汽車輕量化評價

路洪洲　王智文　陳一龍　郭愛民　馬鳴圖　路貴民

摘 要：探討了汽車輕量化的理論基礎，在此基礎上分析了國內外提出的輕量化評價及評估方法，這些方法涉及輕量化前后的整車油耗變化、整車或者總成性能變化以及成本變化等因素。闡述了各方法提出的背景和應用范疇，并在汽車燃料消耗的物理意義及邏輯的基礎上，結合發動機燃燒效率、風阻、行駛阻力等，首次提出了輕量化乘用車整車質量設定指標函數的汽車輕量化評價方法。提出了建立規范的、行業認可的評價系統的必要性，以推動節能減排以及行業技術進步。

關鍵詞：汽車；輕量化；評價方法；整備質量；性能

中圖分類號：U461.86文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.01

汽車輕量化已經成為提高汽車產品競爭力以及推動汽車行業節能減排的主要手段之一[1]，汽車車身的輕量化也一直是國內外汽車企業的關注點。隨著汽車輕量化技術的推廣應用，如何評價一款汽車的輕量化水平成為亟待解決的問題。汽車輕量化評價的主要目的是預測和衡量一個車型的輕量化工程[2]實施情況，在車型開發之初定義目標車型的輕量化指標，可以有效推動該車型的輕量化水平以及節能減排效果。批量生產（Small-Outline Package，SOP）后，通過相應手段比較同類車型的輕量化水平，也可以為該車的改進以及后續開發奠定基礎。目前國內外對于輕量化評價指標的研究較少，在評價方法上也尚未形成廣泛的共識。為了闡述汽車輕量化評價方法的研究進展以及未來需解決的問題，本文將總結現有的方法，并進一步提出新的輕量化評價方案。

1 輕量化評價的基礎

汽車輕量化工程是在保證汽車的被動安全性能、剛度、NVH（Noise Vibration and Harshness，噪聲、振動和不平順性）等提高或者不降低的前提下，通過結構優化設計、輕量化材料的應用、合理的制造工藝等手段來實現汽車的整備質量降低，從而達到節能減排目的的工程化過程。汽車輕量化可以通過構件的結構變更、低密度材料應用或材料厚度減薄等手段來實現，但同時不能影響整車或者構件及總成的其它關鍵功能。為了進一步闡述上述要求，需梳理輕量化與構件其它性能的關系[3]，典型的板材構件示意圖如圖1所示。

假設構件輕量化前后采用類似的幾何結構，采用不同的材料可能造成汽車構件的剛度以及結構強度發生變化。根據推導，如果該構件要求達到相同的彎曲剛度，可以得到以下材料1和材料2的厚度比公式（1），以及構件的質量比公式（2）。

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式中，h為材料厚度；E為材料的彈性模量；ρ為材料的密度；m為構件的質量。由公式可知，如要求輕量化前后的構件達到相同的彎曲剛度，材料1和材料2的厚度比只與材料彈性模量相關，而質量比則與材料的密度和彈性模量相關。同樣，如果不同材料制造相同幾何結構的構件，若達到相同的扭轉剛度，可以參照式（3）材料1和材料2的厚度比公式，以及式（4）構件的質量比公式。

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式中， G為材料的剪切模量；Rm為材料抗拉強度。

對于結構強度來說，相同結構的構件，如果要求輕量化前后達到相同的結構強度，可以參照式（5）材料1和材料2的厚度比公式，以及式（6）構件的質量比公式。

由以上理論推導可見，一旦構件的材料或者材料厚度發生變化，構件的剛度等性能也會同時發生變化。同樣，如果構件的結構發生變更，無疑構件的性能也會相應改變。因此，汽車輕量化必須首先在減重的同時校核汽車的剛度、安全、NVH等性能；其次，減重的幅度必須根據輕量化設計的理論分析以及材料性能等進行綜合確定。當然，成本、維修、回收再制造等因素也是輕量化工程需要考量的因素?？傊囕p量化評價不是一個單純的重量關系或者函數，需要綜合各方面的因素，尤其是油耗的變化，這是因為汽車輕量化的主要目的是節約燃油以及降低排放，所以如果輕量化不能帶來較好的燃油經濟性或者更低的CO2排放，汽車輕量化的實質意義便難以衡量。上述諸多因素是輕量化評價難以達成共識的原因。

