用加法做商用車的輕量化

劉偉 鄧翔 劉楊生 雷穎絜 王飛

摘 要：隨著國家治超力度的加大，為保持承運人收益，商用車的輕量化設(shè)計變得尤為突出。本文通過采集代表競品整車和系統(tǒng)零部件重量，利用統(tǒng)計學(xué)方法設(shè)定整車和分系統(tǒng)的自重標(biāo)桿，并設(shè)定分系統(tǒng)輕量化開發(fā)目標(biāo)，以辯證的觀點用加法來開展商用車輕量化開發(fā)工作，提高開發(fā)效率，提升車輛競爭力。

關(guān)鍵詞：商用車；加法；輕量化

中圖分類號：U462 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0078-05

Abstract： As the governing overload was intensified， to keep the carrier returns， the lightweight design of commercial vehicle is particularly prominent.Based on the dialectical point of view， do conduct commercial vehicle lightweight development work by add， improve the efficiency of development， promote the competitiveness of the vehicle.

Key Words： Commercial vehicle； Lightweigh； Add

引言

我國對車輛的超限超載治理力度逐步加大，在保證車輛GVW一定的條件下，降低車輛自重能提升車輛載質(zhì)量，可增加承運人收益，提高商用車運輸效率。車輛輕量化就成為提升商用車競爭力的一個重要手段，同時輕量化也是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效措施之一。

對于車輛的輕量化，各車企大部分會結(jié)合車輛用途和試驗手段對現(xiàn)有車輛進行減重設(shè)計，而做減法往往困難重重，例如動力總成降重空間有限難度大、周期長，采用輕量化材料涉及成本上漲等。如何在車輛開發(fā)前期科學(xué)的定義有競爭力的自重目標(biāo)，從正向開發(fā)的角度，將自重目標(biāo)進行分解和達成，減少設(shè)計變更的成本。下文進行相關(guān)方法的論述。

1 整車輕量化目標(biāo)設(shè)定

在整車開發(fā)預(yù)研階段提出有競爭力的自重目標(biāo)，具有一定難度。除了需要充分研究應(yīng)對市場的需求外，基于對競品的研究，掌握和預(yù)測主要競品現(xiàn)在的表現(xiàn)以及未來輕量化水平，便是尤為有效的手段。

正態(tài)分布是在工程領(lǐng)域非常重要的一種概率分布，在統(tǒng)計學(xué)上有著重要的影響力。正態(tài)分布是具有兩個參數(shù)的連續(xù)型隨機變量的分布，第一個參數(shù)是服從正態(tài)分布的隨機變量的均值，第二個參數(shù)是隨機變量的方差。遵從正態(tài)分布的隨機變量的概率規(guī)律為取均值鄰近的值的概率大，而取離均值越遠的值的概率越小。

正態(tài)分布主要有估計頻數(shù)分布，制定參考范圍的特點。本文就利用這兩個特點制定整車輕量化設(shè)計目標(biāo)。

計算各自重的概率密度，繪制出正態(tài)分布曲線，見圖2。同時疊加進10臺樣車自重在圖形中的出現(xiàn)頻率，根據(jù)正態(tài)分布理論，可以看出約67%的車型自重位于a-b之間，約30%的車型自重大于b，約3%的車型小于a。據(jù)此可以初步定義a為該細分市場輕量化的目標(biāo)值。

2 系統(tǒng)輕量化目標(biāo)設(shè)定

為了有效的達成整車輕量化目標(biāo)，這里將整車進行結(jié)構(gòu)離散，分解成獨立的功能系統(tǒng)，減少系統(tǒng)間的干擾。離散的方法是按整車構(gòu)成結(jié)構(gòu)樹展開，進行層次分解，見圖3。第一層為整車目標(biāo)層，第二層為大系統(tǒng)目標(biāo)層，第三層為子系統(tǒng)目標(biāo)層。由于展開層次過于細化后，對工程設(shè)計的約束性過大，本文只展開到第三層，也根據(jù)設(shè)計需求做進一步的展開。

本節(jié)使用第一節(jié)中同一細分市場在用的5款不同樣車拆解后的零部件重量為例，按圖3層次做加法，獲得第三層子系統(tǒng)層重量數(shù)據(jù)，圖4為動力總成子系統(tǒng)重量分布。這里引入兩個數(shù)據(jù)概念。

