基于低成本的轎車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

李仲奎 徐澤彬 呂祝星

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430058）

主題詞：轎車車身 低成本 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 實(shí)例驗(yàn)證

1 引言

低成本、輕量化已經(jīng)成為汽車今后發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。低成本也就意味著可以有更低的車輛售價(jià)，有更高的市場競爭力。在傳統(tǒng)家用轎車市場，低價(jià)策略已成為各大整車廠爭取市場份額的重要手段。車身作為整車的重要組成部分，其成本控制的優(yōu)劣對(duì)整車的成本也有較大影響，然而車身的設(shè)計(jì)關(guān)系到材料、工藝、制造，以及車身需達(dá)到的各種性能，例如：強(qiáng)度、剛度、NVH、耐撞性、耐久、密封、防腐、輕量化等。如何控制車身成本和平衡車身性能就成了車身設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

在車身設(shè)計(jì)過程中盡早達(dá)成車身性能目標(biāo)，并采用合理的車身結(jié)構(gòu)、材料、工藝來控制制造成本，對(duì)整車的開發(fā)成本控制具有重要的意義。本文從車身設(shè)計(jì)角度出發(fā)，探討降低轎車車身制造成本的方法，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 車身成本的影響因素

2.1 車身件概述

轎車車身主體結(jié)構(gòu)又稱為白車身，見圖1，多為眾多的鋼板焊接而成，是車輛其它重要零部件安裝的載體。車身成本占據(jù)整車成本的10%～15%，車身成本里包含原材料成本、沖壓成本、焊接成本、涂裝成本和其它成本，其中原材料成本占車身總成本的75%左右[2]。

2.2 與車身成本相關(guān)的因素

⑴原材料的價(jià)格

車身可采用的材料有鋼板、鋁、鎂、塑料、復(fù)合材料等。不同的原材料，價(jià)格自然不同。

圖1 車身主體結(jié)構(gòu)形狀

⑵材料利用率[3]

車身消耗的原材料量越少，廢料率越低，其材料利用率相應(yīng)就越高，成本也就越低。

⑶車身結(jié)構(gòu)、車身重量

車身結(jié)構(gòu)越簡單，其制造工藝就越簡單；車身質(zhì)量越小，其用材就必然越少。

⑷車身性能

車身強(qiáng)度、剛度、NVH、耐撞性、耐久、密封、防腐、輕量化性能達(dá)成是車身設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，越早達(dá)成車身性能目標(biāo)，后期更改反復(fù)的次數(shù)就越少，投入的成本也就越低。

⑸工藝復(fù)雜度

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)千人千樣，不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)影響到工裝的復(fù)雜程度、序數(shù)。零件工藝越簡單，加工序數(shù)越少，工裝成本就越低。

⑹邊角處造型面平緩化

在車身外覆蓋件的分界處，例如燈周邊、背門上下部之間，分縫線越平緩、面差越小，越有利于減輕制造難度，降低工裝成本。

⑺車身附件使用量

車身上使用的3 片（阻尼片、補(bǔ)強(qiáng)片、膨脹片）數(shù)量、堵蓋數(shù)量也影響到車身的成本。

3 低成本車身設(shè)計(jì)方法

3.1 選用價(jià)格低廉的材料

從鋼板、鋁、鎂、工程塑料、復(fù)合材料等的成本對(duì)比來看（表1），鋁合金車身，僅物料成本就是鋼制車身的3倍，而且制造成本也明顯增加。雖然采用鋁合金車身可以減重30%左右，但白車身總體成本還是達(dá)到了傳統(tǒng)鋼制車身的2.5倍以上。碳纖維復(fù)合材料減重幅度可以高達(dá)60%，但物料成本卻是普通鋼制外覆蓋件的12～16倍，同時(shí)也是鋁合金外覆蓋件的4～6倍。

成本因素是決定車型是否成功的關(guān)鍵因素，因此，在中低端車型設(shè)計(jì)上，選用普通鋼板、高強(qiáng)度鋼板、工程塑料制造車身仍是主流。此外需加大高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例。在滿足目標(biāo)性能的前提下，不宜采用成本較高的新材料、新工藝。

