整車及系統質量目標評估方法

李多 李飛 王帥 門立忠

（華晨汽車工程研究院）

隨著國家排放法規的越來越嚴格，各車企不遺余力地采用輕量化技術對車型進行減重。實踐證明，整車質量減少10%，尾氣排放將減少7%，油耗降低6%～8%，節能減排貢獻巨大。目前針對輕量化技術的研究比較多，制定整車及系統質量目標的方法卻較少，因此提出一種合理有效的質量目標評估方法顯得尤為必要[1]。文章對行業內近幾年的整車質量參數進行整理，形成整車質量數據庫，應用該數據庫進行質量目標的預測；在評估系統質量目標時，同樣借助車型系統質量數據庫，考慮行業內輕量化技術及其所帶來的成本變化等因素，實現系統質量目標的制定，進而實現整車質量目標的制定；通過售價-比值模型驗證質量目標制定的合理性。

1 整車質量目標的評估

項目初期，整車質量管理主要的工作內容為質量目標的制定。在評估時，應用行業內近幾年的車型質量數據進行趨勢分析，得到年平均輕量化系數，再結合標桿車型制定初版整車質量目標。

1.1 整車質量參數分析

車型質量參數數據庫按照年限劃分為2016，2017，2018 年，數據庫的邊界設定在100 萬元以下的SUV 車型、全部國產車型、絕大部分合資車型以及部分進口車型。根據該數據庫建立等效體積-整備質量模型，然后對模型進行修正，保證每一年的模型具有良好的線性相關性，如圖1 所示。對3 年的數據進行整體分析，整理成一個數據模型，如圖2 所示，發現隨著年限的變化，等效體積越大的車型輕量化程度越加明顯，因此，將該變化趨勢進行量化，得到研發車型體積大小的車型輕量化率為3%左右，預測未來幾年年平均輕量化系數為1.5%左右。

圖1 2016—2018 年等效體積-整備質量模型

圖2 2016—2018 年車型等效體積-整備質量模型匯總

1.2 整車質量目標的制定

在車型基本參數數據庫中，主要考慮與研發車型等效體積相當、銷量較好、自主品牌且價格區間相似的車型，將這類車型作為主要競品車型，在模型當中體現出這些車型的輕量化程度，如圖3 所示。

圖3 競品車型質量目標評估模型

二次提取，在主要競品車型中，查詢等效體積更接近且價格與項目組定義相當的車型，定義該車型為質量標桿車型，將該車型的質量基本參數與研發車型進行對比、分析，同時借助圖3 實現研發車型的初版質量目標制定。

表1 示出研發車型初版質量目標評估。通過質量評估模型[2]計算得到初版質量目標為1 462 kg，考慮到車型的研發周期，預計車型會在2 年后上市，意味著通過當前的標桿車型分析得到的整備質量僅能體現出當前的狀態，即若該車型2019 年上市，其輕量化程度與標桿車型相當；若未來上市其輕量化水平可能不具備競爭優勢。通過前面輕量化率的分析得到，行業內車型的整備質量預計會以1.5%/年的整車質量占比下降。因此，在定義研發車型的質量目標時，要考慮到2 年輕量化率所帶來的影響，從而實現對未來上市車型的質量預測。經計算，研發車型的質量目標預計為1 420 kg。

表1 研發車型初版質量目標評估

2 系統質量目標的制定

整車質量目標制定完成，該目標為1 級質量目標，進一步分解到各系統，即2 級系統質量目標，要通過系統質量目標的實現進而修正整車質量目標。因此制定、管控各系統的質量目標對整車質量目標的實現具有重要意義。

2.1 初版系統質量目標的制定

分析主要競品車型系統質量數據庫，計算系統質量占比結果，同時應用初版整備質量目標結果分析得到研發車型初版系統質量目標，如表2 所示，該數值體現的是行業內的平均水平，不是具體的針對研發車型制定的系統質量目標，因此需要修訂該目標來制定符合研發車型的系統質量目標。考慮系統輕量化技術，在滿足成本的條件下，對初版目標進行制定。

