3.1.5 车身轻量化目标设定及方法

在汽车开发的起始阶段，需要科学制定所开发车型的众多目标，如整车性能、车身系统目标、底盘系统目标等，明确目标后再开始汽车的设计开发工作。在车身系统目标中，车身轻量化目标是一个比较重要的目标，主要用于定义开发车型车身的重量数据以及车身的轻量化水平等。

1.车身轻量化评价指标介绍

目前，汽车行业对车身轻量化水平的评价方式主要有宝马汽车公司提出的“车身轻量化系数”、马鸣图等提出的车身轻量化指数，以及路洪洲等提出的轻量化综合评价指数等。

车身轻量化系数的计算公式为

式中， m 为车身骨架重量，即本书中定义的车身扣除翼子板的重量，单位为kg； C _T 为包括风窗玻璃、副车架等安装在车身上的加强件的扭转刚度，单位为N·m/（°）； A _P 为脚印面积，即汽车轴距与轮距的乘积，单位为m ² 。

由式（3-1）可以看出车身轻量化系数主要体现了车身的重量与车身刚度和车身尺寸间的关系，车身轻量化系数的数值越小，轻量化水平越高。

车身轻量化指数的计算公式为

式中， L ₁ 为轻量化设计前的车身轻量化系数； L ₂ 为轻量化设计后的车身轻量化系数； L _i 为轻量化设计前后的差值。

由式（3-2）可以看出车身轻量化指数 L _i 代表车身的轻量化水平相对提升值，其数值越大越好。

轻量化综合评价指数的公式为

式中， m 为车身骨架重量，即本书中定义的车身扣除翼子板的重量，单位为kg； C _T 为包括风窗玻璃、副车架等安装在车身上的加强件的扭转刚度，单位为N·m/（°）； A _P 为脚印面积，即汽车轴距与轮距的乘积，单位为m ² ；CNCAP为C-NCAP星级评分； F 为车身的一阶扭转频率，单位为Hz。

由式（3-3）可以看出轻量化综合评价指数体现了车身的重量与车身刚度、安全性、频率以及车身尺寸的关系，轻量化综合评价指数越小，轻量化水平越高。

针对车身而言，上述三种轻量化评价方法以宝马汽车公司提出的“车身轻量化系数”应用最为广泛，因此，本书将车身轻量化系数作为一项车身轻量化指标。

此外，现阶段的车身开发大多是基于参考的标杆车车身或者基于上一代的车身展开的，因此，除了进行车身轻量化系数的比较外，还需要比较重量。在重量方面，本书引入车身重量面密度的概念，用来表征单位面积的车身重量。车身重量面密度 ρ 的计算公式为

式中， M 为本书中定义的车身重量，单位为kg； A 为整车投影面积，即为整车的长度与宽度的乘积，单位为m ² 。

综上所述，本书中用于评价车身轻量化的指标有车身轻量化系数 L 、车身重量面密度 ρ 、车身重量 M 三个指标。

2.车身轻量化目标设定方法

车身轻量化目标设定在车型开发的初始阶段，在造型效果图发布以及整车总布置参数基本确定后，就要开展车身轻量化目标的设定工作。车身轻量化目标设定的一般流程如图3-6所示。

下面将针对车身轻量化的各个阶段进行详细介绍：

（1）车身扭转刚度目标 C _T1 设定 在确定车身重量之前，一般要先确定车身的性能参数，车身扭转刚度是与车身轻量化最为相关的参数之一。因此，在设定车身轻量化目标过程中，首先要确定车身扭转刚度。

1）初始扭转刚度 C _T0 设定。现阶段，新车型开发一般会在其原有的基础车型上开发，可以通过基础车型获得最初始的扭转刚度 C _T0 ，当开发车型与基础车型的轴距一致时： C _T0 = C _Tbase ；当开发车型与基础车型的轴距不一致时，需要根据轴距差值进行扭转刚度修正，其计算公式为

其中， C _TΔ 为因轴距差值带来的扭转刚度变化值； B _Δ =基础车型轴距—开发车型轴距，单位为mm； C 为扭转刚度修正系数， C 的取值一般为5.5～6.0。

