新材料与工艺手册

[重量管理与轻量化开发] 浅谈整车重量控制与轻量化实现

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发表于 2021-7-19 16:05:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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浅谈整车重量控制与轻量化实现

杨茂华
奇瑞汽车股份有限公司 安徽省芜湖市 241009
摘 要: 通过个人的研究和体会,针对整车重量控制与轻量化实现等议题,介绍当前的现状及未来趋势,阐述个人的意见和主张。
关键词:整车性能 重量控制 减重 轻量化
1 整车重量意义及影响

一般来说,乘用车的重量减轻10%,油耗降低6%-8%,加速时间减少8%,排放量减少10%,制动距离减少5%,轮胎寿命提高7%,转向力减小6%。

如今时下流行这么一句话:“如果想去评价一家汽车主机厂的核心研发能力到底如何,只要查看其整车重量控制及风阻管理水平便略知一二”。此番言论足以说明整车重量控制的难度及其重要性(关于“风阻管理”,本文暂不做论述)。

另外,关于整车重量的影响及意义,个人认为可以从用户、企业、社会3个维度的来评价,具体见下表1。

表1 重量的意义及影响(用户、企业、社会3个维度)

2 重量控制的主要思路、工具和方法

“SWOT分析”、“PDCA循环”、“跨部门多功能联合小组”、“头脑风暴法”等,在管理学当中是相当的流行并被广泛的应用。对于以上所提及的4种工具和方法放之四海而皆准。当然,个人同样觉得其适用于重量的管理和控制。

另外,“CAD、CAE、CAM”等计算机辅助工具,“平台化、通用化”开发理念等均可以加以综合应用和实践。

以下将结合乘用车重量管理和轻量化实现做一简单的阐述和说明。

2.1 SWOT分析

SWOT是Strengths\Weaknesses\Opportunites\Threats四个英文单词的缩写,其中文意思是“优势、劣势、机会、威胁”的意思。也就是说,我们需要结合当前现状及未来发展趋势,将企业自身、产品自身与本行业竞争对手、相关竞品进行对标分析,评估我们的长板与短板,寻找我们的威胁和机会,制定相关风险的规避措施及相关目标的达成路径等。

2.2 PDCA循环

PDCA是Plan\Do\Check\Action四 个英文单词的缩写,其中文意思是“计划、执行、检查、处理”的意思。PDCA循环可以是大循环、可以是小循环、也可以是大小混合循环。针对重量管理,可以视具体情况去灵活掌握和应用。对于我们重量管理来说,个人建议可以遵从以下的思路和节奏予以开展:目标设定→目标分解→目标评估→目标落实→目标验证→结果评估→结果反馈→目标修正→目标确认→目标达成。与此同时,配合恰当的目标管理和控制,从而确保整个过程和结果能够有效得到管控。

另外,关于目标设定及分解按照整车、系统、总成、零部件等“自上而下”的顺序逐级进行;关于目标验证及确认按照零部件、总成、系统、整车等“由下到上”方式进行。当然,目标设定与分解需要遵从一个相对科学严谨合理的轻量化系数和目标。

2.3 跨部门多功能联合小组&头脑风暴”

整车重量往往与整车的成本、进度、质量、性能、几何空间等关键指标密切相关,可以利用跨部门多功能小组(项目管理、整车集成、造型、专业、试验、质量、生产工艺、公告认证、采购、财务等)开展积极有益的“头脑风暴”活动。当然,由于看待问题的出发点、角度和立场不同,有时矛盾和冲突也会异常激烈,此时需要大家放弃“零和博弈与零和竞争”思想,充分有效的开展多维度评估,全面考量、权衡各种利弊得失后再做出最佳抉择和最佳实践(让步、妥协、折中、平衡)。

2.4 CAD、CAE、CAM

如今计算机辅助设计CAD、辅助工程CAE、辅助制造CAM技术日趋成熟,“新材料、新工艺、新结构、新技术”的应用均可通过计算机建模、模拟仿真快速实现“鲁棒性设计”和“拓扑优化”的工作,从而满足项目QCDT(质量&成本&进度&技术)的要求等。

2.5 平台化、通用化

为了减少前期投资分摊带来成本增加的不利影响,需要将以上成果进行“平台化和通用化”实际应用推广,通过量产基数扩大实现投资稀释和降本增效。

3 轻量化实施路径

众所周知,实现轻量化的四大常见途径有“新材料、新工艺、新结构、新技术”等。我们往往可以从大型车身外覆盖件(包括发动机盖板、车顶棚、车门和挡泥板等),重要的结构件(包括底板、立柱、横梁和轮罩等)以及与碰撞性能相关的零部件等着手寻找机会和突破口。

