整車重量控制流程及應用

呂浩 王靜 張桂賢

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

近年來隨著汽車行業的發展，主機廠對整車的性能及成本控制越來越精細。而重量控制也從早期的重量跟蹤發展到現在的目標控制，然而重量目標不僅僅單獨的只是整車或者零部件的重量那么簡單，它還關聯到其他性能和整車成本。行業中對整車重量控制的重要度認識不足、控制方法及流程也有所不同，導致整車重量控制工程師在實際操作中困難重重。文獻[1]通過分析整車重量控制的關聯法規及性能等，來完善整車重量流程及應用供大家參考。文章以承載式轎車為例，進行簡單論述。

1 整車重量的控制原則（重量目標設定及分解原則）

1.1 不降低其他性能為前提

其他主要相關性能有剛強度、NVH、操縱穩定性等；另外如果因為重量目標太低，導致工藝難度上升，是需要經過嚴格探討后才能決定的。

1.2 不增加或少增加成本為前提

在制定重量目標過程中，成本控制也是零部件方案中的重要因素，不能因為重量目標制定太低而過多的增加成本，影響整車的競爭性[2]。

1.3 各零部件能夠實現

制定重量目標過程中，不能脫離零部件和生產工藝單一的要求減重和調整生產工藝，應該按照生產工藝的規劃及零部件生產工藝給出一個合理的控制目標，既不能太低也不能太高[3]。

2 整車重量相關性能

2.1 動力性經濟性

在重量控制過程中，首要的計算目標是動力性經濟性計算，而計算過程中又必須了解汽車的阻力特性。汽車在道路上行駛必須克服行駛阻力，行駛阻力包括空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力和加速阻力。下面就幾種阻力對經濟性影響較大的因素加以說明。

2.1.1 空氣阻力

式中：Fw——空氣阻力，N；

CD——空氣阻力系數；

A——汽車迎風面積，即汽車行駛方向上的投影面積，m2；

u——汽車行駛速度，km/h。

從式（1）中可以看出，空氣阻力和風阻系數及迎風面積成正比，在普通車輛動力性及經濟性計算過程中占比較大，重量目標設定時可以相互協調，同時確定風阻系數及重量目標。

2.1.2 滾動阻力及車輛滑行距離

滾動阻力來源于道路阻力和車輛內阻，可以用車輛的滑行距離來表現，試驗方法參照GBT 12536《汽車滑行試驗方法》。

2.1.3 整車用電功率

雖然在動力性經濟性試驗中沒有規定哪些用電器必須開啟，但車輛在用戶實際使用過程中，整車用電的功率卻是實際影響動力性經濟性的。比如一款車型發動機排量為1.2 T、整車重量為1 200 kg，這輛車在爬坡過程中空調、冷卻風扇及發電機的開閉對汽車的加速性能都具有一定的影響。

2.2 NVH 和舒適性

整車內部產生的異響一般是由于零部件內部磕碰、白車身剛強度不足、白車身模態或局部模態引起的，因此在設計中一般有一個下線值。如果是量產期間發現問題，由于整車NVH 一般是通過增加質量（比如包覆材料、吸隔聲材料等）來實現吸隔聲效果的，這會導致量產期間整車重量難以控制[4]。

2.2.1 白車身剛強度

白車身結構，如圖1 所示，白車身剛度目標，如表1所示。

圖1 白車身示意圖

表1 白車身性能目標

2.2.2 白車身彎曲及扭轉模態

白車身彎扭模態，如圖2 所示。

圖2 白車身模態

2.3 整車被動安全

對于承載式車身的轎車來說，整車碰撞的主要承載零部件是白車身，關于碰撞的要求以CNCAP 的碰撞規則為例，正面和側面碰撞要求白車身在2 個單向剛度大，而偏置碰撞要求白車身左右剛度匹配協調，另外還有強制法規頂蓋側壓、后碰撞等試驗，通過每個方向不同的碰撞試驗對整車或白車身有一定的要求，而滿足這些要求結構強度就必須達到一定的要求，進而對于重量也就有了最低限制。