表1 原材料價(jià)格及減重量[4]

3.2 提高材料利用率

提高車身材料利用率，總結(jié)起來大致分為以下6種類型：

⑴廢料再利用

一般車身零件在沖壓裁剪過程中會(huì)去除多余的料，尤其對(duì)于側(cè)圍外板（帶門洞）[5]、頂蓋外板（帶天窗）、背門外板等件先天性地要裁剪部分胚料。

⑵零件分塊方式變更

不同的分塊方式、結(jié)構(gòu)形狀會(huì)影響到材料的利用率，例如零件分塊后的形狀方方正正，裁剪的料相對(duì)就少，材料利用率相對(duì)就高。

⑶成形工藝的使用

采用成形工藝在部分零件上相比拉延工藝可以提高材料利用率。

⑷模具工藝優(yōu)化[6]

對(duì)部分零件采用一模雙件或一模多件，可以減少工藝補(bǔ)充，提升材料利用率，也能降低零件成形難度。

⑸零件尺寸與卷料寬度匹配

車身零件分塊后的尺寸正好與卷料寬度相匹配，即卷料寬度的整體、1/2、1/3、1/4等正好匹配零件的寬度或長度，避免產(chǎn)生過多裁剪廢料。

⑹其它方法

包括零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、胚料形狀優(yōu)化、應(yīng)用淺拉延工藝、采用管材、采用激光拼焊、采用輥壓工藝等措施來提升材料利用率。

3.3 簡化車身結(jié)構(gòu)、減少用料

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)追求極簡設(shè)計(jì)。在滿足功能、性能的前提下應(yīng)盡量讓零件結(jié)構(gòu)簡單，盡量不設(shè)計(jì)多余的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，以減少用料。

由于轎車車身是承載式，好的車身架構(gòu)形式應(yīng)該像C60（足球烯）那樣，由若干個(gè)正幾何圖形邊邊相連，形成一個(gè)堅(jiān)固的殼體。但是受限于車身的功能需求，車身的架構(gòu)雖不能規(guī)則如球狀，但是也要求能由邊邊相連的若干個(gè)環(huán)狀路徑構(gòu)成（圖2）。圖中車身下底板上可劃分為⑴、⑵、⑶、⑷4個(gè)環(huán)狀路徑，沿車身橫斷面可劃分為⑸、⑹、⑺、⑻、⑼5個(gè)環(huán)狀路徑，4個(gè)車門可劃分為4 個(gè)環(huán)狀路徑⑽、⑾、⑿、⒀，車身頂部可劃分為⒁、⒂、⒃、⒄4 個(gè)環(huán)狀路徑，共計(jì)17 個(gè)主要環(huán)狀路徑。此外，還可以進(jìn)一步劃分出局部區(qū)域的環(huán)狀路徑來。不同款型的車身環(huán)狀路徑大同小異。

圖2 環(huán)狀路徑的車身架構(gòu)形式

環(huán)環(huán)相連的結(jié)構(gòu)設(shè)置目的是實(shí)現(xiàn)車身整體性能最大化。此外，動(dòng)力總成固定點(diǎn)、前后懸架固定點(diǎn)、安全帶固定點(diǎn)、座椅固定點(diǎn)等重要零部件的固定點(diǎn)盡量設(shè)計(jì)在環(huán)狀路徑上。一是能提升環(huán)狀路徑性能，二是能保證功能件自身固定點(diǎn)強(qiáng)度。

在環(huán)狀路徑之外，車身的其它部分結(jié)構(gòu)盡量簡單化，能一件兩用、多用的地方，就考慮通用化設(shè)計(jì)，可以大大減少車身零件的數(shù)量及復(fù)雜程度，進(jìn)而能大大降低車身的成本。

3.4 注重車身性能設(shè)計(jì)