2 輕量化評價概述

隨著汽車消費者以及汽車上下游企業對汽車輕量化認識的逐步提高，以及輕量化工程應用在更多車型上，國內外先后提出了一系列汽車輕量化評價方法。

2.1 車身輕量化系數及車身結構利用系數

車身輕量化系數（Light Weight Index）[4]是目前被行業接受度較大的一個評價指標。車身輕量化系數的定義見式（7），圖2為車身輕量化系數中各參數的示意圖。

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式中，L為車身輕量化系數；m為白車身骨架（不帶四門兩蓋）質量，kg；CT為車身靜態扭轉剛度（帶擋風玻璃），N·m/（°），包括擋風玻璃和副車架等附件的油漆車身；A為車身的腳印面積=軸距×前后輪距的平均值，m2。

由于輕量化工程主要影響的性能之一是車身剛度，因而輕量化評價指數主要考慮白車身質量的降低以及白車身靜態扭轉剛度的變化，以期在質量降低的同時，保證車身剛度提高或者不降低。由式（7）可知，若減小車身輕量化系數，可以通過提高剛度或降低白車身的質量來實現。若車身的質量不降低或降低很少，只需去提高車身的扭轉剛度，也會實現降低車身輕量化系數的目的，但顯然這不是輕量化的目的，即未能實現整車質量的真正下降，更主要的是不能實現節能減排。因此，車身輕量化系數僅可作為一個參考指標，不是評判一個車型輕量化水平的絕對指標。

同時該評價方法還有一個問題值得商榷，即不能表征覆蓋件的輕量化，如采用更薄的高強度鋼材或者采用鋁合金板材制造覆蓋件，實現了整車減重的效果，但卻不能通過車身輕量化系數L來表征。因此有部分整車企業將該公式進行了變更，如式（8），該公式被稱之為車身結構利用系數[5]。

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式中，m為車身質量（包括四門兩蓋），kg。該方法可以相對全面地表征車身的輕量化水平。

2.2 輕量化效果評估系數

2008年，路洪洲等人[2]提出了輕量化效果評估系數E概念，其評估公式見式（9）。

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式中，mL為輕量化后的汽車整備質量，kg；mB為典型對標車或者對標車系的平均值，kg；是指輕量化后的汽車各種性能，如碰撞性能、節油性能、回收性能、操控性能、成本等；是指典型對標車或者對標車系的汽車各種性能；為各性能指標對評價的貢獻度，。利用該公式可以從兩個

方面評價汽車的輕量化效果，分子表示節能減排效果，即如果分子<1，說明整車質量減低，而分母代表整車的性能，分母≥1，說明整車綜合性能提高，最后再從E的值來評價輕量化效果，即E<1，表示汽車輕量化效果良好。

在此基礎上，將成本作為衡量標準之一，來量化輕量化的效果評估系數EC，見式（10）。

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式中，PRAi為單位材料成本，元/kg；PRBi為單位制造成本，元/kg；Ci為零部件用材量，kg；n和j分別為輕量化前后的構件數量。由此可以評估輕量化與成本控制的關系。

2.3 每千克減重增加的成本

正如文獻[2]提出的，輕量化評估除了需要考慮汽車綜合性能的提升外，成本控制也必須要在輕量化工程過程中著重考慮。從減重的觀點來看，目前討論得很多的車身材料，如高強度鋼、鎂、陶瓷纖維和碳纖維等的應用都需給出可接受的每千克減重所增加的成本，這也是評估某個具體輕量化工程是否可以實施的關鍵，其表達公式可以簡化為

式中，分子代表某構件或者總成在輕量化前后的綜合成本變化；分母代表某構件或者總成減重的量，kg。

目前歐美主機廠可接受的每千克減重所增加成本額度在3～8美元/kg不等。而目前國內尚處于期望重量降低但成本不增加的階段。

2.4 車身輕量化評價指數

通常輕量化是與原標桿車相比較時的相對值，因此為了更直接地反映輕量化的效果，也為了消除輕量化系數L的量綱，馬鳴圖等人[6]提出了輕量化指數Li作為表征輕量化效果的指標，即

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式中，L1和L2為輕量化設計前后的輕量化系數或者車型輕量化前后的其它性能指標。

