基于成本控制的車身產品開發

張海華

摘要：目前汽車市場競爭激烈，產銷量較大，控制產品的單位成本是提升產品競爭力的有效手段。本文從設計前期成本規劃和設計階段的技術手段兩個階段，通過兩個工具的和兩個具體案例的介紹，論述了如何從設計層面降低車身產品的總體成本，提供了在開發中控制車身產品成本的思路和方法。

Abstract： Due to the keen competition and large volume of the vehicle market， the cost management of production is an effective method of enterprise competitive ability improvement. This paper expounds how to control the vehicle body cost from advanced design phase and shows the conception and method of vehicle body cost control by two tools and two cases instruction in project cost scheme stage and production development stage.

關鍵詞：低成本；材料利用率；車身；前期規劃

Key words： low cost；material utilization；body；advanced layout

中圖分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0005-03

1 概述

目前汽車市場競爭激烈，各汽車公司為了搶占市場，在大打價格戰的同時，也擔負著巨大的盈利壓力。在市場降價及原材料上漲等雙重壓力之下，如何控制企業成本，開發出性價比高、性能優良的產品及相關服務變得尤為重要，成為能否在激烈的市場競爭中生存下去的關鍵因素。由于汽車產銷量較大，若想有效提升企業盈利能力，相對有效的辦法就是控制產品的單位成本，減少產品設計中不必要的浪費。車身成本能占到整車成本的10%，因此降低車身成本對控制整車成本來說意義重大。而在降成本的各種措施中，開發階段的降本無疑是最有效率的[1]。因此本文主要通過設計前期成本規劃和設計階段技術手段兩方面闡述，提供了控制車身開發成本的思路和方法，為車身產品的成本控制提供借鑒。

2 前期成本規劃

對于市面上主流的高產銷量，定位中低端的車型來說，主要以傳統鋼材為車身構成材料，在這種情況下，其成本往往和重量成近似正比關系，即可以以重量控制替代成本控制。通過開發前期設立合理的重量目標，可以有效地反映成本目標或與其互相印證，控制和指導后續設計的方向。

但在開發前期，具體設計并沒有成熟，因此只有基于歷史車型的數據或者其他廠家的產品建立可靠的重量測算模型，以進行車身重量的預估。

為了建立該模型，主要考慮對車身重量產生影響有以下幾個方面：車型尺寸（軸距W輪距T），動力總成重量P，安全需求S，高強鋼占比R這幾方面。其中W和T除了在幾何方面對車身重量的直接影響外，較大的車定位較高，往往對整車扭轉剛度的要求也比小型車要高。但較大的幾何尺寸本身不利于整車扭轉剛度的提升。因此為了實現性能要求，會需要更厚鋼板或更多的結構，從而進一步推高車身重量。P和S則是通過被動安全性能對車身重量產生影響。更大的動力總成組合以及更高的安全性能要求意味著在碰撞過程中車身結構需要吸收更多的動能，即更厚更高等級的材料或者更強的載荷路徑。高強鋼占比R越大則意味著車身可以做到更輕，但是高強鋼導致產品單價提升。尤其是熱成型鋼材，影響更為明顯。

因此通過對數據庫中的已有車型的相關數據進行整理和擬合，可以獲得一個重量相關于上述四個因素的數學模型經驗公式M=f（W，T，P，S）（1）。其中M為估測的目標車身重量。實際工作中，運用該公式對若干已有車型進行反算后得到的結果如表1所示。

需要注意的是由于基于歷史數據進行歸納，因此式（1）尚無嚴謹的論證方法，并且隨著技術的進步和產品的不斷推陳出新，公式中用到的常數也處于一個動態更新的狀態。如果將表1中的歷史車型的實際重量做為縱坐標，公式預估重量做為橫坐標，我們就可以把所有車型以散點圖形式表達出來，如圖1所示。圖中深色虛線為過原點的直線，意味著落在上面的點實際值和預估值一致。淺色虛線則是所有這些車型的擬合直線。理想狀態下，這兩條線應該重合。將來隨著車型數據的增多，擬合線會發生變化。當兩條線的夾角超過一定程度后，就需要對經驗公式進行修正。

式（1）及其計算得到的估測重量的意義在于，可以為后續開發過程中獲得的實際重量數據進行比較，并且作為探測當前重量的設計狀態是否存在冗余或者是否達到足夠精益，即如果當前設計狀態小于公式預估值，說明當前結構效率較高，反之，則說明可能存在冗余。

這里需要指出的是，即便對于含有有色金屬或者高分子材料的混合車身的開發，也可以使用這個預測公式計算假設鋼材車身的對比基礎值。

在前期開發階段，還有一個基于巴雷特（Pareto）分配律法[2]發展而來的料厚百分比曲線分析方法，可以配合重量預估經驗公式一起對后續的產品開發進行重量控制。由于車身用的鋼材板金件本身并不存在復雜的黑盒機械結構，性質相對其他汽車零件較為單一，因此很適合用料厚百分比曲線方法進行狀態監控。類似于重量經驗共識，我們同樣從數據庫中獲取已有參考車型數據，然后繪出這些車型的料厚分析曲線，推斷出目標開發車型有競爭力的料厚狀態，并以此指導設計。料厚曲線法具體步驟如下：

