基于平台带宽的车身效率综合评价

1 车身效率及主流评价方法

为了应对越来越严格的法规以及全球化平台开发的要求，在过去的几十年里车身的质量在逐步增加，随着对油耗及排放的要求愈加严苛，车身轻量化备受关注。但质量轻并不一定意味着轻量化，因为车身的质量还受到其它诸如整车配置、性能差异、材料工艺及成本等指标的影响和制约，可见影响车身实现效率的因素多且复杂，已经不可能用单个的指标来衡量车身结构整体的好坏。而现行的评价车身效率方法极少，目前车身轻量化系数是业内比较通行的车身效率评价方法。

车身轻量化系数，即L=M/（K*A），L为轻量化系数，越小越好；M为白车身（不含门盖）质量；K为车身扭转刚度；A为4轮间的正投影面积（即前、后轮平均轮距乘以轴距），如图1所示。

轻量化系数结合了车身质量、扭转刚度性能和车身尺寸的因素，但该评价方法也有很多不足。首先，其中的尺寸为轮距和轴距，还不足以反映整车长宽高尺寸以及车型变化等影响；其次，更关键的安全性能没有体现，将安全不在同一级别的车型进行比较并不合理，为此有人提出可采用相对值来消除该系数量纲的影响[1]；再者，整车如动力总成的配置差别和材料工艺使用的差异对车身质量的影响也比较大，但该方法也不能反映出来；另外，过分追求轻量化系数会走入误区，因为在A不变的情况下，可以在一定的范围内通过较少质量增加的代价（如2%）即可换来刚度较大幅度的提升（如10%），如表1中的轻量化系数可以降低到原来的93%，这样会造成虽然车身质量增加了但轻量化系数却更好了的假象，通过过分追求刚度来提升轻量化系数与控制质量的终极目标是相违背的。综上所述有必要建立更合理的包含主要影响因素的车身综合效率评价方法。

2 基于平台的效率影响因素分析

随着平台开发的全球化，平台因素对于轻量化的影响也逐步显现，因为车身承载的不再是传统的针对某个区域的单一车型而是针对全球不同国家，包含各种车身型式的平台架构，其车身架构必须适应不同车型尺寸及轮轴距的变化，不同市场的性能差异以及动力总成等主要配置的变化，使每个车型都能满足规定的性能要求。因此一个只针对本土设计的车型平台与一个针对全球设计的车型平台，其车身架构在尺寸、性能及配置要求上有很大的区别，车身关键指标如质量的差别也很大。即使对于同是全球化的车身架构，由于各主机厂的平台定位、开发策略、成本策略以及制造体系等的差异，最终的车身实现方式也千差万别。可见车身效率评价不能脱离其承载的平台因素。

车身效率体现了车身轻量化地实现各种要求的能力，影响车身效率的主要因素可归为3类，即因平台规划产生的车身架构带宽的影响，材料与工艺选用（即成本要求）的影响，车身设计与优化能力等。

2.1 平台规划对车身架构的影响

平台规划直接影响车身架构的带宽。车身架构通俗讲即为车身下车体，它是整车平台的基础和性能的基本保证，对于一个平台的各种车型来说上车体会因车身型式的变化而变化，但下车体通常不变。当然，平台可能规划不同的衍生车型从而产生轴距甚至轮距、前悬后悬长度等的变化，这样就形成了车身架构的尺寸带宽。平台也会根据各个市场需求规划不同的动力总成配置，这就形成了动力总成的带宽。不同的目标市场会有各种性能的差异，也就有了性能带宽。为了满足全球不同区域异地生产的要求就产生了制造带宽。下面分别对这几种带宽做分析说明。

对于面向全球市场规划的平台，就必须考虑车身架构的性能带宽，图2显示了车身架构必须满足的全球各种安全及保险法规要求。车身架构按最严格的法规来开发就需要进一步加强，但这同时也可能降低效率，如何用同一车身架构适应全球不同区域各种法规要求而不至于产生浪费是需要思考的问题。

平台动力总成的一般配置比较丰富，如果又规划有混合动力、新能源等其它非传统动力系统，那么其质量、整体的布置空间及界面差异就很大，由此引起的整车质量变化幅度也大。相关研究显示由动力总成引起的整车质量每增加100?kg会带来超过10～15?kg车身质量的螺旋式上升。图3显示了世界汽车钢铁联合会与密西根大学的研究结果，动力总成质量的改变（即Power Train）对整车质量变化的影响系数（Influence Coefficient）是远大于其它子系统的，而车身架构安全性能必须以最大整车质量的配置为基础，可见如果车身设计考虑最恶劣的情况则意味着在绝大部分车型上都会有一部分额外车身结构或者布置空间是被浪费掉的。

