趙健 王猛 何亮 熊建華 黃德輝

摘? 要：雖然國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化技術(shù)有了較快的發(fā)展，但在系統(tǒng)性開(kāi)展輕量化工作的流程和方法上依然在摸索中前進(jìn)。本文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外輕量化開(kāi)展現(xiàn)狀，初步搭建了整車(chē)輕量化開(kāi)展流程，制定出一套完整的重量管控流程，嘗試提出了整車(chē)輕量化新的評(píng)價(jià)方法，努力推動(dòng)建立一套規(guī)范的、切實(shí)可行的輕量化工作流程體系，以促進(jìn)汽車(chē)主機(jī)廠降重節(jié)能減排的順利實(shí)施以及輕量化行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：汽車(chē);輕量化;流程體系;重量管控;評(píng)價(jià)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）01-0008-06

Abstract： Although the domestic automobile lightweight technology has developed rapidly， but it is still advancing exploration on the processes and methods to carry out systematic lightweight work. This paper studies the current situation of light weight at home and abroad， initially builds a lightweight vehicle development process， develops a complete weight management process， attempts to propose a new evaluation method for vehicle lightweight， and strives to promote the establishment of a set of standard and feasible lightweight workflow system. To promote the smooth implementation of energy-saving and emission reduction of automobile OEMs and the technical progress of lightweight industry.

Key Words： Vehicle; Lightweight; Process System; Weight Management Process; Evaluation Method

1? ? 前言

隨著汽車(chē)安全、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，安全、節(jié)能、環(huán)保已成為汽車(chē)研發(fā)的熱點(diǎn)問(wèn)題。汽車(chē)輕量化是指在滿(mǎn)足汽車(chē)的安全性能及成本限制的條件下，采用有效的設(shè)計(jì)方法，盡可能地降低汽車(chē)整備質(zhì)量，從而起到提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染的作用，因此，整車(chē)輕量化的研究對(duì)安全、節(jié)能、環(huán)保三大熱點(diǎn)問(wèn)題的解決有著重要的意義。

近年來(lái)，我國(guó)在汽車(chē)輕量化技術(shù)方面的研究取得了較大的成果[1]，汽車(chē)輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟帶動(dòng)下的產(chǎn)學(xué)研上下游鏈條已有效運(yùn)作，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)有色金屬等輕量化材料在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可靠的連接技術(shù)隨之快速創(chuàng)新應(yīng)用，基于有限元分析軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率及精度也逐漸加強(qiáng)，各大整車(chē)制造企業(yè)也逐漸成立了專(zhuān)門(mén)開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用的研發(fā)部門(mén)。

雖然國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化技術(shù)有了較快的發(fā)展，但在系統(tǒng)開(kāi)展輕量化工作方面依然在摸索中前進(jìn)，各大整車(chē)廠對(duì)于如何有效開(kāi)展輕量化、輕量化的開(kāi)展流程、重量管控方法及輕量化評(píng)價(jià)方法也各不相同。為了促進(jìn)輕量化技術(shù)的發(fā)展，作者通過(guò)多年全面的輕量化工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外輕量化開(kāi)展現(xiàn)狀，在整車(chē)輕量化開(kāi)展流程及重量管控體系方面作了一些探索。

2? ? 整車(chē)輕量化開(kāi)展流程體系

以往輕量化工作開(kāi)展一般是融入產(chǎn)品工程師的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著輕量化的發(fā)展與推廣，越來(lái)越多的整車(chē)企業(yè)將輕量化作為一個(gè)綜合業(yè)務(wù)板塊專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)展，而如何有理有據(jù)高效的開(kāi)展輕量化工作，如何分配輕量化業(yè)務(wù)職責(zé)，制定輕量化開(kāi)展流程，成為每個(gè)輕量化部門(mén)所面臨的主要問(wèn)題之一。本文根據(jù)行業(yè)整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)主流程，結(jié)合輕量化實(shí)際開(kāi)展，制定了可銜接的輕量化工作開(kāi)展流程，見(jiàn)表1。