以上途径势必会减少零部件的数量、缩小总成的体积,进而大大的减轻系统的重量。以下将结合当前各大主机厂及供应商的成功实践予以详细展开,具体见下图1。

图1 实施路径示意图(“四新”)

3.1 新材料

新材料可以说是新工艺、新技术、新结构的基础。目前广为认知并逐步得到广泛应用的有:(超)高强度钢、静音钢板、轻合金材料&超轻合金材料(铝合金镁合金、铝镁合金……)、泡沫金属、高性能塑料复合材料(新型塑料复合材料、纳米复合材料、高性能纤维复合材料……)等。

例如:铝合金车身技术,目前在奇瑞捷豹路虎车型、奇瑞小蚂蚁等车型得到了较好的应用和示范推广;

例如:新型塑料技术,应用于奇瑞“大、小蚂蚁”等车型外覆盖件;

再例如:宝马I3&I8碳纤维座舱技术。

3.2 新工艺

汽车行业的工艺主要涉及冲压&成型、焊接、涂装、总装等工艺。众所周知的轻量化工艺有:激光拼焊、变截面钢板、液压成型、热成型、辊压成型、半固态成形、锁铆连接技术、双腔覆膜工艺、PU Spray、Mucell工艺、气辅成型等。以上每一个工艺的改进、改良都会对整车重量做出或多或少的贡献。

例如:当前应用较多的门内板激光拼焊技术、前纵梁激光拼焊技术等,根据需要将不同材料、不同料厚的部件焊接在一起,避免传统的同材料等料厚带来的过度冗余设计;

再例如:大家熟知的传统的车身制造工艺是先充压成单件,再通过不同的工位、工序、工艺焊接成部件、分总成、总成。但是,最近特斯拉公司完全颠覆了这一概念,其采用“多向铸造机”和“多方向一体式铸造工艺”从而将车身形成“一个整体铸件”,其已成功申报了相应的专利技术并计划在TESLA Model Y上实现量产。这样,零部件的数量、焊接的重量、涂胶密封重量等会大幅度的减少。

3.3 新技术

当新技术由量变发生到质变时往往带来产业的革命。自从汽车诞生之日起,本行业本领域的案例就不胜枚举,以下列举几个小小的案例予以说明。

例如:传统的空调高低压管技术方案往往是两条独立的管路,采用了新的技术后,将空调高低压管设计成“同轴管路”;

例如:传统的线束方案被CAN总线技术替代;

例如:传统的多个ECU模块及功能被合并形成一个多功能集成的ECU等;

例如:随着线控技术的发展和兴起,传统的机械转向、液压转向、电动转向被线控转向逐渐所取代,传统的机械制动、液压制动、气压制动等被线控制所取代等;

例如:新能源汽车动力电池,作为EV、HEV、PHEV、MHEV等的关键核心部件之一,通过技术的革新(材料的革新、结构的革新、工艺的革新等),实现体积越来越小、重量越来越轻、能量密度越来越大、充放电效率越来越高、续航里程越来越长等;

再例如:在ADAS(Advanced Driving Assistance Systmen,先进驾驶辅助系统)系统中,不断的对于新型雷达、传感器、摄像头、控制模块进行小型化、轻量化、多功能化、集成化设计优化改进,从而使其重量增量相对较少。

3.4 新结构

新结构的采用往往是创新的源泉和原动力,这其中可以借助“有限元分析”、“拓扑优化”、“整车多目标优化”等手段。目前国内(中国是专利大国之一)的大部分专利(发明、实用新型、外观)技术都与此有关。

传统行业有一些可圈可点巧妙之处可供大家参考应用,新能源行业同样也有好多奇思妙想可供大家学习借鉴。

例如:在相对静止的空滤壳体、蓄电池托盘等零部件之上巧妙的集成“各种管路或者线束”固定结构;

例如:将发动机装饰罩与空滤壳体进行集成共用;

例如:新能源行业的“二合一”、“ 三合一”(“2 in 1”及“3 in 1”)估计大家都并不陌生,即将电机及减速器二者集成、或者电机及电机控制器二者集成、或者将电机、电机控制器及减速器三者集成;

再例如:新能源行业的“电驱动桥E-AXLE”等。

4 结束语

本文作者希望通过以上陈述能够再次引起相关OEM同行的高度重视和强烈共鸣,同时也希望能够起到抛砖引玉的作用和效果。热切期待在“官、产、学、研”的联动机制下,本行业本领域能够持续积极探索和实践、大胆创新和突破,为“中国制造2025”国家战略的实现增砖添瓦(完全可以这样毫不夸张的说,其是一件功在当代、利在千秋的丰功伟绩和伟大事业)。



发表于 2021-7-21 13:49:21 | 显示全部楼层
不错的内容,谢谢
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发表于 2021-8-3 14:22:16 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享
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