基于低成本的轎車車身結構設計與研究

李仲奎 徐澤彬 呂祝星

（東風汽車公司技術中心，武漢430058）

主題詞：轎車車身 低成本 結構設計 實例驗證

1 引言

低成本、輕量化已經成為汽車今后發展的必然趨勢[1]。低成本也就意味著可以有更低的車輛售價，有更高的市場競爭力。在傳統家用轎車市場，低價策略已成為各大整車廠爭取市場份額的重要手段。車身作為整車的重要組成部分，其成本控制的優劣對整車的成本也有較大影響，然而車身的設計關系到材料、工藝、制造，以及車身需達到的各種性能，例如：強度、剛度、NVH、耐撞性、耐久、密封、防腐、輕量化等。如何控制車身成本和平衡車身性能就成了車身設計的難點之一。

在車身設計過程中盡早達成車身性能目標，并采用合理的車身結構、材料、工藝來控制制造成本，對整車的開發成本控制具有重要的意義。本文從車身設計角度出發，探討降低轎車車身制造成本的方法，為車身結構設計提供參考。

2 車身成本的影響因素

2.1 車身件概述

轎車車身主體結構又稱為白車身，見圖1，多為眾多的鋼板焊接而成，是車輛其它重要零部件安裝的載體。車身成本占據整車成本的10%～15%，車身成本里包含原材料成本、沖壓成本、焊接成本、涂裝成本和其它成本，其中原材料成本占車身總成本的75%左右[2]。

2.2 與車身成本相關的因素

⑴原材料的價格

車身可采用的材料有鋼板、鋁、鎂、塑料、復合材料等。不同的原材料，價格自然不同。

圖1 車身主體結構形狀

⑵材料利用率[3]

車身消耗的原材料量越少，廢料率越低，其材料利用率相應就越高，成本也就越低。

⑶車身結構、車身重量

車身結構越簡單，其制造工藝就越簡單；車身質量越小，其用材就必然越少。

⑷車身性能

車身強度、剛度、NVH、耐撞性、耐久、密封、防腐、輕量化性能達成是車身設計的重要目標，越早達成車身性能目標，后期更改反復的次數就越少，投入的成本也就越低。

⑸工藝復雜度

車身結構設計千人千樣，不同的產品設計影響到工裝的復雜程度、序數。零件工藝越簡單，加工序數越少，工裝成本就越低。

⑹邊角處造型面平緩化

在車身外覆蓋件的分界處，例如燈周邊、背門上下部之間，分縫線越平緩、面差越小，越有利于減輕制造難度，降低工裝成本。

⑺車身附件使用量

車身上使用的3 片（阻尼片、補強片、膨脹片）數量、堵蓋數量也影響到車身的成本。

3 低成本車身設計方法

3.1 選用價格低廉的材料

從鋼板、鋁、鎂、工程塑料、復合材料等的成本對比來看（表1），鋁合金車身，僅物料成本就是鋼制車身的3倍，而且制造成本也明顯增加。雖然采用鋁合金車身可以減重30%左右，但白車身總體成本還是達到了傳統鋼制車身的2.5倍以上。碳纖維復合材料減重幅度可以高達60%，但物料成本卻是普通鋼制外覆蓋件的12～16倍，同時也是鋁合金外覆蓋件的4～6倍。

成本因素是決定車型是否成功的關鍵因素，因此，在中低端車型設計上，選用普通鋼板、高強度鋼板、工程塑料制造車身仍是主流。此外需加大高強鋼的應用比例。在滿足目標性能的前提下，不宜采用成本較高的新材料、新工藝。

表1 原材料價格及減重量[4]

3.2 提高材料利用率

提高車身材料利用率，總結起來大致分為以下6種類型：

⑴廢料再利用

一般車身零件在沖壓裁剪過程中會去除多余的料，尤其對于側圍外板（帶門洞）[5]、頂蓋外板（帶天窗）、背門外板等件先天性地要裁剪部分胚料。

⑵零件分塊方式變更

不同的分塊方式、結構形狀會影響到材料的利用率，例如零件分塊后的形狀方方正正，裁剪的料相對就少，材料利用率相對就高。

⑶成形工藝的使用

采用成形工藝在部分零件上相比拉延工藝可以提高材料利用率。

⑷模具工藝優化[6]

