汽车轻量化评价

路洪洲　王智文　陈一龙　郭爱民　马鸣图　路贵民

摘 要：探讨了汽车轻量化的理论基础，在此基础上分析了国内外提出的轻量化评价及评估方法，这些方法涉及轻量化前后的整车油耗变化、整车或者总成性能变化以及成本变化等因素。阐述了各方法提出的背景和应用范畴，并在汽车燃料消耗的物理意义及逻辑的基础上，结合发动机燃烧效率、风阻、行驶阻力等，首次提出了轻量化乘用车整车质量设定指标函数的汽车轻量化评价方法。提出了建立规范的、行业认可的评价系统的必要性，以推动节能减排以及行业技术进步。

关键词：汽车；轻量化；评价方法；整备质量；性能

中图分类号：U461.86文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.01

汽车轻量化已经成为提高汽车产品竞争力以及推动汽车行业节能减排的主要手段之一[1]，汽车车身的轻量化也一直是国内外汽车企业的关注点。随着汽车轻量化技术的推广应用，如何评价一款汽车的轻量化水平成为亟待解决的问题。汽车轻量化评价的主要目的是预测和衡量一个车型的轻量化工程[2]实施情况，在车型开发之初定义目标车型的轻量化指标，可以有效推动该车型的轻量化水平以及节能减排效果。批量生产（Small-Outline Package，SOP）后，通过相应手段比较同类车型的轻量化水平，也可以为该车的改进以及后续开发奠定基础。目前国内外对于轻量化评价指标的研究较少，在评价方法上也尚未形成广泛的共识。为了阐述汽车轻量化评价方法的研究进展以及未来需解决的问题，本文将总结现有的方法，并进一步提出新的轻量化评价方案。

1 轻量化评价的基础

汽车轻量化工程是在保证汽车的被动安全性能、刚度、NVH（Noise Vibration and Harshness，噪声、振动和不平顺性）等提高或者不降低的前提下，通过结构优化设计、轻量化材料的应用、合理的制造工艺等手段来实现汽车的整备质量降低，从而达到节能减排目的的工程化过程。汽车轻量化可以通过构件的结构变更、低密度材料应用或材料厚度减薄等手段来实现，但同时不能影响整车或者构件及总成的其它关键功能。为了进一步阐述上述要求，需梳理轻量化与构件其它性能的关系[3]，典型的板材构件示意图如图1所示。

假设构件轻量化前后采用类似的几何结构，采用不同的材料可能造成汽车构件的刚度以及结构强度发生变化。根据推导，如果该构件要求达到相同的弯曲刚度，可以得到以下材料1和材料2的厚度比公式（1），以及构件的质量比公式（2）。

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式中，h为材料厚度；E为材料的弹性模量；ρ为材料的密度；m为构件的质量。由公式可知，如要求轻量化前后的构件达到相同的弯曲刚度，材料1和材料2的厚度比只与材料弹性模量相关，而质量比则与材料的密度和弹性模量相关。同样，如果不同材料制造相同几何结构的构件，若达到相同的扭转刚度，可以参照式（3）材料1和材料2的厚度比公式，以及式（4）构件的质量比公式。

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式中， G为材料的剪切模量；Rm为材料抗拉强度。

对于结构强度来说，相同结构的构件，如果要求轻量化前后达到相同的结构强度，可以参照式（5）材料1和材料2的厚度比公式，以及式（6）构件的质量比公式。

由以上理论推导可见，一旦构件的材料或者材料厚度发生变化，构件的刚度等性能也会同时发生变化。同样，如果构件的结构发生变更，无疑构件的性能也会相应改变。因此，汽车轻量化必须首先在减重的同时校核汽车的刚度、安全、NVH等性能；其次，减重的幅度必须根据轻量化设计的理论分析以及材料性能等进行综合确定。当然，成本、维修、回收再制造等因素也是轻量化工程需要考量的因素。总之，汽车轻量化评价不是一个单纯的重量关系或者函数，需要综合各方面的因素，尤其是油耗的变化，这是因为汽车轻量化的主要目的是节约燃油以及降低排放，所以如果轻量化不能带来较好的燃油经济性或者更低的CO2排放，汽车轻量化的实质意义便难以衡量。上述诸多因素是轻量化评价难以达成共识的原因。

