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[车身轻量化] 不同尺寸车身轻量化评价及重量目标设定

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发表于 2020-11-3 17:43:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】不同尺寸车身轻量化评价及重量目标设定



摘 要:汽车的尺寸定义是影响白车身重量大小的最重要的因素,探讨不同尺寸下的汽车车身系统的重量对于重量目标的设定有着重要的意义,文章挑选乘用车中典型的车型“SUV”车型,通过对标研究车身系统的重量与不同尺寸的关系,旨在寻找合适的重量评价及目标设定的方法用以作为汽车设计前期车身重量目标正向开发设定的参考。
关键词:车身轻量化评价;车身尺寸;重量目标


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前言
汽车的尺寸定义是影响白车身重量大小的最重要的因素,探讨不同尺寸下的汽车车身系统的重量对于重量目标的设定有着重要的意义,汽车的主体尺寸中跟车身重量影响较大的尺寸包括长、宽、高、轴距等等,行业里也出现了多种评价车身重量水平的方法,但鲜有详细分析来佐证其方法的合理性,本文挑选乘用车中典型的车型“SUV”车型,通过对标研究车身系统的重量与不同尺寸的关系,旨在寻找合适的重量评价及目标设定的方法用以作为汽车设计前期车身重量目标正向开发设定的参考。

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车身重量与尺寸关系分析
1.1 对标车型筛选
为了更针对性并排除各方面因素对对标分析的影响,将数据库697 款不同类型的汽车车身(白车身本体含防撞梁、前端框架及胶体)的重量统计结果,进行了适当的条件筛选,共筛选出127 款符合条件的SUV 对标分析车型,筛选原则如表1。

1.2 尺寸分析设定
首先将整车尺寸进行约束说明,将整车长度定义为L,整车宽度定义为W,整车高度定义为H,轴距定义为Wb。为了更全面的分析汽车各尺寸参数对车身重量的影响,本文将尺寸分为三种类型,分别为线性尺寸、面型尺寸、体型尺寸,具体如表2 所示。

表1 车型筛选条件设定

表2 尺寸类型


为更进一步评价车身所占面积或体积,本文参考莲花汽车为评价整车轻量化水平提出的汽车名义密度[1]的概念定义车身等效投影面积、等效体积参数。按照车型特点将SUV 车型简化成块状, 形状如图1 所示:


图1 SUV 车辆简化模型

SUV 车型可简化为四部分,分别为前悬部分①、后悬部分②、后悬上部部分③、轴距部分④四部分,四个部分车宽一致,前悬、后悬部分车高估算为1/2 车高,后悬上部部分长度估算为(前悬+后悬)/3=(车长-轴距)/3,高度为1/2车高,轴距部分长度为轴距,高度即为车高。
由上所述,定义等效投影面积为:
L*W+H*W+Wb*H+(L-Wb)*H*2/3;
等效体积定义为:
(Wb*H+(L-Wb)*H*2/3])*W。

1.3 尺寸重量影响数学分析
本文针对尺寸重量分析采用的是统计学中经典的线性回归模型进行,来预测尺寸与重量的相关关系,尺寸和重量可以拟合成一个回归方程:


式中β0、β1 为常数项,β1 又称为斜率系数,y 为车身重量,x 为车身尺寸。
回归模型中用于判断拟合度的相关系数为R2,R2的公式如下:


式中(2)、(3)中,SST 为数据总平方和,SSR 为回归平方和,SSE 为残差平方和。

表3 尺寸重量关联度分析


拟合度相关系数R2 的范围在[0,1]之间,越接近1,说明拟合度越好。根据1.2 分析设定,对127 个样本分别进行不同尺寸类型的回归模型预测,分析整体结果如表3 所示。

1.4 尺寸重量影响结果分析1.4.1 线型尺寸结果分析
线型分析结果如图2、图3 及表3 所示,线型尺寸与重量相关度相对较低,长度、轴距与车身重量统计的回归方程为y=0.17x-422.27、y=0.3752x-664.21,相关系数R2 分别为0.7627、0.7303 均低于面型、体型相关系数,长度与车身重量回归方程为y 仅对比长度与轴距本身,长度车身重量云图落点均匀,各尺寸段均有车型排布,而轴距车身重量云图显示2630-2730 是一段车型密集区,且有更多的离散点,分析结果显示线型尺寸中长度比轴距相关度更好。


图2 长度车身重量


图3 轴距车身重量

1.4.2 面型尺寸结果分析
面型分析结果如图4、图5、图6、图7 所示,面型尺寸相比线型尺寸与重量相关度均有不同程度提高,通常当R2 >0.75,两个变量为相关性较高,而面型尺寸中三面、等效投影面积尺寸R2均大于0.8,我们认为其为强相关尺寸,其中等效投影面积较三面投影面积R2有提升0.0036,并且为所有尺寸类型中R2最高水平,达到0.8063,我们认为用等效投影面积分析SUV 车型尺寸重量影响关系为最好的选择。等效投影面积与车身重量相关方程为y=30.851x-206.8,可取整为y=30.85x-207,以此为中线带入需分析车型等效投影面积便可评估其与车身重量趋势线的差距。