表2 研發車型初版系統質量目標

2.2 車身系統質量目標分析

車身系統在整車中占比較大，材料組成較單一，大部分為鋼材質。采取的減重措施有結構優化、更換輕質材料和工藝優化。

1）結構優化可以在項目開發前期通過CAE 分析實現，但是減重幅度有限。針對該車型，預計可以通過結構優化實現5 kg 的減重。

2）更換輕量化材料，即采用輕量化水平較好的方案——鋁車身結構可以實現大幅度減重[3]，但是成本高限制了該方案的應用，目前僅在高端車型上有所應用。采用先進高強鋼代替高強鋼，同時加大熱成型零件的應用比例，會達到良好的減重效果，該方案技術成熟且會降低成本，為目前車身減重的最佳方案。分析同平臺車型白車身先進高強鋼的應用情況，其比例為6.63%，熱成型零件的應用比例為3.96%，應用比例均較少，因此可以加大其應用比例實現輕量化。在車身的主要承力部件上，即在力的傳導路徑上加大其應用比例[4]，可以在保證白車身剛度和強度不變的前提下達到較好的減重效果。根據如上應用原則，研發車型的先進高強鋼和熱成型應用比例共可達到30%以上，從而可以實現減重18 kg 以上。

3）在工藝角度，剪短白車身焊接邊的長度也是其輕量化的方向之一。通過數模分析發現，白車身焊接邊的長度平均每減少1 mm，質量預計會減少3 kg。通過比較同平臺車型，在保證工藝可行性的條件下，研發車型白車身的焊接邊長度可以平均減少2 mm，預計實現6 kg 的減重。

綜上，在同平臺車型的基礎上，可以通過結構優化、先進高強鋼的應用及工藝優化等方式實現29 kg 的減重，因此，初步定義白車身質量目標為312 kg，如圖4所示。

圖4 白車身減重分析

提取主要競品車型的白車身質量信息，包括白車身質量占比及其整備質量，建立整備質量-白車身質量占比模型，如圖5 所示。通過分析發現，隨著整備質量的增加，白車身質量占比呈現下降趨勢，說明質量越大的車型白車身輕量化程度越明顯。將研發車型白車身初版質量目標放入該模型中，發現該目標位于趨勢線附近且在趨勢線下方，優于大部分車型質量，目標合理，優勢明顯。

圖5 整車整備質量-白車身質量占比模型

2.3 閉合件系統質量目標分析

閉合件系統包括車輛的前后門、發動機艙蓋、尾門及翼子板，這些零件的結構相對簡單且均為金屬材質，減重途徑和車身類似，可以通過更換材料和結構優化來實現輕量化。

1）輕質材料替換。將發動機艙蓋或翼子板更換為鋁合金材質，減重幅度可達到40%以上，且技術成熟。對發動機艙蓋而言，目前在合資車型及進口車型上應用較多，自主品牌也有應用，但應用車型較少；鋁合金翼子板的應用則更少，雖然減重比例較大，但減重量較少，且成本相對較高。

2）結構優化。拆解主要競品車型的前后門、發動機機艙蓋、尾門及翼子板系統，測量其板材的實際厚度，同時考慮板材的拉延率影響，分析得到競品車型閉合件的理論板材厚度，將其與同平臺車型進行對比，發現主要競品車型的板材厚度相對較薄，如表3 所示。通過數據分析發現，同平臺車型若采用該板材厚度[5]，預計能實現4 kg 左右的減重。

表3 研發車型與競品車型閉合件系統厚度對比分析

此外，由于結構尺寸優化，預計能夠實現減重2 kg。綜合輕量化分析結果，鋁合金材質替換減重8.5 kg；結構優化（厚度減薄與尺寸變化）實現減重6 kg，因此，初步定義閉合件系統質量目標為97.5 kg，如圖6 所示。

圖6 整車閉合件減重分析

同理建立整備質量-閉合件質量占比模型，如圖7所示，發現隨著整備質量的增加，閉合件質量占比處于下降趨勢，說明大型車輛閉合件系統輕量化程度明顯。分析研發車型閉合件系統，其質量接近趨勢線且在其下方，優于大部分車型質量，目標合理，優勢明顯。

圖7 整車整備質量-閉合件質量占比模型

2.4 底盤系統質量目標分析

底盤系統零部件以金屬材質為主，塑料橡膠材質為輔。從表2 中可以看出，其行業內的整車質量占比達到24.25%，為整車質量占比最大的系統，存在很大的減重空間，因此，結合主要競品車型分析底盤系統中的主要零部件，進而找到減重方向。