2 轻量化评价概述

随着汽车消费者以及汽车上下游企业对汽车轻量化认识的逐步提高，以及轻量化工程应用在更多车型上，国内外先后提出了一系列汽车轻量化评价方法。

2.1 车身轻量化系数及车身结构利用系数

车身轻量化系数（Light Weight Index）[4]是目前被行业接受度较大的一个评价指标。车身轻量化系数的定义见式（7），图2为车身轻量化系数中各参数的示意图。

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式中，L为车身轻量化系数；m为白车身骨架（不带四门两盖）质量，kg；CT为车身静态扭转刚度（带挡风玻璃），N·m/（°），包括挡风玻璃和副车架等附件的油漆车身；A为车身的脚印面积=轴距×前后轮距的平均值，m2。

由于轻量化工程主要影响的性能之一是车身刚度，因而轻量化评价指数主要考虑白车身质量的降低以及白车身静态扭转刚度的变化，以期在质量降低的同时，保证车身刚度提高或者不降低。由式（7）可知，若减小车身轻量化系数，可以通过提高刚度或降低白车身的质量来实现。若车身的质量不降低或降低很少，只需去提高车身的扭转刚度，也会实现降低车身轻量化系数的目的，但显然这不是轻量化的目的，即未能实现整车质量的真正下降，更主要的是不能实现节能减排。因此，车身轻量化系数仅可作为一个参考指标，不是评判一个车型轻量化水平的绝对指标。

同时该评价方法还有一个问题值得商榷，即不能表征覆盖件的轻量化，如采用更薄的高强度钢材或者采用铝合金板材制造覆盖件，实现了整车减重的效果，但却不能通过车身轻量化系数L来表征。因此有部分整车企业将该公式进行了变更，如式（8），该公式被称之为车身结构利用系数[5]。

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式中，m为车身质量（包括四门两盖），kg。该方法可以相对全面地表征车身的轻量化水平。

2.2 轻量化效果评估系数

2008年，路洪洲等人[2]提出了轻量化效果评估系数E概念，其评估公式见式（9）。

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式中，mL为轻量化后的汽车整备质量，kg；mB为典型对标车或者对标车系的平均值，kg；是指轻量化后的汽车各种性能，如碰撞性能、节油性能、回收性能、操控性能、成本等；是指典型对标车或者对标车系的汽车各种性能；为各性能指标对评价的贡献度，。利用该公式可以从两个

方面评价汽车的轻量化效果，分子表示节能减排效果，即如果分子<1，说明整车质量减低，而分母代表整车的性能，分母≥1，说明整车综合性能提高，最后再从E的值来评价轻量化效果，即E<1，表示汽车轻量化效果良好。

在此基础上，将成本作为衡量标准之一，来量化轻量化的效果评估系数EC，见式（10）。

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式中，PRAi为单位材料成本，元/kg；PRBi为单位制造成本，元/kg；Ci为零部件用材量，kg；n和j分别为轻量化前后的构件数量。由此可以评估轻量化与成本控制的关系。

2.3 每千克减重增加的成本

正如文献[2]提出的，轻量化评估除了需要考虑汽车综合性能的提升外，成本控制也必须要在轻量化工程过程中着重考虑。从减重的观点来看，目前讨论得很多的车身材料，如高强度钢、镁、陶瓷纤维和碳纤维等的应用都需给出可接受的每千克减重所增加的成本，这也是评估某个具体轻量化工程是否可以实施的关键，其表达公式可以简化为

式中，分子代表某构件或者总成在轻量化前后的综合成本变化；分母代表某构件或者总成减重的量，kg。

目前欧美主机厂可接受的每千克减重所增加成本额度在3～8美元/kg不等。而目前国内尚处于期望重量降低但成本不增加的阶段。

2.4 车身轻量化评价指数

通常轻量化是与原标杆车相比较时的相对值，因此为了更直接地反映轻量化的效果，也为了消除轻量化系数L的量纲，马鸣图等人[6]提出了轻量化指数Li作为表征轻量化效果的指标，即

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式中，L1和L2为轻量化设计前后的轻量化系数或者车型轻量化前后的其它性能指标。

