摘要：现如今，我国的汽车行业发展迅速，探讨了汽车轻量化的理论基础，在此基础上分析了国内外提出的轻量化评价及评估方法，这些方法涉及轻量化前后的整车油耗变化、整车或者总成性能变化以及成本变化等因素。阐述了各方法提出的背景和应用范畴，并在汽车燃料消耗的物理意义及逻辑的基础上，结合发动机燃烧效率、风阻、行驶阻力等，首次提出了轻量化乘用车整车质量设定指标函数的汽车轻量化评价方法。提出了建立规范的、行业认可的评价系统的必要性，以推动节能减排以及行业技术进步。
关键词：汽车；轻量化；评价方法；整备质量；性能
引言
全球汽车行业燃油经济性和排放要求日益严格，高效动力系统、先进发动机、整车小型化和轻量化技术等在近年来得到广泛研究和应用。轻量化技术的应用成为现代汽车发展的主要趋势之一。针对汽车轻量化水平的合理、准确评判对于指导汽车设计、制定相关法规以及出台国家鼓励政策等具有重要意义。白车身轻量化系数作为汽车轻量化的表征参量和评价指标，考虑了车身扭转刚度、车身大小、质量水平，对白车身材料的合理使用、结构优化设计有重要意义，发展成为汽车行业车身轻量化水平的重要评价方法。
式（1）中，m为车身结构质量；Ct为静态扭转刚度；A为轮边距与轴距乘积所得投影面积；L为车身轻量化系数。马鸣图等学者考虑车辆其他重要性能，扩展了车身轻量化系数的适用范围，同时也尝试提出考虑性能的整车轻量化指标的表示方法[5，6]。白车身轻量化系数只针对车身评价，而白车身仅占整车质量的1/4左右，对整车质量水平评价有限。若用整车质量作为汽车轻量化评价指标，将会鼓励汽车小型化，忽略轻量化技术应用。百千米油耗是更为合理的节能评价方法，但受到的影响因素甚多。为避免车型大小对评价方法的影响，在评价指标中增加汽车大小的指标，用轮边距乘以轴距的投影面积来衡量车型大小。同时，轻量化会引起安全、noise，vibrationandharshness（NVH）、舒适性以及操作稳定性等一系列问。白车身轻量化系数评价方法只考虑白车身扭转刚度指标。但实际上人们对整车舒适性需求，使得内外饰、电子电器的比重明显增加，从而大大增加车重；动力性能的提高也明显增加发动机和动力系统质量。因此，车的各项性能指标让市场去衡量，只考虑整车质量水平更合理。
1车身轻量化评价方法
关于车身轻量化设计的评价，目前汽车行业内公认的评价指标是白车身轻量化系数。白车身轻量化系数作为汽车轻量化的评价指标，考虑了车身扭转刚度、车身大小、质量水平，对白车身材料的合理使用、结构优化设计有重要意义。通过计算所得的轻量化系数已经成为汽车行业车身轻量化水平的重要指标，可用作评判不同厂家车型轻量化所处的行业水平。
1.1车身轻量化评价方法
轻量化系数计算公式，如下：
其中：—L为轻量化系数；—m为白车身重量（不包含四门两盖及玻璃）；—KTG为车身扭转刚度；—A为四轮的正投影面积（即轮距×轴距）。
1.2轻量化系数计算参数
1）白车身重量m白车身性能的好坏，决定了整车的性能优劣。轻量化系数主要考核的是单位重量的白车身所实现的车身性能。2）正投影面积A3）正投影面积=轮距×轴距，如图1所示。4）把轴距与轮距之间的正投影面积A来作为分母的加权项，主要原因如下：—车身弯曲和扭转刚度的激励主要来源于四个车轮；—不同级别车型之间整车尺寸的差异对车身性能的影响。
2轻量化评价概述
2.1车身轻量化系数及车身结构利用系数
车身轻量化系数（LightWeightIndex）是目前被行业接受度较大的一个评价指标。车身轻量化系数的定义见式，图1为车身轻量化系数中各参数的示意图。
