基于平臺帶寬的車身效率綜合評價

陳東平，沈建東，王 鏑

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 車身效率及主流評價方法

為了應(yīng)對越來越嚴(yán)格的法規(guī)以及全球化平臺開發(fā)的要求，在過去的幾十年里車身的質(zhì)量在逐步增加，隨著對油耗及排放的要求愈加嚴(yán)苛，車身輕量化備受關(guān)注。但質(zhì)量輕并不一定意味著輕量化，因為車身的質(zhì)量還受到其它諸如整車配置、性能差異、材料工藝及成本等指標(biāo)的影響和制約，可見影響車身實現(xiàn)效率的因素多且復(fù)雜，已經(jīng)不可能用單個的指標(biāo)來衡量車身結(jié)構(gòu)整體的好壞。而現(xiàn)行的評價車身效率方法極少，目前車身輕量化系數(shù)是業(yè)內(nèi)比較通行的車身效率評價方法。

車身輕量化系數(shù)，即L=M/（K*A），L為輕量化系數(shù)，越小越好；M為白車身(不含門蓋)質(zhì)量；K為車身扭轉(zhuǎn)剛度；A為4輪間的正投影面積(即前、后輪平均輪距乘以軸距)，如圖1所示。

輕量化系數(shù)結(jié)合了車身質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度性能和車身尺寸的因素，但該評價方法也有很多不足。首先，其中的尺寸為輪距和軸距，還不足以反映整車長寬高尺寸以及車型變化等影響；其次，更關(guān)鍵的安全性能沒有體現(xiàn)，將安全不在同一級別的車型進行比較并不合理，為此有人提出可采用相對值來消除該系數(shù)量綱的影響[1]；再者，整車如動力總成的配置差別和材料工藝使用的差異對車身質(zhì)量的影響也比較大，但該方法也不能反映出來；另外，過分追求輕量化系數(shù)會走入誤區(qū)，因為在A不變的情況下，可以在一定的范圍內(nèi)通過較少質(zhì)量增加的代價（如2%）即可換來剛度較大幅度的提升（如10%），如表1中的輕量化系數(shù)可以降低到原來的93%，這樣會造成雖然車身質(zhì)量增加了但輕量化系數(shù)卻更好了的假象，通過過分追求剛度來提升輕量化系數(shù)與控制質(zhì)量的終極目標(biāo)是相違背的。綜上所述有必要建立更合理的包含主要影響因素的車身綜合效率評價方法。

表1 兩種輕量化系數(shù)對比

2 基于平臺的效率影響因素分析

隨著平臺開發(fā)的全球化，平臺因素對于輕量化的影響也逐步顯現(xiàn)，因為車身承載的不再是傳統(tǒng)的針對某個區(qū)域的單一車型而是針對全球不同國家，包含各種車身型式的平臺架構(gòu)，其車身架構(gòu)必須適應(yīng)不同車型尺寸及輪軸距的變化，不同市場的性能差異以及動力總成等主要配置的變化，使每個車型都能滿足規(guī)定的性能要求。因此一個只針對本土設(shè)計的車型平臺與一個針對全球設(shè)計的車型平臺，其車身架構(gòu)在尺寸、性能及配置要求上有很大的區(qū)別，車身關(guān)鍵指標(biāo)如質(zhì)量的差別也很大。即使對于同是全球化的車身架構(gòu)，由于各主機廠的平臺定位、開發(fā)策略、成本策略以及制造體系等的差異，最終的車身實現(xiàn)方式也千差萬別。可見車身效率評價不能脫離其承載的平臺因素。

車身效率體現(xiàn)了車身輕量化地實現(xiàn)各種要求的能力，影響車身效率的主要因素可歸為3類，即因平臺規(guī)劃產(chǎn)生的車身架構(gòu)帶寬的影響，材料與工藝選用（即成本要求）的影響，車身設(shè)計與優(yōu)化能力等。

2.1 平臺規(guī)劃對車身架構(gòu)的影響

平臺規(guī)劃直接影響車身架構(gòu)的帶寬。車身架構(gòu)通俗講即為車身下車體，它是整車平臺的基礎(chǔ)和性能的基本保證，對于一個平臺的各種車型來說上車體會因車身型式的變化而變化，但下車體通常不變。當(dāng)然，平臺可能規(guī)劃不同的衍生車型從而產(chǎn)生軸距甚至輪距、前懸后懸長度等的變化，這樣就形成了車身架構(gòu)的尺寸帶寬。平臺也會根據(jù)各個市場需求規(guī)劃不同的動力總成配置，這就形成了動力總成的帶寬。不同的目標(biāo)市場會有各種性能的差異，也就有了性能帶寬。為了滿足全球不同區(qū)域異地生產(chǎn)的要求就產(chǎn)生了制造帶寬。下面分別對這幾種帶寬做分析說明。