2.5 莲花汽车的名义密度

莲花汽车公司为了衡量汽车减重的幅度，针对不同类型和级别的车型，提出了一个轻量化评价标准，即汽车名义密度的概念[7]，其表达公式见式（13）。

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式中，D为名义密度，kg/m3；M为整备质量，kg；V为车身的体积，m3。莲花汽车公司将体积的测算进行了详细的分类，对于轿车，其体积可以用式（14）表示，对于SUV，其体积可以用式（15）表示。

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式中，h为车身高度，m；b为轴距，m；w为车身宽度，m；l为车身长度，m。

2.6 发改委与节油相关的乘用车轻量化评价指标体系的研究

上述轻量化评估方法多数没有与整车的油耗关联，为了考核降低油耗的同时减少排放，中国国家发改委提出了与节油相关的乘用车轻量化评价指标体系。对于乘用车，评价方法见式（16），对于K值小的车型，国家给予鼓励，但指标最终未能实施。

2.7 轻量化综合评价指数E

路洪洲等人[8]提出了轻量化综合评价指数，具体见式（17）。

式中，E为轻量化综合评价指数；mBody为车身重量，kg，带四门两盖，不带前后风挡玻璃；Ct为白车身静态扭转刚度，N·m/（°），带玻璃的油漆白车身，不带四门两盖；A为车身脚印，一般以轴距和轮距之乘积来表示；F为车身一阶（扭转）频率，Hz；[CNCAP]为CNCAP星级评分，也可以通过其它安全评价方式来计算。此外还提出，根据E值以及整车整备质量和油耗的关系来定义轻量化水平星级，从1星轻量化水平到5星轻量化水平，这样便于消费者理解，在购买汽车时，可以横向比较意向车型的轻量化水平，作为购车的一个衡量标准。

2.8 奇瑞汽车提出的整车轻量化评价指标

奇瑞汽车李军等人[9]在式（17）的基础上进行了修订，提出新的整车轻量化评价指标E'，计算见式（18）。

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式中，E'为整车轻量化系数；M为汽车的整备质量，kg，根据相关行业标准定义；Q为百公里综合油耗，L，按照GB/T 19233—2008：《轻型汽车燃料消耗量试验方法》确定；Ct为白车身静态扭转刚度，Nm/（°），带玻璃的油漆白车身，不带四门两盖；V为名义体积，m3，即长×宽×（高-离地间隙）；F为车身一阶（扭转）频率，Hz；P为发动机的功率，kW；[CNCAP]为CNCAP星级评分，[ENCAP]安全分数可进行相应转化。

由式（18）可知，要E'值减小，需降低整车的名义密度（M/V）和油耗，同时提高发动机的功率、整车安全性（[CNCAP]）、舒适性（Ct，F），这也是轻量化的一个重要要求。用一个数学的方法反映了汽车轻量化要求、努力提升的方向和轻量化工作的目标。式中安全参数[CNCAP]、车身一阶（扭转）频率F和白车身静态扭转刚度Ct均被纳入轻量化评价指标。

2.9 整车相对面密度

吉利汽车公司的姚再起等人[10]认为人们对整车舒适性的需求，使内外饰、电子电器的比重明显增加，从而大大增加整备质量；动力性能的提高也明显增加发动机和动力系统质量。因此，消费者能够从感官体验到的车的各项性能指标可以让市场去衡量，轻量化评价只考虑整备质量水平更合理。在此基础上，不考虑整车各项性能，对于同类车型的轻量化指标可仅考虑整备质量和轮边距与轴距乘积所得投影面积（车型大小），即整车面密度的概念，见式（19）。

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式中，L0为整车面密度，kg/ m2；Wk为整备质量， kg；A为轮边距与轴距乘积的投影面积（即脚印面积），m2。

综上所述，轻量化评价方法均没有得到行业的全面认可，或多或少存在一些不足，或每种方法适用于不同的阶段，因而还需要进一步的研究。

3 轻量化乘用车整备质量设定指标函数

近年来，单个车型的整备质量主要由上一代车型的质量、对标车型的质量以及工程师的经验来确定，但随着油耗法规的实施，必须在单车百公里油耗的基础上来定义新车型的整备质量。因此，如果可以通过其它手段来确定整备质量，则可能更合理地确定整车轻量化目标。所以为了便于在汽车开发之初定义汽车整备质量，确定整车轻量化目标，本文提出了乘用车整备质量设定指标函数，通过统计分析的方法来耦合整车油耗，确定整车的轻量化目标。

