汽車輕量化評價方法

作者：郎勇
單位：吉利汽車 前瞻技術(shù)研究部

1 引言
隨著汽車設(shè)計技術(shù)水平的提高，輕質(zhì)材料的推廣，工藝制造水平的提高，通過合理的車身結(jié)構(gòu)、新材料的應(yīng)用、新工藝實(shí)施，以更低的重量，實(shí)現(xiàn)整車性能目標(biāo)成為可能。

如何評價汽車輕量化程度的高低及輕量化評價指是否具有合理性是本文所要研究的重點(diǎn)。

目前國內(nèi)外汽車行業(yè)通用的輕量化指標(biāo)為車身輕量化系數(shù)，它是以車身為研究對象，以白車身重量及車身性能為主要研究對象，進(jìn)行量化的一個指標(biāo)。

隨著人們對汽車安全性，舒適性，動力性，經(jīng)濟(jì)性要求的提高，一些以整車作為輕量化評價的指標(biāo)相繼提出，雖然有些不完善，但仍具有其合理性，能夠代表汽車輕量化研究、發(fā)展的方向。

2 車身輕量化評價方法
關(guān)于車身輕量化設(shè)計的評價，目前汽車行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的評價指標(biāo)是白車身輕量化系數(shù)。

白車身輕量化系數(shù)作為汽車輕量化的評價指標(biāo)，考慮了車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身大小、質(zhì)量水平，對白車身材料的合理使用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有重要意義。

通過計算所得的輕量化系數(shù)已經(jīng)成為汽車行業(yè)車身輕量化水平的重要指標(biāo)，可用作評判不同廠家車型輕量化所處的行業(yè)水平。

2.1車身輕量化評價方法
輕量化系數(shù)計算公式，如下：



其中：
— L為輕量化系數(shù)；
— m為白車身重量(不包含四門兩蓋及玻璃)；
— KTG為車身扭轉(zhuǎn)剛度；
— A為四輪的正投影面積(即輪距×軸距)。

2.2輕量化系數(shù)計算參數(shù)

2.2.1白車身重量 m
白車身性能的好壞，決定了整車的性能優(yōu)劣。
輕量化系數(shù)主要考核的是單位重量的白車身所實(shí)現(xiàn)的車身性能。
2.2.2正投影面積 A
2.2.1 正投影面積 =輪距×軸距，如圖1所示。



2.2.2把軸距與輪距之間的正投影面積A來作為分母的加權(quán)項(xiàng)，主要原因如下：
— 車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的激勵主要來源于四個車輪；
— 不同級別車型之間整車尺寸的差異對車身性能的影響。
2.3車身扭轉(zhuǎn)剛度 KTG
2.3.1扭轉(zhuǎn)剛度是車身性能主要指標(biāo)之一，扭轉(zhuǎn)剛度的大小是評價汽車的操穩(wěn)性能及車身抗變形的能力的依據(jù)。
2.3.2良好的車身扭轉(zhuǎn)剛度,可以防止白車身結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生大變形；有利于汽車操縱穩(wěn)定性。
2.3.3車身扭轉(zhuǎn)剛度合理性評價標(biāo)準(zhǔn)
— 比較車身扭轉(zhuǎn)剛度值是否接近山本曲線剛度值（各類汽車車身與車架的扭轉(zhuǎn)剛度值）；
— 檢查車身扭轉(zhuǎn)角曲線是否有急劇變化和不連續(xù)的部分，如圖3所示；



— 檢查車身的扭轉(zhuǎn)剛度和整車的扭轉(zhuǎn)剛度之比是否為1.2～2.0。

2.3.4不同車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度
由圖2山本曲線可知：半承載式車身＞承載式車身＞非承載式車身

對于非承載式車身，車身作為非承載零件與車架是分離的，它們之間是通過采用懸浮式三點(diǎn)或菱形懸置進(jìn)行連接，來提高乘員舒適性，因此車身的扭轉(zhuǎn)剛度比例相對較小，主要通過車架來抵抗變形。

對于半承載式車身，車身和車架采用鉚接、焊接或螺栓的方式進(jìn)行多點(diǎn)硬性或有限彈性連接。因此，車身對車架扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)通常會達(dá)到車架的3～4倍。