對于面向全球市場規(guī)劃的平臺，就必須考慮車身架構(gòu)的性能帶寬，圖2顯示了車身架構(gòu)必須滿足的全球各種安全及保險法規(guī)要求。車身架構(gòu)按最嚴(yán)格的法規(guī)來開發(fā)就需要進一步加強，但這同時也可能降低效率，如何用同一車身架構(gòu)適應(yīng)全球不同區(qū)域各種法規(guī)要求而不至于產(chǎn)生浪費是需要思考的問題。

平臺動力總成的一般配置比較豐富，如果又規(guī)劃有混合動力、新能源等其它非傳統(tǒng)動力系統(tǒng)，那么其質(zhì)量、整體的布置空間及界面差異就很大，由此引起的整車質(zhì)量變化幅度也大。相關(guān)研究顯示由動力總成引起的整車質(zhì)量每增加100 kg會帶來超過10～15 kg車身質(zhì)量的螺旋式上升。圖3顯示了世界汽車鋼鐵聯(lián)合會與密西根大學(xué)的研究結(jié)果，動力總成質(zhì)量的改變（即Power Train）對整車質(zhì)量變化的影響系數(shù)（Influence Coefficient）是遠(yuǎn)大于其它子系統(tǒng)的，而車身架構(gòu)安全性能必須以最大整車質(zhì)量的配置為基礎(chǔ)，可見如果車身設(shè)計考慮最惡劣的情況則意味著在絕大部分車型上都會有一部分額外車身結(jié)構(gòu)或者布置空間是被浪費掉的。

尺寸帶寬體現(xiàn)了車身的延展能力和車型變化能力，包括輪軸距、前后懸、Cowl點位置等的變化，這些尺寸的延展也會帶來整車質(zhì)量的增加，使車身結(jié)構(gòu)指標(biāo)及安全性能下降，需要更多的質(zhì)量來加強車身骨架。

此外，全球化要求制造體系可移植性和異地生產(chǎn)的重復(fù)性，也對車身提出了制造帶寬的要求，需要兼容不同區(qū)域的制造要求和滿足不同平臺的共線生產(chǎn)要求，需要跨平臺的全球統(tǒng)一定位策略，同時全球開發(fā)時還需要考慮不同區(qū)域的制造能力對于材料選擇和工藝規(guī)劃的影響，也會增加車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和效率。

目前越來越多的跨國車企都在整合和精簡其全球化的平臺，實現(xiàn)全球統(tǒng)一開發(fā)，希望以此提高效率，減少開發(fā)、驗證、生產(chǎn)和管理等方面的成本。但這種策略也是把雙刃劍，尤其是平臺引進到新興市場，車身架構(gòu)的安全及其它性能過高，這當(dāng)然會影響車身的效率。

2.2 材料及工藝選用的影響

材料及工藝的選用與成本是密不可分的，在對成本不敏感的高端車型上使用輕質(zhì)合金、復(fù)合材料以及熱成形、變截面板料TRB、液壓成型及激光焊接等工藝可以明顯地實現(xiàn)減重，但這種花錢買重量的策略在中低端車型上能實施到什么程度，不同車企的差別比較大?？梢姃侀_材料及工藝要素談輕量化和車身效率是不全面的。

2.3 設(shè)計及優(yōu)化的影響

車身設(shè)計與優(yōu)化對輕量化和車身效率的影響是顯而易見的，主要體現(xiàn)在：載荷路徑的規(guī)劃是否合理，是否能實現(xiàn)與整車主要系統(tǒng)的集成；車身結(jié)構(gòu)、形貌、接頭、斷面及連接是否優(yōu)化；材料工藝一定的情況下，其具體使用是否恰當(dāng)；以及平臺帶寬的具體實現(xiàn)方式是否合理等，不同的設(shè)計和實現(xiàn)方式影響著車身的效率。

3 車身效率綜合評價指標(biāo)

車身效率不僅僅取決于設(shè)計優(yōu)化，而且也受到平臺帶寬的規(guī)劃以及材料使用差異（成本指標(biāo)）等因素的制約，可以通過一定的方法將材料引起的車身質(zhì)量差異進行修正。而對于因平臺帶寬不同引起的車身質(zhì)量變化也需要通過一定的方法進行評估。在探索車身綜合效率評價方法之前需要建立以下輔助概念和方法。

