汽车轻量化开展流程及方法研究

赵健 王猛 何亮 熊建华 黄德辉

摘  要：虽然国内汽车轻量化技术有了较快的发展，但在系统性开展轻量化工作的流程和方法上依然在摸索中前进。本文通过研究国内外轻量化开展现状，初步搭建了整车轻量化开展流程，制定出一套完整的重量管控流程，尝试提出了整车轻量化新的评价方法，努力推动建立一套规范的、切实可行的轻量化工作流程体系，以促进汽车主机厂降重节能减排的顺利实施以及轻量化行业技术进步。

关键词：汽车;轻量化;流程体系;重量管控;评价方法

中图分类号：U462.1    文献标识码：A    文章编号：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

随着汽车安全、燃油经济性及排放标准的提高，安全、节能、环保已成为汽车研发的热点问题。汽车轻量化是指在满足汽车的安全性能及成本限制的条件下，采用有效的设计方法，尽可能地降低汽车整备质量，从而起到提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染的作用，因此，整车轻量化的研究对安全、节能、环保三大热点问题的解决有着重要的意义。

近年来，我国在汽车轻量化技术方面的研究取得了较大的成果[1]，汽车轻量化技术创新战略联盟带动下的产学研上下游链条已有效运作，先进高强钢、轻质有色金属等轻量化材料在汽车上的应用越来越广泛，可靠的连接技术随之快速创新应用，基于有限元分析软件的结构优化效率及精度也逐渐加强，各大整车制造企业也逐渐成立了专门开展轻量化设计及技术应用的研发部门。

虽然国内汽车轻量化技术有了较快的发展，但在系统开展轻量化工作方面依然在摸索中前进，各大整车厂对于如何有效开展轻量化、轻量化的开展流程、重量管控方法及轻量化评价方法也各不相同。为了促进轻量化技术的发展，作者通过多年全面的轻量化工作经验总结，结合国内外轻量化开展现状，在整车轻量化开展流程及重量管控体系方面作了一些探索。

2    整车轻量化开展流程体系

以往轻量化工作开展一般是融入产品工程师的产品设计过程中，随着轻量化的发展与推广，越来越多的整车企业将轻量化作为一个综合业务板块专项开展，而如何有理有据高效的开展轻量化工作，如何分配轻量化业务职责，制定轻量化开展流程，成为每个轻量化部门所面临的主要问题之一。本文根据行业整车设计开发主流程，结合轻量化实际开展，制定了可衔接的轻量化工作开展流程，见表1。

轻量化是重量属性的管控、是性能优化的强化、是材料的有效替换、是新技术的预研推广，是一个综合产品性能、成本、重量、周期、结构设计的复杂性工作。因此轻量化作为一个综合性的设计变量，而应从设计之初开始考虑，在前期策划阶段即开展轻量化工作，融入而又超脱于整车设计开发的前期策划、概念设计、工程设计、设计验证、SOP等主要阶段，其开展流程的关键属性包含但不限于重量目标的制定、关键系统零部件选型的建议、关键断面与传力路径的分析、基于重量最轻的性能优化方案、精细化优化等。

3    重量屬性管控流程及方法

重量属性作为汽车设计的重要属性之一，是轻量化开展的主要控制参数，其合理精准的控制对整车各项性能目标的达成均有重要的意义。重量属性的管控流程一般包含如下几个方面：重量目标的制定、评价与修正，重量目标的分解，重量目标及轻量化方案的管控等。

3.1   重量目标的制定、评价与修正

本文通过整合研究大量重量目标制定方法，最终制定出了一套符合主机厂实际需求的整车重量目标制定策略;以SUV车型为例，重量目标的初定采用模型计算法+对标差异法开展，具体方法如下：

（1）引入莲花公司名义体积概念[2]，其计算公式为：

V=（0.665×（长- 轴距） + 轴距）×高×宽/1000000000;注：Sedan车型系数为0.5

（2）本文通过采取市面上在售的几百款主流SUV车型的尺寸信息及重量信息，拟合出整备质量与名义体积的模型计算公式（见图1），如下式：

式中：y为汽车整备质量;x为汽车名义体积;R为相关系数。

有别于现有拟合线性关系，为保证模型计算的准确性，车型选取应遵循以下原则：选取市场在售车型、近几年有更新换代的主流车型，在保证样本量的前提下，尽可能排除超豪华车型的成本因素、老车型历史轻量化水平低等影响因素。

