不同尺寸車身輕量化評價及重量目標設定

李文中 王立 李振興 蔣新亮 王飛飛 吳皓亮 馬秋 李莉

摘 要：汽車的尺寸定義是影響白車身重量大小的最重要的因素，探討不同尺寸下的汽車車身系統(tǒng)的重量對于重量目標的設定有著重要的意義，文章挑選乘用車中典型的車型“SUV”車型，通過對標研究車身系統(tǒng)的重量與不同尺寸的關(guān)系，旨在尋找合適的重量評價及目標設定的方法用以作為汽車設計前期車身重量目標正向開發(fā)設定的參考。

關(guān)鍵詞：車身輕量化評價;車身尺寸;重量目標

中圖分類號：U463.82 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-122-04

BIW Lightweight Evaluation and Weight Target Setting Method

for Different Size Vehicle

Li Wenzhong， Wang Li， Li Zhenxing， Jiang Xinliang， Wang Feifei， Wu Haoliang， Ma Qiu， Li Li

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315336）

Abstract： Vehicle size has significant influence for BIW weight， discuss BIW weight of different vehicle size has very important meaning for vehicle weight setting. This article choose SUV to research the relationship between BIW weight and different vehicle size. Therefore， suitable weight evaluation standard and weight target setting method could be find out by researching that relationship. These standard and method could be references for vehicle design and weight target setting.

Keywords： BIW lightweight evaluation; Vehicle size; Weight target

CLC NO.： U463.82 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-122-04

前言

汽車的尺寸定義是影響白車身重量大小的最重要的因素，探討不同尺寸下的汽車車身系統(tǒng)的重量對于重量目標的設定有著重要的意義，汽車的主體尺寸中跟車身重量影響較大的尺寸包括長、寬、高、軸距等等，行業(yè)里也出現(xiàn)了多種評價車身重量水平的方法，但鮮有詳細分析來佐證其方法的合理性，本文挑選乘用車中典型的車型“SUV”車型，通過對標研究車身系統(tǒng)的重量與不同尺寸的關(guān)系，旨在尋找合適的重量評價及目標設定的方法用以作為汽車設計前期車身重量目標正向開發(fā)設定的參考。

1 車身重量與尺寸關(guān)系分析

1.1 對標車型篩選

為了更針對性并排除各方面因素對對標分析的影響，將數(shù)據(jù)庫697款不同類型的汽車車身（白車身本體含防撞梁、前端框架及膠體）的重量統(tǒng)計結(jié)果，進行了適當?shù)臈l件篩選，共篩選出127款符合條件的SUV對標分析車型，篩選原則如表1。

1.2 尺寸分析設定

首先將整車尺寸進行約束說明，將整車長度定義為L，整車寬度定義為W，整車高度定義為H，軸距定義為Wb。為了更全面的分析汽車各尺寸參數(shù)對車身重量的影響，本文將尺寸分為三種類型，分別為線性尺寸、面型尺寸、體型尺寸，具體如表2所示。

為更進一步評價車身所占面積或體積，本文參考蓮花汽車為評價整車輕量化水平提出的汽車名義密度[1]的概念定義車身等效投影面積、等效體積參數(shù)。按照車型特點將SUV車型簡化成塊狀， 形狀如圖1所示：

SUV車型可簡化為四部分，分別為前懸部分①、后懸部分②、后懸上部部分③、軸距部分④四部分，四個部分車寬一致，前懸、后懸部分車高估算為1/2車高，后懸上部部分長度估算為（前懸+后懸）/3=（車長-軸距）/3，高度為1/2車高，軸距部分長度為軸距，高度即為車高。

由上所述，定義等效投影面積為：L*W+H*W+Wb*H+（L-Wb）*H*2/3;等效體積定義為：（Wb*H+（L-Wb）*H*2/3]）*W。

1.3 尺寸重量影響數(shù)學分析

本文針對尺寸重量分析采用的是統(tǒng)計學中經(jīng)典的線性回歸模型進行，來預測尺寸與重量的相關(guān)關(guān)系，尺寸和重量可以擬合成一個回歸方程：

