基于平臺(tái)帶寬的車身效率綜合評(píng)價(jià)

陳東平，沈建東，王 鏑

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 車身效率及主流評(píng)價(jià)方法

為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的法規(guī)以及全球化平臺(tái)開發(fā)的要求，在過(guò)去的幾十年里車身的質(zhì)量在逐步增加，隨著對(duì)油耗及排放的要求愈加嚴(yán)苛，車身輕量化備受關(guān)注。但質(zhì)量輕并不一定意味著輕量化，因?yàn)檐嚿淼馁|(zhì)量還受到其它諸如整車配置、性能差異、材料工藝及成本等指標(biāo)的影響和制約，可見(jiàn)影響車身實(shí)現(xiàn)效率的因素多且復(fù)雜，已經(jīng)不可能用單個(gè)的指標(biāo)來(lái)衡量車身結(jié)構(gòu)整體的好壞。而現(xiàn)行的評(píng)價(jià)車身效率方法極少，目前車身輕量化系數(shù)是業(yè)內(nèi)比較通行的車身效率評(píng)價(jià)方法。

車身輕量化系數(shù)，即L=M/（K*A），L為輕量化系數(shù)，越小越好；M為白車身(不含門蓋)質(zhì)量；K為車身扭轉(zhuǎn)剛度；A為4輪間的正投影面積(即前、后輪平均輪距乘以軸距)，如圖1所示。

輕量化系數(shù)結(jié)合了車身質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度性能和車身尺寸的因素，但該評(píng)價(jià)方法也有很多不足。首先，其中的尺寸為輪距和軸距，還不足以反映整車長(zhǎng)寬高尺寸以及車型變化等影響；其次，更關(guān)鍵的安全性能沒(méi)有體現(xiàn)，將安全不在同一級(jí)別的車型進(jìn)行比較并不合理，為此有人提出可采用相對(duì)值來(lái)消除該系數(shù)量綱的影響[1]；再者，整車如動(dòng)力總成的配置差別和材料工藝使用的差異對(duì)車身質(zhì)量的影響也比較大，但該方法也不能反映出來(lái)；另外，過(guò)分追求輕量化系數(shù)會(huì)走入誤區(qū)，因?yàn)樵贏不變的情況下，可以在一定的范圍內(nèi)通過(guò)較少質(zhì)量增加的代價(jià)（如2%）即可換來(lái)剛度較大幅度的提升（如10%），如表1中的輕量化系數(shù)可以降低到原來(lái)的93%，這樣會(huì)造成雖然車身質(zhì)量增加了但輕量化系數(shù)卻更好了的假象，通過(guò)過(guò)分追求剛度來(lái)提升輕量化系數(shù)與控制質(zhì)量的終極目標(biāo)是相違背的。綜上所述有必要建立更合理的包含主要影響因素的車身綜合效率評(píng)價(jià)方法。

表1 兩種輕量化系數(shù)對(duì)比

2 基于平臺(tái)的效率影響因素分析

隨著平臺(tái)開發(fā)的全球化，平臺(tái)因素對(duì)于輕量化的影響也逐步顯現(xiàn)，因?yàn)檐嚿沓休d的不再是傳統(tǒng)的針對(duì)某個(gè)區(qū)域的單一車型而是針對(duì)全球不同國(guó)家，包含各種車身型式的平臺(tái)架構(gòu)，其車身架構(gòu)必須適應(yīng)不同車型尺寸及輪軸距的變化，不同市場(chǎng)的性能差異以及動(dòng)力總成等主要配置的變化，使每個(gè)車型都能滿足規(guī)定的性能要求。因此一個(gè)只針對(duì)本土設(shè)計(jì)的車型平臺(tái)與一個(gè)針對(duì)全球設(shè)計(jì)的車型平臺(tái)，其車身架構(gòu)在尺寸、性能及配置要求上有很大的區(qū)別，車身關(guān)鍵指標(biāo)如質(zhì)量的差別也很大。即使對(duì)于同是全球化的車身架構(gòu)，由于各主機(jī)廠的平臺(tái)定位、開發(fā)策略、成本策略以及制造體系等的差異，最終的車身實(shí)現(xiàn)方式也千差萬(wàn)別?？梢?jiàn)車身效率評(píng)價(jià)不能脫離其承載的平臺(tái)因素。