2）开发车型扭转刚度目标 C _T1 设定。为确保开发车型在上市时具备比较合理的扭转刚度，需要根据开发车型的开发周期以及行业的基本情况设定开发车型的扭转刚度 C _T1 ，其计算公式为

式中， t 为扭转刚度年增长率， t 的取值一般为4%～6%； n 为车型开发年数。

在初步确定开发车型的扭转刚度 C _T1 后，还需要根据车型的定位进行扭转刚度水平校核，确保开发车型的扭转刚度处在比较合理的水平，若 C _T1 与行业主流的扭转刚度水平不一致，则需要进一步修正。

（2）开发车型初始重量 M ₀ 预估 在确定了开发车型的扭转刚度后，就可以进行初始重量 M ₀ 的预估。开发车型车身的重量预估主要基于上、下车身的等尺寸换算，同时根据开发车型与基础车型的车身性能差异进行重量补偿修正。

1）等尺寸换算重量 M ₀₁ 。一般而言，上车身是由前围上盖板总成、左/右侧围总成以及顶盖总成构成的笼式结构，如图3-7a所示，因此，在等尺寸换算时按照三维尺寸（即整车体积 V ）进行等尺寸换算；下车身是由发动机舱总成、前围板总成、前/后地板总成以及后围总成构成的长方体结构，如图3-7b所示，可以按照二维尺寸（即整车投影面积 A ）进行等尺寸换算。

2）补偿修正重量 M ₀₂ 。通常情况下，影响车身重量的指标主要有扭转刚度及碰撞安全两个性能指标，局部的动刚度以及强度等性能指标对车身重量的影响较小。因此，重量补偿主要基于扭转刚度和碰撞安全性能差异进行补偿。计算公式为

① 基于扭转刚度差异的补偿修正重量 M _02T 。通过对行业（ECB及CLCB）公布的车身开发资料进行数据分析发现，扭转刚度每增加1000N·m/（°），车身重量增加值 m _T 范围为2.0～3.0kg。在明确了开发车型的初始扭转刚度 C _T0 和最终扭转刚度 C _T1 后，基于扭转刚度差异的补偿修正重量计算公式为

② 基于碰撞安全性能差异的补偿修正重量 M _02C 。通过对行业（ECB及CLCB）公布的车身开发资料进行数据分析发现，由2015版C-NCAP五星升级为2018版C-NCAP五星后，单位体积车身增重 m _C 为0.4～0.5kg/m ³ 。在明确了开发车型的碰撞安全性能提升情况后，基于碰撞安全性能差异的补偿修正重量计算公式为

式中， V 为整车体积，单位为m ³ 。

其中，轿车车型的体积计算公式为

SUV车型和MPV车型的体积计算公式为

式中， L 为整车长度； W 为整车宽度； H 为整车高度； B 为整车轮距。

综上，开发车型初始重量 M ₀ = M ₀₁ + M ₀₂ 。

（3）开发车型车身重量目标 M ₁ 设定及校核 在获得开发车型的初始重量 M ₀ 后，可根据开发车型定位，以及开发车型在上市后还具备一定的轻量化优势而设定的年降重率 w （一般取2.5%）等信息，计算出开发车型上市时的重量 M ₁ = M ₀ （1 -w ） ⁿ 。 M ₁ 还需要进行车身重量、车身面密度以及轻量化系数三个指标的行业水平校核，当三个指标均能高于行业平均水平后，则 M ₁ 不需调整，若有个别指标低于行业平均水平，则需要对 M ₁ 进行修正。

（4）车身重量目标设定案例介绍 开发车型信息：SUV车型，定位为经济型车，安全性能要求为2018版C-NCAP五星，开发周期为3年。

基础车型信息：SUV车型，定位为经济型车，安全性能为2015版C-NCAP五星。

开发车型的要求为：在基础车型平台的基础上开发，下车体平台尽量沿用基础车型，上车体重新进行造型开发。

某开发车型和基础车型的整车参数如表3-10所示。基础车型的车身重量、扭转刚度等参数如表3-11所示。

1）车身扭转刚度目标 C _T1 设定。

① 初始扭转刚度 C _T0 。由于开发车型沿用基础车型的下车体，上车体重新开发，开发车型轴距较基础车型长10mm，扭转刚度修正系数 C 取5.6N·m/（°），则开发车型的车身初始扭转刚度 C _T0 = C _{T base} + B _Δ × C =16307 +（2750 -2760）× 5.6 [N · m/（°）]=16251 [N · m/（°）]。