輕量化是重量屬性的管控、是性能優(yōu)化的強(qiáng)化、是材料的有效替換、是新技術(shù)的預(yù)研推廣，是一個(gè)綜合產(chǎn)品性能、成本、重量、周期、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性工作。因此輕量化作為一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)變量，而應(yīng)從設(shè)計(jì)之初開(kāi)始考慮，在前期策劃階段即開(kāi)展輕量化工作，融入而又超脫于整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前期策劃、概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、SOP等主要階段，其開(kāi)展流程的關(guān)鍵屬性包含但不限于重量目標(biāo)的制定、關(guān)鍵系統(tǒng)零部件選型的建議、關(guān)鍵斷面與傳力路徑的分析、基于重量最輕的性能優(yōu)化方案、精細(xì)化優(yōu)化等。

3? ? 重量屬性管控流程及方法

重量屬性作為汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要屬性之一，是輕量化開(kāi)展的主要控制參數(shù)，其合理精準(zhǔn)的控制對(duì)整車(chē)各項(xiàng)性能目標(biāo)的達(dá)成均有重要的意義。重量屬性的管控流程一般包含如下幾個(gè)方面：重量目標(biāo)的制定、評(píng)價(jià)與修正，重量目標(biāo)的分解，重量目標(biāo)及輕量化方案的管控等。

3.1? ?重量目標(biāo)的制定、評(píng)價(jià)與修正

本文通過(guò)整合研究大量重量目標(biāo)制定方法，最終制定出了一套符合主機(jī)廠實(shí)際需求的整車(chē)重量目標(biāo)制定策略;以SUV車(chē)型為例，重量目標(biāo)的初定采用模型計(jì)算法+對(duì)標(biāo)差異法開(kāi)展，具體方法如下：

（1）引入蓮花公司名義體積概念[2]，其計(jì)算公式為：

V=（0.665×（長(zhǎng)- 軸距） + 軸距）×高×寬/1000000000;注：Sedan車(chē)型系數(shù)為0.5

（2）本文通過(guò)采取市面上在售的幾百款主流SUV車(chē)型的尺寸信息及重量信息，擬合出整備質(zhì)量與名義體積的模型計(jì)算公式（見(jiàn)圖1），如下式：

式中：y為汽車(chē)整備質(zhì)量;x為汽車(chē)名義體積;R為相關(guān)系數(shù)。

有別于現(xiàn)有擬合線性關(guān)系，為保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，車(chē)型選取應(yīng)遵循以下原則：選取市場(chǎng)在售車(chē)型、近幾年有更新?lián)Q代的主流車(chē)型，在保證樣本量的前提下，盡可能排除超豪華車(chē)型的成本因素、老車(chē)型歷史輕量化水平低等影響因素。

（3）選取確定標(biāo)桿車(chē)型、競(jìng)品車(chē)型、歷史車(chē)型三款車(chē)型（需要長(zhǎng)寬高、軸距、整備質(zhì)量參數(shù)），選取標(biāo)桿車(chē)、競(jìng)品車(chē)過(guò)程中，建議選取不同體系的車(chē)型，比如，標(biāo)桿車(chē)是日系車(chē)，競(jìng)品車(chē)可選德系車(chē)，公司無(wú)相似歷史車(chē)型的情況下，建議選取國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)型作為歷史車(chē)型選項(xiàng);鎖定新開(kāi)發(fā)車(chē)型相應(yīng)參數(shù)。

（4）通過(guò)上述模型計(jì)算公式，計(jì)算出標(biāo)桿車(chē)型、競(jìng)品車(chē)型、歷史車(chē)型三款車(chē)型模型計(jì)算質(zhì)量與實(shí)際整備質(zhì)量的差值;將新開(kāi)發(fā)車(chē)型模型計(jì)算質(zhì)量分別減去三款車(chē)型模型計(jì)算質(zhì)量與實(shí)際整備質(zhì)量的差值得到相對(duì)應(yīng)的整備質(zhì)量目標(biāo)。

（5）最終將包括模型計(jì)算質(zhì)量在內(nèi)的四項(xiàng)質(zhì)量目標(biāo)選擇求取平均值作為新車(chē)型初步整備質(zhì)量目標(biāo)定義值。