對部分零件采用一模雙件或一模多件，可以減少工藝補充，提升材料利用率，也能降低零件成形難度。

⑸零件尺寸與卷料寬度匹配

車身零件分塊后的尺寸正好與卷料寬度相匹配，即卷料寬度的整體、1/2、1/3、1/4等正好匹配零件的寬度或長度，避免產生過多裁剪廢料。

⑹其它方法

包括零件結構優化、胚料形狀優化、應用淺拉延工藝、采用管材、采用激光拼焊、采用輥壓工藝等措施來提升材料利用率。

3.3 簡化車身結構、減少用料

車身結構設計，應追求極簡設計。在滿足功能、性能的前提下應盡量讓零件結構簡單，盡量不設計多余的零件和結構復雜的零件，以減少用料。

由于轎車車身是承載式，好的車身架構形式應該像C60（足球烯）那樣，由若干個正幾何圖形邊邊相連，形成一個堅固的殼體。但是受限于車身的功能需求，車身的架構雖不能規則如球狀，但是也要求能由邊邊相連的若干個環狀路徑構成（圖2）。圖中車身下底板上可劃分為⑴、⑵、⑶、⑷4個環狀路徑，沿車身橫斷面可劃分為⑸、⑹、⑺、⑻、⑼5個環狀路徑，4個車門可劃分為4 個環狀路徑⑽、⑾、⑿、⒀，車身頂部可劃分為⒁、⒂、⒃、⒄4 個環狀路徑，共計17 個主要環狀路徑。此外，還可以進一步劃分出局部區域的環狀路徑來。不同款型的車身環狀路徑大同小異。

圖2 環狀路徑的車身架構形式

環環相連的結構設置目的是實現車身整體性能最大化。此外，動力總成固定點、前后懸架固定點、安全帶固定點、座椅固定點等重要零部件的固定點盡量設計在環狀路徑上。一是能提升環狀路徑性能，二是能保證功能件自身固定點強度。

在環狀路徑之外，車身的其它部分結構盡量簡單化，能一件兩用、多用的地方，就考慮通用化設計，可以大大減少車身零件的數量及復雜程度，進而能大大降低車身的成本。

3.4 注重車身性能設計

在車身結構設計的早期，就應該考慮的車身功能、性能設計，當車身功能、性能在設計初期滿足后，接下來就可以考慮車身的輕量化、簡化設計，也能夠更好地避免后期因功能、性能不滿足造成更改帶來額外的成本增加。如果車身各種性能一次性達成預期要求，后期少更改或沒有更改，車身成本就可以控制到最低水平。

對低成本車身來說，自然不會追求過高的性能目標，滿足一般目標要求即可，見表2。當車身的各種性能、功能都滿足后就可以大力開展低成本化設計工作了。

表2 低、高成本車身性能參數目標對比

在不降低太多性能，不增加太多質量的前提下，車身結構能簡單的盡量簡單，能通過改變結構加強的盡量不額外增加多余的零件，斷面能簡化的盡量簡化[7]，可不用的加強板就考慮去除，能采用點焊的就減少氣體保護焊。在防腐要求不高的地方可用裸板代替鍍鋅板。

3.5 工藝降成本

車身是由眾多的鋼板件焊接而成的，制造車身先后要經歷沖壓、焊裝、涂裝3大工藝，如果能在生產過程中減少工裝和設備的投入，減少工序流程、減少人力工時，以及減少用材、用料，就可以減少車身成本的投入。

針對沖壓工藝，車身零件的設計需注意拉延和成形工藝性，能3序完成制作的就盡量避免4序，能避免整形工藝的就盡量不采用整形工藝。針對焊裝工藝，車身零件的分塊需注意焊接工藝性，既要少定義焊接點，更要考慮焊接操作方便性。針對涂裝工藝，車身內腔的設計要注意電泳底漆形成的方便性，能否達成相應的漆膜厚度，此外要注意減少涂膠線的長度，考慮涂膠操作的方便性。

此外，焊裝時點焊密封膠、減振膠的定義，涂裝時抗石擊涂層的定義都得考慮成本的最低化。

在車身設計時還需重點關注尺寸工程內容，從零部件結構設計時就需加強尺寸控制定義，為沖壓、焊接、涂裝、總裝各大工藝及檢測環節設計統一的RPS定位系統，保證車身零件生產的一致性，既能減少后期為提升精度付出的投入，也能減少大部分的質量缺陷問題發生。