在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的早期，就應(yīng)該考慮的車身功能、性能設(shè)計(jì)，當(dāng)車身功能、性能在設(shè)計(jì)初期滿足后，接下來就可以考慮車身的輕量化、簡化設(shè)計(jì)，也能夠更好地避免后期因功能、性能不滿足造成更改帶來額外的成本增加。如果車身各種性能一次性達(dá)成預(yù)期要求，后期少更改或沒有更改，車身成本就可以控制到最低水平。

對(duì)低成本車身來說，自然不會(huì)追求過高的性能目標(biāo)，滿足一般目標(biāo)要求即可，見表2。當(dāng)車身的各種性能、功能都滿足后就可以大力開展低成本化設(shè)計(jì)工作了。

表2 低、高成本車身性能參數(shù)目標(biāo)對(duì)比

在不降低太多性能，不增加太多質(zhì)量的前提下，車身結(jié)構(gòu)能簡單的盡量簡單，能通過改變結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的盡量不額外增加多余的零件，斷面能簡化的盡量簡化[7]，可不用的加強(qiáng)板就考慮去除，能采用點(diǎn)焊的就減少氣體保護(hù)焊。在防腐要求不高的地方可用裸板代替鍍鋅板。

3.5 工藝降成本

車身是由眾多的鋼板件焊接而成的，制造車身先后要經(jīng)歷沖壓、焊裝、涂裝3大工藝，如果能在生產(chǎn)過程中減少工裝和設(shè)備的投入，減少工序流程、減少人力工時(shí)，以及減少用材、用料，就可以減少車身成本的投入。

針對(duì)沖壓工藝，車身零件的設(shè)計(jì)需注意拉延和成形工藝性，能3序完成制作的就盡量避免4序，能避免整形工藝的就盡量不采用整形工藝。針對(duì)焊裝工藝，車身零件的分塊需注意焊接工藝性，既要少定義焊接點(diǎn)，更要考慮焊接操作方便性。針對(duì)涂裝工藝，車身內(nèi)腔的設(shè)計(jì)要注意電泳底漆形成的方便性，能否達(dá)成相應(yīng)的漆膜厚度，此外要注意減少涂膠線的長度，考慮涂膠操作的方便性。

此外，焊裝時(shí)點(diǎn)焊密封膠、減振膠的定義，涂裝時(shí)抗石擊涂層的定義都得考慮成本的最低化。

在車身設(shè)計(jì)時(shí)還需重點(diǎn)關(guān)注尺寸工程內(nèi)容，從零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就需加強(qiáng)尺寸控制定義，為沖壓、焊接、涂裝、總裝各大工藝及檢測環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的RPS定位系統(tǒng)，保證車身零件生產(chǎn)的一致性，既能減少后期為提升精度付出的投入，也能減少大部分的質(zhì)量缺陷問題發(fā)生。

3.6 邊角處造型面平緩化

車身外覆蓋件因零件尺寸大、邊角結(jié)構(gòu)復(fù)雜往往需要較高的制造成本，因其與造型面直接相關(guān)，其工藝性受造型面影響較大。造型往往為了追求犀利的外觀，會(huì)造成外覆蓋件局部結(jié)構(gòu)的突變，再加上外覆蓋件一般兼顧密封功能，其相關(guān)連接件結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。圖3是某車型后尾燈處車身結(jié)構(gòu)，由多件焊接而成，不僅廢料率高，增加涂膠用量，其沖壓工藝、焊接工藝都很復(fù)雜，尺寸控制也很困難。如果能平緩該處造型分界、降低面差突變，或者將后尾燈全部放置到背門或行李箱蓋上，對(duì)降低成本會(huì)有很大的裨益。

對(duì)于轎車車身來說，將焊接車身的結(jié)構(gòu)簡單化，降低焊接車身的生產(chǎn)成本，將外觀犀利的風(fēng)格更多體現(xiàn)在前后燈、前后保等外飾件自身上，可以最大程度地降低車身成本和整車成本。

圖3 后尾燈周邊車身結(jié)構(gòu)

