車身輕量化方法研究

鄧本波，唐程光

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230029）

車身輕量化方法研究

鄧本波，唐程光

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230029）

分析車身輕量化流程，界定各部門的角色任務(wù)；研究車身輕量化目標(biāo)值的確定方法，簡述車身輕量化的三種主要措施。

車身；輕量化；流程；目標(biāo)值；方法

20世紀(jì)以來，安全、節(jié)能、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，現(xiàn)代汽車減重節(jié)能的要求不斷緊迫，汽車設(shè)計(jì)專家們想方設(shè)法減輕汽車體重，以達(dá)到減少能耗和廢氣排放的雙重效果。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。換言之，轎車車重減少100 kg，每升油多行駛1 km[1]。汽車輕量化中，車身輕量化占有重要比重。汽車白車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的油耗用在車身質(zhì)量上。因此，車身減重對于整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、車輛控制穩(wěn)定性，以及碰撞安全性都大有裨益。汽車車身輕量化已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性的研究課題[2]。

1 車身輕量化流程

就車身輕量化開發(fā)過程來看，輕量化貫穿于汽車車身開發(fā)的全過程：車身輕量化概念設(shè)計(jì)、車身輕量化方案實(shí)施、車身輕量化驗(yàn)證。就車身輕量化開發(fā)工作內(nèi)容和各部門職責(zé)來看，車身設(shè)計(jì)部承擔(dān)著主要工作，具體工作模式如圖1所示。車身部聯(lián)合項(xiàng)目組通過對輕量化車型目前狀態(tài)、標(biāo)桿車型分析，制定車身輕量化目標(biāo)。車身設(shè)計(jì)部根據(jù)項(xiàng)目組簽發(fā)的輕量化目標(biāo)任務(wù)書，制定初步輕量化方案，交由CAE模塊分析方案實(shí)施對車身性能目標(biāo)的達(dá)成情況，同時(shí)，工藝部門四大工藝對輕量化方案實(shí)施四大工藝初步驗(yàn)證。收集各部門對初步輕量化方案反饋意見后，車身設(shè)計(jì)部優(yōu)化方案并在3D數(shù)據(jù)上正式實(shí)施，再將技術(shù)文件下發(fā)CAE部門和工藝部門，對最終方案的車身性能目標(biāo)值達(dá)成分析，對方案的四大工藝可行性最終確認(rèn)。后期對輕量化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證工作交由驗(yàn)證部門，以上三部門負(fù)責(zé)協(xié)助工作。

通過以上車身輕量化流程及運(yùn)行模式的分析，固化車身輕量化流程，使輕量化工作有序開展，工作內(nèi)容和職責(zé)明確化，將作為以后車型車身輕量化的指導(dǎo)性文件。

2 輕量化目標(biāo)確定方法

在整個(gè)車身輕量化工程實(shí)施過程中，有兩項(xiàng)工作尤為重要。一方面為車身輕量化目標(biāo)的分析制定；另一方面，根據(jù)公司現(xiàn)有實(shí)際情況和工藝水平，確定合適的輕量化措施。在開展車身輕量化目標(biāo)確定措施工作時(shí)，首先要充分分析研討目前車身重量、結(jié)構(gòu)形式、各種材料應(yīng)用比例及分布部位、預(yù)計(jì)達(dá)到或者達(dá)到的性能等級；其次要參照市場輕量化標(biāo)桿車型具體結(jié)構(gòu)、材料、性能、制造工藝方式，做到充分了解和掌握標(biāo)桿現(xiàn)有狀態(tài)；最后根據(jù)實(shí)際情況，依據(jù)合理的推算理論，分析論證車身輕量化目標(biāo)。為了方便介紹輕量化目標(biāo)的計(jì)算確定，定義車身尺寸L為長度、W為寬度、H為高度、Wb為輪距、T為軸距，單位都為mm。對于車身輕量化目標(biāo)的制定措施，在研究國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料及結(jié)合實(shí)際工作情況后，歸納有以下幾種措施。

1）車身重量百分比法。該措施用于輕量化發(fā)展前期，由于缺少輕量化經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料，一般確定車身總重量的5%～10%作為輕量化目標(biāo)值[3]，輕量化前后車身性能相當(dāng)，車身成本的增加不能超過5%。