式中，L为车身轻量化系数；m为白车身骨架（不带四门两盖）质量，kg；CT为车身静态扭转刚度（带挡风玻璃），N•m/（°），包括挡风玻璃和副车架等附件的油漆车身；A为车身的脚印面积=轴距×前后轮距的平均值，m2。由于轻量化工程主要影响的性能之一是车身刚度，因而轻量化评价指数主要考虑白车身质量的降低以及白车身静态扭转刚度的变化，以期在质量降低的同时，保证车身刚度提高或者不降低。由式可知，若减小车身轻量化系数，可以通过提高刚度或降低白车身的质量来实现。若车身的质量不降低或降低很少，只需去提高车身的扭转刚度，也会实现降低车身轻量化系数的目的，但显然这不是轻量化的目的，即未能实现整车质量的真正下降，更主要的是不能实现节能减排。因此，车身轻量化系数仅可作为一个参考指标，不是评判一个车型轻量化水平的绝对指标。同时该评价方法还有一个问题值得商榷，即不能表征覆盖件的轻量化，如采用更薄的高强度钢材或者采用铝合金板材制造覆盖件，实现了整车减重的效果，但却不能通过车身轻量化系数L来表征。因此有部分整车企业将该公式进行了变更，如式，该公式被称之为车身结构利用系数。
2.2整车相对面密度
为消除轻量化表征值随轮边距与轴距乘积所得投影面积的变化，可将轻量化评价按照如下定义的整车相对面密度ΔLm表示：
式中，a、b为常数，可根据样本车型数据进行调整。无论车型的大小，图1中整车相对面密度ΔLm可直观表示出车型的轻量化水平，ΔLm值接近于零表示车型接近平均轻量化水平，ΔLm值越小轻量化水平越高。整车相对面密度ΔLm的表征方法减弱了车型大小对质量的影响，鼓励低配置车型的应用，鼓励轻量化技术的应用。通过此方法也可分析不同汽车企业、不同年代汽车质量的规律。
图3不同种类车型的整车相对面密度对比
2.3每千克减重增加的成本
提出的，轻量化评估除了需要考虑汽车综合性能的提升外，成本控制也必须要在轻量化工程过程中着重考虑。从减重的观点来看，目前讨论得很多的车身材料，如高强度钢、镁、陶瓷纤维和碳纤维等的应用都需给出可接受的每千克减重所增加的成本，这也是评估某个具体轻量化工程是否可以实施的关键，其表达公式可以简化为
式中，分子代表某构件或者总成在轻量化前后的综合成本变化；分母代表某构件或者总成减重的量，kg。目前欧美主机厂可接受的每千克减重所增加成本额度在3～8美元/kg不等。而目前国内尚处于期望重量降低但成本不增加的阶段。
结语
车身轻量化系数是评价车身轻量化一个重要的参考指标。随着节能减排的深入，国内外汽车生产厂家对汽车轻量化的重视，大量轻质材料在车身上的应用，使得车身轻量化系数总体上呈下降趋势，尤其是CBE与国内汽车轻量化车身会议等组织公布的获奖车型及车身轻量化指标都具有实际的参考价值。车身轻量化评价的基础是在保证汽车的被动安全、刚度、噪声、振动和平顺性等性能提高或者不降低的前提下，通过结构优化设计、轻量化材料的应用、材料厚度的减薄及合理的制造工艺等手段来实现的。不能只减轻车身重量，而不考虑车身的性能，这样的轻量化，无实际意义。随着节能减排的深入及国家对新能源车扶持力度的加大，以整车作为轻量化研究对象日益受到极大的重视。将整车性能（包括整备质量、安全性、动力性、经济性、舒适性）纳入轻量化考核指标，也作了有益的探讨。但建立完善的、统一的、合理的轻量化评价方法及标准还将是轻量化工作努力的方向和目标。
参考文献：
[1]国务院发展研究中心产业经济部，中国汽车工程学会及大众汽车集团（中国）.中国汽车产业发展报告（2011版）[M].北京：社会科学文献出版社，2011.
[2]路洪洲，马鸣图，李志刚，等.汽车轻量化技术的应用和效果评估[C]//中国汽车工程学会汽车材料分会第十六届年会论文集，武汉：[s.n.]，2008：121-127.
论文作者:曹丹
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/28
标签：车身论文; 轻量化论文; 系数论文; 整车论文; 刚度论文; 评价论文; 质量论文; 《基层建设》2018年第35期论文;