中位值，是將一組數(shù)從小到大或者從大到小排練，如果數(shù)組數(shù)為奇數(shù)，則取中間數(shù)字，如果數(shù)組數(shù)為偶數(shù)，則取中間兩個數(shù)字的平均值。該值能消除統(tǒng)計上極值對數(shù)組序列平均值的影響，更加實際的表征該組數(shù)據(jù)的平均水平。

標(biāo)桿值，即最小值，取該組數(shù)中最小的數(shù)據(jù)。該值表征其在行業(yè)同一組塊上自重最低，輕量化水平最高。

引入這兩個概念的意義在于可以結(jié)合整車開發(fā)對輕量化特性的定位，合理的制定輕量化自重目標(biāo)，避免過度輕量化，導(dǎo)致開發(fā)成本升高、可靠性降低、或者出現(xiàn)不適應(yīng)目標(biāo)市場使用的風(fēng)險。

圖4所示，樣車3匹配發(fā)動機自重處于平均水平，樣車5匹配發(fā)動機屬于標(biāo)桿水平；樣車4匹配變速箱自重標(biāo)桿，其他樣車匹配變速箱同位于平均水平附近；5臺樣車匹配的驅(qū)動橋自重相差不大，樣車1匹配的驅(qū)動橋自重最低。通過此類對比可以推演到其他子系統(tǒng)，這里不再贅述。綜合起來將整車自重目標(biāo)合理的分解到系統(tǒng)做到有理有據(jù)，有的放矢。

通過自底向上，可以得到上一層的自重分布，以及與中位值、標(biāo)桿值之間的差距，如圖5?？焖俣ㄎ桓飨到y(tǒng)輕量化競品分析方向。

將各個子系統(tǒng)自重的標(biāo)桿值求和得到一個理想的整車輕量化自重標(biāo)桿，如圖5，該值低于上一節(jié)確定的整車自重目標(biāo)。作為標(biāo)桿，這是合理的，因為它是子系統(tǒng)重量標(biāo)桿值的集合。只有當(dāng)子系統(tǒng)重量全部達到或者超越標(biāo)桿，才能使整車輕量化做到最優(yōu)，成為新的標(biāo)桿。

最后，根據(jù)各子系統(tǒng)標(biāo)桿值和合計整車自重標(biāo)桿值的占比，可以得到一個優(yōu)化的整車自重構(gòu)成，見圖6。根據(jù)第一節(jié)確定好的整車自重進行子系統(tǒng)目標(biāo)自重的分解，同時可結(jié)合組塊標(biāo)桿值和其輕量化技術(shù)發(fā)展，制定最優(yōu)的子系統(tǒng)分解目標(biāo)。重量占比大的子系統(tǒng)可作為重點開展輕量化的方向，再通過對競品實物的進一步性能分析，樣品拆解，梳理其輕量化的技術(shù)路線，包括布置結(jié)構(gòu)，制造工藝和材料等，高效挖掘輕量化設(shè)計方案。

3 輕量化設(shè)計方法

確定了各子系統(tǒng)的自重目標(biāo)，開展汽車輕量化的主要方法有如下幾個方面：

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是基于零件的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和在整車上的輕量化約束條件，通過如結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等，主要可以通過計算機仿真軟件開展設(shè)計優(yōu)化。

系統(tǒng)性開發(fā)和集成設(shè)計也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個方面。

布置優(yōu)化，見圖7a。圖示設(shè)計均為一種實現(xiàn)上車功能的踏步支架，這兩種支架均與底盤蓄電池框側(cè)邊版連接，即跨距同為蓄電池框?qū)挾取Ｓ覀?cè)所示的踏步支架，從功能實現(xiàn)和布置的角度，進行了優(yōu)化設(shè)計，減小了兩級上車踏步跨距，降低重量。

集成設(shè)計，見圖7b。圖示設(shè)計均為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向油罐的固定。左圖單獨為油罐支架設(shè)計了一個固定支架，右圖將油罐固定支架與駕駛室后懸置一側(cè)支架集成，右圖中黑圈標(biāo)注的位置即是實現(xiàn)轉(zhuǎn)向油罐固定的功能支架，用過一個小的折彎件即可實現(xiàn)功能，相對左圖的獨立支架，大大降低了產(chǎn)品重量。

