车身轻量化方法研究

邓本波，唐程光

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230029）

车身轻量化方法研究

邓本波，唐程光

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230029）

分析车身轻量化流程，界定各部门的角色任务；研究车身轻量化目标值的确定方法，简述车身轻量化的三种主要措施。

车身；轻量化；流程；目标值；方法

20世纪以来，安全、节能、环保法规日趋严格，现代汽车减重节能的要求不断紧迫，汽车设计专家们想方设法减轻汽车体重，以达到减少能耗和废气排放的双重效果。有研究数字显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%。换言之，轿车车重减少100 kg，每升油多行驶1 km[1]。汽车轻量化中，车身轻量化占有重要比重。汽车白车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上。因此，车身减重对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性，以及碰撞安全性都大有裨益。汽车车身轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性的研究课题[2]。

1 车身轻量化流程

就车身轻量化开发过程来看，轻量化贯穿于汽车车身开发的全过程：车身轻量化概念设计、车身轻量化方案实施、车身轻量化验证。就车身轻量化开发工作内容和各部门职责来看，车身设计部承担着主要工作，具体工作模式如图1所示。车身部联合项目组通过对轻量化车型目前状态、标杆车型分析，制定车身轻量化目标。车身设计部根据项目组签发的轻量化目标任务书，制定初步轻量化方案，交由CAE模块分析方案实施对车身性能目标的达成情况，同时，工艺部门四大工艺对轻量化方案实施四大工艺初步验证。收集各部门对初步轻量化方案反馈意见后，车身设计部优化方案并在3D数据上正式实施，再将技术文件下发CAE部门和工艺部门，对最终方案的车身性能目标值达成分析，对方案的四大工艺可行性最终确认。后期对轻量化方案的试验验证工作交由验证部门，以上三部门负责协助工作。

通过以上车身轻量化流程及运行模式的分析，固化车身轻量化流程，使轻量化工作有序开展，工作内容和职责明确化，将作为以后车型车身轻量化的指导性文件。

2 轻量化目标确定方法

在整个车身轻量化工程实施过程中，有两项工作尤为重要。一方面为车身轻量化目标的分析制定；另一方面，根据公司现有实际情况和工艺水平，确定合适的轻量化措施。在开展车身轻量化目标确定措施工作时，首先要充分分析研讨目前车身重量、结构形式、各种材料应用比例及分布部位、预计达到或者达到的性能等级；其次要参照市场轻量化标杆车型具体结构、材料、性能、制造工艺方式，做到充分了解和掌握标杆现有状态；最后根据实际情况，依据合理的推算理论，分析论证车身轻量化目标。为了方便介绍轻量化目标的计算确定，定义车身尺寸L为长度、W为宽度、H为高度、Wb为轮距、T为轴距，单位都为mm。对于车身轻量化目标的制定措施，在研究国内外相关文献资料及结合实际工作情况后，归纳有以下几种措施。

1）车身重量百分比法。该措施用于轻量化发展前期，由于缺少轻量化经验及相关资料，一般确定车身总重量的5%～10%作为轻量化目标值[3]，轻量化前后车身性能相当，车身成本的增加不能超过5%。

2）体积比较法。体积比较法是国内外较为常用的计算措施。在计算时，需要关注两车型类型相同，譬如普通三厢与三厢对比，两厢与两厢对比，SUV与SUV相比。另外，在对比时，两车型性能应该为相同安全等级（指C-NACAP或U-NACAP，如果等级不一致，据国外科研机构和车身设计公司统计，每等级应该以20 kg计算）。计算公式如下：

轻量化车型体积（L×W×H）/标杆车型体积（L×W×H）=轻量化车型车身重量/标杆车型车身重量

3）投影面积比较法。投影面积比较法是目前日韩在计算车身重量时常用的措施。该措施和体积比较法一样，两比较车型需要类型相同、安全等级相同。计算措施为两车身三视图投影面积相加之比等于车身重量之比。

轻量化车型投影面积（L×W+W×H+H×L）/标杆车型投影面积（L×W+W×H+H×L）=轻量化车型车身重量/标杆车型车身重量

4）面密度比较法。该措施为日本汽车主机厂过去几年常用来计算车身重量，将车身投影到水平面上，计算前后悬架中心组成封闭形状的面积，再将白车身重量与封闭形状的面积比较[4]，即得到该车型的面密度。同样收集目前市场竞争车型或标杆车型数据并计算其面密度，选择合适的目标值。计算公式如下：

车身面密度（kg/m2）=车身重量/轴距×轮距

计算开发车型目前市场主要标杆和竞争车型的面密度，制定开发车型面密度目标值，作为轻量化工作的输入。图2为市场车型车身重量与投影面积分布图。

5）轻量化系数法。轻量化系数法也称轻量化品质因数。该措施是当前国内外计算轻量化最为常用和合理的衡量指标。该指标合理之处在于将车身重量与形状大小及性能指标的有机结合。据资料统计，目前国内自主品牌轿车的轻量化指数均在5.0左右；而合资品牌一般在3～5之间[5]，如表1所示。计算公式如图3所示（L为轻量化系数因子；m为白车身重量；KTG为一阶扭转刚度；A为白车身四减振器安装点组成投影面积，即为轴距×轮距）。

