp. Hãng xe tải Tatra (CH Séc) dùng kiểu khung gầm này từ năm 1932 đến nay.
- Platform frame (khung nền tảng): Là ý tưởng thống nhất các tấm sàn kết cấu với khung để tăng thêm độ cứng chắc. Volkswagen gọi thiết kế này là “thân xe trên chảo” khi ứng dụng nó cho mẫu xe Beetle mang tính biểu tượng. Mercedes gọi nó là “sàn khung” trên các mẫu xe “ponton” của thập niên 50 và 60.
- Nhiều mẫu xe ở Mỹ những năm 1950 sử dụng thiết kế khung chữ X, trong đó các đường ray kết cấu hội tụ ở giữa chiếc xe, nhưng cấu trúc này hầu như không có khả năng bảo vệ tác động từ phía bên hông.
- Nhằm khắc phục nhược điểm của khung chữ X, khái niệm khung chu vi (Perimeter frame) ra đời, trong đó các thanh khung uốn cong ra phía ngoài ở đoạn giữa 2 trục bánh xe, nhằm bao quanh các vị trí ngồi. Thiết kế này được ứng dụng cho các mẫu xe Mỹ cỡ lớn trong nhiều năm, kết thúc với chiếc Ford Crown Victoria 2012.
Tất cả các kiểu khung gầm dạng body-on-frame đều có những lợi thế như:
- Cấu trúc thiên về nặng và chắc chắn mang đến khả năng chịu tải trọng tốt, phù hợp với mục đích chở hàng và kéo rơ-moóc
- Phần thân thường được bố trí nằm cách xa mặt đất, tạo nên khoảng sáng gầm thông thoáng
- Cơ chế khớp nối linh hoạt, hạn chế hiện tượng vặn xoắn giúp xe bám đường tốt ngay cả khi đi trên địa hình có bề mặt không bằng phẳng
- Phần thân tách biệt với phần khung và được lót lớp đệm cao su nên có hiệu quả cách âm và giảm rung động tốt
- Nếu phần thân bị hư hại ở mức độ nhẹ thì phần khung thường không bị ảnh hưởng, cần thiết có thể thay hẳn phần thân mới mà vẫn giữ nguyên khung
- Tương tự, hãng xe có thể chỉnh sửa lại thiết kế phần thân, dẫn đến kiểu dáng chiếc xe khác biệt mà vẫn tiếp tục tận dụng phần khung nguyên bản, tạo nên nhiều mẫu xe khác nhau mà không tốn nhiều chi phí
Định nghĩa về khung gầm unibody
Unibody còn được gọi là kiểu khung gầm liền khối, với các phần thân xe, ván sàn và các bộ phận hỗ trợ cho kết cấu khung gầm chính được hàn, liên kết, đúc khuôn hoặc bằng cách thức gia cố nào đó được nối thành một cấu trúc toàn vẹn. Cấu trúc này cũng chứa luôn tất cả những thành phần mang tính chất bảo vệ trong trường hợp xảy ra va chạm.
Lần đầu tiên khung gầm unibody được ứng dụng trong ngành ô tô là ở chiếc Lancia Lambda 1922-1931, giúp giảm chiều cao và khối lượng của xe so với thiết kế khung gầm body-on-frame đương thời. Đặc tính đó của khung gầm dạng unibody tiếp tục được phát huy tới ngày nay, dù cho quá trình thực hiện đã phức tạp hơn đáng kể.
Phần lớn các loại xe ô tô hiện đại đều có khung gầm unibody, bao gồm cả những chiếc xe gầm cao dạng crossover (CUV) và thậm chí là không ít dòng SUV vốn sử dụng body-on-frame nhưng chuyển qua unibody.
Những lợi thế của kiểu khung gầm này so với body-on-frame có thể kể đến:
- Khối lượng xe nhẹ hơn, giúp cải thiện hiệu năng vận hành và tiết kiệm nhiên liệu
- Giảm chi phí vì sử dụng ít vật liệu hơn và số lượng những mảng rời cũng ít hơn, dễ sản xuất hàng loạt hơn
- Đặc tính liền khối tạo cho toàn bộ chiếc xe cảm giác vững vàng, khó bị uốn cong, làm tăng tính chính xác của phản hồi từ hệ thống treo cũng như cơ cấu lái
- Trọng tâm thấp, toàn bộ chiếc xe sát mặt đường hơn, cải thiện cảm giác vận hành và hạn chế yếu tố “bồng bềnh”
- An toàn hơn, vì các kỹ sư sẽ dễ dàng thiết kế thân xe kiểu unibody và dự đoán trước mức độ biến dạng khi có va chạm
Định nghĩa về khung gầm monocoque
Đây là một từ tiếng Pháp, có nghĩa là “vỏ đơn”. Kiểu khung gầm monocoque thường hay bị nhầm lẫn với unibody, nhưng thực ra giữa chúng có khác biệt. Monocoque có thể hiểu là khung gầm đơn khối hoặc nguyên khối, tức là tất cả mọi thành phần đều được thiết kế ngay từ ban đầu để tạo thành một thể thống nhất, giống như lớp vỏ ngoài của một số loài côn trùng.
Đối với kiểu khung gầm monocoque, bản thân lớp vỏ ngoài không chỉ có chức năng tạo hình cho chiếc xe mà còn chính là cấu trúc nâng đỡ, với đầy đủ khả năng chịu lực căng và tải trọng nén. Đây cũng là một cách phổ biến để chế tạo máy bay trong những ngày đầu, dù rằng máy bay hiện đại thời nay đã phát triển theo hướng khác.