3.2 輕量化材料的應(yīng)用

1）高強度鋼

目前汽車生產(chǎn)中使用的最多的是普通低碳鋼板。傳統(tǒng)的鋼種有低碳鋼、碳錳鋼、低合金高強度鋼等。低碳鋼板具有很好的塑性加工性能，強度和剛度也滿足汽車車身的要求。在1994年，世界主要鋼板生產(chǎn)廠商組成了一個國際合作組織開始開發(fā)超輕鋼汽車車身ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body）項目。利用高強度鋼特性，在厚度減薄的條件下，保持汽車車身的機械性能，從而減輕汽車重量。ULSAB-AVC技術(shù)指出，高強度鋼的強度將是低碳鋼的5倍，今后高強度鋼在汽車上的用量將明顯增加。高強度鋼具有價格低、經(jīng)濟性好；性能優(yōu)越、可保證零部件的機械性能；可利用現(xiàn)有汽車生產(chǎn)線，節(jié)約設(shè)備投資等優(yōu)點?，F(xiàn)在各國均在加速高強度鋼、超高強度鋼在汽車車身、車架、懸架、轉(zhuǎn)向等零部件上的應(yīng)用。

2）鋁鎂合金

鋁比重輕、資源豐富、成本低。具有塑性好、比強度高、耐腐蝕性好、韌性好、加工成本低等優(yōu)點，每使用1kg的鋁，可降低汽車重量2.25kg。目前應(yīng)用有鋁合金變速器殼體、鋁合金輪輞、發(fā)動機鋁制活塞等。

鎂是目前工業(yè)應(yīng)用材料中最輕的一種金屬，密度為1.738g/cm3，比鋼鐵輕3/4，是鋁的約2/3，甚至比非金屬的塑料還要輕1/5。鎂可從海水、鹽水及含鎂的礦物中提取，資源豐富。鎂合金的比強度和比剛度高。近幾年，轎車上鎂鑄件的應(yīng)用以每年20%的速度增長。目前應(yīng)用有座椅骨架、方向盤、車輪、車門框架等。在商用車上也在逐步得到應(yīng)用。

3）復(fù)合材料和塑料

樹脂基復(fù)合材料而是典型的輕質(zhì)材料，具有比剛度高、比強度大，材料性能可設(shè)計等優(yōu)點。以前主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，目前由于汽車輕量化的要求日益凸顯，碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等正在逐步的應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件中。

塑料密度為1.0-2.2 g/cm3，僅為鋼的13%-25%，質(zhì)量輕。其工藝制作成本低，易成型、涂色、修復(fù)，抗扭曲和變形性好。設(shè)計上造型自由度較大，可以使多個部件合成一體，增強功能，在提高功能和價值的前提下，降低制造成本。便于廢物回收和再循環(huán)使用。因此在汽車上得到了廣泛應(yīng)用。

4）其他材料應(yīng)用，如增強塑料、孔隙材料等。在車身內(nèi)飾件、輕量化車廂上有所應(yīng)用。

3.3 先進制造技術(shù)

先進的制造技術(shù)，如液壓成型和擠出成型等工藝，激光拼焊、膠焊等新的連接工藝。在車身輕量化方面有較多的應(yīng)用。

4 結(jié)論

汽車輕量化是設(shè)計、材料應(yīng)用和先進制造成型技術(shù)的優(yōu)勢集成，同時正向開發(fā)的理念在汽車設(shè)計領(lǐng)域不斷強化的趨勢下，將正向開發(fā)體現(xiàn)在輕量化設(shè)計中，正確的定義輕量化目標(biāo)，做好科學(xué)的目標(biāo)分解，顯得尤為重要，體現(xiàn)了一個企業(yè)技術(shù)水平的先進性，同時有效降低開發(fā)成本，提升商品競爭力。

本文提出的輕量化目標(biāo)設(shè)計方法，將統(tǒng)計學(xué)原理予以科學(xué)的應(yīng)用，目標(biāo)分解有理有據(jù)，目標(biāo)的定義有競品實物支撐，通過子系統(tǒng)重量的相加

獲得自重標(biāo)桿與統(tǒng)計學(xué)整車競爭力自重相互印證。本方法已經(jīng)應(yīng)用在本公司現(xiàn)階段輕量化車型的特性定義中。同時將競品整車自重與時間軸相結(jié)合，對未來3-5年的整車輕量化目標(biāo)也作出了預(yù)測和分解，這對于動力總成的輕量化特性開發(fā)尤為重要。隨著數(shù)據(jù)樣本量的增加，對目標(biāo)的制定和分解將會更加準(zhǔn)確。

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