技術 | 如何在輕量化的同時，又降低成本？

　　為了降低油耗或者電能消耗, 不論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車, 整車的輕量化設計目前是一個勢在必行的趨勢。為了整車輕量化，優(yōu)秀車企的投入是巨大的，例如德國某知名車企為了減輕重量1公斤， 愿意成本增加10歐元（約80元人民幣），某日系車企愿意成本增加5歐元（約40元人民幣），國內一家自主品牌車企愿意成本增加20元人民幣 。當前汽車市場銷量下滑、競爭激烈，在增加整車成本的基礎上輕量化已經(jīng)不是多數(shù)車企的可選科目了，尤其是新能源汽車，雖然電動機代替了內燃機、減速器代替了變速箱，重量有所下降，但是也增加了電池包以及高壓線束、逆變器、功率分配器、車載充電器等較重的子系統(tǒng)，導致新能源汽車的輕量化壓力劇增！

　　輕量化的同時，又要降低成本，怎么做呢？先來分析一下重量和成本的函數(shù)關系（見圖1）

　　在圖1中，縱軸是成本、橫軸是重量，從橫軸來看，可以分為三個區(qū)域。在第一個區(qū)域，隨著重量的降低，成本也在降低，這一區(qū)域，重量還是處于一個較高的階段；在第二個區(qū)域，重量進一步減少，成本也會降低，一直到一個成本最低的極點，這是輕量化的一個最佳點，過了這個極點，重量再進一步降低，成本卻又要增加了，橫軸也從第二區(qū)域進入第三區(qū)域；在第三區(qū)域，輕量化進一步深入，重量卻也急劇增加。

　　下面用些實戰(zhàn)案例展示，怎樣既輕量化、又降低成本：

1、優(yōu)化零部件的幾何尺寸

　　第一區(qū)域中，在相同材質的條件下，通過零部件的幾何尺寸設計優(yōu)化，降低了重量，也降低了成本。圖2是一個實例，材料是PP+EPDM+TD20，在同樣材質、保障零部件的功能和強度要求情況下，減小設計厚度，從3mm減少到2.5mm，既降低重量114克，又降低成本2.7元 。在重量和成本的函數(shù)關系曲線中，輕量化位于第一區(qū)域。優(yōu)化零部件的幾何尺寸，可以應用CAE中的拓撲優(yōu)化算法，當然，優(yōu)化后的幾何尺寸，是需要進行可制造性分析的（比如注塑件，用注塑仿真軟件進行分析） 。

圖2 保險杠左下本體

　　這里的重點是，從零部件的實際載荷出發(fā)，做CAE的強度分析，對比使用材料的相關參數(shù)。由于CAE分析以及有限元計算所用的材料參數(shù)和實際材料有一定的誤差，所以，在設計零部件的幾何尺寸時，使用了所謂的設計安全系數(shù)。也就是說，實際載荷和設計安全系數(shù)是輕量化的核心參數(shù)。再舉一個優(yōu)化幾何尺寸的設計例子，中冷器翅片，從厚度0.12mm減小為0.08mm，減輕重量202克，同時降低成本6.75元（見圖3）

圖3 中冷器的翅片

2、優(yōu)化設計安全系數(shù)

　　當輕量化進入第二區(qū)域時，使重量進一步減少， 需要深入分析的， 首先就是設計安全系數(shù) 。一般CAE分析使用的是有限元計算方法，有限元計算的誤差通常在±10%左右，如果假設在計算中使用的材料曲線同實際材料性能誤差為±15%，那么，最佳的設計安全系數(shù)就是1.25。舉一個實戰(zhàn)案例，一款SUV前副車架的橫梁，原設計安全系數(shù)為3.0！為了輕量化，同時降低成本，把設計安全系數(shù)減小為2.0（距離設計安全系數(shù)1.25還有充足的余量），實現(xiàn)輕量化1.12公斤，同時降低成本7.38元 （見圖4）。

圖4 一款SUV的前副車架橫梁（設計安全系數(shù)的優(yōu)化）

　　設計安全系數(shù)的優(yōu)化，作者也與本田汽車的底盤設計專家交流過，大家都認為設計安全系數(shù)可以從1.5起步，做一至兩個循環(huán)，優(yōu)化到1.3。這時，輕量化進入重量和成本函數(shù)關系中的第二區(qū)域。

3、優(yōu)化材料

　　當談到輕量化時， 最先提到的，就是改變材質 。這里舉一個線束的例子， 通常導線用的是銅材料，如果用鋁材料代替銅材料，雖然鋁的電阻率比銅高，需要擴大鋁導線橫截面（約60%），但是由于鋁的密度2.7kg/dm3, 而銅的密度遠遠高于鋁（8.9kg/dm3） , 同時，鋁的成本也比銅低很多。所以，輕量化的同時，也降低了成本（見圖5），這個實例重量減輕140克，成本降低2.1元。

圖5 起動機的線束

　　另外一個實例，蓄電池的支架，通常是用鈑金材料，改變成玻纖增強的塑料（PP+LGF30）后，降低重量約500克，降低成本約20元（見圖6） 。

圖6 蓄電池支架

　　如果再進一步輕量化，就可能已經(jīng)到了第三區(qū)域，典型的例子就是使用碳素纖維材料，成本急速增加。在第二和第三區(qū)域交界的附近，有一個實戰(zhàn)案例“塑料后背門”（見圖7），它是由塑料內板和外板構成，鉸鏈和一些支架依然是鈑金材料。這樣的設計，可以輕量化約7公斤，成本的變化介于0至150元之間（對比純鈑金的后背門），優(yōu)化噴漆工藝，減少廢品率，可以實現(xiàn)減輕重量7公斤，成本保持不變。

圖7塑料后背門

總結

　　輕量化勢在必行，怎樣做到減輕重量的同時，又降低成本，作者認為，可以從優(yōu)化幾何尺寸（拓撲優(yōu)化） 、優(yōu)化設計安全系數(shù) 、優(yōu)化材料入手，而不是一談到輕量化，大家就先想到改用輕型材料，比如碳素纖維、鋁合金、鎂合金等成本較貴的材料 。設計工程師首先要考慮的，是零部件的實際載荷，它符合客戶正常使用的工況嗎？設計安全系數(shù)是不是過高？如果把成本和重量看成零部件或者整車的目標函數(shù)系統(tǒng)（見圖8）的話，那么，功能、性能、耐久性等就是這個目標函數(shù)系統(tǒng)的邊界條件。輕量化的同時、又要降低成本，就需要運用最優(yōu)化法，計算出目標函數(shù)的極點。