2.5 蓮花汽車的名義密度

蓮花汽車公司為了衡量汽車減重的幅度，針對不同類型和級別的車型，提出了一個輕量化評價標準，即汽車名義密度的概念[7]，其表達公式見式（13）。

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式中，D為名義密度，kg/m3；M為整備質量，kg；V為車身的體積，m3。蓮花汽車公司將體積的測算進行了詳細的分類，對于轎車，其體積可以用式（14）表示，對于SUV，其體積可以用式（15）表示。

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式中，h為車身高度，m；b為軸距，m；w為車身寬度，m；l為車身長度，m。

2.6 發改委與節油相關的乘用車輕量化評價指標體系的研究

上述輕量化評估方法多數沒有與整車的油耗關聯，為了考核降低油耗的同時減少排放，中國國家發改委提出了與節油相關的乘用車輕量化評價指標體系。對于乘用車，評價方法見式（16），對于K值小的車型，國家給予鼓勵，但指標最終未能實施。

2.7 輕量化綜合評價指數E

路洪洲等人[8]提出了輕量化綜合評價指數，具體見式（17）。

式中，E為輕量化綜合評價指數；mBody為車身重量，kg，帶四門兩蓋，不帶前后風擋玻璃；Ct為白車身靜態扭轉剛度，N·m/（°），帶玻璃的油漆白車身，不帶四門兩蓋；A為車身腳印，一般以軸距和輪距之乘積來表示；F為車身一階（扭轉）頻率，Hz；[CNCAP]為CNCAP星級評分，也可以通過其它安全評價方式來計算。此外還提出，根據E值以及整車整備質量和油耗的關系來定義輕量化水平星級，從1星輕量化水平到5星輕量化水平，這樣便于消費者理解，在購買汽車時，可以橫向比較意向車型的輕量化水平，作為購車的一個衡量標準。

2.8 奇瑞汽車提出的整車輕量化評價指標

奇瑞汽車李軍等人[9]在式（17）的基礎上進行了修訂，提出新的整車輕量化評價指標E'，計算見式（18）。

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式中，E'為整車輕量化系數；M為汽車的整備質量，kg，根據相關行業標準定義；Q為百公里綜合油耗，L，按照GB/T 19233—2008：《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》確定；Ct為白車身靜態扭轉剛度，Nm/（°），帶玻璃的油漆白車身，不帶四門兩蓋；V為名義體積，m3，即長×寬×（高-離地間隙）；F為車身一階（扭轉）頻率，Hz；P為發動機的功率，kW；[CNCAP]為CNCAP星級評分，[ENCAP]安全分數可進行相應轉化。

由式（18）可知，要E'值減小，需降低整車的名義密度（M/V）和油耗，同時提高發動機的功率、整車安全性（[CNCAP]）、舒適性（Ct，F），這也是輕量化的一個重要要求。用一個數學的方法反映了汽車輕量化要求、努力提升的方向和輕量化工作的目標。式中安全參數[CNCAP]、車身一階（扭轉）頻率F和白車身靜態扭轉剛度Ct均被納入輕量化評價指標。

2.9 整車相對面密度

吉利汽車公司的姚再起等人[10]認為人們對整車舒適性的需求，使內外飾、電子電器的比重明顯增加，從而大大增加整備質量；動力性能的提高也明顯增加發動機和動力系統質量。因此，消費者能夠從感官體驗到的車的各項性能指標可以讓市場去衡量，輕量化評價只考慮整備質量水平更合理。在此基礎上，不考慮整車各項性能，對于同類車型的輕量化指標可僅考慮整備質量和輪邊距與軸距乘積所得投影面積（車型大?。凑嚸婷芏鹊母拍?，見式（19）。

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式中，L0為整車面密度，kg/ m2；Wk為整備質量， kg；A為輪邊距與軸距乘積的投影面積（即腳印面積），m2。

綜上所述，輕量化評價方法均沒有得到行業的全面認可，或多或少存在一些不足，或每種方法適用于不同的階段，因而還需要進一步的研究。

3 輕量化乘用車整備質量設定指標函數

近年來，單個車型的整備質量主要由上一代車型的質量、對標車型的質量以及工程師的經驗來確定，但隨著油耗法規的實施，必須在單車百公里油耗的基礎上來定義新車型的整備質量。因此，如果可以通過其它手段來確定整備質量，則可能更合理地確定整車輕量化目標。所以為了便于在汽車開發之初定義汽車整備質量，確定整車輕量化目標，本文提出了乘用車整備質量設定指標函數，通過統計分析的方法來耦合整車油耗，確定整車的輕量化目標。