图4 长度面积车身重量


图5 轴距面积车身重量


图6 三面面积车身重量


图7 等效面积车身重量

1.4.3 体型尺寸结果分析
体型分析结果如图8、图9 所示,体积与等效体积与重量R2处于较高水平,高于线型尺寸,但是仍低于三面、等效投影面积尺寸趋近于0.01,我们认为其可作为车身轻量化水平评价参考尺寸。


图8 体积车身重量


图9 等效体积车身重量

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重量等效投影面积密度分析及车身重量目标设定探讨
为了更直接的评估车身重量水平,现定义重量等效投影面积密度参数用以评价白车身轻量化水平(也可说成“重量效率”),即单位重量可实现的车身结构,重量等效投影面积密度公式如下:



将重量等效投影面积密度与车身长度(不同的长度代表不同的车型等级)做统计分析,来看不同的车型等级与重量等效投影面积密度的关系,分析结果如图10 所示。


图10 重量等效投影面积密度

重量等效投影面积密度与车身长度回归函数为曲线c:y=-0.001x+9.5571,显示市场车型重量等效投影面积密度随车身长度的增加而降低,降低斜率系数为-0.001,即越长的车型相同的面积下车身重量越重。
车身设计时通常会基于原型车进行重量变化的评估,在设计前期进行重量目标的设定,车身尺寸变化时评估车身重量变化应分为两个部分:直接尺寸重量影响与间接尺寸重量影响。其中直接尺寸重量影响指车身断面、料厚不变情况下尺寸变化带来的直接重量影响,间接尺寸重量影响指当尺寸变化,为满足相同的安全、NVH 等性能要求,车身断面、料厚会随之改变带来的重量变化。直接尺寸影响通过原型车数据即可得出,间接尺寸影响往往难以评估,此时,上述分析的c 曲线便有更深一层次的价值,c 曲线斜率系数可很好的体现间接尺寸影响的幅度,利用c 曲线便可进行间接尺寸重量影响的评估。下面举例说明进行车身重量变化评估:假设原车型与新车型相关参数如表4。

表4 参数对比


现定义Δρ 为新车型与原车型重量等效投影面积密度之差,Δmz 为直接尺寸重量影响,Δmj 为间接尺寸重量影响,根据图10 及表4 尺寸对比参数可推导Δmj 计算如下:



间接尺寸重量影响Δmj数值为-18.78kg,经过评估直接尺寸重量影响Δmz 为-16kg,所以可预测新车型车身重量m2应为m2= m1+Δmz+Δmj=385.4-18.78-16=350.62kg。
当然,上述分析是全新平台开发时项目前期尺寸调整时重量变化预测的较好手段,但当平台沿用开发或车型小改款时为了通用化、成本控制等,零部件开发范围会大幅度减少,此时建议根据实际情况进行重量变化评估。
此外,进行白车身轻量化水平评价或重量目标设定,可以将车型落点进行等分划线,如图10 可三等分划线形成a、b、d、e 四条线,其中a、e 线为上下边缘线。图表中bd 区域为正常水平,ab 区域为高轻量化区域,de 为低轻量化区域,评估车型轻量化水平看落点位置即可,这样便可清晰的识别各竞品车的轻量化水平。值得一提的是,127 个样本仅有1 款车落到了区域之上,其轻量化水平明显高于其他车型,该车型为Nissan 2014 X-trail 2.5,该款车型的轻量化设计路线值得本领域同仁进一步对标研究,本文便不做阐述。车身产品开发制定重量目标时,可根据车型具体尺寸、性能、成本等要求选择合适的重量落点区域,制定出合适的车型重量目标。

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结束语
本文通过对127 款SUV 车身重量数据与线型、面型、体 型尺寸进行回归分析,得到以下结论:三面投影面积、等效投影面积与SUV车身重量相关性最高,相关系数R2高达0.8,其中等效投影面积处于所有尺寸中最相关,关系函数为y= 30.85x-207,可作为车身轻量化水平评价或重量目标设定的基础方向。
通过进一步进行重量等效投影面积密度分析发现:SUV车型重量等效投影面积密度随车身长度的增加而降低,关系曲线为y=-0.001x+9.5571,并且在车身重量开发前期可基于此曲线分析尺寸变化带来的间接尺寸重量影响,更精确的预估重量变化,制定重量目标。
当然在汽车产品开发时,即使尺寸相同,产品的需求也不尽相同,需要有相同尺寸下不同的细分市场来满足用户的需求,车身轻量化开发时也可基于重量等效投影面积密度模型将车身重量进行轻量化水平划分以供项目选择。
来源:期刊-《汽车实用技术》;作者:李文中,王立,李振兴,蒋新亮,王飞飞,吴皓亮,马秋,李莉
(吉利汽车研究院(宁波)有限公司)


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