Rất hiếm thấy một mẫu xe dân dụng phổ thông nào dùng kiểu khung gầm monocoque, nhưng trong thế giới xe đua thì lại là chuyện khác. Chiếc Lotus 25 đời 1962 tham dự giải F1 là xe monocoque đầu tiên với lớp thân làm từ nhôm. McLaren cũng lần đầu giới thiệu cấu trúc xe đua liền khối bằng composite được gia cố bằng sợi carbon trên chiếc MP4/1 đời 1981 và tiếp tục sử dụng đến ngày nay.
Một số lợi ích đặc biệt của khung gầm monocoque:
- Có khối lượng rất nhẹ nếu làm từ sợi carbon và/hoặc nhôm, trở thành kiểu khung gầm lý tưởng cho xe đua, siêu xe hoặc bất cứ mẫu xe nào muốn phá những kỷ lục tốc độ
- Tối ưu chi phí sản xuất vì số lượng vật liệu cần thiết để cung cấp độ bền cho xe ít hơn các kiểu khung gầm khác
- Tận dụng tốt không gian khi toàn bộ cấu trúc chỉ là một lớp vỏ bên ngoài
- Độ vững chắc vượt trội giúp cải thiện khả năng xử lý
- Ngay cả các tấm thân xe cũng tăng thêm sức bền cho thiết kế, nhờ đó độ an toàn của hành khách được cải thiện
Định nghĩa về khung gầm space frame
Về cơ bản, khung gầm space frame (khung không gian) có thể được coi là một sự đối lập với khung gầm monocoque. Ở đây, khung bên trong gồm các ống kim loại hoặc thanh giằng composite chịu phần lớn tải trọng trong khi thân xe bên ngoài chịu rất ít. Có thể so sánh kiểu khung gầm này với cơ thể người, có cấu trúc bộ xương bên trong và lớp da bên ngoài.
Ý tưởng này lần đầu tiên được đề xuất để sử dụng trên ô tô bởi nhà phát minh William B. Stout bằng chiếc Scarab mang phong cách trang trí nghệ thuật của ông (chính là tiền thân của dòng xe minivan hiện đại). Chiếc Maserati Tipo 61 “lồng chim” năm 1959 giúp phổ biến khái niệm khung gầm space frame, nhưng trước đó cũng đã ghi nhận chiếc Porsche Type 360 Cisitalia năm 1947 là chiếc xe đua đầu tiên dùng khung gầm dạng này.
Phương pháp thiết kế khung không gian space frame hình ống thực sự phù hợp với việc quy mô sản xuất số lượng nhỏ, vì cấu trúc có thể được hàn lại dễ dàng mà không cần máy ép dập và đồ gá hàn đắt tiền nên nó rất phổ biến trong các cuộc đua.
Vậy khung gầm nào tốt nhất?
Câu trả lời hoàn toàn phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Mỗi kiểu khung gầm xe đều có ưu và nhược điểm riêng. Không có kiểu nào là tốt nhất, chỉ có loại xe nào phù hợp nhất với khung gầm nào mà thôi.
Ngày nay các xe SUV, xe bán tải và hầu hết xe tải vẫn sử dụng kết cấu body-on-frame, nhưng một số dòng SUV hạng sang đã chuyển sang unibody. Đối với những chiếc xe sedan, hatchback, station wagon và CUV phổ thông, thiết kế unibody liền khối là cách chế tạo xe phổ biến nhất, an toàn và linh hoạt hơn bao giờ hết. Trong khi đó, thiết kế khung gầm đơn khối monocoque chủ yếu được sử dụng trên xe thể thao, siêu xe và xe đua, như McLaren 720s hay Bugatti Chiron.
Những phân khúc xe thường có truyền thống gắn liền với body-on-frame đang cho thấy sự thay đổi rõ rệt nhất. Nếu như những chiếc SUV sang trọng với kích cỡ to lớn như Lincoln Navigator, Cadillac Escalade hay Lexus LX vẫn là xe body-on-frame, thì những cái tên gây tranh cãi khi chuyển đổi qua unibody có thể kể đến Ford Explorer (từ 2011), Land Rover Discovery (từ 2017), Land Rover Defender (từ 2020), v.v…
Ở một cấp độ “nhẹ nhàng” hơn là phân khúc bán tải, nơi mà những dòng cỡ lớn được làm ra để thực hiện công việc nặng nhọc như Ford F-150, Toyota Tundra… vẫn trung thành với body-on-frame, nhưng trên thị trường đã có những mẫu nhỏ hơn dùng khung gầm unibody như Honda Ridgeline, Ford Maverick hay Hyundai Santa Cruz…
Tuy nhiên, khung gầm body-on-frame có thể trở thành bước đột phá tiếp theo đối với xe dân dụng phổ thông với ý tưởng khung gầm dạng ván trượt (skateboard chassis) mới. Đây là kiểu khung gọn gàng có thể tích hợp sẵn hệ truyền động và hệ thống treo, để từ đó gắn thêm phần thân.
Ý tưởng này xuất phát từ xe điện, khi các mô-tơ và pin đủ nhỏ gọn để tích hợp trực tiếp lên khung. Các mẫu xe Tesla đã ứng dụng một biến thể của kiểu khung gầm ván trượt này ngay từ thời kỳ sản phẩm đầu tiên như Roadster hay Model S. Hiện nay, rất nhiều các nền tảng khung gầm chuyên cho xe điện là dạng ván trượt: BEV3 của GM, MEB của Volkswagen, E-GMP của Hyundai, MIH của Foxconn, LEAP của Lucid, SEA của Geely… và chắc chắn sẽ còn thêm nhiều nữa.
Tổng hợp
