汽車輕量化開展流程及方法研究

趙健 王猛 何亮 熊建華 黃德輝

摘? 要：雖然國內汽車輕量化技術有了較快的發展，但在系統性開展輕量化工作的流程和方法上依然在摸索中前進。本文通過研究國內外輕量化開展現狀，初步搭建了整車輕量化開展流程，制定出一套完整的重量管控流程，嘗試提出了整車輕量化新的評價方法，努力推動建立一套規范的、切實可行的輕量化工作流程體系，以促進汽車主機廠降重節能減排的順利實施以及輕量化行業技術進步。

關鍵詞：汽車;輕量化;流程體系;重量管控;評價方法

中圖分類號：U462.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）01-0008-06

Abstract： Although the domestic automobile lightweight technology has developed rapidly， but it is still advancing exploration on the processes and methods to carry out systematic lightweight work. This paper studies the current situation of light weight at home and abroad， initially builds a lightweight vehicle development process， develops a complete weight management process， attempts to propose a new evaluation method for vehicle lightweight， and strives to promote the establishment of a set of standard and feasible lightweight workflow system. To promote the smooth implementation of energy-saving and emission reduction of automobile OEMs and the technical progress of lightweight industry.

Key Words： Vehicle; Lightweight; Process System; Weight Management Process; Evaluation Method

1? ? 前言

隨著汽車安全、燃油經濟性及排放標準的提高，安全、節能、環保已成為汽車研發的熱點問題。汽車輕量化是指在滿足汽車的安全性能及成本限制的條件下，采用有效的設計方法，盡可能地降低汽車整備質量，從而起到提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的作用，因此，整車輕量化的研究對安全、節能、環保三大熱點問題的解決有著重要的意義。

近年來，我國在汽車輕量化技術方面的研究取得了較大的成果[1]，汽車輕量化技術創新戰略聯盟帶動下的產學研上下游鏈條已有效運作，先進高強鋼、輕質有色金屬等輕量化材料在汽車上的應用越來越廣泛，可靠的連接技術隨之快速創新應用，基于有限元分析軟件的結構優化效率及精度也逐漸加強，各大整車制造企業也逐漸成立了專門開展輕量化設計及技術應用的研發部門。

雖然國內汽車輕量化技術有了較快的發展，但在系統開展輕量化工作方面依然在摸索中前進，各大整車廠對于如何有效開展輕量化、輕量化的開展流程、重量管控方法及輕量化評價方法也各不相同。為了促進輕量化技術的發展，作者通過多年全面的輕量化工作經驗總結，結合國內外輕量化開展現狀，在整車輕量化開展流程及重量管控體系方面作了一些探索。

2? ? 整車輕量化開展流程體系

以往輕量化工作開展一般是融入產品工程師的產品設計過程中，隨著輕量化的發展與推廣，越來越多的整車企業將輕量化作為一個綜合業務板塊專項開展，而如何有理有據高效的開展輕量化工作，如何分配輕量化業務職責，制定輕量化開展流程，成為每個輕量化部門所面臨的主要問題之一。本文根據行業整車設計開發主流程，結合輕量化實際開展，制定了可銜接的輕量化工作開展流程，見表1。

輕量化是重量屬性的管控、是性能優化的強化、是材料的有效替換、是新技術的預研推廣，是一個綜合產品性能、成本、重量、周期、結構設計的復雜性工作。因此輕量化作為一個綜合性的設計變量，而應從設計之初開始考慮，在前期策劃階段即開展輕量化工作，融入而又超脫于整車設計開發的前期策劃、概念設計、工程設計、設計驗證、SOP等主要階段，其開展流程的關鍵屬性包含但不限于重量目標的制定、關鍵系統零部件選型的建議、關鍵斷面與傳力路徑的分析、基于重量最輕的性能優化方案、精細化優化等。

3? ? 重量屬性管控流程及方法

重量屬性作為汽車設計的重要屬性之一，是輕量化開展的主要控制參數，其合理精準的控制對整車各項性能目標的達成均有重要的意義。重量屬性的管控流程一般包含如下幾個方面：重量目標的制定、評價與修正，重量目標的分解，重量目標及輕量化方案的管控等。

3.1? ?重量目標的制定、評價與修正

本文通過整合研究大量重量目標制定方法，最終制定出了一套符合主機廠實際需求的整車重量目標制定策略;以SUV車型為例，重量目標的初定采用模型計算法+對標差異法開展，具體方法如下：

（1）引入蓮花公司名義體積概念[2]，其計算公式為：

V=（0.665×（長- 軸距） + 軸距）×高×寬/1000000000;注：Sedan車型系數為0.5

（2）本文通過采取市面上在售的幾百款主流SUV車型的尺寸信息及重量信息，擬合出整備質量與名義體積的模型計算公式（見圖1），如下式：

式中：y為汽車整備質量;x為汽車名義體積;R為相關系數。

有別于現有擬合線性關系，為保證模型計算的準確性，車型選取應遵循以下原則：選取市場在售車型、近幾年有更新換代的主流車型，在保證樣本量的前提下，盡可能排除超豪華車型的成本因素、老車型歷史輕量化水平低等影響因素。