3.6 邊角處造型面平緩化

車身外覆蓋件因零件尺寸大、邊角結構復雜往往需要較高的制造成本，因其與造型面直接相關，其工藝性受造型面影響較大。造型往往為了追求犀利的外觀，會造成外覆蓋件局部結構的突變，再加上外覆蓋件一般兼顧密封功能，其相關連接件結構也較為復雜。圖3是某車型后尾燈處車身結構，由多件焊接而成，不僅廢料率高，增加涂膠用量，其沖壓工藝、焊接工藝都很復雜，尺寸控制也很困難。如果能平緩該處造型分界、降低面差突變，或者將后尾燈全部放置到背門或行李箱蓋上，對降低成本會有很大的裨益。

對于轎車車身來說，將焊接車身的結構簡單化，降低焊接車身的生產成本，將外觀犀利的風格更多體現在前后燈、前后保等外飾件自身上，可以最大程度地降低車身成本和整車成本。

圖3 后尾燈周邊車身結構

3.7 降低車身附件使用量

一般車身上必不可少地要粘貼阻尼片、補強片、膨脹片，也要安裝堵蓋密封。針對車身上可能粘貼阻尼片的薄板件區域設計時，需關注薄板區域的剛度提升設計，尤其需關注前后地板、前圍擋板、后輪罩板的局部剛度提升設計，可通過加強筋、加強沉臺、凸臺設計達到板材的延伸，提升其剛度，進而減少阻尼片的使用范圍。針對車身上可能粘貼補強片的薄板區域設計時，比如側圍外板后部、頂蓋外板，需考慮內側加強件的支撐和涂抹減振膠提升局部剛度的目的。在膨脹片的設計上，力爭最少的膨脹片布置達到最優的隔音效果。

在減少車身堵蓋使用上，可以通過焊裝定位孔與涂裝工藝孔共用、線束過孔與涂裝工藝孔共用達到減少堵蓋的使用量，以及簡化堵蓋的種類來降低堵蓋模具成本。

4 某車身結構設計實例

4.1 某車身結構設計

根據前文所述，在開發某車身時為追求低成本做出了一些規劃。

①采用價格相對低廉的鋼制車身，僅A柱、B柱加強板、門檻梁加強板采用高強度鋼板；在輕質材料應用上，主要采用了工程塑料蓄電池托盤、工程塑料后保險杠緩沖橫梁等。

②在提升材料利用率方面，按照前文介紹的方法，多管齊下，綜合考慮，力爭最大化減少材料浪費，降低車身制造成本。

③考慮車身承載性能，通過眾多的環狀路徑形成較高性能的車身，如圖4所示。當車身性能滿足時，就盡量簡化其結構來降低車身制造成本。

④在車身設計初期就考慮車身各種性能的滿足，避免后期因提升性能產生額外的費用。

⑤在車身零部件設計上，考慮減少制造過程中工裝、設備的投入，考慮簡化工藝流程，力爭將制造成本降至最低。

圖4 某車身主體架構示意

⑥在外覆蓋件的設計上，督促造型在分界上、面差設定上盡量平緩化，以簡化外覆蓋件的工藝。

⑦在降低車身3 片及堵蓋使用上，注重薄板區域的剛度提升設計，注重工藝孔、功能孔的通用化設計，將車身附件使用量降至最低。

4.2 某車身成本參數

根據前文描述，開展車身的低成本化設計。某車型整車尺寸，長×寬×高：4 530 mm×1 730 mm×1 490 mm。在車身性能定義上，以滿足前文描述的基本性能定義為目標，按10 萬輛量綱進行計算，平均每臺車身制造成本為5 675 元，比常規開發降成本約11%，并且車身性能基本相當。

5 結束語

該文從低成本角度出發圍繞車身結構設計探討車身低成本的設計方法，包括：選用價格低廉的材料，提高材料利用率，簡化車身結構、減少用料，滿足基本的車身性能設計，工藝降成本，邊角處造型面平緩化，降低車身附件使用量等措施。針對產品定位，以滿足其性能目標定義為前提，以追求最低成本所開展地有的放矢的車身結構設計。以期車身設計越來越精細化，進而邁入車身設計的高級階段，達到本土汽車的車身設計也具有較高市場競爭力的水平。