該方法在一定水平上消除了工藝不同產(chǎn)生的差異，消除了模型離散導(dǎo)致的不同，亦消除了不同體系車(chē)型的部分差異，滿(mǎn)足了主機(jī)廠決策層參考標(biāo)桿車(chē)定義目標(biāo)的要求。但此定義的重量目標(biāo)值會(huì)因?qū)?biāo)車(chē)、競(jìng)品車(chē)的選取而有所差異，具有一定的不確定性，因此本文進(jìn)一步引入基于PALS理念的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行重量目標(biāo)的評(píng)價(jià)與修正。

選取15款以上，尺寸、配置、搭載動(dòng)力等盡可能接近的市場(chǎng)車(chē)型，引入名義體積概念，計(jì)算其反向名義密度（等效體積/整備質(zhì)量×1000），并求取平均值X與方差S;根據(jù)平均值與方差，采用下述評(píng)價(jià)方式求出其各項(xiàng)區(qū)間值：

L：領(lǐng)先區(qū)間為[X+1.25S? ?∞）;? ? A：優(yōu)勢(shì)區(qū)間為[X+0.5S? X+1.25S）;

C：競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)間為[X-0.5S? ?X+0.5S）;U：無(wú)競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)間為（∞，X-0.5S）。

將新開(kāi)發(fā)車(chē)型體積密度帶入上述區(qū)間，確定初步整備質(zhì)量定義值的所屬區(qū)間范圍，若落入U(xiǎn)區(qū)間，則該定義目標(biāo)值無(wú)輕量化水平競(jìng)爭(zhēng)力，需對(duì)質(zhì)量目標(biāo)進(jìn)行修正或重新選取標(biāo)桿、競(jìng)品車(chē)型;若落入L區(qū)間，則該定義目標(biāo)值領(lǐng)先行業(yè)輕量化水平，對(duì)車(chē)型成本、公司工藝等有較高的要求，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠不建議將重量目標(biāo)落入該區(qū)間;因此新開(kāi)發(fā)車(chē)型體積密度落入A/C區(qū)間較為合理，具體以車(chē)型定位來(lái)確定最終是否修訂。該評(píng)價(jià)方式方差越小，區(qū)間范圍越小，對(duì)重量目標(biāo)的評(píng)價(jià)與修正越準(zhǔn)確，根據(jù)大量車(chē)型重量目標(biāo)評(píng)價(jià)與修正的經(jīng)驗(yàn)，建議將方差控制在0.35以?xún)?nèi)。

3.2? ?重量目標(biāo)的系統(tǒng)級(jí)分解

整車(chē)重量目標(biāo)制定以后，如何更合理的分解至各產(chǎn)品部門(mén)，分解的重量目標(biāo)如何得到產(chǎn)品工程師的認(rèn)可和執(zhí)行，是每個(gè)輕量化工程師都會(huì)遇到的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，可綜合采用以下方式完成重量目標(biāo)分解。首先，統(tǒng)計(jì)自身公司現(xiàn)有歷史車(chē)型不同動(dòng)力的各系統(tǒng)重量及整備質(zhì)量，求出各車(chē)型各系統(tǒng)重量的占比，然后求取平均值，得出不同動(dòng)力的各系統(tǒng)重量占比，因動(dòng)力大小一般跟車(chē)型大小有一定的正相關(guān)，因此新車(chē)型可依此進(jìn)行重量目標(biāo)初步分配，以我司SUV燃油車(chē)為例，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

然后，根據(jù)車(chē)型總體技術(shù)方案及平臺(tái)基礎(chǔ)車(chē)型，預(yù)估各系統(tǒng)重量，會(huì)議評(píng)審說(shuō)明各預(yù)估值的合理性，根據(jù)整備質(zhì)量目標(biāo)、各系統(tǒng)預(yù)示輕量化方案及年度車(chē)型輕量化規(guī)劃，將預(yù)估超重的質(zhì)量合理分配至各系統(tǒng)。