車身效率體現(xiàn)了車身輕量化地實(shí)現(xiàn)各種要求的能力，影響車身效率的主要因素可歸為3類，即因平臺(tái)規(guī)劃產(chǎn)生的車身架構(gòu)帶寬的影響，材料與工藝選用（即成本要求）的影響，車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化能力等。

2.1 平臺(tái)規(guī)劃對(duì)車身架構(gòu)的影響

平臺(tái)規(guī)劃直接影響車身架構(gòu)的帶寬。車身架構(gòu)通俗講即為車身下車體，它是整車平臺(tái)的基礎(chǔ)和性能的基本保證，對(duì)于一個(gè)平臺(tái)的各種車型來(lái)說(shuō)上車體會(huì)因車身型式的變化而變化，但下車體通常不變。當(dāng)然，平臺(tái)可能規(guī)劃不同的衍生車型從而產(chǎn)生軸距甚至輪距、前懸后懸長(zhǎng)度等的變化，這樣就形成了車身架構(gòu)的尺寸帶寬。平臺(tái)也會(huì)根據(jù)各個(gè)市場(chǎng)需求規(guī)劃不同的動(dòng)力總成配置，這就形成了動(dòng)力總成的帶寬。不同的目標(biāo)市場(chǎng)會(huì)有各種性能的差異，也就有了性能帶寬。為了滿足全球不同區(qū)域異地生產(chǎn)的要求就產(chǎn)生了制造帶寬。下面分別對(duì)這幾種帶寬做分析說(shuō)明。

對(duì)于面向全球市場(chǎng)規(guī)劃的平臺(tái)，就必須考慮車身架構(gòu)的性能帶寬，圖2顯示了車身架構(gòu)必須滿足的全球各種安全及保險(xiǎn)法規(guī)要求。車身架構(gòu)按最嚴(yán)格的法規(guī)來(lái)開發(fā)就需要進(jìn)一步加強(qiáng)，但這同時(shí)也可能降低效率，如何用同一車身架構(gòu)適應(yīng)全球不同區(qū)域各種法規(guī)要求而不至于產(chǎn)生浪費(fèi)是需要思考的問(wèn)題。

平臺(tái)動(dòng)力總成的一般配置比較豐富，如果又規(guī)劃有混合動(dòng)力、新能源等其它非傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)，那么其質(zhì)量、整體的布置空間及界面差異就很大，由此引起的整車質(zhì)量變化幅度也大。相關(guān)研究顯示由動(dòng)力總成引起的整車質(zhì)量每增加100 kg會(huì)帶來(lái)超過(guò)10～15 kg車身質(zhì)量的螺旋式上升。圖3顯示了世界汽車鋼鐵聯(lián)合會(huì)與密西根大學(xué)的研究結(jié)果，動(dòng)力總成質(zhì)量的改變（即Power Train）對(duì)整車質(zhì)量變化的影響系數(shù)（Influence Coefficient）是遠(yuǎn)大于其它子系統(tǒng)的，而車身架構(gòu)安全性能必須以最大整車質(zhì)量的配置為基礎(chǔ)，可見(jiàn)如果車身設(shè)計(jì)考慮最惡劣的情況則意味著在絕大部分車型上都會(huì)有一部分額外車身結(jié)構(gòu)或者布置空間是被浪費(fèi)掉的。

尺寸帶寬體現(xiàn)了車身的延展能力和車型變化能力，包括輪軸距、前后懸、Cowl點(diǎn)位置等的變化，這些尺寸的延展也會(huì)帶來(lái)整車質(zhì)量的增加，使車身結(jié)構(gòu)指標(biāo)及安全性能下降，需要更多的質(zhì)量來(lái)加強(qiáng)車身骨架。

此外，全球化要求制造體系可移植性和異地生產(chǎn)的重復(fù)性，也對(duì)車身提出了制造帶寬的要求，需要兼容不同區(qū)域的制造要求和滿足不同平臺(tái)的共線生產(chǎn)要求，需要跨平臺(tái)的全球統(tǒng)一定位策略，同時(shí)全球開發(fā)時(shí)還需要考慮不同區(qū)域的制造能力對(duì)于材料選擇和工藝規(guī)劃的影響，也會(huì)增加車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和效率。