表1 合资品牌轻量化系数

3 轻量化措施

目前车身轻量化主要有三个措施，优化汽车框架结构和形状尺寸；在车身制造上采用轻质材料；先进制造工艺和措施[6]。

第一种措施的主要途径是利用有限元法和优化设计措施进行结构分析和结构优化设计[7]，以减少车身骨架和车身钢板的重量。其中拓扑优化是较为常用的车身结构优化设计方法。另外，改变部件形状，例如增加减重工艺孔、减薄部件厚度等，以达到减少车身重量的目的[8-9]。

第二种措施在目前看来应该是车身轻量化的主流，而且针对规模化生产的需要，已经有很多种轻质材料应用于车身制造工业。其中高强度钢的大比例应用在近年车身轻量化发展过程中起到显著的效果。另外，铝、镁合金逐步应用在车身结构上也是目前车身轻量化的又一重要途径，其中铝合金应用技术已相当成熟，在国外已广泛应用在高档车型上。但是在国内，由于在成本和工艺实现上与目前传统的钢板材料有所不同，应用不大普及。在国外镁合金正是起步阶段[10]，国内也才刚接触。另外，可能成为将来一段时间车身轻量化主要趋势的碳纤维材料、玻璃纤维等复合材料的应用也正在研发阶段。

第三种措施为先进制造工艺的应用。其中激光拼焊板技术实现同一板材不同处的结构强度要求不同，板材厚度也不同。既保证强度要求，又能节约板材，减少车身重量。该项工艺技术在国内外应用较为广泛，本公司应用技术也较为成熟。另一项技术为热压成型技术，虽然在国外很多车型上应用，但在国内应用仅刚开始。本公司二代车型着手应用该项技术。另外，液压成型技术等也是车身轻量化先进制造技术发展的新方向[11]。

当然，以上三种轻量化措施并不是相互独立、相互分离的，其实它们相互交织、相互渗透[12]。所有轻量化措施的有机结合以求获得最优效果。但无论采用何种措施，必须要解决以下几个问题。

1）降低车身质量不能影响汽车构架的强度和刚度；汽车车身必须要有足够的强度，在不同的部位要有不同的刚度。

2）应用新材料不能过多增加汽车成本上的负担；汽车生产是规模化生产的典型，由于产品批量巨大，任何一点成本上的浮动都会给厂商和客户带来压力。

3）应用新材料后的汽车在出厂后，若发生损坏，修复成本不能太高。

4）新制造工艺的应用，需要考虑公司相关的工艺技术水平。

4 结束语

随着人们对节能环保的重视，汽车轻量化越来越被汽车厂家重视。而在目前快速发展的中国，汽车轻量化工作没有很多成熟的措施和经验。本文通过自身实际轻量化工作，对车身轻量化的工作流程、部门工作内容和职责分工、车身轻量化目标确定措施作了详细的阐述，对制定轻量化目标后的轻量化途径作了简单的分析，为以后的轻量化工作提出参考。

[1]SujitDas.全球汽车行业的轻量化机遇.2011国际汽车轻量化材料发展论坛[DB/OL].（2012-03-24）[2012-09-30].http://wenku.baidu.com/view/fbb72267caaedd3383c4d332.htm l

[2]刘文华，何天明.高强度钢在汽车轻量化中的应用[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[3]崔礼春，熊飞，许三山，等.汽车轻量化技术动态（江淮汽车轻量化专刊）[N].JAC江滩汽车，2011-08-20.

[4]阚宏贵,等.乘用车（轿车）白车身目标重量初步设定规范（企业技术标准，JDG-PC-B18-2010）[S].

[5]吴成明.吉利轻量化技术的研究与应用.2011国际汽车轻量化材料发展论坛[DB/OL].（2012-03-24）[2012-09-30].http://wenku.baidu.com/view/fbb72267caaedd3383c4d332.htm l

[6]刘伟燕，王书伟.轻量化技术在汽车车身上的应用[J].汽车工程师，2011，（2）

[7]（奥）汉斯·波特·德吉舍尔，西格丽·吕夫特.轻量化[M].陈力禾，译.北京：机械工业出版社，2011.11.

[8]张式程.汽车轻量化技术及其发展趋势[R].长沙：湖南大学，2011-08-28.

[9]刘一蒙，刘曦，张攀，等.某特种车驾驶布置室轻量化设计[J].四川兵工学报，2009，（2）：89-91.

[10]陈力禾.汽车轻量化之镁[R].第7届CAE年会汽车论坛（昆明），2011-07-27.

[11]倪晋尚.轻量化技术在现代汽车中的应用[J].公路与汽运，2008，（5）

[12]沈建东，王镝.车身轻量化技术策略的研究和应用[J].上海汽车，2012，（6）

修改稿日期：2012-10-10

Research on Method of Vehicle Body Lightweight

Deng Benbo，Tang Chengguang
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd,Hefei230029,China）

The authors analyse the process of vehicle body lightweight，define the roles and tasks of respective depart ments on working,research the method of the body lightweight targetvalue,introduce the main three lightweight optimizingways.

vehicle body;lightweight;process;targetvalue;ways

U 462.2

B

1006-3331（2013）02-0018-03

邓本波（1975-），男，硕士；从事车身设计工作。