由于車身與車架共同作用抵抗變形，通常半承載式車身的扭轉(zhuǎn)剛度＞承載式車身的扭轉(zhuǎn)剛度。

2.3.5 車身扭轉(zhuǎn)剛度計算模型
假設(shè)車身是一個具有相同剛度的圓棒，即將車身的扭轉(zhuǎn)剛度看成是簡單圓棒的扭轉(zhuǎn)剛度，則車身扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)角計算公式，如圖4所示。



2.3.6車身扭轉(zhuǎn)剛度計算邊界條件
2.3.6.1約束
在前橫梁（水箱框架下橫梁）中點(diǎn)處及后減振器支座處分別施加如圖5所示的約束。
2.3.6.2載荷
在前減振器支座處，在垂直方向上大小相等方向相反的載荷。

載荷大小通過公式 F=M/L求得，其中，M為扭矩值，L為左右減震器中心之間的距離。

扭矩根據(jù)車身參數(shù)通過公式M=0.5xFxS計算，其中F為前軸荷；S為前輪距。

2.3.7車身扭轉(zhuǎn)剛度計算結(jié)果示例
2.3.7.1施加繞X軸的扭矩3000N·m。通過公式α=DF/YF-DR/YR ，得出前減振支座中心與后減振器支座中心點(diǎn)對應(yīng)斷面的相對扭轉(zhuǎn)角約為0.0065rad。
2.3.7.2 根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度公式KT=T/α ，計算得出設(shè)計某款車型白車身BIW的扭轉(zhuǎn)剛度約為465KN·m/rad。
2.3.7.3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度計算結(jié)果，見表1



2.3.8 白車身扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化
白車身各零件的板厚及斷面形狀是決定其剛度的主要因素之一。

依據(jù)車身零件料厚對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析，制定提高白車身扭轉(zhuǎn)剛度解決方案。

2.4綜上分析，同級別車型中，白車身重量越低，扭轉(zhuǎn)剛度越高，輕量化系數(shù)就越小，車身輕量化程度越好，反之則越差。

3 國際主流車型車身輕量化
3.1自從2013年開始，隨著碳纖維、鋁合金材料與塑料材料在車身上應(yīng)用比例的提升，輕量化的最低系數(shù)開始突破了2.0（如：寶馬i8的車身輕量化系數(shù)達(dá)到了1.2），而且逐年有遞減趨勢。主要原因如下：
— 各國家對能耗和排放的政策越來越嚴(yán)格，新能源和輕量化設(shè)計成為必要手段；
— 汽車車身設(shè)計水平的提升，大量輕質(zhì)車身材料的應(yīng)用，輕量化效果越來越明顯。
3.2 根據(jù)EBC發(fā)布的信息：
— 2013年輕量化平均系數(shù)為3.05 ；
— 2014年輕量化平均系數(shù)為2.95；
— 2015年輕量化平均系數(shù)為2.33。
2013年度、2014年度及2015年度EBC獲獎車型信息，見表2、表3、表4。



3.3 輕量化系數(shù)平均值說明的只是一個行業(yè)趨勢，如果要對比具體車型，就需要考慮到車型車身扭轉(zhuǎn)剛度性能以及車型的輪距和軸距。根據(jù)2013～2015年度ECB獲獎車型的性能參數(shù)，依據(jù)軸距對車型進(jìn)行分級，做一個平均值的對比計算，如表5所示。



從以上統(tǒng)計結(jié)果看，車身要達(dá)到一線水平，車身輕量化系數(shù)，A0級要達(dá)到3.27左右；A級車3.17，B級車3.19，而C級及以上級別，需要達(dá)到2.19。

4 國內(nèi)主流車型車身輕量化
國內(nèi)整車企業(yè)在車身結(jié)構(gòu)開發(fā)上仍沿用傳統(tǒng)汽車設(shè)計理念，在輕量化材料和新技術(shù)的應(yīng)用方面也明顯落后。

我國材料品種、數(shù)量、性能與國外還有很大差距。國內(nèi)汽車企業(yè)和材料企業(yè)也融合得不夠，國內(nèi)材料企業(yè)明顯滯后于汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