第三、準(zhǔn)確選取定位一致、整備質(zhì)量及尺寸相近的輕量化標(biāo)桿車(chē)型，對(duì)比標(biāo)桿車(chē)各系統(tǒng)重量分布，結(jié)合新車(chē)型借用件規(guī)劃情況，分解一版各系統(tǒng)輕量化目標(biāo);結(jié)合上述三種配比分配結(jié)果，或平均或微調(diào)，最終確定合理的各系統(tǒng)重量目標(biāo)。

3.3? ?重量目標(biāo)及輕量化方案的管控

產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)部根據(jù)各系統(tǒng)重量目標(biāo)的分解結(jié)果，梳理詳細(xì)的整車(chē)各系統(tǒng)零部件質(zhì)量，輕量化作車(chē)型重量控制報(bào)告，并簽批歸檔，作為各系統(tǒng)及零部件的設(shè)計(jì)質(zhì)量依據(jù);各產(chǎn)品工程師需實(shí)施跟蹤、更新所轄產(chǎn)品的重量屬性，并根據(jù)目標(biāo)與實(shí)際設(shè)計(jì)差異提出合理的輕量化方案;輕量化方案依據(jù)輕量化方案管控表實(shí)時(shí)補(bǔ)充、更新進(jìn)度，管控表包括但不限于輕量化方案的描述、減重效果、性能可行性、工藝可行性、成本、周期、是否采納、方案進(jìn)展等。

重量目標(biāo)及輕量化管控過(guò)程中，輕量化工程師最少需組織以下三項(xiàng)會(huì)議：

a、組織重量屬性例會(huì)，評(píng)審重量目標(biāo)制定與分解的合理性，發(fā)布重量目標(biāo)，向各專(zhuān)業(yè)部明確重量目標(biāo)任務(wù);

b、組織輕量化方案評(píng)審會(huì)，聯(lián)合各部門(mén)提出輕量化方案，進(jìn)行輕量化方案的工藝性分析、性能分析、成本分析等，篩選并確定方案可行性;

c、組織輕量化專(zhuān)題會(huì)，向項(xiàng)目經(jīng)理實(shí)時(shí)匯報(bào)輕量化開(kāi)展成果、進(jìn)度及需支持事項(xiàng)，曝光各專(zhuān)業(yè)部重量目標(biāo)達(dá)成情況，把控項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

4? ? 整車(chē)輕量化新評(píng)價(jià)方法

輕量化的本質(zhì)是節(jié)能減排降重，目前國(guó)內(nèi)整車(chē)輕量化評(píng)價(jià)指標(biāo)還存在一些不足，指標(biāo)對(duì)平臺(tái)車(chē)型更新?lián)Q代引起的整備質(zhì)量變化、大排量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際燃油排放高等問(wèn)題的考慮不夠全面，且對(duì)減排降重的引導(dǎo)性力度不足。本文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)輕量化評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀，從解決現(xiàn)有問(wèn)題的角度出發(fā)，嘗試提出了乘用車(chē)整車(chē)輕量化水平更具引導(dǎo)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.1? ?乘用車(chē)輕量化鼓勵(lì)政策指標(biāo)K[3]

2007年，由發(fā)改委牽頭開(kāi)展的節(jié)能與新能源汽車(chē)鼓勵(lì)政策研究報(bào)告中，希望通過(guò)輕量化指標(biāo)K值實(shí)現(xiàn)對(duì)乘用車(chē)應(yīng)用輕量化技術(shù)進(jìn)行鼓勵(lì)和引導(dǎo)。K值小給予鼓勵(lì)，但該指標(biāo)最終未能實(shí)施。乘用車(chē)K值的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

4.2? ?整車(chē)輕量化系數(shù)Lv[4]

由奇瑞汽車(chē)股份有限公司李軍、國(guó)汽（北京）汽車(chē)輕量化技術(shù)研究院王利剛等聯(lián)合各大企業(yè)制定了乘用車(chē)整車(chē)輕量化系數(shù)Lv的計(jì)算方法，見(jiàn)式（3）。