2.3.1 正面碰撞、側面碰撞、偏置碰撞

圖3 正面碰撞優化方案

圖4 側面碰撞優化方案截圖

圖5 偏置碰撞優化方案

如圖3、圖4、圖5 的優化方案所示，可以看出，在滿足碰撞性能的過程中需要不斷地優化承力結構，結構的優化及性能提升會導致重量的增加。

2.3.2 其他法規

同樣涉及到結構可能產生調整或優化的性能法規還有行人保護、小偏置及柱撞試驗等性能要求也需要重點考慮。如圖6 所示，在小偏置優化方案中需要對A中進行加強才能滿足性能目標的要求。

圖6 小偏置優化方案

3 相關法規和政策

重量控制的效果主要體現在動力性經濟性上，排放、油耗和公告的法規政策如下：《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》；GB 27999乘用車燃油消耗量評價方法及指標；GB 19233 輕型汽車燃油消耗量試驗方法；其他傳統車及電動車標準，滑行試驗、爬坡試驗、最高車速、加速性能試驗等相關標準；車輛生產企業及產品公告《車輛產品《公告》技術審查規范性要求汽車部分》。

作為主機廠除必須滿足相關標準外，還要密切關注國家政策法規，在上述文件中就明確了車輛重量的允許公差，在生產加工過程中也必須要嚴格控制。

4 新材料、新工藝對重量的影響

隨著科技發展及成本的降低，在新車型上使用新材料及新工藝成為可能，如碳纖維、壓鑄鋁、鋁型材及復合材料。在不增加或少增加成本及保持整車性能其他目標的情況下，整車重量會大幅減少，目前在電動車型或新能源車型中該方案成為了各大主機廠的迫切需求[5]。

5 目標設定

5.1 系統級目標的分類

按照系統劃分整車重量控制單元，以某傳統燃油車為例，按照專業一級目錄可以劃分為動力總成及附件、底盤、白車身、內飾、外飾、電子電器等六大部分，二級目錄按照系統分類，具體細分系統，如表2 所示。

表2 系統分類

5.2 重量及質心的估算

根據以往整車重量估算經驗，如圖7 所示。得到的由基礎車重量按照系統劃分推導的估算公式，如式（2）所示：

式中：△M——重量變化量，kg；

M——基礎車重量，kg；

α——與車型相關系數，根據各車型取經驗值，取值范圍一般在1～1.5。

根據以往整車開發經驗，對整車空載質心高度進行估算，如式（3）所示。

其中：Hb=H-R，mm；

式中：H——整車高度，mm；

R——車輪半徑，mm；

β——0～1 之間系數，根據車輛類型不同而不同。

圖7 質心高計算示意圖

5.3 重量及質心的計算

對重量進行估算后，結合各專業意見，將整車重量目標分解到各個系統，并跟蹤各系統重量目標以確保整車重量目標的實現。

各專業對整車EBOM進行梳理，完成總成級別零部件重量收集。以某傳統車型底盤零部件為例，如表3所示。

表3 某傳統車型底盤零部件

整車質心的計算要考慮各總成系統的質心，計算公式，如式（4）所示。

式中：h——質心高度，mm；

gi——各總成質量，kg；

hi——各總成的質心高度，mm。

6 重量控制中重要節點

重量控制過程中必須要重點關注的5 個節點：1）整車策劃階段，該階段需要明確整車其他性能目標、結構選型和所需滿足的法規。2）方案確定階段，該階段需要明確各部件的系統分類及重量質心的統計，為后續設計提供依據。3）生準數據發放階段，該階段需要根據零部件詳細設計將重量目標落實到具體零部件。4）試制階段，該階段需要選取狀態較好的車輛進行實車驗證為后期設計變更積累數據。5）量產階段，該階段進行重量目標的最終實車符合性驗證[6]。

7 結論

眾所周知質量無小事，同樣性能控制在整車設計過程中一樣來不得半點馬虎。對于企業來說輕則費工費時，重則在公告之后進行調整，使本企業所生產車型不能正常上市銷售，錯失市場機會。文章所闡述的與整車重量控制相關的法規及性能等參數具有廣泛的應用性，文章所描述的流程及節點是重量控制的要點，可以為整車重量控制工程師提供參考。應用此方法考慮重量控制的過程能夠將整車重量誤差控制在2%以內，該方法同樣適用于其他性能控制。今后的工作和研究中應分別在相關性能的關鍵路徑、法規分解檢查表、重要節點評審內容和相關性能協同等方向上繼續努力。