呂浩 王靜 張桂賢

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

近年來隨著汽車行業(yè)的發(fā)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(fā)展到現(xiàn)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(guān)聯(lián)到其他性能和整車成本。行業(yè)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(dǎo)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(guān)聯(lián)法規(guī)及性能等，來完善整車重量流程及應(yīng)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(shè)定及分解原則）

1.1 不降低其他性能為前提

其他主要相關(guān)性能有剛強度、NVH、操縱穩(wěn)定性等；另外如果因為重量目標太低，導(dǎo)致工藝難度上升，是需要經(jīng)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?qū)崿F(xiàn)

制定重量目標過程中，不能脫離零部件和生產(chǎn)工藝單一的要求減重和調(diào)整生產(chǎn)工藝，應(yīng)該按照生產(chǎn)工藝的規(guī)劃及零部件生產(chǎn)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(guān)性能

2.1 動力性經(jīng)濟性

在重量控制過程中，首要的計算目標是動力性經(jīng)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(jīng)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(shù)；

A——汽車迎風(fēng)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(fēng)阻系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，在普通車輛動力性及經(jīng)濟性計算過程中占比較大，重量目標設(shè)定時可以相互協(xié)調(diào)，同時確定風(fēng)阻系數(shù)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(nèi)阻，可以用車輛的滑行距離來表現(xiàn)，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(jīng)濟性試驗中沒有規(guī)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(jīng)濟性的。比如一款車型發(fā)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(diào)、冷卻風(fēng)扇及發(fā)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(nèi)部產(chǎn)生的異響一般是由于零部件內(nèi)部磕碰、白車身剛強度不足、白車身模態(tài)或局部模態(tài)引起的，因此在設(shè)計中一般有一個下線值。如果是量產(chǎn)期間發(fā)現(xiàn)問題，由于整車NVH 一般是通過增加質(zhì)量（比如包覆材料、吸隔聲材料等）來實現(xiàn)吸隔聲效果的，這會導(dǎo)致量產(chǎn)期間整車重量難以控制[4]。

2.2.1 白車身剛強度

白車身結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)模態(tài)

白車身彎扭模態(tài)，如圖2 所示。

圖2 白車身模態(tài)

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(guān)于碰撞的要求以CNCAP 的碰撞規(guī)則為例，正面和側(cè)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(xié)調(diào)，另外還有強制法規(guī)頂蓋側(cè)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(jié)構(gòu)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(cè)面碰撞、偏置碰撞

圖3 正面碰撞優(yōu)化方案

圖4 側(cè)面碰撞優(yōu)化方案截圖

圖5 偏置碰撞優(yōu)化方案

如圖3、圖4、圖5 的優(yōu)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(yōu)化承力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及性能提升會導(dǎo)致重量的增加。

2.3.2 其他法規(guī)

同樣涉及到結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生調(diào)整或優(yōu)化的性能法規(guī)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(yōu)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(yōu)化方案

3 相關(guān)法規(guī)和政策

重量控制的效果主要體現(xiàn)在動力性經(jīng)濟性上，排放、油耗和公告的法規(guī)政策如下：《乘用車企業(yè)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(tǒng)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(guān)標準；車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告《車輛產(chǎn)品《公告》技術(shù)審查規(guī)范性要求汽車部分》。

作為主機廠除必須滿足相關(guān)標準外，還要密切關(guān)注國家政策法規(guī)，在上述文件中就明確了車輛重量的允許公差，在生產(chǎn)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(fā)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(fù)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(shè)定

5.1 系統(tǒng)級目標的分類

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

表2 系統(tǒng)分類

5.2 重量及質(zhì)心的估算

根據(jù)以往整車重量估算經(jīng)驗，如圖7 所示。得到的由基礎(chǔ)車重量按照系統(tǒng)劃分推導(dǎo)的估算公式，如式（2）所示：

式中：△M——重量變化量，kg；

M——基礎(chǔ)車重量，kg；

α——與車型相關(guān)系數(shù)，根據(jù)各車型取經(jīng)驗值，取值范圍一般在1～1.5。

根據(jù)以往整車開發(fā)經(jīng)驗，對整車空載質(zhì)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(shù)，根據(jù)車輛類型不同而不同。

圖7 質(zhì)心高計算示意圖

5.3 重量及質(zhì)心的計算

對重量進行估算后，結(jié)合各專業(yè)意見，將整車重量目標分解到各個系統(tǒng)，并跟蹤各系統(tǒng)重量目標以確保整車重量目標的實現(xiàn)。

各專業(yè)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(tǒng)車型底盤零部件為例，如表3所示。

表3 某傳統(tǒng)車型底盤零部件

整車質(zhì)心的計算要考慮各總成系統(tǒng)的質(zhì)心，計算公式，如式（4）所示。

式中：h——質(zhì)心高度，mm；

gi——各總成質(zhì)量，kg；

hi——各總成的質(zhì)心高度，mm。

6 重量控制中重要節(jié)點

重量控制過程中必須要重點關(guān)注的5 個節(jié)點：1）整車策劃階段，該階段需要明確整車其他性能目標、結(jié)構(gòu)選型和所需滿足的法規(guī)。2）方案確定階段，該階段需要明確各部件的系統(tǒng)分類及重量質(zhì)心的統(tǒng)計，為后續(xù)設(shè)計提供依據(jù)。3）生準數(shù)據(jù)發(fā)放階段，該階段需要根據(jù)零部件詳細設(shè)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(tài)較好的車輛進行實車驗證為后期設(shè)計變更積累數(shù)據(jù)。5）量產(chǎn)階段，該階段進行重量目標的最終實車符合性驗證[6]。

7 結(jié)論

眾所周知質(zhì)量無小事，同樣性能控制在整車設(shè)計過程中一樣來不得半點馬虎。對于企業(yè)來說輕則費工費時，重則在公告之后進行調(diào)整，使本企業(yè)所生產(chǎn)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(guān)的法規(guī)及性能等參數(shù)具有廣泛的應(yīng)用性，文章所描述的流程及節(jié)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(yīng)用此方法考慮重量控制的過程能夠?qū)⒄囍亓空`差控制在2%以內(nèi)，該方法同樣適用于其他性能控制。今后的工作和研究中應(yīng)分別在相關(guān)性能的關(guān)鍵路徑、法規(guī)分解檢查表、重要節(jié)點評審內(nèi)容和相關(guān)性能協(xié)同等方向上繼續(xù)努力。