基于成本控制的車身產(chǎn)品開發(fā)

張海華

摘要：目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)銷量較大，控制產(chǎn)品的單位成本是提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。本文從設(shè)計(jì)前期成本規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段的技術(shù)手段兩個(gè)階段，通過兩個(gè)工具的和兩個(gè)具體案例的介紹，論述了如何從設(shè)計(jì)層面降低車身產(chǎn)品的總體成本，提供了在開發(fā)中控制車身產(chǎn)品成本的思路和方法。

Abstract： Due to the keen competition and large volume of the vehicle market， the cost management of production is an effective method of enterprise competitive ability improvement. This paper expounds how to control the vehicle body cost from advanced design phase and shows the conception and method of vehicle body cost control by two tools and two cases instruction in project cost scheme stage and production development stage.

關(guān)鍵詞：低成本；材料利用率；車身；前期規(guī)劃

Key words： low cost；material utilization；body；advanced layout

中圖分類號(hào)：U464.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）30-0005-03

1 概述

目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各汽車公司為了搶占市場(chǎng)，在大打價(jià)格戰(zhàn)的同時(shí)，也擔(dān)負(fù)著巨大的盈利壓力。在市場(chǎng)降價(jià)及原材料上漲等雙重壓力之下，如何控制企業(yè)成本，開發(fā)出性價(jià)比高、性能優(yōu)良的產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)變得尤為重要，成為能否在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存下去的關(guān)鍵因素。由于汽車產(chǎn)銷量較大，若想有效提升企業(yè)盈利能力，相對(duì)有效的辦法就是控制產(chǎn)品的單位成本，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不必要的浪費(fèi)。車身成本能占到整車成本的10%，因此降低車身成本對(duì)控制整車成本來說意義重大。而在降成本的各種措施中，開發(fā)階段的降本無(wú)疑是最有效率的[1]。因此本文主要通過設(shè)計(jì)前期成本規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段技術(shù)手段兩方面闡述，提供了控制車身開發(fā)成本的思路和方法，為車身產(chǎn)品的成本控制提供借鑒。

2 前期成本規(guī)劃

對(duì)于市面上主流的高產(chǎn)銷量，定位中低端的車型來說，主要以傳統(tǒng)鋼材為車身構(gòu)成材料，在這種情況下，其成本往往和重量成近似正比關(guān)系，即可以以重量控制替代成本控制。通過開發(fā)前期設(shè)立合理的重量目標(biāo)，可以有效地反映成本目標(biāo)或與其互相印證，控制和指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)的方向。

但在開發(fā)前期，具體設(shè)計(jì)并沒有成熟，因此只有基于歷史車型的數(shù)據(jù)或者其他廠家的產(chǎn)品建立可靠的重量測(cè)算模型，以進(jìn)行車身重量的預(yù)估。

為了建立該模型，主要考慮對(duì)車身重量產(chǎn)生影響有以下幾個(gè)方面：車型尺寸（軸距W輪距T），動(dòng)力總成重量P，安全需求S，高強(qiáng)鋼占比R這幾方面。其中W和T除了在幾何方面對(duì)車身重量的直接影響外，較大的車定位較高，往往對(duì)整車扭轉(zhuǎn)剛度的要求也比小型車要高。但較大的幾何尺寸本身不利于整車扭轉(zhuǎn)剛度的提升。因此為了實(shí)現(xiàn)性能要求，會(huì)需要更厚鋼板或更多的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步推高車身重量。P和S則是通過被動(dòng)安全性能對(duì)車身重量產(chǎn)生影響。更大的動(dòng)力總成組合以及更高的安全性能要求意味著在碰撞過程中車身結(jié)構(gòu)需要吸收更多的動(dòng)能，即更厚更高等級(jí)的材料或者更強(qiáng)的載荷路徑。高強(qiáng)鋼占比R越大則意味著車身可以做到更輕，但是高強(qiáng)鋼導(dǎo)致產(chǎn)品單價(jià)提升。尤其是熱成型鋼材，影響更為明顯。

因此通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有車型的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和擬合，可以獲得一個(gè)重量相關(guān)于上述四個(gè)因素的數(shù)學(xué)模型經(jīng)驗(yàn)公式M=f（W，T，P，S）（1）。其中M為估測(cè)的目標(biāo)車身重量。實(shí)際工作中，運(yùn)用該公式對(duì)若干已有車型進(jìn)行反算后得到的結(jié)果如表1所示。