2）體積比較法。體積比較法是國內(nèi)外較為常用的計(jì)算措施。在計(jì)算時(shí)，需要關(guān)注兩車型類型相同，譬如普通三廂與三廂對比，兩廂與兩廂對比，SUV與SUV相比。另外，在對比時(shí)，兩車型性能應(yīng)該為相同安全等級（指C-NACAP或U-NACAP，如果等級不一致，據(jù)國外科研機(jī)構(gòu)和車身設(shè)計(jì)公司統(tǒng)計(jì)，每等級應(yīng)該以20 kg計(jì)算）。計(jì)算公式如下：

輕量化車型體積（L×W×H）/標(biāo)桿車型體積（L×W×H）=輕量化車型車身重量/標(biāo)桿車型車身重量

3）投影面積比較法。投影面積比較法是目前日韓在計(jì)算車身重量時(shí)常用的措施。該措施和體積比較法一樣，兩比較車型需要類型相同、安全等級相同。計(jì)算措施為兩車身三視圖投影面積相加之比等于車身重量之比。

輕量化車型投影面積（L×W+W×H+H×L）/標(biāo)桿車型投影面積（L×W+W×H+H×L）=輕量化車型車身重量/標(biāo)桿車型車身重量

4）面密度比較法。該措施為日本汽車主機(jī)廠過去幾年常用來計(jì)算車身重量，將車身投影到水平面上，計(jì)算前后懸架中心組成封閉形狀的面積，再將白車身重量與封閉形狀的面積比較[4]，即得到該車型的面密度。同樣收集目前市場競爭車型或標(biāo)桿車型數(shù)據(jù)并計(jì)算其面密度，選擇合適的目標(biāo)值。計(jì)算公式如下：

車身面密度（kg/m2）=車身重量/軸距×輪距

計(jì)算開發(fā)車型目前市場主要標(biāo)桿和競爭車型的面密度，制定開發(fā)車型面密度目標(biāo)值，作為輕量化工作的輸入。圖2為市場車型車身重量與投影面積分布圖。

5）輕量化系數(shù)法。輕量化系數(shù)法也稱輕量化品質(zhì)因數(shù)。該措施是當(dāng)前國內(nèi)外計(jì)算輕量化最為常用和合理的衡量指標(biāo)。該指標(biāo)合理之處在于將車身重量與形狀大小及性能指標(biāo)的有機(jī)結(jié)合。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)自主品牌轎車的輕量化指數(shù)均在5.0左右；而合資品牌一般在3～5之間[5]，如表1所示。計(jì)算公式如圖3所示（L為輕量化系數(shù)因子；m為白車身重量；KTG為一階扭轉(zhuǎn)剛度；A為白車身四減振器安裝點(diǎn)組成投影面積，即為軸距×輪距）。

表1 合資品牌輕量化系數(shù)

3 輕量化措施

目前車身輕量化主要有三個(gè)措施，優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)和形狀尺寸；在車身制造上采用輕質(zhì)材料；先進(jìn)制造工藝和措施[6]。

第一種措施的主要途徑是利用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]，以減少車身骨架和車身鋼板的重量。其中拓?fù)鋬?yōu)化是較為常用的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。另外，改變部件形狀，例如增加減重工藝孔、減薄部件厚度等，以達(dá)到減少車身重量的目的[8-9]。

第二種措施在目前看來應(yīng)該是車身輕量化的主流，而且針對規(guī)?；a(chǎn)的需要，已經(jīng)有很多種輕質(zhì)材料應(yīng)用于車身制造工業(yè)。其中高強(qiáng)度鋼的大比例應(yīng)用在近年車身輕量化發(fā)展過程中起到顯著的效果。另外，鋁、鎂合金逐步應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)上也是目前車身輕量化的又一重要途徑，其中鋁合金應(yīng)用技術(shù)已相當(dāng)成熟，在國外已廣泛應(yīng)用在高檔車型上。但是在國內(nèi)，由于在成本和工藝實(shí)現(xiàn)上與目前傳統(tǒng)的鋼板材料有所不同，應(yīng)用不大普及。在國外鎂合金正是起步階段[10]，國內(nèi)也才剛接觸。另外，可能成為將來一段時(shí)間車身輕量化主要趨勢的碳纖維材料、玻璃纖維等復(fù)合材料的應(yīng)用也正在研發(fā)階段。