一般认为汽车燃油产生的能量或者汽车燃油的消耗主要被分为三部分：第一部分用来克服汽车行驶的各种阻力，包括轮胎滚动阻力、空气阻力、加速时的惯性力和爬坡时的下滑力；第二部分被发动机本身使用及耗散；第三部分则被传动系统损失掉了。汽车行驶的各种阻力如图3所示，各阻力的计算见下文相关公式。

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式中，v为行车速度，m/s；A为汽车横截面面积，可以通过汽车的宽×（高-离地间隙）得到，m2；Cd为风阻系数，有测试标明，当轿车以80 km/h行驶时，其中60%的功率是克服风阻的；m为汽车整备质量，kg；F代表各种阻力，N；a为加速度，m/s2。

由式（21）、式（22）及式（23）可知，汽车行驶过程的滚动阻力、爬坡阻力以及加速度阻力均是整备质量的函数。由于汽车的百公里油耗主要通过《轻型汽车燃料消耗量试验方法》确定，即在同一标准下测定，而风阻系数难以在公开材料中获取，因而风阻可以通过式（26）来表达，即风阻作为汽车尺寸的函数，因而汽车行驶过程克服阻力所消耗的能量可以通过式（27）来体现。

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为了使本研究的结果能够用于汽车设计开发的指导，可以考虑将整车的长度l嵌入公式中。这也可以在物理意义上解释得通，实际汽车行驶过程，不仅仅是横截面积影响风阻，由于风向的不一致性，以及车辆在转弯等过程中，汽车侧面积与风阻的关系也很大，故用来表征汽车正迎风面积和侧迎风面积，如式（28）。

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汽车燃油的第二部分消耗源于被发动机本身使用及热耗散。汽车发动机排气量是根据发动机的缸径×行程×缸数而计算出来的。汽车排量是衡量一辆汽车动力性能的主要指标，一般用L（升）来表示。由于发动机构造、厂家以及型号各不相同，因此不同厂家制造出的相同排量发动机的功率并不一样。大排量发动机拥有刚度更大的气门弹簧、惯性更大的连杆与活塞以及阻力更大的滑动副，这些部件的“新陈代谢”都要消耗更多的能量。同时，更多的换气损失和热损失也是大排量发动机耗油较高的罪魁祸首。但发动机排量不能单独与油耗建立起关系，如过小排量的汽车可能不省油，因为必须经常使用很高的转速来弥补动力的不足。尤其是对于经常在山区行驶的汽车，很小的排量并不是一个明智的选择。但排量作为发动机的性能指标之一，可以与功率一起表征发动机的效率，相同排量的发动机，功率大的自然就能耗低、输出功率大。即通过升功率可以表征发动机的效率，就是最大功率除以排量。目前较为合理的测算方法是用kW/L来表示，见式（29），参数Power表示最大功率，kW；Displacement表示排量，L。

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然而，尽管理论上可行，但统计上，百公里综合油耗与升功率的定量关系并不明显。由于发动机的效率与油耗极为复杂，可能难以用一个简单的回归得到两者的关系，进而考虑“近似升功率”的概念，即用发动机功率的平方根与排量的比值代替升功率，来表征发动机的燃烧效率，见式（30）。经过近1 000个车型数据的分析，发现百公里综合油耗与“近似升功率”的定量关系显著。

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由于传动系统损失掉的能量比例较小，后续研究将进一步深入探讨，本文暂时忽略不计。最终可以推导出如式（31）的乘用车整备质量设定指标函数。

式中，p1，p2，p3，p4，p5，p6为待定参数，根据行业统计数据回归得到；M为回归得到的乘用车整备质量，kg；b为整车宽度，m；h为整车高度，m；

c为离地间隙，m； 为“近似升功率”，

（kW）1/2/L；K为车型的百公里综合油耗，L/100 km。

根据式（31）以及约880个SUV车型数据，回归得到了SUV车型的行业平均整备质量方程，见式（32）。整车企业可以跟据此方程来定义车型的合理整备质量和整车轻量化目标。