目前越來(lái)越多的跨國(guó)車企都在整合和精簡(jiǎn)其全球化的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一開發(fā)，希望以此提高效率，減少開發(fā)、驗(yàn)證、生產(chǎn)和管理等方面的成本。但這種策略也是把雙刃劍，尤其是平臺(tái)引進(jìn)到新興市場(chǎng)，車身架構(gòu)的安全及其它性能過(guò)高，這當(dāng)然會(huì)影響車身的效率。

2.2 材料及工藝選用的影響

材料及工藝的選用與成本是密不可分的，在對(duì)成本不敏感的高端車型上使用輕質(zhì)合金、復(fù)合材料以及熱成形、變截面板料TRB、液壓成型及激光焊接等工藝可以明顯地實(shí)現(xiàn)減重，但這種花錢買重量的策略在中低端車型上能實(shí)施到什么程度，不同車企的差別比較大?？梢?jiàn)拋開材料及工藝要素談?shì)p量化和車身效率是不全面的。

2.3 設(shè)計(jì)及優(yōu)化的影響

車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)輕量化和車身效率的影響是顯而易見(jiàn)的，主要體現(xiàn)在：載荷路徑的規(guī)劃是否合理，是否能實(shí)現(xiàn)與整車主要系統(tǒng)的集成；車身結(jié)構(gòu)、形貌、接頭、斷面及連接是否優(yōu)化；材料工藝一定的情況下，其具體使用是否恰當(dāng)；以及平臺(tái)帶寬的具體實(shí)現(xiàn)方式是否合理等，不同的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式影響著車身的效率。

3 車身效率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

車身效率不僅僅取決于設(shè)計(jì)優(yōu)化，而且也受到平臺(tái)帶寬的規(guī)劃以及材料使用差異（成本指標(biāo)）等因素的制約，可以通過(guò)一定的方法將材料引起的車身質(zhì)量差異進(jìn)行修正。而對(duì)于因平臺(tái)帶寬不同引起的車身質(zhì)量變化也需要通過(guò)一定的方法進(jìn)行評(píng)估。在探索車身綜合效率評(píng)價(jià)方法之前需要建立以下輔助概念和方法。

3.1 車身修正質(zhì)量

對(duì)因材料使用策略（成本因素）不同而導(dǎo)致的質(zhì)量差異，提出和使用了修正質(zhì)量的概念，這樣就可以在同一個(gè)基準(zhǔn)上對(duì)競(jìng)爭(zhēng)車型進(jìn)行比較和評(píng)估。

該修正的概念簡(jiǎn)單說(shuō)是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式將先進(jìn)高強(qiáng)鋼以及輕質(zhì)材料等效成競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手常用的材料。這種等效需要經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)庫(kù)的積累，如針對(duì)不同等級(jí)鋼材的料厚靜態(tài)等效如下，對(duì)于輕質(zhì)材料也可通過(guò)建立經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行等效。

式中：tHS和tMS分別為高強(qiáng)鋼和普通鋼料厚；ReHS和ReMS分別為高強(qiáng)鋼和普通鋼的屈服強(qiáng)度。

3.2 車身質(zhì)量回歸效率

針對(duì)平臺(tái)帶寬尤其是動(dòng)力總成配置帶寬對(duì)車身質(zhì)量的影響，使用了車身質(zhì)量回歸效率，它是運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，通過(guò)對(duì)大量面向全球平臺(tái)的標(biāo)桿車型的數(shù)據(jù)處理而形成的質(zhì)量回歸曲線。該評(píng)價(jià)方法以車身架構(gòu)所承載的動(dòng)力總成質(zhì)量帶寬、整車長(zhǎng)寬高尺寸等為主要影響參數(shù)，同時(shí)兼顧全球主要的安全性能要求，結(jié)合這些影響因素來(lái)綜合預(yù)測(cè)合理的車身理論質(zhì)量，而車身實(shí)際的質(zhì)量與該理論質(zhì)量的比值即為回歸效率。如圖4所示，實(shí)線代表實(shí)際車身質(zhì)量與理論預(yù)測(cè)質(zhì)量相當(dāng)，當(dāng)理論質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量形成的坐標(biāo)點(diǎn)落在回歸曲線的下方則效率較高，越往下偏置則效率越高；落在上方則效率較低，越往上則效率越低。該系數(shù)能夠量化地評(píng)估平臺(tái)帶寬對(duì)車身質(zhì)量的影響。

