整車重量控制流程及應(yīng)用

呂浩 王靜 張桂賢

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

近年來隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，主機(jī)廠對整車的性能及成本控制越來越精細(xì)。而重量控制也從早期的重量跟蹤發(fā)展到現(xiàn)在的目標(biāo)控制，然而重量目標(biāo)不僅僅單獨(dú)的只是整車或者零部件的重量那么簡單，它還關(guān)聯(lián)到其他性能和整車成本。行業(yè)中對整車重量控制的重要度認(rèn)識(shí)不足、控制方法及流程也有所不同，導(dǎo)致整車重量控制工程師在實(shí)際操作中困難重重。文獻(xiàn)[1]通過分析整車重量控制的關(guān)聯(lián)法規(guī)及性能等，來完善整車重量流程及應(yīng)用供大家參考。文章以承載式轎車為例，進(jìn)行簡單論述。

1 整車重量的控制原則（重量目標(biāo)設(shè)定及分解原則）

1.1 不降低其他性能為前提

其他主要相關(guān)性能有剛強(qiáng)度、NVH、操縱穩(wěn)定性等；另外如果因?yàn)橹亓磕繕?biāo)太低，導(dǎo)致工藝難度上升，是需要經(jīng)過嚴(yán)格探討后才能決定的。

1.2 不增加或少增加成本為前提

在制定重量目標(biāo)過程中，成本控制也是零部件方案中的重要因素，不能因?yàn)橹亓磕繕?biāo)制定太低而過多的增加成本，影響整車的競爭性[2]。

1.3 各零部件能夠?qū)崿F(xiàn)

制定重量目標(biāo)過程中，不能脫離零部件和生產(chǎn)工藝單一的要求減重和調(diào)整生產(chǎn)工藝，應(yīng)該按照生產(chǎn)工藝的規(guī)劃及零部件生產(chǎn)工藝給出一個(gè)合理的控制目標(biāo)，既不能太低也不能太高[3]。

2 整車重量相關(guān)性能

2.1 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

在重量控制過程中，首要的計(jì)算目標(biāo)是動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，而計(jì)算過程中又必須了解汽車的阻力特性。汽車在道路上行駛必須克服行駛阻力，行駛阻力包括空氣阻力、滾動(dòng)阻力、坡度阻力和加速阻力。下面就幾種阻力對經(jīng)濟(jì)性影響較大的因素加以說明。

2.1.1 空氣阻力

式中：Fw——空氣阻力，N；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——汽車迎風(fēng)面積，即汽車行駛方向上的投影面積，m2；

u——汽車行駛速度，km/h。

從式（1）中可以看出，空氣阻力和風(fēng)阻系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，在普通車輛動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性計(jì)算過程中占比較大，重量目標(biāo)設(shè)定時(shí)可以相互協(xié)調(diào)，同時(shí)確定風(fēng)阻系數(shù)及重量目標(biāo)。

2.1.2 滾動(dòng)阻力及車輛滑行距離

滾動(dòng)阻力來源于道路阻力和車輛內(nèi)阻，可以用車輛的滑行距離來表現(xiàn)，試驗(yàn)方法參照GBT 12536《汽車滑行試驗(yàn)方法》。

2.1.3 整車用電功率

雖然在動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)中沒有規(guī)定哪些用電器必須開啟，但車輛在用戶實(shí)際使用過程中，整車用電的功率卻是實(shí)際影響動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的。比如一款車型發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.2 T、整車重量為1 200 kg，這輛車在爬坡過程中空調(diào)、冷卻風(fēng)扇及發(fā)電機(jī)的開閉對汽車的加速性能都具有一定的影響。

2.2 NVH 和舒適性

整車內(nèi)部產(chǎn)生的異響一般是由于零部件內(nèi)部磕碰、白車身剛強(qiáng)度不足、白車身模態(tài)或局部模態(tài)引起的，因此在設(shè)計(jì)中一般有一個(gè)下線值。如果是量產(chǎn)期間發(fā)現(xiàn)問題，由于整車NVH 一般是通過增加質(zhì)量（比如包覆材料、吸隔聲材料等）來實(shí)現(xiàn)吸隔聲效果的，這會(huì)導(dǎo)致量產(chǎn)期間整車重量難以控制[4]。

2.2.1 白車身剛強(qiáng)度

白車身結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，白車身剛度目標(biāo)，如表1所示。

圖1 白車身示意圖

表1 白車身性能目標(biāo)

2.2.2 白車身彎曲及扭轉(zhuǎn)模態(tài)

白車身彎扭模態(tài)，如圖2 所示。

圖2 白車身模態(tài)

2.3 整車被動(dòng)安全

對于承載式車身的轎車來說，整車碰撞的主要承載零部件是白車身，關(guān)于碰撞的要求以CNCAP 的碰撞規(guī)則為例，正面和側(cè)面碰撞要求白車身在2 個(gè)單向剛度大，而偏置碰撞要求白車身左右剛度匹配協(xié)調(diào)，另外還有強(qiáng)制法規(guī)頂蓋側(cè)壓、后碰撞等試驗(yàn)，通過每個(gè)方向不同的碰撞試驗(yàn)對整車或白車身有一定的要求，而滿足這些要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就必須達(dá)到一定的要求，進(jìn)而對于重量也就有了最低限制。

2.3.1 正面碰撞、側(cè)面碰撞、偏置碰撞

圖3 正面碰撞優(yōu)化方案

圖4 側(cè)面碰撞優(yōu)化方案截圖

圖5 偏置碰撞優(yōu)化方案

如圖3、圖4、圖5 的優(yōu)化方案所示，可以看出，在滿足碰撞性能的過程中需要不斷地優(yōu)化承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及性能提升會(huì)導(dǎo)致重量的增加。