尺寸带宽体现了车身的延展能力和车型变化能力，包括轮轴距、前后悬、Cowl点位置等的变化，这些尺寸的延展也会带来整车质量的增加，使车身结构指标及安全性能下降，需要更多的质量来加强车身骨架。

此外，全球化要求制造体系可移植性和异地生产的重复性，也对车身提出了制造带宽的要求，需要兼容不同区域的制造要求和满足不同平台的共线生产要求，需要跨平台的全球统一定位策略，同时全球开发时还需要考虑不同区域的制造能力对于材料选择和工艺规划的影响，也会增加车身结构的复杂程度和效率。

目前越来越多的跨国车企都在整合和精简其全球化的平台，实现全球统一开发，希望以此提高效率，减少开发、验证、生产和管理等方面的成本。但这种策略也是把双刃剑，尤其是平台引进到新兴市场，车身架构的安全及其它性能过高，这当然会影响车身的效率。

2.2 材料及工艺选用的影响

材料及工艺的选用与成本是密不可分的，在对成本不敏感的高端车型上使用轻质合金、复合材料以及热成形、变截面板料TRB、液压成型及激光焊接等工艺可以明显地实现减重，但这种花钱买重量的策略在中低端车型上能实施到什么程度，不同车企的差别比较大。可见抛开材料及工艺要素谈轻量化和车身效率是不全面的。

2.3 设计及优化的影响

车身设计与优化对轻量化和车身效率的影响是显而易见的，主要体现在：载荷路径的规划是否合理，是否能实现与整车主要系统的集成；车身结构、形貌、接头、断面及连接是否优化；材料工艺一定的情况下，其具体使用是否恰当；以及平台带宽的具体实现方式是否合理等，不同的设计和实现方式影响着车身的效率。

3 车身效率综合评价指标

车身效率不仅仅取决于设计优化，而且也受到平台带宽的规划以及材料使用差异（成本指标）等因素的制约，可以通过一定的方法将材料引起的车身质量差异进行修正。而对于因平台带宽不同引起的车身质量变化也需要通过一定的方法进行评估。在探索车身综合效率评价方法之前需要建立以下辅助概念和方法。

3.1 车身修正质量

对因材料使用策略（成本因素）不同而导致的质量差异，提出和使用了修正质量的概念，这样就可以在同一个基准上对竞争车型进行比较和评估。

该修正的概念简单说是通过适当的经验公式将先进高强钢以及轻质材料等效成竞争对手常用的材料。这种等效需要经验及数据库的积累，如针对不同等级钢材的料厚静态等效如下，对于轻质材料也可通过建立经验数据进行等效。

，

式中：tHS和tMS分别为高强钢和普通钢料厚；ReHS 和ReMS分别为高强钢和普通钢的屈服强度。

3.2 车身质量回归效率

针对平台带宽尤其是动力总成配置带宽对车身质量的影响，使用了车身质量回归效率，它是运用数理统计分析方法，通过对大量面向全球平台的标杆车型的数据处理而形成的质量回归曲线。该评价方法以车身架构所承载的动力总成质量带宽、整车长宽高尺寸等为主要影响参数，同时兼顾全球主要的安全性能要求，结合这些影响因素来综合预测合理的车身理论质量，而车身实际的质量与该理论质量的比值即为回归效率。如图4所示，实线代表实际车身质量与理论预测质量相当，当理论质量与实际质量形成的坐标点落在回归曲线的下方则效率较高，越往下偏置则效率越高；落在上方则效率较低，越往上则效率越低。该系数能够量化地评估平台带宽对车身质量的影响。

3.3 车身体积密度

车身体积密度是比较直观且简单易行的评价方法，其定义为车身质量与车身体积的比值。体积密度评估法体现的是实现同样功能的车身需要使用的材料多少，密度越低则使用的材料越少，效率越高，反之则越低。该评价方法对于同一类车身型式的比较效果尤为直接，还可以通过修正质量来消除材料带来的质量差异。

3.4 车身综合效率系数的建立

综合上述修正和评价方法，提出“车身综合效率系数”的概念，结合上述各种影响因素评估车身轻量化的能力，该系数越低则效率越高，其定义如下。

车身综合效率系数=f{A×轻量化系数+B×回归效率

+C×体积密度}，

式中：A、B、C为权重系数。权重的设置兼顾到3个评估指标的特点及侧重，并充分考虑当前竞争车的总体水平，由企业根据实际情况确定。3项指标均涉及到车身质量这一参数，体现了轻量化的终极目标，对材料使用不同引起的质量差异进行了修正。该综合效率系数将整车尺寸及轮轴距、车身结构性能及安全性能、材料使用差异、动力总成配置等平台带宽都纳入了考核体系，形成了较为全面、更加合理的车身效率评估方法。