3.3 車身體積密度

車身體積密度是比較直觀且簡(jiǎn)單易行的評(píng)價(jià)方法，其定義為車身質(zhì)量與車身體積的比值。體積密度評(píng)估法體現(xiàn)的是實(shí)現(xiàn)同樣功能的車身需要使用的材料多少，密度越低則使用的材料越少，效率越高，反之則越低。該評(píng)價(jià)方法對(duì)于同一類車身型式的比較效果尤為直接，還可以通過(guò)修正質(zhì)量來(lái)消除材料帶來(lái)的質(zhì)量差異。

3.4 車身綜合效率系數(shù)的建立

綜合上述修正和評(píng)價(jià)方法，提出“車身綜合效率系數(shù)”的概念，結(jié)合上述各種影響因素評(píng)估車身輕量化的能力，該系數(shù)越低則效率越高，其定義如下。

車身綜合效率系數(shù)=f{A×輕量化系數(shù)+B×回歸效率+C×體積密度}，

式中：A、B、C為權(quán)重系數(shù)。權(quán)重的設(shè)置兼顧到3個(gè)評(píng)估指標(biāo)的特點(diǎn)及側(cè)重，并充分考慮當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)車的總體水平，由企業(yè)根據(jù)實(shí)際情況確定。3項(xiàng)指標(biāo)均涉及到車身質(zhì)量這一參數(shù)，體現(xiàn)了輕量化的終極目標(biāo)，對(duì)材料使用不同引起的質(zhì)量差異進(jìn)行了修正。該綜合效率系數(shù)將整車尺寸及輪軸距、車身結(jié)構(gòu)性能及安全性能、材料使用差異、動(dòng)力總成配置等平臺(tái)帶寬都納入了考核體系，形成了較為全面、更加合理的車身效率評(píng)估方法。

3.5 與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的比較

以兩款同一細(xì)分市場(chǎng)三廂競(jìng)爭(zhēng)車型為例，分別采用這兩種方法進(jìn)行分析比較，車型參數(shù)及分析結(jié)果見(jiàn)表2。從輕量化系數(shù)看競(jìng)爭(zhēng)車A較車B具有明顯優(yōu)勢(shì)，分別為2.94和3.31，它們之間的差別是相當(dāng)大的，B車要減重33 ～264 kg才能達(dá)到與A車同樣的水平，而B車無(wú)論是在外形尺寸、PT帶寬及材料使用上都比A車要惡劣，可見(jiàn)用輕量化系數(shù)評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)B車是很不公平的。如果考慮到平臺(tái)各種帶寬和材料使用的差異，A車的綜合效率系數(shù)幾乎就沒(méi)有優(yōu)勢(shì)了，分別為3.11和3.19，A車的部分過(guò)程指標(biāo)甚至更差，這是因?yàn)锽車車身承載的平臺(tái)要求明顯要比A車多。可見(jiàn)綜合效率系數(shù)比傳統(tǒng)的輕量化系數(shù)更能全面公正地評(píng)價(jià)車身效率。

表2 綜合效率系數(shù)與輕量化系數(shù)比較

4 車身效率提升方法

4.1 合理控制架構(gòu)帶寬

對(duì)車身尺寸帶寬而言，長(zhǎng)寬高等整車尺寸會(huì)隨車型的變化而調(diào)整，應(yīng)關(guān)注和控制最小前懸的長(zhǎng)度，使無(wú)論哪款車型其有效壓潰空間都能得到保證。輪距通常是不變的，軸距會(huì)因平臺(tái)長(zhǎng)短軸的規(guī)劃而有差別，但變化幅度不宜太大，推薦幅度在100 mm以內(nèi)。此外平臺(tái)內(nèi)車型規(guī)劃要合理，避免SUV車型與轎車等車型共用同一車身架構(gòu)。

控制動(dòng)力總成配置的帶寬主要為兩方面，一是控制不同配置的質(zhì)量差別不能過(guò)大；二是不同配置的布置空間差別不能過(guò)大。同時(shí)建議為新能源等純電動(dòng)車開發(fā)單獨(dú)的車身架構(gòu)。合理帶寬推薦范圍如下，這樣的帶寬一方面有利于車型的拓展，另一方面能獲得較經(jīng)濟(jì)的車身結(jié)構(gòu)。