式中β0、β1為常數(shù)項，β1又稱為斜率系數(shù)，y為車身重量，x為車身尺寸。

回歸模型中用于判斷擬合度的相關(guān)系數(shù)為R2，R2的公式如下：

R2=SSR/SST ?????????????????????????????????（2）

SST=SSR+SSE ???????????????????????????????（3）

式中（2）、（3）中，SST為數(shù)據(jù)總平方和，SSR為回歸平方和，SSE為殘差平方和。

擬合度相關(guān)系數(shù)R2的范圍在[0，1]之間，越接近1，說明擬合度越好。根據(jù)1.2分析設定，對127個樣本分別進行不同尺寸類型的回歸模型預測，分析整體結(jié)果如表3所示。

1.4 尺寸重量影響結(jié)果分析

1.4.1 線型尺寸結(jié)果分析

線型分析結(jié)果如圖2、圖3及表3所示，線型尺寸與重量相關(guān)度相對較低，長度、軸距與車身重量統(tǒng)計的回歸方程為y=0.17x-422.27、y=0.3752x-664.21，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.7627、0.7303均低于面型、體型相關(guān)系數(shù)，長度與車身重量回歸方程為y僅對比長度與軸距本身，長度車身重量云圖落點均勻，各尺寸段均有車型排布，而軸距車身重量云圖顯示2630-2730是一段車型密集區(qū)，且有更多的離散點，分析結(jié)果顯示線型尺寸中長度比軸距相關(guān)度更好。

1.4.2 面型尺寸結(jié)果分析

面型分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6、圖7所示，面型尺寸相比線型尺寸與重量相關(guān)度均有不同程度提高，通常當R2 >0.75，兩個變量為相關(guān)性較高，而面型尺寸中三面、等效投影面積尺寸R2均大于0.8，我們認為其為強相關(guān)尺寸，其中等效投影面積較三面投影面積R2有提升0.0036，并且為所有尺寸類型中R2最高水平，達到0.8063，我們認為用等效投影面積分析SUV車型尺寸重量影響關(guān)系為最好的選擇。等效投影面積與車身重量相關(guān)方程為y=30.851x-206.8，可取整為y=30.85x-207，以此為中線帶入需分析車型等效投影面積便可評估其與車身重量趨勢線的差距。

1.4.3 體型尺寸結(jié)果分析

體型分析結(jié)果如圖8、圖9所示，體積與等效體積與重量R2處于較高水平，高于線型尺寸，但是仍低于三面、等效投影面積尺寸趨近于0.01，我們認為其可作為車身輕量化水平評價參考尺寸。

2 重量等效投影面積密度分析及車身重量目標設定探討

為了更直接的評估車身重量水平，現(xiàn)定義重量等效投影面積密度參數(shù)用以評價白車身輕量化水平（也可說成“重量效率”），即單位重量可實現(xiàn)的車身結(jié)構(gòu)，重量等效投影面積密度公式如下：

[L*W+H*W+Wb*H+（L-Wb）*H*2/3]/車身重量 ????（4）

將重量等效投影面積密度與車身長度（不同的長度代表不同的車型等級）做統(tǒng)計分析，來看不同的車型等級與重量等效投影面積密度的關(guān)系，分析結(jié)果如圖10所示。

重量等效投影面積密度與車身長度回歸函數(shù)為曲線c：y=-0.001x+9.5571，顯示市場車型重量等效投影面積密度隨車身長度的增加而降低，降低斜率系數(shù)為-0.001，即越長的車型相同的面積下車身重量越重。