輕量化系數(shù)由三部分構(gòu)成，涉及名義密度（M/V）、重量比功率（M/P）和腳印油耗（Q/A）。數(shù)值越小，代表輕量化水平越高。

4.3? ?新的整車(chē)輕量化評(píng)價(jià)指標(biāo)R

參考國(guó)家鼓勵(lì)電池能量密度提升的初衷，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)引入評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率的升功率。相同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，功率大的自然就能耗低、輸出功率大，進(jìn)而促進(jìn)達(dá)到節(jié)能減排的目的。但是，因百公里綜合油耗影響因素的復(fù)雜性，其與升功率的定量相關(guān)性并不大，路洪洲等[5]人提出“近似升功率”的概念，用發(fā)動(dòng)機(jī)功率的平方根與排量的比值代替升功率，來(lái)表征發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，發(fā)現(xiàn)其與百公里綜合油耗有較可觀的定量關(guān)系。此外，排量與油耗有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，排量越大的車(chē)型，油耗越高，為降低油耗且在滿(mǎn)足整車(chē)動(dòng)力性的基礎(chǔ)上鼓勵(lì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的搭載應(yīng)用，本文將近似升功率的倒數(shù)納入新的評(píng)價(jià)指標(biāo)。新指標(biāo)全面納入整備質(zhì)量、腳印面積、發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率等油耗相關(guān)參數(shù)，通過(guò)乘積加權(quán)整備質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)效率、小車(chē)型平臺(tái)的影響量，加強(qiáng)整車(chē)廠對(duì)相應(yīng)參數(shù)的重視度，控制整備質(zhì)量，限制過(guò)度追求大功率及動(dòng)力性而采用大排量發(fā)動(dòng)機(jī)、過(guò)度追求大空間而設(shè)計(jì)大軸距車(chē)型的市場(chǎng)行為。新的評(píng)價(jià)指標(biāo)由名義密度、面密度、重量比功率、腳印油耗、近似升功率的倒數(shù)五部分組成。數(shù)值越小，代表輕量化水平越高。新的整車(chē)輕量化評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)式（4）。

對(duì)該16款車(chē)型進(jìn)行新指標(biāo)的計(jì)算分析，并與成熟評(píng)價(jià)方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：

經(jīng)驗(yàn)證，新的指標(biāo)與現(xiàn)有各整車(chē)輕量化評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果趨勢(shì)接近一致，但對(duì)整備質(zhì)量及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)更為敏感，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率越高，其節(jié)能效果越好，因此新的評(píng)價(jià)指標(biāo)在一定程度上也加權(quán)了油耗的比重，對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)主機(jī)廠加強(qiáng)整車(chē)減重、同排量發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升以及降低油耗，具有一定的促進(jìn)作用和參考意義。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)節(jié)能減排要求的不斷提高，國(guó)內(nèi)汽車(chē)輕量化技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，各主機(jī)廠也形成了各自不同的輕量化開(kāi)展策略，但行業(yè)內(nèi)依然缺乏指導(dǎo)性的開(kāi)展流程文件，輕量化工程師在系統(tǒng)性開(kāi)展輕量化工作方面依然在摸索中前進(jìn)，因此建立有效的整車(chē)輕量化開(kāi)展流程，制定完整的重量管控方法，統(tǒng)一整車(chē)輕量化評(píng)價(jià)方法對(duì)輕量化行業(yè)的發(fā)展有重大的意義。本文基于實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，制定了較詳細(xì)的輕量化工作開(kāi)展流程并融入傳統(tǒng)的整車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中;從模型計(jì)算、競(jìng)爭(zhēng)性評(píng)價(jià)、對(duì)標(biāo)分析、歷史經(jīng)驗(yàn)等方面制定了一套切實(shí)可行的重量管控方法;從降重節(jié)能的角度出發(fā)，提出了新的評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步加強(qiáng)整備質(zhì)量、油耗、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的權(quán)重。這些均有利于促進(jìn)汽車(chē)主機(jī)廠降重節(jié)能減排的順利實(shí)施以及輕量化行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，或在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善出更好的、得到行業(yè)認(rèn)同的方法。

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