（3）選取確定標桿車型、競品車型、歷史車型三款車型（需要長寬高、軸距、整備質量參數），選取標桿車、競品車過程中，建議選取不同體系的車型，比如，標桿車是日系車，競品車可選德系車，公司無相似歷史車型的情況下，建議選取國內自主品牌車型作為歷史車型選項;鎖定新開發車型相應參數。

（4）通過上述模型計算公式，計算出標桿車型、競品車型、歷史車型三款車型模型計算質量與實際整備質量的差值;將新開發車型模型計算質量分別減去三款車型模型計算質量與實際整備質量的差值得到相對應的整備質量目標。

（5）最終將包括模型計算質量在內的四項質量目標選擇求取平均值作為新車型初步整備質量目標定義值。

該方法在一定水平上消除了工藝不同產生的差異，消除了模型離散導致的不同，亦消除了不同體系車型的部分差異，滿足了主機廠決策層參考標桿車定義目標的要求。但此定義的重量目標值會因對標車、競品車的選取而有所差異，具有一定的不確定性，因此本文進一步引入基于PALS理念的評價體系進行重量目標的評價與修正。

選取15款以上，尺寸、配置、搭載動力等盡可能接近的市場車型，引入名義體積概念，計算其反向名義密度（等效體積/整備質量×1000），并求取平均值X與方差S;根據平均值與方差，采用下述評價方式求出其各項區間值：

L：領先區間為[X+1.25S? ?∞）;? ? A：優勢區間為[X+0.5S? X+1.25S）;

C：競爭性區間為[X-0.5S? ?X+0.5S）;U：無競爭性區間為（∞，X-0.5S）。

將新開發車型體積密度帶入上述區間，確定初步整備質量定義值的所屬區間范圍，若落入U區間，則該定義目標值無輕量化水平競爭力，需對質量目標進行修正或重新選取標桿、競品車型;若落入L區間，則該定義目標值領先行業輕量化水平，對車型成本、公司工藝等有較高的要求，國內主機廠不建議將重量目標落入該區間;因此新開發車型體積密度落入A/C區間較為合理，具體以車型定位來確定最終是否修訂。該評價方式方差越小，區間范圍越小，對重量目標的評價與修正越準確，根據大量車型重量目標評價與修正的經驗，建議將方差控制在0.35以內。

3.2? ?重量目標的系統級分解

整車重量目標制定以后，如何更合理的分解至各產品部門，分解的重量目標如何得到產品工程師的認可和執行，是每個輕量化工程師都會遇到的問題。針對這一問題，可綜合采用以下方式完成重量目標分解。首先，統計自身公司現有歷史車型不同動力的各系統重量及整備質量，求出各車型各系統重量的占比，然后求取平均值，得出不同動力的各系統重量占比，因動力大小一般跟車型大小有一定的正相關，因此新車型可依此進行重量目標初步分配，以我司SUV燃油車為例，統計結果見表2。

然后，根據車型總體技術方案及平臺基礎車型，預估各系統重量，會議評審說明各預估值的合理性，根據整備質量目標、各系統預示輕量化方案及年度車型輕量化規劃，將預估超重的質量合理分配至各系統。

第三、準確選取定位一致、整備質量及尺寸相近的輕量化標桿車型，對比標桿車各系統重量分布，結合新車型借用件規劃情況，分解一版各系統輕量化目標;結合上述三種配比分配結果，或平均或微調，最終確定合理的各系統重量目標。

3.3? ?重量目標及輕量化方案的管控

產品專業部根據各系統重量目標的分解結果，梳理詳細的整車各系統零部件質量，輕量化作車型重量控制報告，并簽批歸檔，作為各系統及零部件的設計質量依據;各產品工程師需實施跟蹤、更新所轄產品的重量屬性，并根據目標與實際設計差異提出合理的輕量化方案;輕量化方案依據輕量化方案管控表實時補充、更新進度，管控表包括但不限于輕量化方案的描述、減重效果、性能可行性、工藝可行性、成本、周期、是否采納、方案進展等。