一般認為汽車燃油產生的能量或者汽車燃油的消耗主要被分為三部分：第一部分用來克服汽車行駛的各種阻力，包括輪胎滾動阻力、空氣阻力、加速時的慣性力和爬坡時的下滑力；第二部分被發動機本身使用及耗散；第三部分則被傳動系統損失掉了。汽車行駛的各種阻力如圖3所示，各阻力的計算見下文相關公式。

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式中，v為行車速度，m/s；A為汽車橫截面面積，可以通過汽車的寬×（高-離地間隙）得到，m2；Cd為風阻系數，有測試標明，當轎車以80 km/h行駛時，其中60%的功率是克服風阻的；m為汽車整備質量，kg；F代表各種阻力，N；a為加速度，m/s2。

由式（21）、式（22）及式（23）可知，汽車行駛過程的滾動阻力、爬坡阻力以及加速度阻力均是整備質量的函數。由于汽車的百公里油耗主要通過《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》確定，即在同一標準下測定，而風阻系數難以在公開材料中獲取，因而風阻可以通過式（26）來表達，即風阻作為汽車尺寸的函數，因而汽車行駛過程克服阻力所消耗的能量可以通過式（27）來體現。

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為了使本研究的結果能夠用于汽車設計開發的指導，可以考慮將整車的長度l嵌入公式中。這也可以在物理意義上解釋得通，實際汽車行駛過程，不僅僅是橫截面積影響風阻，由于風向的不一致性，以及車輛在轉彎等過程中，汽車側面積與風阻的關系也很大，故用來表征汽車正迎風面積和側迎風面積，如式（28）。

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汽車燃油的第二部分消耗源于被發動機本身使用及熱耗散。汽車發動機排氣量是根據發動機的缸徑×行程×缸數而計算出來的。汽車排量是衡量一輛汽車動力性能的主要指標，一般用L（升）來表示。由于發動機構造、廠家以及型號各不相同，因此不同廠家制造出的相同排量發動機的功率并不一樣。大排量發動機擁有剛度更大的氣門彈簧、慣性更大的連桿與活塞以及阻力更大的滑動副，這些部件的“新陳代謝”都要消耗更多的能量。同時，更多的換氣損失和熱損失也是大排量發動機耗油較高的罪魁禍首。但發動機排量不能單獨與油耗建立起關系，如過小排量的汽車可能不省油，因為必須經常使用很高的轉速來彌補動力的不足。尤其是對于經常在山區行駛的汽車，很小的排量并不是一個明智的選擇。但排量作為發動機的性能指標之一，可以與功率一起表征發動機的效率，相同排量的發動機，功率大的自然就能耗低、輸出功率大。即通過升功率可以表征發動機的效率，就是最大功率除以排量。目前較為合理的測算方法是用kW/L來表示，見式（29），參數Power表示最大功率，kW；Displacement表示排量，L。

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然而，盡管理論上可行，但統計上，百公里綜合油耗與升功率的定量關系并不明顯。由于發動機的效率與油耗極為復雜，可能難以用一個簡單的回歸得到兩者的關系，進而考慮“近似升功率”的概念，即用發動機功率的平方根與排量的比值代替升功率，來表征發動機的燃燒效率，見式（30）。經過近1 000個車型數據的分析，發現百公里綜合油耗與“近似升功率”的定量關系顯著。

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由于傳動系統損失掉的能量比例較小，后續研究將進一步深入探討，本文暫時忽略不計。最終可以推導出如式（31）的乘用車整備質量設定指標函數。

式中，p1，p2，p3，p4，p5，p6為待定參數，根據行業統計數據回歸得到；M為回歸得到的乘用車整備質量，kg；b為整車寬度，m；h為整車高度，m；

c為離地間隙，m； 為“近似升功率”，

（kW）1/2/L；K為車型的百公里綜合油耗，L/100 km。

根據式（31）以及約880個SUV車型數據，回歸得到了SUV車型的行業平均整備質量方程，見式（32）。整車企業可以跟據此方程來定義車型的合理整備質量和整車輕量化目標。

