乘用车车身轻量化评价方法分析与研究

乘用车车身轻量化评价方法分析与研究
摘要：阐述了国际上通用的车身轻量化评价方法，即轻量化系数法及新提出的车身密度法，并通过实车计算分析，给出常见车型的车身轻量化系数数值范围，介于2.8-5.6之间；对应的用车身密度法计算的数值范围，介于30-38之间。

两种评价方法的区别是，轻量化系数法既追求车身的轻量化程度又追求车辆的操纵性，更适用于评价中高级乘用车和运动型乘用车。

车身密度法是追求车身质量与车身体积的比值，只要车身扭转刚度满足一定标准要求即可，更适用于评价普通级乘用车。

关键词：车身轻量化轻量化系数车身密度
1概述
汽车质量每减轻10%，燃油经济性可改善6%-8%，而污染物排放将减少5%-6%。

因此伴随着全球能源节约和环境保护的主题，汽车轻量化成为必然的发展趋势。

对于乘用车，白车身是主要的结构部件，主要用来支撑汽车动力装置和各种辅助部件。

通过车身轻量化技术，可实现更高的单位能源利用效能，大幅降低能耗与废气排放，故此乘用车车身轻量化成为当今汽车行业研究的热门课题。

目前国际上形成的广泛而又公认的车身轻量化程度评价方法，即车身轻量化系数法。

然而车身轻量化系数的数值很大程度上是受车身扭转刚度影响的，即有些车身虽然轻量化系数数值很小，并不意味着车身质量很轻，能做到减排降耗。

当然车身扭转刚度高，意味着车身在行驶中不易变形，利于车辆的操纵性和稳定性，这对于中高级乘用车和运动型乘用车更为有利。

对于普通级乘用车，只要车身扭转刚度满足一定的标准要求，追求的目标是车身质量越轻越好。

对此本文提出的车身密度评价方法，则能更直观反映车身的轻量化程度和车身的实际质量大小。

2 车身轻量化计算方法
2.1 轻量化系数法
车身轻量化技术水平的高低由轻量化系数来评价，数值越低，说明轻量化技术水平越高。

计算方法参照图1。

式中，LT为轻量化系数；M为车身骨架质量；CT为车身骨架扭转刚度；A为前后悬架固定点投影面积。

由上述公式可知，车身轻量化系数是由车身质量、车身扭转刚度、汽车前后悬架固定点投影面积决定的。

表1为参加第四届中国轻量化车身会议的几款车型车身轻量化系数。

图1 车身轻量化评价示意图
表1 第四届中国轻量化会议统计车身轻量化系数
从表1中数值可知，轻量化系数数值越小，并不意味着车身质量就越小；轻量化系数数值越大，也并不意味着车身质量就越大。

2.2 车身密度法
车身密度法是计算车身的密度大小，密度小的车身相对较轻，密度大的车身相对较重。

具体的计算公式是：
采用密度法表达车身轻量化程度，其前提条件是车身静刚度要满足以下要求。

乘用车车身弯曲刚度，国际上一般使用的设计参考值是12 200 N/mm；乘用车车身扭转刚度，国际上一般使用的设计参考值是13 000 N·m/（°），较高些的要求是16 000 N·m/（°）。

3 车身轻量化计算实例
3.1 某三厢式乘用车车身轻量化计算
某三厢式乘用车车身结构如图2所示，总体上可分为乘客舱、机舱、行李舱3部分。

图2 车身总体结构
车身总体尺寸见图3、图4。

在长度方向上，可沿前后轴位置将长度分为3段。

图3 车身长度方向、高度方向尺寸示意图
由于车身外观呈现出不规则的形状，为方便计算车身所占空间大小，可沿车辆前后轴位置将车身所占空间简化为3个长方体形状，如图5、图6所示。

在宽度上，3个箱体等宽，皆为车身宽度；在长度上，箱体A为车辆的轴距，箱体B为前轴到车身前端的距离，箱体C为后轴到车身后端的距离；在高度上，箱体A的高度与车身高度相等，箱体B、箱体C的高度为车身高度的一半。