重量目標及輕量化管控過程中，輕量化工程師最少需組織以下三項會議：

a、組織重量屬性例會，評審重量目標制定與分解的合理性，發布重量目標，向各專業部明確重量目標任務;

b、組織輕量化方案評審會，聯合各部門提出輕量化方案，進行輕量化方案的工藝性分析、性能分析、成本分析等，篩選并確定方案可行性;

c、組織輕量化專題會，向項目經理實時匯報輕量化開展成果、進度及需支持事項，曝光各專業部重量目標達成情況，把控項目風險。

4? ? 整車輕量化新評價方法

輕量化的本質是節能減排降重，目前國內整車輕量化評價指標還存在一些不足，指標對平臺車型更新換代引起的整備質量變化、大排量發動機實際燃油排放高等問題的考慮不夠全面，且對減排降重的引導性力度不足。本文調研了國內外汽車輕量化評價方法的研究現狀，從解決現有問題的角度出發，嘗試提出了乘用車整車輕量化水平更具引導性的評價指標。

4.1? ?乘用車輕量化鼓勵政策指標K[3]

2007年，由發改委牽頭開展的節能與新能源汽車鼓勵政策研究報告中，希望通過輕量化指標K值實現對乘用車應用輕量化技術進行鼓勵和引導。K值小給予鼓勵，但該指標最終未能實施。乘用車K值的計算見式（2）。

4.2? ?整車輕量化系數Lv[4]

由奇瑞汽車股份有限公司李軍、國汽（北京）汽車輕量化技術研究院王利剛等聯合各大企業制定了乘用車整車輕量化系數Lv的計算方法，見式（3）。

輕量化系數由三部分構成，涉及名義密度（M/V）、重量比功率（M/P）和腳印油耗（Q/A）。數值越小，代表輕量化水平越高。

4.3? ?新的整車輕量化評價指標R

參考國家鼓勵電池能量密度提升的初衷，標準預引入評價發動機燃油效率的升功率。相同排量的發動機，功率大的自然就能耗低、輸出功率大，進而促進達到節能減排的目的。但是，因百公里綜合油耗影響因素的復雜性，其與升功率的定量相關性并不大，路洪洲等[5]人提出“近似升功率”的概念，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，發現其與百公里綜合油耗有較可觀的定量關系。此外，排量與油耗有很強的線性相關性，排量越大的車型，油耗越高，為降低油耗且在滿足整車動力性的基礎上鼓勵小排量發動機的搭載應用，本文將近似升功率的倒數納入新的評價指標。新指標全面納入整備質量、腳印面積、發動機排量和功率等油耗相關參數，通過乘積加權整備質量、發動機效率、小車型平臺的影響量，加強整車廠對相應參數的重視度，控制整備質量，限制過度追求大功率及動力性而采用大排量發動機、過度追求大空間而設計大軸距車型的市場行為。新的評價指標由名義密度、面密度、重量比功率、腳印油耗、近似升功率的倒數五部分組成。數值越小，代表輕量化水平越高。新的整車輕量化評價指標見式（4）。

對該16款車型進行新指標的計算分析，并與成熟評價方法進行對比，結果如下：

經驗證，新的指標與現有各整車輕量化評價方法的評價結果趨勢接近一致，但對整備質量及發動機參數更為敏感，而發動機燃燒效率越高，其節能效果越好，因此新的評價指標在一定程度上也加權了油耗的比重，對于進一步推動主機廠加強整車減重、同排量發動機功率提升以及降低油耗，具有一定的促進作用和參考意義。

5? ? 結束語

隨著國家對汽車節能減排要求的不斷提高，國內汽車輕量化技術有了長足的發展，各主機廠也形成了各自不同的輕量化開展策略，但行業內依然缺乏指導性的開展流程文件，輕量化工程師在系統性開展輕量化工作方面依然在摸索中前進，因此建立有效的整車輕量化開展流程，制定完整的重量管控方法，統一整車輕量化評價方法對輕量化行業的發展有重大的意義。本文基于實際的工程經驗，制定了較詳細的輕量化工作開展流程并融入傳統的整車設計開發流程中;從模型計算、競爭性評價、對標分析、歷史經驗等方面制定了一套切實可行的重量管控方法;從降重節能的角度出發，提出了新的評價方法，進一步加強整備質量、油耗、發動機效率的權重。這些均有利于促進汽車主機廠降重節能減排的順利實施以及輕量化行業技術進步，或在此基礎上進一步完善出更好的、得到行業認同的方法。

參考文獻：

[1]于用軍，李飛，王帥，等.整車輕量化技術研究綜述[J].汽車實用技術，2017.24：43-45.

[2]Lotus Engineering Inc. Evaluating the Structure and Crashworthiness of a 2020 Model- Year， Mass- Reduced Crossover Vehicle Using FEA Modeling[R].California Air Re?sources Board.2012.

[3]馮美斌，等.中國近期鼓勵發展的汽車輕量化技術[R]. 北京，國家發展與改革委員會，2007.

[4]李軍，王利剛，等.乘用車整車輕量化系數計算方法. SAE-China 團體標準，2019.

[5]路洪洲，王智文，陳一龍，等 . 汽車輕量化評價 [J]. 汽車工程學報，2015，5（1）：1-8.