需要注意的是由于基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，因此式（1）尚無(wú)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C方法，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的不斷推陳出新，公式中用到的常數(shù)也處于一個(gè)動(dòng)態(tài)更新的狀態(tài)。如果將表1中的歷史車型的實(shí)際重量做為縱坐標(biāo)，公式預(yù)估重量做為橫坐標(biāo)，我們就可以把所有車型以散點(diǎn)圖形式表達(dá)出來，如圖1所示。圖中深色虛線為過原點(diǎn)的直線，意味著落在上面的點(diǎn)實(shí)際值和預(yù)估值一致。淺色虛線則是所有這些車型的擬合直線。理想狀態(tài)下，這兩條線應(yīng)該重合。將來隨著車型數(shù)據(jù)的增多，擬合線會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)兩條線的夾角超過一定程度后，就需要對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。

式（1）及其計(jì)算得到的估測(cè)重量的意義在于，可以為后續(xù)開發(fā)過程中獲得的實(shí)際重量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且作為探測(cè)當(dāng)前重量的設(shè)計(jì)狀態(tài)是否存在冗余或者是否達(dá)到足夠精益，即如果當(dāng)前設(shè)計(jì)狀態(tài)小于公式預(yù)估值，說明當(dāng)前結(jié)構(gòu)效率較高，反之，則說明可能存在冗余。

這里需要指出的是，即便對(duì)于含有有色金屬或者高分子材料的混合車身的開發(fā)，也可以使用這個(gè)預(yù)測(cè)公式計(jì)算假設(shè)鋼材車身的對(duì)比基礎(chǔ)值。

在前期開發(fā)階段，還有一個(gè)基于巴雷特（Pareto）分配律法[2]發(fā)展而來的料厚百分比曲線分析方法，可以配合重量預(yù)估經(jīng)驗(yàn)公式一起對(duì)后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行重量控制。由于車身用的鋼材板金件本身并不存在復(fù)雜的黑盒機(jī)械結(jié)構(gòu)，性質(zhì)相對(duì)其他汽車零件較為單一，因此很適合用料厚百分比曲線方法進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。類似于重量經(jīng)驗(yàn)共識(shí)，我們同樣從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取已有參考車型數(shù)據(jù)，然后繪出這些車型的料厚分析曲線，推斷出目標(biāo)開發(fā)車型有競(jìng)爭(zhēng)力的料厚狀態(tài)，并以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)。料厚曲線法具體步驟如下：

①統(tǒng)計(jì)出某一車型所有料厚種類，并從小到大排序；②將每一個(gè)料厚種類的零件重量相加；③計(jì)算出每一種料厚及其以下料厚的總重在整個(gè)車身板金件重量中所占的百分比；④以料厚為x軸，以第3步計(jì)算出的累加重量百分比為Y軸，繪出曲線；⑤在縱坐標(biāo)某一位置劃一條水平線，該線和曲線的交即為該車型的“料厚狀態(tài)”；⑥重復(fù)以上步驟完成所有參考車型曲線的繪制，如圖2所示。

依據(jù)圖中數(shù)據(jù)，可以制定出當(dāng)前型有競(jìng)爭(zhēng)力的料厚狀態(tài)策略，例如在1.1mm及以下。在未來的開發(fā)過程中定期對(duì)車身的設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核，如果料厚狀態(tài)超過了給定數(shù)值，意味著結(jié)構(gòu)效率不高，存在改進(jìn)必要。

3 設(shè)計(jì)階段的重量控制

前期的預(yù)估和規(guī)劃相當(dāng)于給產(chǎn)品設(shè)計(jì)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)。由于本文所涉及的鋼制車身可以用重量目標(biāo)替代成本目標(biāo)進(jìn)行控制，因此目前的一些輕量化設(shè)計(jì)方法均可以作為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的手段。比較應(yīng)用廣泛的有多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化及綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化。

拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)理論和軟件經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)十分成熟[3]。在車身開發(fā)過程中使用拓?fù)鋬?yōu)化方法的難點(diǎn)在于合理的邊界條件與優(yōu)化空間建立以及優(yōu)化結(jié)果的解讀和工程化?；谶@兩點(diǎn)，拓?fù)鋬?yōu)化可以獲得一個(gè)合理的傳力路徑，為一個(gè)高效的車身結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)，如圖3。

而綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化則針對(duì)設(shè)計(jì)中后期相對(duì)成熟的車身模型。此時(shí)整個(gè)車身的載荷路徑已經(jīng)固定，具體板金零件形貌及分片設(shè)計(jì)也接近完成。因此優(yōu)化內(nèi)容包含了接頭結(jié)構(gòu)、材料等級(jí)以及材料料厚。通過建立全參數(shù)化的有限元模型，靈敏度分析，遺傳算法等手段，尋找出最優(yōu)的接頭形式和材料等級(jí)與料厚組合。有文獻(xiàn)對(duì)此專門進(jìn)行過研究，其對(duì)車身減重效果可達(dá)到3.5%～6%[4][5]。

4 零件設(shè)計(jì)的成本控制

對(duì)于鋼制車身，重量對(duì)成本影響明顯。但并非所有的減重手段都能起到降低成本的作用。比如，在鈑金零件上增加減重孔的設(shè)計(jì)，并不能降低零件自身的成本，因?yàn)檫@種做法并沒有提升零件的材料利用率。因此除了前述的輕量化手段，還可以通過一些低成本設(shè)計(jì)的手段來進(jìn)一步降低產(chǎn)品零件的成本。其基本思想通過以下公式體現(xiàn)：

由于車身板金結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成多變而復(fù)雜，因此式（2）的使用場(chǎng)合也非常靈活。以下通過兩個(gè)例子來具體闡述。

如圖4所示的車身流水槽結(jié)構(gòu)，某車型開發(fā)過程中初始方案為繼承前代車型的分片式結(jié)構(gòu)，由三個(gè)零件組成，其中還有一個(gè)非金屬的總裝零件。經(jīng)過成本優(yōu)化研究之后，簡(jiǎn)化成一個(gè)零件的方案（圖5）。這個(gè)做法省去了兩套模具，并且取消了非金屬材料。整個(gè)系統(tǒng)的工序數(shù)減少，并且在材料利用率上也有所提升，最終降低了產(chǎn)品成本。具體分析如下。

可見在一個(gè)模具周期內(nèi)，該設(shè)計(jì)變更可以為企業(yè)帶來1055萬(wàn)元的收益。實(shí)際該車型全生命周期可能會(huì)銷售100萬(wàn)輛以上，即意味著2000萬(wàn)以上的收益。

式（2）運(yùn)用的另一種場(chǎng)合，如圖6所示的車身縱梁結(jié)構(gòu)，開發(fā)過程中的初始方案為繼承前代車型的整體式結(jié)構(gòu)，使用超高強(qiáng)鋼材料。但拓?fù)浣Y(jié)果給出了呈外撇狀的路徑形式，而不同于前代車型的平直結(jié)構(gòu)。這就對(duì)零件的材料利用率造成了很大的損失。當(dāng)這個(gè)問題被識(shí)別出來后，新方案就將該零件進(jìn)行了分片，如圖7所示。

可見，該設(shè)計(jì)雖然是將一個(gè)零件變?yōu)閮蓚€(gè)零件，但從材料利用率和性能精益設(shè)計(jì)角度，降低了產(chǎn)品的成本。因此在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，企業(yè)依然能夠獲得百萬(wàn)元量級(jí)的收益。如果該車型產(chǎn)量過低，全生命周期低于1.5萬(wàn)輛時(shí)，？駐P會(huì)小于0，即意味著該設(shè)計(jì)實(shí)際會(huì)造成產(chǎn)品成本上升。因此該手段同銷量密切相關(guān)。

5 結(jié)論

綜上所述，在車身項(xiàng)目開發(fā)前期，工程技術(shù)人員應(yīng)對(duì)開發(fā)目標(biāo)的產(chǎn)品定位和市場(chǎng)需求進(jìn)行詳盡的分析，制定合理的成本目標(biāo)，指導(dǎo)后續(xù)的開發(fā)設(shè)計(jì)。而在開發(fā)過程中，則需要挖掘可降成本的空間，從設(shè)計(jì)層面提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這兩個(gè)階段所采取的方法可以有效地在不影響產(chǎn)品性能的前提下，降低產(chǎn)品的總體成本，最終為企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）斯圖爾特.價(jià)值工程方法基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]潘希姣，呂新生.價(jià)值工程在汽車前軸總成改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

[3]舒磊，方宗德，等.汽車子結(jié)構(gòu)的復(fù)合域拓?fù)鋬?yōu)化[J].汽車工程，2008（5）.

[4]徐濤，左文杰，等.概念車身框架結(jié)構(gòu)的多變量截面參數(shù)優(yōu)化[J].汽車工程，2010（5）.

[5]季楓，王登峰，等.轎車白車身隱式全參數(shù)化建模與多目標(biāo)輕量化優(yōu)化[J] .汽車工程，2014，2.