（3）选取确定标杆车型、竞品车型、历史车型三款车型（需要长宽高、轴距、整备质量参数），选取标杆车、竞品车过程中，建议选取不同体系的车型，比如，标杆车是日系车，竞品车可选德系车，公司无相似历史车型的情况下，建议选取国内自主品牌车型作为历史车型选项;锁定新开发车型相应参数。

（4）通过上述模型计算公式，计算出标杆车型、竞品车型、历史车型三款车型模型计算质量与实际整备质量的差值;将新开发车型模型计算质量分别减去三款车型模型计算质量与实际整备质量的差值得到相对应的整备质量目标。

（5）最终将包括模型计算质量在内的四项质量目標选择求取平均值作为新车型初步整备质量目标定义值。

该方法在一定水平上消除了工艺不同产生的差异，消除了模型离散导致的不同，亦消除了不同体系车型的部分差异，满足了主机厂决策层参考标杆车定义目标的要求。但此定义的重量目标值会因对标车、竞品车的选取而有所差异，具有一定的不确定性，因此本文进一步引入基于PALS理念的评价体系进行重量目标的评价与修正。

选取15款以上，尺寸、配置、搭载动力等尽可能接近的市场车型，引入名义体积概念，计算其反向名义密度（等效体积/整备质量×1000），并求取平均值X与方差S;根据平均值与方差，采用下述评价方式求出其各项区间值：

L：领先区间为[X+1.25S   ∞）;    A：优势区间为[X+0.5S  X+1.25S）;

C：竞争性区间为[X-0.5S   X+0.5S）;U：无竞争性区间为（∞，X-0.5S）。

将新开发车型体积密度带入上述区间，确定初步整备质量定义值的所属区间范围，若落入U区间，则该定义目标值无轻量化水平竞争力，需对质量目标进行修正或重新选取标杆、竞品车型;若落入L区间，则该定义目标值领先行业轻量化水平，对车型成本、公司工艺等有较高的要求，国内主机厂不建议将重量目标落入该区间;因此新开发车型体积密度落入A/C区间较为合理，具体以车型定位来确定最终是否修订。该评价方式方差越小，区间范围越小，对重量目标的评价与修正越准确，根据大量车型重量目标评价与修正的经验，建议将方差控制在0.35以内。

3.2   重量目标的系统级分解

整车重量目标制定以后，如何更合理的分解至各产品部门，分解的重量目标如何得到产品工程师的认可和执行，是每个轻量化工程师都会遇到的问题。针对这一问题，可综合采用以下方式完成重量目标分解。首先，统计自身公司现有历史车型不同动力的各系统重量及整备质量，求出各车型各系统重量的占比，然后求取平均值，得出不同动力的各系统重量占比，因动力大小一般跟车型大小有一定的正相关，因此新车型可依此进行重量目标初步分配，以我司SUV燃油车为例，统计结果见表2。

然后，根据车型总体技术方案及平台基础车型，预估各系统重量，会议评审说明各预估值的合理性，根据整备质量目标、各系统预示轻量化方案及年度车型轻量化规划，将预估超重的质量合理分配至各系统。

第三、准确选取定位一致、整备质量及尺寸相近的轻量化标杆车型，对比标杆车各系统重量分布，结合新车型借用件规划情况，分解一版各系统轻量化目标;结合上述三种配比分配结果，或平均或微调，最终确定合理的各系统重量目标。

3.3   重量目标及轻量化方案的管控

产品专业部根据各系统重量目标的分解结果，梳理详细的整车各系统零部件质量，轻量化作车型重量控制报告，并签批归档，作为各系统及零部件的设计质量依据;各产品工程师需实施跟踪、更新所辖产品的重量属性，并根据目标与实际设计差异提出合理的轻量化方案;轻量化方案依据轻量化方案管控表实时补充、更新进度，管控表包括但不限于轻量化方案的描述、减重效果、性能可行性、工艺可行性、成本、周期、是否采纳、方案进展等。