第三種措施為先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用。其中激光拼焊板技術(shù)實(shí)現(xiàn)同一板材不同處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不同，板材厚度也不同。既保證強(qiáng)度要求，又能節(jié)約板材，減少車身重量。該項(xiàng)工藝技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，本公司應(yīng)用技術(shù)也較為成熟。另一項(xiàng)技術(shù)為熱壓成型技術(shù)，雖然在國外很多車型上應(yīng)用，但在國內(nèi)應(yīng)用僅剛開始。本公司二代車型著手應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。另外，液壓成型技術(shù)等也是車身輕量化先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的新方向[11]。

當(dāng)然，以上三種輕量化措施并不是相互獨(dú)立、相互分離的，其實(shí)它們相互交織、相互滲透[12]。所有輕量化措施的有機(jī)結(jié)合以求獲得最優(yōu)效果。但無論采用何種措施，必須要解決以下幾個(gè)問題。

1）降低車身質(zhì)量不能影響汽車構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度；汽車車身必須要有足夠的強(qiáng)度，在不同的部位要有不同的剛度。

2）應(yīng)用新材料不能過多增加汽車成本上的負(fù)擔(dān)；汽車生產(chǎn)是規(guī)模化生產(chǎn)的典型，由于產(chǎn)品批量巨大，任何一點(diǎn)成本上的浮動(dòng)都會(huì)給廠商和客戶帶來壓力。

3）應(yīng)用新材料后的汽車在出廠后，若發(fā)生損壞，修復(fù)成本不能太高。

4）新制造工藝的應(yīng)用，需要考慮公司相關(guān)的工藝技術(shù)水平。

4 結(jié)束語

隨著人們對節(jié)能環(huán)保的重視，汽車輕量化越來越被汽車廠家重視。而在目前快速發(fā)展的中國，汽車輕量化工作沒有很多成熟的措施和經(jīng)驗(yàn)。本文通過自身實(shí)際輕量化工作，對車身輕量化的工作流程、部門工作內(nèi)容和職責(zé)分工、車身輕量化目標(biāo)確定措施作了詳細(xì)的闡述，對制定輕量化目標(biāo)后的輕量化途徑作了簡單的分析，為以后的輕量化工作提出參考。

[1]SujitDas.全球汽車行業(yè)的輕量化機(jī)遇.2011國際汽車輕量化材料發(fā)展論壇[DB/OL].（2012-03-24）[2012-09-30].http://wenku.baidu.com/view/fbb72267caaedd3383c4d332.htm l

[2]劉文華，何天明.高強(qiáng)度鋼在汽車輕量化中的應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3]崔禮春，熊飛，許三山，等.汽車輕量化技術(shù)動(dòng)態(tài)（江淮汽車輕量化?？N].JAC江灘汽車，2011-08-20.

[4]闞宏貴,等.乘用車（轎車）白車身目標(biāo)重量初步設(shè)定規(guī)范（企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，JDG-PC-B18-2010）[S].

[5]吳成明.吉利輕量化技術(shù)的研究與應(yīng)用.2011國際汽車輕量化材料發(fā)展論壇[DB/OL].（2012-03-24）[2012-09-30].http://wenku.baidu.com/view/fbb72267caaedd3383c4d332.htm l

[6]劉偉燕，王書偉.輕量化技術(shù)在汽車車身上的應(yīng)用[J].汽車工程師，2011，（2）

[7]（奧）漢斯·波特·德吉舍爾，西格麗·呂夫特.輕量化[M].陳力禾，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.11.

[8]張式程.汽車輕量化技術(shù)及其發(fā)展趨勢[R].長沙：湖南大學(xué)，2011-08-28.

[9]劉一蒙，劉曦，張攀，等.某特種車駕駛布置室輕量化設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，（2）：89-91.

[10]陳力禾.汽車輕量化之鎂[R].第7屆CAE年會(huì)汽車論壇（昆明），2011-07-27.

[11]倪晉尚.輕量化技術(shù)在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn)，2008，（5）

[12]沈建東，王鏑.車身輕量化技術(shù)策略的研究和應(yīng)用[J].上海汽車，2012，（6）

修改稿日期：2012-10-10

Research on Method of Vehicle Body Lightweight

Deng Benbo，Tang Chengguang
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd,Hefei230029,China）

The authors analyse the process of vehicle body lightweight，define the roles and tasks of respective depart ments on working,research the method of the body lightweight targetvalue,introduce the main three lightweight optimizingways.

vehicle body;lightweight;process;targetvalue;ways

U 462.2

B

1006-3331（2013）02-0018-03

鄧本波（1975-），男，碩士；從事車身設(shè)計(jì)工作。