①統計出某一車型所有料厚種類，并從小到大排序；②將每一個料厚種類的零件重量相加；③計算出每一種料厚及其以下料厚的總重在整個車身板金件重量中所占的百分比；④以料厚為x軸，以第3步計算出的累加重量百分比為Y軸，繪出曲線；⑤在縱坐標某一位置劃一條水平線，該線和曲線的交即為該車型的“料厚狀態”；⑥重復以上步驟完成所有參考車型曲線的繪制，如圖2所示。

依據圖中數據，可以制定出當前型有競爭力的料厚狀態策略，例如在1.1mm及以下。在未來的開發過程中定期對車身的設計狀態進行復核，如果料厚狀態超過了給定數值，意味著結構效率不高，存在改進必要。

3 設計階段的重量控制

前期的預估和規劃相當于給產品設計設定一個目標。由于本文所涉及的鋼制車身可以用重量目標替代成本目標進行控制，因此目前的一些輕量化設計方法均可以作為實現該目標的手段。比較應用廣泛的有多目標的拓撲優化及綜合設計優化。

拓撲優化的相關理論和軟件經過多年發展，已經十分成熟[3]。在車身開發過程中使用拓撲優化方法的難點在于合理的邊界條件與優化空間建立以及優化結果的解讀和工程化。基于這兩點，拓撲優化可以獲得一個合理的傳力路徑，為一個高效的車身結構打下基礎，如圖3。

而綜合設計優化則針對設計中后期相對成熟的車身模型。此時整個車身的載荷路徑已經固定，具體板金零件形貌及分片設計也接近完成。因此優化內容包含了接頭結構、材料等級以及材料料厚。通過建立全參數化的有限元模型，靈敏度分析，遺傳算法等手段，尋找出最優的接頭形式和材料等級與料厚組合。有文獻對此專門進行過研究，其對車身減重效果可達到3.5%～6%[4][5]。

4 零件設計的成本控制

對于鋼制車身，重量對成本影響明顯。但并非所有的減重手段都能起到降低成本的作用。比如，在鈑金零件上增加減重孔的設計，并不能降低零件自身的成本，因為這種做法并沒有提升零件的材料利用率。因此除了前述的輕量化手段，還可以通過一些低成本設計的手段來進一步降低產品零件的成本。其基本思想通過以下公式體現：

由于車身板金結構的整體構成多變而復雜，因此式（2）的使用場合也非常靈活。以下通過兩個例子來具體闡述。

如圖4所示的車身流水槽結構，某車型開發過程中初始方案為繼承前代車型的分片式結構，由三個零件組成，其中還有一個非金屬的總裝零件。經過成本優化研究之后，簡化成一個零件的方案（圖5）。這個做法省去了兩套模具，并且取消了非金屬材料。整個系統的工序數減少，并且在材料利用率上也有所提升，最終降低了產品成本。具體分析如下。

可見在一個模具周期內，該設計變更可以為企業帶來1055萬元的收益。實際該車型全生命周期可能會銷售100萬輛以上，即意味著2000萬以上的收益。

式（2）運用的另一種場合，如圖6所示的車身縱梁結構，開發過程中的初始方案為繼承前代車型的整體式結構，使用超高強鋼材料。但拓撲結果給出了呈外撇狀的路徑形式，而不同于前代車型的平直結構。這就對零件的材料利用率造成了很大的損失。當這個問題被識別出來后，新方案就將該零件進行了分片，如圖7所示。

可見，該設計雖然是將一個零件變為兩個零件，但從材料利用率和性能精益設計角度，降低了產品的成本。因此在大規模生產的情況下，企業依然能夠獲得百萬元量級的收益。如果該車型產量過低，全生命周期低于1.5萬輛時，？駐P會小于0，即意味著該設計實際會造成產品成本上升。因此該手段同銷量密切相關。

5 結論

綜上所述，在車身項目開發前期，工程技術人員應對開發目標的產品定位和市場需求進行詳盡的分析，制定合理的成本目標，指導后續的開發設計。而在開發過程中，則需要挖掘可降成本的空間，從設計層面提升產品的市場競爭力。這兩個階段所采取的方法可以有效地在不影響產品性能的前提下，降低產品的總體成本，最終為企業提升競爭力作出貢獻。

參考文獻：

[1]（美）斯圖爾特.價值工程方法基礎[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]潘希姣，呂新生.價值工程在汽車前軸總成改進設計中的應用[J].合肥：合肥工業大學學報，2007.

[3]舒磊，方宗德，等.汽車子結構的復合域拓撲優化[J].汽車工程，2008（5）.

[4]徐濤，左文杰，等.概念車身框架結構的多變量截面參數優化[J].汽車工程，2010（5）.

[5]季楓，王登峰，等.轎車白車身隱式全參數化建模與多目標輕量化優化[J] .汽車工程，2014，2.