在項目開發階段，定義底盤系統前懸架形式為麥弗遜、后懸架為扭力梁。提取主要競品車型中底盤懸架形式相似的車型，分析其中零部件的材質及結構形式，發現零部件的材質主要以鋼、鋁及塑料為主。借助A2mac2 數據庫進一步分析，整理底盤系統材料質量占比，如圖8 所示，得出行業內底盤系統鋁材質量占比為17.43%，同平臺車型的占比為13.31%，與行業水平相比，鋁材質量占比相差4%以上，因此加大鋁合金材質的應用比例，用鋁材質代替鋼材質將會是底盤系統輕量化的一個方向。

圖8 汽車行業內底盤系統材料質量占比

現有同平臺車型底盤零部件大部分為鋼材質，而在競品車型中，所有車型均不同程度地采用鋁合金零件，主要有前副車架[6]、前后轉向節、前三角臂[7]以及前防塵罩等，因此在研發車型中可以對這些零件采用鋁材實現減重?？紤]減重幅度和技術成熟度等原因（后面將其融入到整車成本中進行分析），對前副車架和后轉向節采用鋁材，可以最大程度地減少零部件的質量，其減重幅度達到35%以上。

在尺寸方面，研發車型的整體尺寸小于同平臺車型，因此由于尺寸原因預計可以減重4 kg。綜合減重因素，可得底盤系統質量目標為340.5 kg，如圖9 所示。

圖9 整車底盤系統減重分析

建立整備質量-底盤質量占比分析模型，如圖10所示，發現底盤質量占比基本不隨整備質量的變化而變化，說明底盤質量占比趨于穩定。將研發車型底盤質量占比帶入模型中，發現其占比接近趨勢線偏下，目標合理，優勢明顯。

圖10 整車整備質量-底盤質量占比模型

2.5 內飾系統質量目標分析

對內飾系統進行質量目標制定時，可以將其分為兩大子系統來分析。

1）座椅類。項目開發時會對車型的座位數進行定義，數量會直接影響到內飾質量，同時也會間接影響到非座椅類的零件質量。該研發車型座位數為5 座且座椅為通用件，僅在外觀造型上略有區別，功能上沒有變化。因此這一部分質量可以以同平臺車型實測座椅質量為目標質量。

2）非座椅類。在主要競品車型中考慮5 座競品車型，分析其零部件，由于內飾大部分零件為非金屬材質，可以通過對零部件采用低密度材料或是通過以塑代鋼的形式來實現減重。具體減重方案如下：

a.低密度材料的應用[8]。儀表板面板、前后門內飾板以及尾門內飾板等均可以用低密度PP 材料替換傳統材料來實現減重，替換后零件質量預計減少2.5 kg。

b.以塑代鋼。項目定義研發車型有電動天窗配置，分析天窗周邊結構發現，在主要競品車型中，天窗骨架大部分采用塑料材質，而同平臺車型為金屬材質，因此針對研發車型，在保證天窗性能的基礎上可以對其進行以塑代鋼處理。經評估后預計減重1 kg。

c.輕質隔聲材料的應用。隔聲材料在非座椅類中占有很大比例，分析該部分零件發現，同平臺車型的頂棚隔聲材料采用纖維毛氈材質，而競品車型大部分采用雙組分吸聲棉材質，由于該材料不僅質量輕，而且NVH 性能良好，僅在成本上略有增加，因此建議研發車型采用該材質作為頂棚隔聲棉。應用后預計減重1 kg。

d.結構影響。由于研發車型的結構尺寸比同平臺車型略小，因此由于尺寸因素預計減重2.5 kg。

綜上，根據內飾子系統中的零件結構特性和材料特性，采用合適的輕量化方案實施減重，預計共減重7 kg，因此，內飾系統質量目標為155 kg，如圖11 所示。

圖11 整車內飾系統減重分析

2.6 其他系統質量目標分析

在動力及傳動系統質量目標的制定方面，研發車型沿用同平臺動力總成系統，因此針對動力和傳動兩大系統，質量目標沿用同平臺車型實測動力總成系統質量。

在外飾系統質量目標的制定方面，研發車型在外飾系統上采用的材料與平臺車型基本一致，尺寸上略微小于平臺車型，僅在造型上變化較大，因此定義外飾質量目標為38 kg。

在附件、電氣及安全系統質量目標的制定方面，這3 個系統的質量受車輛功能影響較大，將其與平臺車型比較，僅在功能上有所增加，零件增加卻較少，因此對系統質量影響極小，所以這里分別將同平臺車型的系統實測質量作為研發車型的系統質量目標。

