技术 | 如何在轻量化的同时，又降低成本？

　　为了降低油耗或者电能消耗, 不论是传统燃油车还是新能源汽车, 整车的轻量化设计目前是一个势在必行的趋势。为了整车轻量化，优秀车企的投入是巨大的，例如德国某知名车企为了减轻重量1公斤， 愿意成本增加10欧元（约80元人民币），某日系车企愿意成本增加5欧元（约40元人民币），国内一家自主品牌车企愿意成本增加20元人民币 。当前汽车市场销量下滑、竞争激烈，在增加整车成本的基础上轻量化已经不是多数车企的可选科目了，尤其是新能源汽车，虽然电动机代替了内燃机、减速器代替了变速箱，重量有所下降，但是也增加了电池包以及高压线束、逆变器、功率分配器、车载充电器等较重的子系统，导致新能源汽车的轻量化压力剧增！

　　轻量化的同时，又要降低成本，怎么做呢？先来分析一下重量和成本的函数关系（见图1）

　　在图1中，纵轴是成本、横轴是重量，从横轴来看，可以分为三个区域。在第一个区域，随着重量的降低，成本也在降低，这一区域，重量还是处于一个较高的阶段；在第二个区域，重量进一步减少，成本也会降低，一直到一个成本最低的极点，这是轻量化的一个最佳点，过了这个极点，重量再进一步降低，成本却又要增加了，横轴也从第二区域进入第三区域；在第三区域，轻量化进一步深入，重量却也急剧增加。

　　下面用些实战案例展示，怎样既轻量化、又降低成本：

1、优化零部件的几何尺寸

　　第一区域中，在相同材质的条件下，通过零部件的几何尺寸设计优化，降低了重量，也降低了成本。图2是一个实例，材料是PP+EPDM+TD20，在同样材质、保障零部件的功能和强度要求情况下，减小设计厚度，从3mm减少到2.5mm，既降低重量114克，又降低成本2.7元 。在重量和成本的函数关系曲线中，轻量化位于第一区域。优化零部件的几何尺寸，可以应用CAE中的拓扑优化算法，当然，优化后的几何尺寸，是需要进行可制造性分析的（比如注塑件，用注塑仿真软件进行分析） 。

图2 保险杠左下本体

　　这里的重点是，从零部件的实际载荷出发，做CAE的强度分析，对比使用材料的相关参数。由于CAE分析以及有限元计算所用的材料参数和实际材料有一定的误差，所以，在设计零部件的几何尺寸时，使用了所谓的设计安全系数。也就是说，实际载荷和设计安全系数是轻量化的核心参数。再举一个优化几何尺寸的设计例子，中冷器翅片，从厚度0.12mm减小为0.08mm，减轻重量202克，同时降低成本6.75元（见图3）

图3 中冷器的翅片

2、优化设计安全系数

　　当轻量化进入第二区域时，使重量进一步减少， 需要深入分析的， 首先就是设计安全系数 。一般CAE分析使用的是有限元计算方法，有限元计算的误差通常在±10%左右，如果假设在计算中使用的材料曲线同实际材料性能误差为±15%，那么，最佳的设计安全系数就是1.25。举一个实战案例，一款SUV前副车架的横梁，原设计安全系数为3.0！为了轻量化，同时降低成本，把设计安全系数减小为2.0（距离设计安全系数1.25还有充足的余量），实现轻量化1.12公斤，同时降低成本7.38元 （见图4）。

图4 一款SUV的前副车架横梁（设计安全系数的优化）

　　设计安全系数的优化，作者也与本田汽车的底盘设计专家交流过，大家都认为设计安全系数可以从1.5起步，做一至两个循环，优化到1.3。这时，轻量化进入重量和成本函数关系中的第二区域。

3、优化材料

　　当谈到轻量化时， 最先提到的，就是改变材质 。这里举一个线束的例子， 通常导线用的是铜材料，如果用铝材料代替铜材料，虽然铝的电阻率比铜高，需要扩大铝导线横截面（约60%），但是由于铝的密度2.7kg/dm3, 而铜的密度远远高于铝（8.9kg/dm3） , 同时，铝的成本也比铜低很多。所以，轻量化的同时，也降低了成本（见图5），这个实例重量减轻140克，成本降低2.1元。

图5 起动机的线束

　　另外一个实例，蓄电池的支架，通常是用钣金材料，改变成玻纤增强的塑料（PP+LGF30）后，降低重量约500克，降低成本约20元（见图6） 。

图6 蓄电池支架

　　如果再进一步轻量化，就可能已经到了第三区域，典型的例子就是使用碳素纤维材料，成本急速增加。在第二和第三区域交界的附近，有一个实战案例“塑料后背门”（见图7），它是由塑料内板和外板构成，铰链和一些支架依然是钣金材料。这样的设计，可以轻量化约7公斤，成本的变化介于0至150元之间（对比纯钣金的后背门），优化喷漆工艺，减少废品率，可以实现减轻重量7公斤，成本保持不变。

图7塑料后背门

总结

　　轻量化势在必行，怎样做到减轻重量的同时，又降低成本，作者认为，可以从优化几何尺寸（拓扑优化） 、优化设计安全系数 、优化材料入手，而不是一谈到轻量化，大家就先想到改用轻型材料，比如碳素纤维、铝合金、镁合金等成本较贵的材料 。设计工程师首先要考虑的，是零部件的实际载荷，它符合客户正常使用的工况吗？设计安全系数是不是过高？如果把成本和重量看成零部件或者整车的目标函数系统（见图8）的话，那么，功能、性能、耐久性等就是这个目标函数系统的边界条件。轻量化的同时、又要降低成本，就需要运用最优化法，计算出目标函数的极点。