由于技術(shù)限制，國內(nèi)企業(yè)在材料和加成本控制難度大，導(dǎo)致整車成本上升，制約了汽車輕量化的發(fā)展。

2016年第四屆輕量化車身會議參展獲獎車型輕量化系數(shù)，如表6所示。



上述獲獎車型與國際主流車型相比較，輕量化方面還是有一定的差距。

但隨著鋁合金及復(fù)合材料與塑料材料的大量應(yīng)用，國內(nèi)一些新能源汽車開始率先嘗試在車身上大面積應(yīng)用輕質(zhì)材料，如奇瑞EQ1、東風(fēng)風(fēng)神E30L等車型，車身骨架均采用鋁合金材料，外覆蓋件采用復(fù)合材料，輕量化效果十分明顯。幾款車型輕量化系數(shù)如表7所示。

5 其它輕量化評價方法
5.1整車相對面密度的評價方法
5.1.1 此方法由吉利姚再起等人提出，同類車型的輕量化指標(biāo)的比較，僅考慮整備質(zhì)量和輪距與軸距乘積所得投影面積，計算公式如下：



其中：
Lm—為整車相對面密度 ；
Wk—為整備質(zhì)量；
A—為輪邊距與軸距乘積的投影面積；
a—為變化斜率；
b—為常數(shù)。
對于4門轎車：
a值可取77.80 b值可取14.16
對于承載式SUV：
a值可取81.22 b值可取38.49。
5.1.2 整車相對面密度ΔLm可直觀表示出車型的輕量化水平，ΔLm值接近于零，表示車型接近平均輕量化水平；ΔLm值越小，輕量化水平越高。整車相對面密度ΔLm的表征方法減弱了車型大小對質(zhì)量的影響，鼓勵低配置車型的應(yīng)用，鼓勵輕量化技術(shù)的應(yīng)用。
5.1.3 為更直觀衡量輕量化等級 按照整車相對面密度可將車輛分為1～7級。等級越高汽車輕量化水平越高，如下表8所示。



5.1.4 應(yīng)用分析
以2016年第四屆輕量化參展獲獎車型為例，計算相對面密度與整車輕量化水平，如表9所示。



以吉利帝豪EC7與上汽榮威350為例，從表9可以看出，兩款車型在輕量化水平與相對密度上，與實(shí)際是相背離的。

單純以整備質(zhì)量、輪距、軸距三個參數(shù)，考核整車輕量化目標(biāo)，還是略顯不足。

如全面分析車型的輕量化水平，還應(yīng)增加其它的整車參數(shù)與整車性能參數(shù)進(jìn)行評價。
5.2乘用車輕量化鼓勵政策指標(biāo)K
5.2.1發(fā)改委牽頭在2007年開展的《節(jié)能與新能源汽車鼓勵政策研究報告》中，通過輕量化指標(biāo)K值實(shí)現(xiàn)對乘用車應(yīng)用輕量化技術(shù)進(jìn)行引導(dǎo)，對K值小的車型，國家予以鼓勵。乘用車K 值的計算如下：



5.2.2 應(yīng)用分析
某些量產(chǎn)車型K值的計算結(jié)果，如表10所示：



由上表可見，寶馬1的整備質(zhì)量比寶馬5少280kg,百公里油耗與發(fā)動機(jī)功率均小于寶馬5，但輕量化指標(biāo)K值反而比寶馬5大。

輕量化指標(biāo)K值與實(shí)際出現(xiàn)背離，另外，該指標(biāo)對輕量化效果的好壞并無評判標(biāo)準(zhǔn)。所以，此指標(biāo)還需要完善。

5.3整車輕量化系數(shù)E’
5.3.1 此方法由奇瑞李軍等人提出,將整車輕量化系數(shù)E’作為評價輕量化效果的指標(biāo)。

該指標(biāo)與整車尺寸、整備質(zhì)量、車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身一階頻率、整車被動安全性能、整車油耗等關(guān)聯(lián)起來，通過整車整備質(zhì)量-綜合工況油耗的關(guān)系對指標(biāo)進(jìn)行修正，公式如下：