3.5 与传统评价方法的比较

以两款同一细分市场三厢竞争车型为例，分别采用这两种方法进行分析比较，车型参数及分析结果见表2。从轻量化系数看竞争车A较车B具有明显优势，分别为2.94和3.31，它们之间的差别是相当大的，B车要减重33 ～264 kg才能达到与A车同样的水平，而B车无论是在外形尺寸、PT带宽及材料使用上都比A车要恶劣，可见用轻量化系数评价时对B车是很不公平的。如果考虑到平台各种带宽和材料使用的差异，A车的综合效率系数几乎就没有优势了，分别为3.11和3.19，A车的部分过程指标甚至更差，这是因为B车车身承载的平台要求明显要比A车多。可见综合效率系数比传统的轻量化系数更能全面公正地评价车身效率。

4 车身效率提升方法

4.1 合理控制架构带宽

对车身尺寸带宽而言，长宽高等整车尺寸会随车型的变化而调整，应关注和控制最小前悬的长度，使无论哪款车型其有效压溃空间都能得到保证。轮距通常是不变的，轴距会因平台长短轴的规划而有差别，但变化幅度不宜太大，推荐幅度在100 mm以内。此外平台内车型规划要合理，避免SUV车型与轿车等车型共用同一车身架构。

控制动力总成配置的带宽主要为两方面，一是控制不同配置的质量差别不能过大；二是不同配置的布置空间差别不能过大。同时建议为新能源等纯电动车开发单独的车身架构。合理带宽推荐范围如下，这样的带宽一方面有利于车型的拓展，另一方面能获得较经济的车身结构。

（Mm-Mb）/Mb≤10%～15% ，

式中：Mm为高配车型整车质量；Mb为基本配置车型整车质量。

带宽的不同实现方法对车身质量影响很大，推荐采取差异化策略及量大优先原则，即面对不同市场需求而产生的性能带宽要进行综合评估，区分主要目标市场及销量，以销量最大的市场车型为基本车型进行车身架构的开发。其它市场可采取差异化的应对方法，如通过增减零件及更改材料等级等手段满足不同市场的需求，其原则是不要对车间的拼焊工装和生产工艺产生影响。

4.2 材料及工艺的合理选用策略

成本决定材料及工艺的选用策略，影响着最终车身质量。材料选用要充分考虑零件的功能要求，如对刚度、耐久、碰撞吸能区以及乘客舱刚性区其选用的材料是不一样的。实践表明：在满足相同安全性能要求下通过使用超高强钢，可实现10%以上的减重，但其减重后的综合成本与原成本可基本持平。考虑到超高强钢成形困难、回弹大，因此零件形状设计要简单，以便通过辊压等非拉延冷冲工艺来实现。对于成本较高的材料及工艺如轻质材料、热成形等则需要建立花钱买重量的标准（￥/kg），当然不同档次平台其标准会有差异。

4.3 高效的车身设计与优化手段

结构设计和优化必须遵循一定的原则和优先顺序才能在成本可控的情况下更好地实现轻量化（图5）[2]。首先在不增加成本的基础上优先进行整体载荷路径的规划，形成闭环的框架结构，通过结构、路径、形貌、接头、断面的优化实现结构的高效设计和质量成本的降低；其次通过简化零件设计在关键路径上使用高强钢、超高强钢实现安全性能的提升和质量的有效控制；再根据平台的成本策略考虑是否使用一些新材料及新工艺，这与之前的材料及工艺策略是一致的。

优化方法有很多，推荐通过参数化CAE模型（SFE）在前期架构开发中的应用，可以大幅度减少CAD与CAE转换的工程时间，从而方便实现几何形体（断面、位置及形貌等）的DOE优化，合理巧妙地利用局部拓扑优化与MDO方法相结合。通过优化流程控制手段可以将SFE、DOE、MDO以及各种CAE仿真软件结合并流程化，实现车身系统优化求解 [3-4]。

5 结论

随着车型开发的平台化和全球化，作为评价车身效率主要方法的轻量化系数也日显不足，已不能全面客观地评价车身效率。本文分析了各种平台带宽及材料工艺的影响，提出了表征效率的各种参量，通过修正和回归方法将主要因素的影响加以量化，进而提出了车身综合效率系数评价方法。通过实例比较表明，该方法较轻量化系数更为客观公正，体现了平台化等影响因素。针对带宽设置、材料选用及设计优化给出了建议和推荐方法。本文提出的评价方法对于车身设计与研发具有一定的参考和借鉴意义。