② 开发车型扭转刚度目标值 C _T1 。开发周期为3年，扭转刚度年增长率 t 取5%，则开发车型扭转刚度目标 C _T1 = C _T0 ×（1+ t ） ⁿ =16251 ×（1 +5%） ³ [N · m/（°）]=18813 [N · m/（°）]。

图3-8为开发车型、基础车型以及行业内同类型（SUV）车型的扭转刚度—轴距分布图，由图3-8可以看出：在轴距范围2700～2800mm范围内有3款进口车型、1款国产车型、1款基础车型和开发车型，开发车型的扭转刚度目标值 C _T1 为18813[N·m/（°）]，处于行业中等以上水平。考虑到开发车型定位为经济型车，且开发车型的扭转刚度目标值已达到行业中等以上水平，说明此目标值设定合理。

通过对开发车型的扭转刚度计算以及与行业相关车型的扭转刚度校核，最终确定开发车型扭转刚度目标值 C _T1 为18813[N·m/（°）]。

2）开发车型初始重量 M ₀ 预估。

① 等尺寸换算重量 M ₀₁ 。基于表3-10、表3-11数据，对开发车型的上、下车身重量等尺寸换算如表3-12所示。

② 基于扭转刚度差异的补偿修正重量 M _02T 。开发车型的车身初始扭转刚度 C _T0 为16363 [N· m/（°）]，而其车身扭转刚度目标 C _T1 为18813 [N · m/（°）]，扭转刚度每增加1000N·m/（°），车身重量增加值 m _T 取2.5kg，则

M _02T =（ C _T1 -C _T0 ） m _T ÷ 1000=（18813-16251）× 2.5 ÷ 1000kg=6.41kg。

③ 基于碰撞安全性能差异的补偿修正重量 M _02C 。开发车型从最初的2015版C-NACP五星升级为2018版C-NCAP五星，单位体积车身增重值 m _C 取0.45kg/m ³ ，则

M _02C = Vm _C =12.01 × 0.45kg=5.40kg。

通过以上分析计算，开发车型的车身初始重量为

M ₀ = M ₀₁ + M _02T + M _02C =326.63+6.41+5.40kg=338.44kg

3）开发车型车身重量目标 M ₁ 设定及校核。

① 开发车型车身重量目标 M ₁ 计算。由上可知，开发车型的开发周期为3年，年降重率 w 为2.5%，车型的初始重量为338.44kg，则 M ₁ = M ₀ （1 -w ） ⁿ =338.4 ×（1 -2.5%） ³ kg=313.7kg。

车身重量面密度 。

车身轻量化系数 。

② 开发车型车身重量目标 M ₁ 校核。开发车型的车身重量的校核如图3-9所示，由图3-9可以看出开发车型的车身重量目标值处于国产车型趋势线和进口车型趋势线以下，说明开发车型的车身重量目标值在行业内具备一定的轻量化优势。

③ 开发车型车身重量面密度 ρ 校核。开发车型的车身重量面密度的校核如图3-10所示，由图3-10可以看出开发车型的车身重量面密度均处于国产车型趋势线和进口车型趋势线以下，说明开发车型的车身重量面密度在行业内具备一定的轻量化优势。

④ 开发车型的车身轻量化系数 L 校核。开发车型的车身轻量化系数的校核如图3-11所示，由图3-11可以看出开发车型的车身轻量化系数处于国产车型趋势线以下、进口车型趋势线以上区域，由于开发车型定位为经济型车，说明开发车型的车身轻量化系数设置较为合理。

综上分析，开发车型的重量目标值为313.7kg，车身重量面密度为35.96kg/m ² ，车身轻量化系数为3.82。