車身設計時通常會基于原型車進行重量變化的評估，在設計前期進行重量目標的設定，車身尺寸變化時評估車身重量變化應分為兩個部分：直接尺寸重量影響與間接尺寸重量影響。其中直接尺寸重量影響指車身斷面、料厚不變情況下尺寸變化帶來的直接重量影響，間接尺寸重量影響指當尺寸變化，為滿足相同的安全、NVH等性能要求，車身斷面、料厚會隨之改變帶來的重量變化。直接尺寸影響通過原型車數(shù)據(jù)即可得出，間接尺寸影響往往難以評估，此時，上述分析的c曲線便有更深一層次的價值，c曲線斜率系數(shù)可很好的體現(xiàn)間接尺寸影響的幅度，利用c曲線便可進行間接尺寸重量影響的評估。下面舉例說明進行車身重量變化評估：假設原車型與新車型相關(guān)參數(shù)如表4。

現(xiàn)定義Δρ為新車型與原車型重量等效投影面積密度之差，Δmz為直接尺寸重量影響，Δmj為間接尺寸重量影響，根據(jù)圖10及表4尺寸對比參數(shù)可推導Δmj計算如下：

間接尺寸重量影響Δmj數(shù)值為-18.78kg，經(jīng)過評估直接尺寸重量影響Δmz為-16kg，所以可預測新車型車身重量m2應為m2= m1+Δmz+Δmj=385.4-18.78-16=350.62kg。

當然，上述分析是全新平臺開發(fā)時項目前期尺寸調(diào)整時重量變化預測的較好手段，但當平臺沿用開發(fā)或車型小改款時為了通用化、成本控制等，零部件開發(fā)范圍會大幅度減少，此時建議根據(jù)實際情況進行重量變化評估。

此外，進行白車身輕量化水平評價或重量目標設定，可以將車型落點進行等分劃線，如圖10可三等分劃線形成a、b、d、e四條線，其中a、e線為上下邊緣線。圖表中bd區(qū)域為正常水平，ab區(qū)域為高輕量化區(qū)域，de為低輕量化區(qū)域，評估車型輕量化水平看落點位置即可，這樣便可清晰的識別各競品車的輕量化水平。值得一提的是，127個樣本僅有1款車落到了區(qū)域之上，其輕量化水平明顯高于其他車型，該車型為Nissan 2014 X-trail 2.5，該款車型的輕量化設計路線值得本領(lǐng)域同仁進一步對標研究，本文便不做闡述。車身產(chǎn)品開發(fā)制定重量目標時，可根據(jù)車型具體尺寸、性能、成本等要求選擇合適的重量落點區(qū)域，制定出合適的車型重量目標。

3 結(jié)束語

本文通過對127款SUV車身重量數(shù)據(jù)與線型、面型、體型尺寸進行回歸分析，得到以下結(jié)論：三面投影面積、等效投影面積與SUV車身重量相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)R2高達0.8，其中等效投影面積處于所有尺寸中最相關(guān)，關(guān)系函數(shù)為y= 30.85x-207，可作為車身輕量化水平評價或重量目標設定的基礎(chǔ)方向。

通過進一步進行重量等效投影面積密度分析發(fā)現(xiàn)：SUV車型重量等效投影面積密度隨車身長度的增加而降低，關(guān)系曲線為y=-0.001x+9.5571，并且在車身重量開發(fā)前期可基于此曲線分析尺寸變化帶來的間接尺寸重量影響，更精確的預估重量變化，制定重量目標。

當然在汽車產(chǎn)品開發(fā)時，即使尺寸相同，產(chǎn)品的需求也不盡相同，需要有相同尺寸下不同的細分市場來滿足用戶的需求，車身輕量化開發(fā)時也可基于重量等效投影面積密度模型將車身重量進行輕量化水平劃分以供項目選擇。

參考文獻

[1] Lotus Engineering Inc. An Assessment of Mass Reduction Opportuni -ties for a 2017-2020 Model Year Vehicle Program [R].Turin，Italy： -The International Council on Clean Transportation，2010.