由于回歸過程存在誤差，因而式中可以引入修正值R，一般可以選取0.3左右。

為了驗證新方法的實用性，分析了3款典型的SUV車型。3款典型SUV的參數以及根據式（32）得到的合理整備質量數值見表1。由表1可知，車型1的百公里油耗較低，但其實際整備質量仍大于回歸計算上限值，理論上有一定的輕量化空間。車型2的百公里油耗也較低，從參數上看，該車型的發動機性能較好，但整備質量較大，輕量化空間較大，應降至1 700 kg以下。而車型3的百公里油耗較高，實際整備質量處于行業平均水平內，若要降低該車型油耗，該車型的發動機性能需要改進和提升。

4 討論

汽車車身輕量化系數及車身結構利用系數主要是針對車身的輕量化評價[4-5]，這是由于一個車型的開發，整車企業往往主要制造車身，而底盤、動力系統等總成和構件主要由供應商提供，可控空間小，因而在車身設計時，針對車身來輕量化符合汽車開發流程。其次，車身性能關系到整車的安全、舒適等性能，而車身的減重潛力也較大。另外，歐美汽車的被動安全性能基本上都在ENCAP 四星至五星的范疇，所以車身輕量化系數及車身結構利用系數的提出沒有考慮安全等性能。為了消除汽車消費者以及整車工程師的顧慮，又先后提出了輕量化綜合評價指數[8]，該評價方法采用星級的表達方式更直觀，同時考慮到了油耗、被動安全、車身剛度以及一階模態等因素。而為了更好地橫向比較輕量化效果，采用車身輕量化評價指數[6]，可以更直接地反映輕量化的效果，尤其是對于與對標車型的比較。輕量化效果評估系數[2]首次提到了輕量化成本的概念，這是制約輕量化工程實施的主要考量因素，該方法也概括性地提出了可回收再制造性等其它性能的考量。在此基礎上，每千克減重增加的成本是一個衡量輕量化工程在經濟分析層面是否可行的一個直觀評價標準，該值由企業確定后，工程人員可以在可接受的成本范圍內開展輕量化工作。對于一些跑車等小批量的車型，由于采用上述方法的可比性低，因而蓮花汽車提出的名義密度[7]，可以很好地衡量汽車減重的潛力，同時，作為一個簡化版的名義密度，整車相對面密度[10]的提出也完全忽略了汽車的性能因素，單純地考量汽車尺寸與質量的關系。

但輕量化的最初目的以及最終目的均是節能減排，因而質量的降低與整車油耗相關聯，是一個可行的輕量化評價方案。基于此考慮，對輕量化綜合評價指數[8]，奇瑞汽車提出的整車輕量化評價指標[9]，

輕量化乘用車整備質量設定指標函數[11]等進行了深入的探討，前兩個方法均是在基于輕量化系數的基礎上進行了延伸，考慮了發動機性能或整車百公里綜合油耗的關聯。而輕量化乘用車整備質量的設定指標函數則從另一個角度，即采用行業數據回歸的方式，從汽車開發之初的新車型整備質量定義的角度來確定輕量化目標，并同時可以評價現有車型的輕量化水平。

以輕量化工程的概念為基礎，在汽車輕量化的同時，必須考量減重所引起的整車、車身或者構件及總成級別的各種性能變化，而輕量化成本是制約輕量化工程實施的關鍵，所以，在新車型開發之初和上市后對汽車進行輕量化評估可以為開發新車型奠定基礎，并與國家和地區的油耗法規相關，通過降低汽車質量來達到節能減排的目的。因此，汽車輕量化評估時的一個關鍵工作是建立起規范的、行業認可的評價系統，推動節能減排以及行業技術進步。

5 結論

建立我國統一的輕量化評價方法是推動汽車輕量化及節能減排的基礎，建立統一的輕量化評價方法可以讓消費者和主機廠自行比較汽車產品的輕量化水平。但由于我國汽車輕量化相關技術剛剛起步，統一的輕量化評價方法尚需不斷地探索和實踐。本文從不同角度總結和提出了一系列汽車輕量化評價方法，涉及輕量化前后的整車油耗變化、整車或總成性能的變化以及成本變化等因素，并首次提出了“輕量化乘用車整備質量設定指標函數”，得到了SUV車型的經驗公式。 這些均有利于行業總結提煉以致選擇應用，在實踐后，可以提出各種方法的優劣，或在此基礎上進一步提出更好的、得到行業認同的方法。

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