3.7 降低車身附件使用量

一般車身上必不可少地要粘貼阻尼片、補(bǔ)強(qiáng)片、膨脹片，也要安裝堵蓋密封。針對(duì)車身上可能粘貼阻尼片的薄板件區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)，需關(guān)注薄板區(qū)域的剛度提升設(shè)計(jì)，尤其需關(guān)注前后地板、前圍擋板、后輪罩板的局部剛度提升設(shè)計(jì)，可通過加強(qiáng)筋、加強(qiáng)沉臺(tái)、凸臺(tái)設(shè)計(jì)達(dá)到板材的延伸，提升其剛度，進(jìn)而減少阻尼片的使用范圍。針對(duì)車身上可能粘貼補(bǔ)強(qiáng)片的薄板區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)，比如側(cè)圍外板后部、頂蓋外板，需考慮內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件的支撐和涂抹減振膠提升局部剛度的目的。在膨脹片的設(shè)計(jì)上，力爭最少的膨脹片布置達(dá)到最優(yōu)的隔音效果。

在減少車身堵蓋使用上，可以通過焊裝定位孔與涂裝工藝孔共用、線束過孔與涂裝工藝孔共用達(dá)到減少堵蓋的使用量，以及簡化堵蓋的種類來降低堵蓋模具成本。

4 某車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 某車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所述，在開發(fā)某車身時(shí)為追求低成本做出了一些規(guī)劃。

①采用價(jià)格相對(duì)低廉的鋼制車身，僅A柱、B柱加強(qiáng)板、門檻梁加強(qiáng)板采用高強(qiáng)度鋼板；在輕質(zhì)材料應(yīng)用上，主要采用了工程塑料蓄電池托盤、工程塑料后保險(xiǎn)杠緩沖橫梁等。

②在提升材料利用率方面，按照前文介紹的方法，多管齊下，綜合考慮，力爭最大化減少材料浪費(fèi)，降低車身制造成本。

③考慮車身承載性能，通過眾多的環(huán)狀路徑形成較高性能的車身，如圖4所示。當(dāng)車身性能滿足時(shí)，就盡量簡化其結(jié)構(gòu)來降低車身制造成本。

④在車身設(shè)計(jì)初期就考慮車身各種性能的滿足，避免后期因提升性能產(chǎn)生額外的費(fèi)用。

⑤在車身零部件設(shè)計(jì)上，考慮減少制造過程中工裝、設(shè)備的投入，考慮簡化工藝流程，力爭將制造成本降至最低。

圖4 某車身主體架構(gòu)示意

⑥在外覆蓋件的設(shè)計(jì)上，督促造型在分界上、面差設(shè)定上盡量平緩化，以簡化外覆蓋件的工藝。

⑦在降低車身3 片及堵蓋使用上，注重薄板區(qū)域的剛度提升設(shè)計(jì)，注重工藝孔、功能孔的通用化設(shè)計(jì)，將車身附件使用量降至最低。

4.2 某車身成本參數(shù)

根據(jù)前文描述，開展車身的低成本化設(shè)計(jì)。某車型整車尺寸，長×寬×高：4 530 mm×1 730 mm×1 490 mm。在車身性能定義上，以滿足前文描述的基本性能定義為目標(biāo)，按10 萬輛量綱進(jìn)行計(jì)算，平均每臺(tái)車身制造成本為5 675 元，比常規(guī)開發(fā)降成本約11%，并且車身性能基本相當(dāng)。

5 結(jié)束語

該文從低成本角度出發(fā)圍繞車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討車身低成本的設(shè)計(jì)方法，包括：選用價(jià)格低廉的材料，提高材料利用率，簡化車身結(jié)構(gòu)、減少用料，滿足基本的車身性能設(shè)計(jì)，工藝降成本，邊角處造型面平緩化，降低車身附件使用量等措施。針對(duì)產(chǎn)品定位，以滿足其性能目標(biāo)定義為前提，以追求最低成本所開展地有的放矢的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以期車身設(shè)計(jì)越來越精細(xì)化，進(jìn)而邁入車身設(shè)計(jì)的高級(jí)階段，達(dá)到本土汽車的車身設(shè)計(jì)也具有較高市場競爭力的水平。