式中：Mm為高配車型整車質(zhì)量；Mb為基本配置車型整車質(zhì)量。

帶寬的不同實(shí)現(xiàn)方法對(duì)車身質(zhì)量影響很大，推薦采取差異化策略及量大優(yōu)先原則，即面對(duì)不同市場(chǎng)需求而產(chǎn)生的性能帶寬要進(jìn)行綜合評(píng)估，區(qū)分主要目標(biāo)市場(chǎng)及銷量，以銷量最大的市場(chǎng)車型為基本車型進(jìn)行車身架構(gòu)的開發(fā)。其它市場(chǎng)可采取差異化的應(yīng)對(duì)方法，如通過(guò)增減零件及更改材料等級(jí)等手段滿足不同市場(chǎng)的需求，其原則是不要對(duì)車間的拼焊工裝和生產(chǎn)工藝產(chǎn)生影響。

4.2 材料及工藝的合理選用策略

成本決定材料及工藝的選用策略，影響著最終車身質(zhì)量。材料選用要充分考慮零件的功能要求，如對(duì)剛度、耐久、碰撞吸能區(qū)以及乘客艙剛性區(qū)其選用的材料是不一樣的。實(shí)踐表明：在滿足相同安全性能要求下通過(guò)使用超高強(qiáng)鋼，可實(shí)現(xiàn)10%以上的減重，但其減重后的綜合成本與原成本可基本持平。考慮到超高強(qiáng)鋼成形困難、回彈大，因此零件形狀設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，以便通過(guò)輥壓等非拉延冷沖工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于成本較高的材料及工藝如輕質(zhì)材料、熱成形等則需要建立花錢買重量的標(biāo)準(zhǔn)（￥/kg），當(dāng)然不同檔次平臺(tái)其標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有差異。

4.3 高效的車身設(shè)計(jì)與優(yōu)化手段

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化必須遵循一定的原則和優(yōu)先順序才能在成本可控的情況下更好地實(shí)現(xiàn)輕量化（圖5）[2]。首先在不增加成本的基礎(chǔ)上優(yōu)先進(jìn)行整體載荷路徑的規(guī)劃，形成閉環(huán)的框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)、路徑、形貌、接頭、斷面的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計(jì)和質(zhì)量成本的降低；其次通過(guò)簡(jiǎn)化零件設(shè)計(jì)在關(guān)鍵路徑上使用高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼實(shí)現(xiàn)安全性能的提升和質(zhì)量的有效控制；再根據(jù)平臺(tái)的成本策略考慮是否使用一些新材料及新工藝，這與之前的材料及工藝策略是一致的。

優(yōu)化方法有很多，推薦通過(guò)參數(shù)化CAE模型(SFE)在前期架構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用，可以大幅度減少CAD與CAE轉(zhuǎn)換的工程時(shí)間，從而方便實(shí)現(xiàn)幾何形體(斷面、位置及形貌等)的DOE優(yōu)化，合理巧妙地利用局部拓?fù)鋬?yōu)化與MDO方法相結(jié)合。通過(guò)優(yōu)化流程控制手段可以將SFE、DOE、MDO以及各種CAE仿真軟件結(jié)合并流程化，實(shí)現(xiàn)車身系統(tǒng)優(yōu)化求解[3-4]。

5 結(jié)論

隨著車型開發(fā)的平臺(tái)化和全球化，作為評(píng)價(jià)車身效率主要方法的輕量化系數(shù)也日顯不足，已不能全面客觀地評(píng)價(jià)車身效率。本文分析了各種平臺(tái)帶寬及材料工藝的影響，提出了表征效率的各種參量，通過(guò)修正和回歸方法將主要因素的影響加以量化，進(jìn)而提出了車身綜合效率系數(shù)評(píng)價(jià)方法。通過(guò)實(shí)例比較表明，該方法較輕量化系數(shù)更為客觀公正，體現(xiàn)了平臺(tái)化等影響因素。針對(duì)帶寬設(shè)置、材料選用及設(shè)計(jì)優(yōu)化給出了建議和推薦方法。本文提出的評(píng)價(jià)方法對(duì)于車身設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的參考和借鑒意義。

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