重量目标及轻量化管控过程中，轻量化工程师最少需组织以下三项会议：

a、组织重量属性例会，评审重量目标制定与分解的合理性，发布重量目标，向各专业部明确重量目标任务;

b、组织轻量化方案评审会，联合各部门提出轻量化方案，进行轻量化方案的工艺性分析、性能分析、成本分析等，筛选并确定方案可行性;

c、组织轻量化专题会，向项目经理实时汇报轻量化开展成果、进度及需支持事项，曝光各专业部重量目标达成情况，把控项目风险。

4    整车轻量化新评价方法

轻量化的本质是节能减排降重，目前国内整车轻量化评价指标还存在一些不足，指标对平台车型更新换代引起的整备质量变化、大排量发动机实际燃油排放高等问题的考虑不够全面，且对减排降重的引导性力度不足。本文调研了国内外汽车轻量化评价方法的研究现状，从解决现有问题的角度出发，尝试提出了乘用车整车轻量化水平更具引导性的评价指标。

4.1   乘用车轻量化鼓励政策指标K[3]

2007年，由发改委牵头开展的节能与新能源汽车鼓励政策研究报告中，希望通过轻量化指标K值实现对乘用车应用轻量化技术进行鼓励和引导。K值小给予鼓励，但该指标最终未能实施。乘用车K值的计算见式（2）。

4.2   整车轻量化系数Lv[4]

由奇瑞汽车股份有限公司李军、国汽（北京）汽车轻量化技术研究院王利刚等联合各大企业制定了乘用车整车轻量化系数Lv的计算方法，见式（3）。

轻量化系数由三部分构成，涉及名义密度（M/V）、重量比功率（M/P）和脚印油耗（Q/A）。数值越小，代表轻量化水平越高。

4.3   新的整车轻量化评价指标R

参考国家鼓励电池能量密度提升的初衷，标准预引入评价发动机燃油效率的升功率。相同排量的发动机，功率大的自然就能耗低、输出功率大，进而促进达到节能减排的目的。但是，因百公里综合油耗影响因素的复杂性，其与升功率的定量相关性并不大，路洪洲等[5]人提出“近似升功率”的概念，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，发现其与百公里综合油耗有较可观的定量关系。此外，排量与油耗有很强的线性相关性，排量越大的车型，油耗越高，为降低油耗且在满足整车动力性的基础上鼓励小排量发动机的搭载应用，本文将近似升功率的倒数纳入新的评价指标。新指标全面纳入整备质量、脚印面积、发动机排量和功率等油耗相关参数，通过乘积加权整备质量、发动机效率、小车型平台的影响量，加强整车厂对相应参数的重视度，控制整备质量，限制过度追求大功率及动力性而采用大排量发动机、过度追求大空间而设计大轴距车型的市场行为。新的评价指标由名义密度、面密度、重量比功率、脚印油耗、近似升功率的倒数五部分组成。数值越小，代表轻量化水平越高。新的整车轻量化评价指标见式（4）。

对该16款车型进行新指标的计算分析，并与成熟评价方法进行对比，结果如下：

经验证，新的指标与现有各整车轻量化评价方法的评价结果趋势接近一致，但对整备质量及发动机参数更为敏感，而发动机燃烧效率越高，其节能效果越好，因此新的评价指标在一定程度上也加权了油耗的比重，对于进一步推动主机厂加强整车减重、同排量发动机功率提升以及降低油耗，具有一定的促进作用和参考意义。

5    结束语

随着国家对汽车节能减排要求的不断提高，国内汽车轻量化技术有了长足的发展，各主機厂也形成了各自不同的轻量化开展策略，但行业内依然缺乏指导性的开展流程文件，轻量化工程师在系统性开展轻量化工作方面依然在摸索中前进，因此建立有效的整车轻量化开展流程，制定完整的重量管控方法，统一整车轻量化评价方法对轻量化行业的发展有重大的意义。本文基于实际的工程经验，制定了较详细的轻量化工作开展流程并融入传统的整车设计开发流程中;从模型计算、竞争性评价、对标分析、历史经验等方面制定了一套切实可行的重量管控方法;从降重节能的角度出发，提出了新的评价方法，进一步加强整备质量、油耗、发动机效率的权重。这些均有利于促进汽车主机厂降重节能减排的顺利实施以及轻量化行业技术进步，或在此基础上进一步完善出更好的、得到行业认同的方法。

参考文献：

[1]于用军，李飞，王帅，等.整车轻量化技术研究综述[J].汽车实用技术，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]冯美斌，等.中国近期鼓励发展的汽车轻量化技术[R]. 北京，国家发展与改革委员会，2007.

[4]李军，王利刚，等.乘用车整车轻量化系数计算方法. SAE-China 团体标准，2019.

[5]路洪洲，王智文，陈一龙，等 . 汽车轻量化评价 [J]. 汽车工程学报，2015，5（1）：1-8.