图4 车身宽度方向尺寸示意图
图5 车身所占空间简化示意图
图6 车身所占空间高度尺寸示意图
由上可知，车身所占的空间，通过简化为3个容易计算的箱体形状进行计算，可达到快速计算的目的。

该车身尺寸参数如下，轴距2.7 m，车身前端到前轴心的距离0.45 m，车身后端到后轴心的距离0.91 m，车身宽1.68 m，车身高1.29 m。

通过前文公式计算得知，该三厢式乘用车车身所占的空间为7.63 m3，车身前后轴之间投影面积为4.55m2。

此外，该车身重量286 kg，车身扭转刚度17 079 N·m/（°）。

由轻量化系数计算公式，该三厢式乘用车车身轻量化系数为3.68 kg·（°）
/(N·m3)·103，车身密度为37.5 kg/m3。

3.2 某SUV车身轻量化计算
某SUV车型车身总体尺寸在长度方向上，仍可沿前后轴位置将长度分为3段。

同样地，可沿车辆前后轴位置将SUV车身所占空间简化为3个长方体形状，如图7、图8所示。

在宽度上，3个箱体等宽，皆为车身宽度；在长度上，箱体A为车辆的轴距，箱体B为前轴到车身前端的距离，箱体C为后轴到
车身后端的距离；在高度上，箱体A的高度与车身的高度相等，箱体B、箱体C的高度为车身高度的0.665倍。

图7 车身所占空间简化示意图
图8 车身所占空间高度尺寸示意图
该SUV车身轴距2.64 m，车身前端到前轴心的距离0.57 m，车身后端到后轴心的距离0.74 m，车身宽1.74 m，车身高1.38 m。

通过前文公式计算得知，该SUV车身所占的空间为8.43 m3，车身前后轴之间投影面积为4.59
m2。

此外，该SUV车身重量298 kg，车身扭转刚度18 085 N·m/（°）。

由轻量化系数计算公式可知，该车身轻量化系数为3.59 kg·（°）/(N·m3)·103，车身密度为35.3 kg/m3。

4 车身轻量化计算结果分析
对前文计算的所有车型车身轻量化系数进行汇总，见表3。

从表3中数值
对前文计算的所有车型车身密度进行汇总，见表4。

从表4中数值可知，车身密度主要介于30-38之间，其数值越小，表明车身轻量化程度越高。

表4 车身密度汇总表kg/m3
两种评价方法的区别是，轻量化系数法除了考察车身质量，也关注车身扭转刚度及车辆的操纵性和运动性，更适用于中高级乘用车和运动型乘用车的轻量化程度评价。

车身密度法，主要考察一定量的车身体积下车身重量的多少，车身扭转刚度只要满足一定的标准要求即可，因此更适用于普通级乘用车的轻量化程度评价。

5 结束语
文中描述了国际上通用的车身轻量化系数评价方法，并指出按照车身轻量化系数法计算结果，轻量化系数小并不意味着车身质量真正地轻，也可能是因车身扭转刚度很高，因此控制轻量化系数并不能真正达到减排降耗的效果。

轻量化系数法对于既追求轻量化又追求操纵性的中高级乘用车更加适用。

此外，文中着重描述了车身密度法，当车身扭转刚度满足一定要求时，采用车身密度法评价车身的轻量化程度具有立竿见影的效果，即车身密度是车身质量与车身体积的比值，一定量的车身体积，其密度越小，就意味着质量越轻，也直接影响着车辆减排降耗。

车身密度法对于操纵性追求不是很高的普通级乘用车较为适用。

通过分析多款车型的数据，给出了常见车型的车身轻量化系数的数值范围，主要介于2.8-5.6之间，其数值越小，表明轻量化程度越高；对应的用车身密度法计算的数值范围，主要介于30-38 kg/m3之间，其数值越小，表明车身轻量化程度越高。