油液質量主要受到車型油箱體積大小的影響。項目定義研發車型的油箱大小與同平臺車型一致，因此質量目標沿用平臺車型實測油液質量值。

3 成本分析

各系統均采用了輕量化方案進行減重，實現了系統質量目標的制定，但方案的應用會不同程度地影響到整車的成本。因此，接下來重點對各系統減重所帶來的成本變化情況進行分析。

1）白車身系統。先進高強鋼的應用會降低白車身的成本，焊接邊的剪短會節省材料用量。

2）閉合件系統。零件厚度的減薄節省了材料成本，鋁合金發動機艙蓋的應用大幅度增加了材料成本。

3）底盤系統。前副車架和后轉向節采用鋁合金材質，增加了底盤系統成本。

4）內飾系統。低密度材料、PA 天窗骨架以及雙組分吸聲棉的應用增加了材料成本。

整理行業內的所有輕量化方案，其中涉及的內容包括成本信息、減重信息以及技術方案信息，建立輕量化方案-成本評估模型，在模型中根據項目需求，建立減重-可接受成本模型，如圖12 所示。

圖12 整車減重-成本分析模型

經過分析得出：1）根據當前行業內的技術水平，減重41.2～43.1 kg 時，預計可減少開發成本。2）若取成本增加的上限，當減重≤62.85 kg，即成本增加≤972.8 元時，則減重所帶來的成本增加小于等于行業內可接受成本，因此最多可減重62.85 kg，若減重大于該值則存在超支風險。3）若取成本增加的下限，當減重≤86 kg，即成本增加≤1 290 元時，減重所帶來的成本增加小于等于行業內可接受成本，因此最多可減重86 kg。由于該狀態為成本下限值評估，存在超支風險，所以需要根據項目具體情況，采用合理的輕量化方案實現成本和減重的平衡。

根據前面的分析，采用行業技術成熟的輕量化方案，同時不考慮成本因素，預計能夠減重70 kg，該減重幅度超過了62.85 kg，存在超支風險。因此，在已經提出的輕量化方案中，需要舍去成本增加較多的方案來平衡減重與成本的關系。

在底盤系統中前副車架改用鋁材和閉合件系統中發動機艙蓋改用鋁材均有大幅度的成本增加，且減重程度相當，但前者成本增加更多，受此影響，不采用鋁材質前副車架的輕量化方案。綜上，考慮成本因素后，整車減重幅度為62 kg，小于62.85 kg，由圖12 可知，該幅度不存在超支風險，且最大程度地實現了整車減重。

考慮成本因素最終確定各系統質量目標，如表4所示，經計算整車質量目標為1 422 kg，同大數據分析得到的結論（1 420 kg）接近，由于該質量目標為系統質量目標累加的結果，準確性及可實施性更高，因此這里修正得到研發車型的質量目標為1 422 kg。

表4 研發車型終板系統質量目標 kg

4 整車質量目標競爭力分析

建立售價-比值模型，如圖13 所示。

圖13 整車售價-比值模型

主要競品車型整車基本參數，如表5 所示。

表5 主要競品車型整車基本參數

對表5 中的數據進行處理，所有主要競品車型均考慮3 年輕量化率的影響，通過該模型判斷整車質量目標的可靠性及合理性。該模型共分為4 個判定區間，分別為領先區間、優勢區間、競爭區間和無競爭區間，一般情況下，大部分車型均處于競爭區間和優勢區間。

通過計算得到研發車型的等效密度為8.78 m3/kg，處于8.71～8.98 m3/kg 范圍內，如圖13 所示。因此研發車型處于優勢區間且輕量化程度優于大部分車型，即該車型若未來上市，市場競爭力明顯，驗證了前期制定的整車質量目標的可靠性和合理性。

5 結論

文章論述了一種整車及系統質量目標評估方法，即通過標桿車型制定研發車型的當前質量目標，根據行業內質量數據庫預測未來市場輕量化水平，從而初步制定研發車型質量目標。然后對系統質量目標進行評估，需考慮行業內系統質量平均水平、輕量化技術及成本等因素來進行綜合評定，進而確定研發車型質量目標。最終對該目標進行市場競爭力分析，以此完成整車質量目標的評估。該方法將整車輕量化率、系統輕量化技術和整車成本等因素結合到一起，提高了研發車型質量目標制定的合理性。