式中，E’—為整車輕量化系數(shù)；
M—為汽車的整備質(zhì)量；
Q—為百公里綜合油耗；
Ct—為帶玻璃的油漆車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；
V—為車身名義體積；
V=長x寬x(高-最小離地間隙)
F—為車身一階扭轉(zhuǎn)頻率；
P—為發(fā)動機(jī)功率；
C-NCAP為CNCAP星級評分。
由公式可知：
要E’值減少，需降低整車的名義密度（M/V）和油耗，同時提高發(fā)動機(jī)功率、整車安全性（CNCAP）、舒適性（CT、F）等指標(biāo)。
5.3.2 應(yīng)用分析
整車輕量化系數(shù)與車身輕量化系數(shù)具有一定的關(guān)聯(lián)趨勢，但單純的使用整車輕量化系數(shù)值E’來評價整車輕量化水平的高低還是缺乏相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為技術(shù)支撐。
5.4 輕量化乘用車整備質(zhì)量設(shè)定指標(biāo)
5.4.1 中信金屬路洪洲等人提出，在單車百公里油耗的基礎(chǔ)上定義新車型的整備質(zhì)量，公式如下：
M= { [K-abs(0.002x(Lxbx(h-c))1.953)
-abs(10.73x(sqrt(power)/Displacement)-0.656)±R]+abs(0.000419)}1/1.237
其中：M —為得到的乘用車整備質(zhì)量，kg
b —為整車寬度，m;
h— 為整車高度，m;
c—為離地間隙，m;
power—為最大功率，kw;
Displacement—為排量，L;
Kc —為百公里油耗，L/100km；
R—為修正值，取0.3左右
5.4.2 應(yīng)用分析
以三款SUV車型為例，M值計算結(jié)果。
車型1的百公里油耗7.2升，發(fā)動機(jī)排量1.5升，其實(shí)際整備質(zhì)量1549kg，大于整備質(zhì)量上限值1395.6kg，理論上有一定的輕量化空間。

車型2的百公里油耗8.4升，發(fā)動機(jī)排量2.0升，但實(shí)際整備質(zhì)量1860kg，遠(yuǎn)大于整備質(zhì)量上限值1597.4kg，理論上也有一事實(shí)上的輕量化空間。

車型3的百公里油耗較高，達(dá)到9.4升，但實(shí)際整備質(zhì)量為1640kg，在整備質(zhì)量上限制與下限制之間，基本合理。但若要降低油耗，該車型的發(fā)動機(jī)性能需要提升。

另外，百公里油耗對整備質(zhì)量的影響十分敏感。如表13所示，在發(fā)動機(jī)功率與排放一定的情況下，油耗增加或減少1升，計算所得的整備質(zhì)量變化至少為200kg，而且與實(shí)際整備質(zhì)量相差較大，以百公里油耗7.4為例，實(shí)際整備質(zhì)量與計算的整備質(zhì)量上限值相差近500kg，實(shí)現(xiàn)整車輕量化難度極大。

綜上所述，此項(xiàng)指標(biāo)僅可作為整備質(zhì)量設(shè)計時的參考。

6 總結(jié)
6.1 車身輕量化系數(shù)是評價車身輕量化一個重要的參考指標(biāo)。隨著節(jié)能減排的深入，國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家對汽車輕量化的重視，大量輕質(zhì)材料在車身上的應(yīng)用，使得車身輕量化系數(shù)總體上呈下降趨勢，尤其是CBE與國內(nèi)汽車輕量化車身會議等組織公布的獲獎車型及車身輕量化指標(biāo)都具有實(shí)際的參考價值。
6.2 車身輕量化評價的基礎(chǔ)是在保證汽車的被動安全、剛度、噪聲、振動和平順性等性能提高或者不降低的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用、材料厚度的減薄及合理的制造工藝等手段來實(shí)現(xiàn)的。不能只減輕車身重量，而不考慮車身的性能，這樣的輕量化，無實(shí)際意義。

6.3隨著節(jié)能減排的深入及國家對新能源車扶持力度的加大，以整車作為輕量化研究對象日益受到極大的重視。將整車性能（包括整備質(zhì)量、安全性、動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性）納入輕量化考核指標(biāo)，也作了有益的探討。但建立完善的、統(tǒng)一的、合理的輕量化評價方法及標(biāo)準(zhǔn)還將是輕量化工作努力的方向和目標(biāo)。