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2.8- 5.6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 之间;对应30-38的用车身密度法计算的数值范围,介于 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。

Automobile Technology & Material - - AT & M 视界 - 李仲奎 夏卫群 樊树军430058) (东风汽车公司技术中心,武汉

1 前言

10%, 6%汽车质量每减轻 燃油经济性可改善8%, 5%-6%

而污染物排放将减少 [1,2]。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[3],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[4],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[5],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 [6]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1方法参照图 。LT=M/(CT×A) 1)轻量化系数计算公式: (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

1981—),作者简介:李仲奎( 男,高级工程师,硕士学位,研究方向为乘用车车体结构设计。

质量、车身扭转刚度、汽车前后悬架固定点投影面

1积决定的。表 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。 1从表中数值可知,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:

ρ=m/ V 2) (式中,为车身密度; ρ V为车身骨架体积。其中,车身体积的大小按下述方式计算: ={0.5×( -三厢式乘用车车身体积 车身长 轴+ }× ×距)轴距 车身宽 轩身高;

SUV ={0.665×(两厢式乘用车、 车身体积 车身

- + }× ×长 轴距)轴距 车身宽 轩身高。

以上计算车身体积为车身的等效体积。这种密度计算方法,通过计算质量与体积之比,简单直观,很容易判定车身的轻量化程度和轻量化水平。2

表 为参加第四届中国轻量化车身会议的几款车型的车身密度统计。

2从表 中可知,车身质量小、体积大,其密度就会小,意味着轻量化程度高。 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12 200 N/mm;计参考值是 乘用车车身扭转刚度, 13 000 N · m/(°),国际上一般使用的设计参考值是16 000 N · m/(°)较高些的要求是 。

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

2某三厢式乘用车车身结构如图 所示,总体上3可分为乘客舱、机舱、行李舱 部分。 3 4车身总体尺寸见图 、图 。在长度方向上,可3沿前后轴位置将长度分为 段。 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3 5 6车身所占空间简化为 个长方体形状,如图 、图3所示。在宽度上,个箱体等宽,皆为车身宽度;在A B长度上,箱体为车辆的轴距,箱体 为前轴到车

C身前端的距离,箱体为后轴到车身后端的距离; A B在高度上,箱体 的高度与车身高度相等,箱体 、C箱体 的高度为车身高度的一半。 3由上可知,车身所占的空间,通过简化为 个容易计算的箱体形状进行计算,可达到快速计算的目的。2.7 m,该车身尺寸参数如下,轴距 车身前端到0.45 m,前轴心的距离 车身后端到后轴心的距离0.91 m, 1.68 m, 1.29 m车身宽 车身高 。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, 4.55m2车身前后轴之间投影面积为 。286 kg, 17此外,该车身重量 车身扭转刚度079 N · m/(°)。由轻量化系数计算公式,该三厢式3.68 kg · °)/(N · m3) · 103,乘用车车身轻量化系数为 ( 37.5 kg/m3车身密度为 。

3.2 某SUV车身轻量化计算

SUV某车型车身总体尺寸在长度方向上,仍3可沿前后轴位置将长度分为 段。SUV同样地,可沿车辆前后轴位置将 车身所3 7 8占空间简化为个长方体形状,如图 、图 所示。 3在宽度上,个箱体等宽,皆为车身宽度;在长度A B上,箱体为车辆的轴距,箱体为前轴到车身前C端的距离,箱体为后轴到车身后端的距离;在高A B度上,箱体 的高度与车身的高度相等,箱体 、箱C 0.665体 的高度为车身高度的 倍。 SUV 2.64 m,该 车身轴距 车身前端到前轴心的0.57 m, 0.74 m,距离 车身后端到后轴心的距离 车1.74 m, 1.38 m身宽 车身高 。通过前文公式计算得SUV 8.43 m3,知,该 车身所占的空间为 车身前后轴4.59 m2之间投影面积为 。SUV 298 kg,此外,该 车身重量 车身扭转刚度18 085 N · m/(°)。由轻量化系数计算公式可知,该3.59 kg · °)/(N · m3) · 103,车身轻量化系数为 ( 车身密35.3 kg/m3度为 。

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3 3汇总,见表 。从表 中数值可知,轻量化系数介于2.8-5.6之间,其数值越小,表明轻量化程度越高。

对前文计算的所有车型车身密度进行汇总,见4 4 30-38表 。从表 中数值可知,车身密度主要介于之间,其数值越小,表明车身轻量化程度越高。

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

2.8- 5.6车身轻量化系数的数值范围,主要介于 之间,其数值越小,表明轻量化程度越高;对应的用车

30-38 kg/m3身密度法计算的数值范围,主要介于 之间,其数值越小,表明车身轻量化程度越高。

参考文献:

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图3 车身长度方向、高度方向尺寸示意图

图2 车身总体结构

图1 车身轻量化评价示意图

图8 车身所占空间高度尺寸示意图

图6 车身所占空间高度尺寸示意图

图7 车身所占空间简化示意图

图5 车身所占空间简化示意图

图4 车身宽度方向尺寸示意图

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