3.1 車身修正質(zhì)量

對因材料使用策略（成本因素）不同而導(dǎo)致的質(zhì)量差異，提出和使用了修正質(zhì)量的概念，這樣就可以在同一個基準(zhǔn)上對競爭車型進行比較和評估。

該修正的概念簡單說是通過適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗公式將先進高強鋼以及輕質(zhì)材料等效成競爭對手常用的材料。這種等效需要經(jīng)驗及數(shù)據(jù)庫的積累，如針對不同等級鋼材的料厚靜態(tài)等效如下，對于輕質(zhì)材料也可通過建立經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行等效。

式中：tHS和tMS分別為高強鋼和普通鋼料厚；ReHS和ReMS分別為高強鋼和普通鋼的屈服強度。

3.2 車身質(zhì)量回歸效率

針對平臺帶寬尤其是動力總成配置帶寬對車身質(zhì)量的影響，使用了車身質(zhì)量回歸效率，它是運用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，通過對大量面向全球平臺的標(biāo)桿車型的數(shù)據(jù)處理而形成的質(zhì)量回歸曲線。該評價方法以車身架構(gòu)所承載的動力總成質(zhì)量帶寬、整車長寬高尺寸等為主要影響參數(shù)，同時兼顧全球主要的安全性能要求，結(jié)合這些影響因素來綜合預(yù)測合理的車身理論質(zhì)量，而車身實際的質(zhì)量與該理論質(zhì)量的比值即為回歸效率。如圖4所示，實線代表實際車身質(zhì)量與理論預(yù)測質(zhì)量相當(dāng)，當(dāng)理論質(zhì)量與實際質(zhì)量形成的坐標(biāo)點落在回歸曲線的下方則效率較高，越往下偏置則效率越高；落在上方則效率較低，越往上則效率越低。該系數(shù)能夠量化地評估平臺帶寬對車身質(zhì)量的影響。

3.3 車身體積密度

車身體積密度是比較直觀且簡單易行的評價方法，其定義為車身質(zhì)量與車身體積的比值。體積密度評估法體現(xiàn)的是實現(xiàn)同樣功能的車身需要使用的材料多少，密度越低則使用的材料越少，效率越高，反之則越低。該評價方法對于同一類車身型式的比較效果尤為直接，還可以通過修正質(zhì)量來消除材料帶來的質(zhì)量差異。

3.4 車身綜合效率系數(shù)的建立

綜合上述修正和評價方法，提出“車身綜合效率系數(shù)”的概念，結(jié)合上述各種影響因素評估車身輕量化的能力，該系數(shù)越低則效率越高，其定義如下。

車身綜合效率系數(shù)=f{A×輕量化系數(shù)+B×回歸效率+C×體積密度}，

式中：A、B、C為權(quán)重系數(shù)。權(quán)重的設(shè)置兼顧到3個評估指標(biāo)的特點及側(cè)重，并充分考慮當(dāng)前競爭車的總體水平，由企業(yè)根據(jù)實際情況確定。3項指標(biāo)均涉及到車身質(zhì)量這一參數(shù)，體現(xiàn)了輕量化的終極目標(biāo)，對材料使用不同引起的質(zhì)量差異進行了修正。該綜合效率系數(shù)將整車尺寸及輪軸距、車身結(jié)構(gòu)性能及安全性能、材料使用差異、動力總成配置等平臺帶寬都納入了考核體系，形成了較為全面、更加合理的車身效率評估方法。

3.5 與傳統(tǒng)評價方法的比較

以兩款同一細(xì)分市場三廂競爭車型為例，分別采用這兩種方法進行分析比較，車型參數(shù)及分析結(jié)果見表2。從輕量化系數(shù)看競爭車A較車B具有明顯優(yōu)勢，分別為2.94和3.31，它們之間的差別是相當(dāng)大的，B車要減重33 ～264 kg才能達到與A車同樣的水平，而B車無論是在外形尺寸、PT帶寬及材料使用上都比A車要惡劣，可見用輕量化系數(shù)評價時對B車是很不公平的。如果考慮到平臺各種帶寬和材料使用的差異，A車的綜合效率系數(shù)幾乎就沒有優(yōu)勢了，分別為3.11和3.19，A車的部分過程指標(biāo)甚至更差，這是因為B車車身承載的平臺要求明顯要比A車多?？梢娋C合效率系數(shù)比傳統(tǒng)的輕量化系數(shù)更能全面公正地評價車身效率。