由于回归过程存在误差，因而式中可以引入修正值R，一般可以选取0.3左右。

为了验证新方法的实用性，分析了3款典型的SUV车型。3款典型SUV的参数以及根据式（32）得到的合理整备质量数值见表1。由表1可知，车型1的百公里油耗较低，但其实际整备质量仍大于回归计算上限值，理论上有一定的轻量化空间。车型2的百公里油耗也较低，从参数上看，该车型的发动机性能较好，但整备质量较大，轻量化空间较大，应降至1 700 kg以下。而车型3的百公里油耗较高，实际整备质量处于行业平均水平内，若要降低该车型油耗，该车型的发动机性能需要改进和提升。

4 讨论

汽车车身轻量化系数及车身结构利用系数主要是针对车身的轻量化评价[4-5]，这是由于一个车型的开发，整车企业往往主要制造车身，而底盘、动力系统等总成和构件主要由供应商提供，可控空间小，因而在车身设计时，针对车身来轻量化符合汽车开发流程。其次，车身性能关系到整车的安全、舒适等性能，而车身的减重潜力也较大。另外，欧美汽车的被动安全性能基本上都在ENCAP 四星至五星的范畴，所以车身轻量化系数及车身结构利用系数的提出没有考虑安全等性能。为了消除汽车消费者以及整车工程师的顾虑，又先后提出了轻量化综合评价指数[8]，该评价方法采用星级的表达方式更直观，同时考虑到了油耗、被动安全、车身刚度以及一阶模态等因素。而为了更好地横向比较轻量化效果，采用车身轻量化评价指数[6]，可以更直接地反映轻量化的效果，尤其是对于与对标车型的比较。轻量化效果评估系数[2]首次提到了轻量化成本的概念，这是制约轻量化工程实施的主要考量因素，该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。在此基础上，每千克减重增加的成本是一个衡量轻量化工程在经济分析层面是否可行的一个直观评价标准，该值由企业确定后，工程人员可以在可接受的成本范围内开展轻量化工作。对于一些跑车等小批量的车型，由于采用上述方法的可比性低，因而莲花汽车提出的名义密度[7]，可以很好地衡量汽车减重的潜力，同时，作为一个简化版的名义密度，整车相对面密度[10]的提出也完全忽略了汽车的性能因素，单纯地考量汽车尺寸与质量的关系。

但轻量化的最初目的以及最终目的均是节能减排，因而质量的降低与整车油耗相关联，是一个可行的轻量化评价方案。基于此考虑，对轻量化综合评价指数[8]，奇瑞汽车提出的整车轻量化评价指标[9]，

轻量化乘用车整备质量设定指标函数[11]等进行了深入的探讨，前两个方法均是在基于轻量化系数的基础上进行了延伸，考虑了发动机性能或整车百公里综合油耗的关联。而轻量化乘用车整备质量的设定指标函数则从另一个角度，即采用行业数据回归的方式，从汽车开发之初的新车型整备质量定义的角度来确定轻量化目标，并同时可以评价现有车型的轻量化水平。

以轻量化工程的概念为基础，在汽车轻量化的同时，必须考量减重所引起的整车、车身或者构件及总成级别的各种性能变化，而轻量化成本是制约轻量化工程实施的关键，所以，在新车型开发之初和上市后对汽车进行轻量化评估可以为开发新车型奠定基础，并与国家和地区的油耗法规相关，通过降低汽车质量来达到节能减排的目的。因此，汽车轻量化评估时的一个关键工作是建立起规范的、行业认可的评价系统，推动节能减排以及行业技术进步。

5 结论

建立我国统一的轻量化评价方法是推动汽车轻量化及节能减排的基础，建立统一的轻量化评价方法可以让消费者和主机厂自行比较汽车产品的轻量化水平。但由于我国汽车轻量化相关技术刚刚起步，统一的轻量化评价方法尚需不断地探索和实践。本文从不同角度总结和提出了一系列汽车轻量化评价方法，涉及轻量化前后的整车油耗变化、整车或总成性能的变化以及成本变化等因素，并首次提出了“轻量化乘用车整备质量设定指标函数”，得到了SUV车型的经验公式。 这些均有利于行业总结提炼以致选择应用，在实践后，可以提出各种方法的优劣，或在此基础上进一步提出更好的、得到行业认同的方法。

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