2.3.2 其他法規(guī)

同樣涉及到結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生調(diào)整或優(yōu)化的性能法規(guī)還有行人保護(hù)、小偏置及柱撞試驗(yàn)等性能要求也需要重點(diǎn)考慮。如圖6 所示，在小偏置優(yōu)化方案中需要對A中進(jìn)行加強(qiáng)才能滿足性能目標(biāo)的要求。

圖6 小偏置優(yōu)化方案

3 相關(guān)法規(guī)和政策

重量控制的效果主要體現(xiàn)在動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性上，排放、油耗和公告的法規(guī)政策如下：《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》；GB 27999乘用車燃油消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)；GB 19233 輕型汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法；其他傳統(tǒng)車及電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)，滑行試驗(yàn)、爬坡試驗(yàn)、最高車速、加速性能試驗(yàn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告《車輛產(chǎn)品《公告》技術(shù)審查規(guī)范性要求汽車部分》。

作為主機(jī)廠除必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還要密切關(guān)注國家政策法規(guī)，在上述文件中就明確了車輛重量的允許公差，在生產(chǎn)加工過程中也必須要嚴(yán)格控制。

4 新材料、新工藝對重量的影響

隨著科技發(fā)展及成本的降低，在新車型上使用新材料及新工藝成為可能，如碳纖維、壓鑄鋁、鋁型材及復(fù)合材料。在不增加或少增加成本及保持整車性能其他目標(biāo)的情況下，整車重量會(huì)大幅減少，目前在電動(dòng)車型或新能源車型中該方案成為了各大主機(jī)廠的迫切需求[5]。

5 目標(biāo)設(shè)定

5.1 系統(tǒng)級目標(biāo)的分類

按照系統(tǒng)劃分整車重量控制單元，以某傳統(tǒng)燃油車為例，按照專業(yè)一級目錄可以劃分為動(dòng)力總成及附件、底盤、白車身、內(nèi)飾、外飾、電子電器等六大部分，二級目錄按照系統(tǒng)分類，具體細(xì)分系統(tǒng)，如表2 所示。

表2 系統(tǒng)分類

5.2 重量及質(zhì)心的估算

根據(jù)以往整車重量估算經(jīng)驗(yàn)，如圖7 所示。得到的由基礎(chǔ)車重量按照系統(tǒng)劃分推導(dǎo)的估算公式，如式（2）所示：

式中：△M——重量變化量，kg；

M——基礎(chǔ)車重量，kg；

α——與車型相關(guān)系數(shù)，根據(jù)各車型取經(jīng)驗(yàn)值，取值范圍一般在1～1.5。

根據(jù)以往整車開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對整車空載質(zhì)心高度進(jìn)行估算，如式（3）所示。

其中：Hb=H-R，mm；

式中：H——整車高度，mm；

R——車輪半徑，mm；

β——0～1 之間系數(shù)，根據(jù)車輛類型不同而不同。

圖7 質(zhì)心高計(jì)算示意圖

5.3 重量及質(zhì)心的計(jì)算

對重量進(jìn)行估算后，結(jié)合各專業(yè)意見，將整車重量目標(biāo)分解到各個(gè)系統(tǒng)，并跟蹤各系統(tǒng)重量目標(biāo)以確保整車重量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

各專業(yè)對整車EBOM進(jìn)行梳理，完成總成級別零部件重量收集。以某傳統(tǒng)車型底盤零部件為例，如表3所示。

表3 某傳統(tǒng)車型底盤零部件

整車質(zhì)心的計(jì)算要考慮各總成系統(tǒng)的質(zhì)心，計(jì)算公式，如式（4）所示。

式中：h——質(zhì)心高度，mm；

gi——各總成質(zhì)量，kg；

hi——各總成的質(zhì)心高度，mm。

6 重量控制中重要節(jié)點(diǎn)

重量控制過程中必須要重點(diǎn)關(guān)注的5 個(gè)節(jié)點(diǎn)：1）整車策劃階段，該階段需要明確整車其他性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)選型和所需滿足的法規(guī)。2）方案確定階段，該階段需要明確各部件的系統(tǒng)分類及重量質(zhì)心的統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3）生準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)放階段，該階段需要根據(jù)零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)將重量目標(biāo)落實(shí)到具體零部件。4）試制階段，該階段需要選取狀態(tài)較好的車輛進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證為后期設(shè)計(jì)變更積累數(shù)據(jù)。5）量產(chǎn)階段，該階段進(jìn)行重量目標(biāo)的最終實(shí)車符合性驗(yàn)證[6]。

7 結(jié)論

眾所周知質(zhì)量無小事，同樣性能控制在整車設(shè)計(jì)過程中一樣來不得半點(diǎn)馬虎。對于企業(yè)來說輕則費(fèi)工費(fèi)時(shí)，重則在公告之后進(jìn)行調(diào)整，使本企業(yè)所生產(chǎn)車型不能正常上市銷售，錯(cuò)失市場機(jī)會(huì)。文章所闡述的與整車重量控制相關(guān)的法規(guī)及性能等參數(shù)具有廣泛的應(yīng)用性，文章所描述的流程及節(jié)點(diǎn)是重量控制的要點(diǎn)，可以為整車重量控制工程師提供參考。應(yīng)用此方法考慮重量控制的過程能夠?qū)⒄囍亓空`差控制在2%以內(nèi)，該方法同樣適用于其他性能控制。今后的工作和研究中應(yīng)分別在相關(guān)性能的關(guān)鍵路徑、法規(guī)分解檢查表、重要節(jié)點(diǎn)評審內(nèi)容和相關(guān)性能協(xié)同等方向上繼續(xù)努力。