表2 綜合效率系數(shù)與輕量化系數(shù)比較

4 車身效率提升方法

4.1 合理控制架構(gòu)帶寬

對車身尺寸帶寬而言，長寬高等整車尺寸會隨車型的變化而調(diào)整，應(yīng)關(guān)注和控制最小前懸的長度，使無論哪款車型其有效壓潰空間都能得到保證。輪距通常是不變的，軸距會因平臺長短軸的規(guī)劃而有差別，但變化幅度不宜太大，推薦幅度在100 mm以內(nèi)。此外平臺內(nèi)車型規(guī)劃要合理，避免SUV車型與轎車等車型共用同一車身架構(gòu)。

控制動力總成配置的帶寬主要為兩方面，一是控制不同配置的質(zhì)量差別不能過大；二是不同配置的布置空間差別不能過大。同時建議為新能源等純電動車開發(fā)單獨的車身架構(gòu)。合理帶寬推薦范圍如下，這樣的帶寬一方面有利于車型的拓展，另一方面能獲得較經(jīng)濟的車身結(jié)構(gòu)。

式中：Mm為高配車型整車質(zhì)量；Mb為基本配置車型整車質(zhì)量。

帶寬的不同實現(xiàn)方法對車身質(zhì)量影響很大，推薦采取差異化策略及量大優(yōu)先原則，即面對不同市場需求而產(chǎn)生的性能帶寬要進行綜合評估，區(qū)分主要目標(biāo)市場及銷量，以銷量最大的市場車型為基本車型進行車身架構(gòu)的開發(fā)。其它市場可采取差異化的應(yīng)對方法，如通過增減零件及更改材料等級等手段滿足不同市場的需求，其原則是不要對車間的拼焊工裝和生產(chǎn)工藝產(chǎn)生影響。

4.2 材料及工藝的合理選用策略

成本決定材料及工藝的選用策略，影響著最終車身質(zhì)量。材料選用要充分考慮零件的功能要求，如對剛度、耐久、碰撞吸能區(qū)以及乘客艙剛性區(qū)其選用的材料是不一樣的。實踐表明：在滿足相同安全性能要求下通過使用超高強鋼，可實現(xiàn)10%以上的減重，但其減重后的綜合成本與原成本可基本持平?？紤]到超高強鋼成形困難、回彈大，因此零件形狀設(shè)計要簡單，以便通過輥壓等非拉延冷沖工藝來實現(xiàn)。對于成本較高的材料及工藝如輕質(zhì)材料、熱成形等則需要建立花錢買重量的標(biāo)準(zhǔn)（￥/kg），當(dāng)然不同檔次平臺其標(biāo)準(zhǔn)會有差異。

4.3 高效的車身設(shè)計與優(yōu)化手段

結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化必須遵循一定的原則和優(yōu)先順序才能在成本可控的情況下更好地實現(xiàn)輕量化（圖5）[2]。首先在不增加成本的基礎(chǔ)上優(yōu)先進行整體載荷路徑的規(guī)劃，形成閉環(huán)的框架結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)、路徑、形貌、接頭、斷面的優(yōu)化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高效設(shè)計和質(zhì)量成本的降低；其次通過簡化零件設(shè)計在關(guān)鍵路徑上使用高強鋼、超高強鋼實現(xiàn)安全性能的提升和質(zhì)量的有效控制；再根據(jù)平臺的成本策略考慮是否使用一些新材料及新工藝，這與之前的材料及工藝策略是一致的。

優(yōu)化方法有很多，推薦通過參數(shù)化CAE模型(SFE)在前期架構(gòu)開發(fā)中的應(yīng)用，可以大幅度減少CAD與CAE轉(zhuǎn)換的工程時間，從而方便實現(xiàn)幾何形體(斷面、位置及形貌等)的DOE優(yōu)化，合理巧妙地利用局部拓?fù)鋬?yōu)化與MDO方法相結(jié)合。通過優(yōu)化流程控制手段可以將SFE、DOE、MDO以及各種CAE仿真軟件結(jié)合并流程化，實現(xiàn)車身系統(tǒng)優(yōu)化求解[3-4]。

5 結(jié)論

隨著車型開發(fā)的平臺化和全球化，作為評價車身效率主要方法的輕量化系數(shù)也日顯不足，已不能全面客觀地評價車身效率。本文分析了各種平臺帶寬及材料工藝的影響，提出了表征效率的各種參量，通過修正和回歸方法將主要因素的影響加以量化，進而提出了車身綜合效率系數(shù)評價方法。通過實例比較表明，該方法較輕量化系數(shù)更為客觀公正，體現(xiàn)了平臺化等影響因素。針對帶寬設(shè)置、材料選用及設(shè)計優(yōu)化給出了建議和推薦方法。本文提出的評價方法對于車身設(shè)計與研發(fā)具有一定的參考和借鑒意義。

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