｜應用最佳化方法進行車輛底盤之輕量化設計

摘要：在全球暖化日益嚴重的今日，如何減緩暖化的趨勢已成為各國政府及汽車製造商不斷努力的課題，正因為如此，降低車輛的二氧化碳排放以及燃油消耗，已是近年來汽車發展的主要趨勢之一，除了改善動力系統的效率、使用混和式動力系統、降低車輛的風阻係數及輪胎的摩擦阻力等方法之外，輕量化亦是減少二氧化碳排放以及燃油消耗的主要方法之一；本文即應用最佳化方法、新材料及新製程，以國內自主整車廠之SUV車型為設計載具，在維持相同之彎曲及扭轉剛性的限制條件下，進行車輛底盤之輕量化設計。

Abstract: The trend of global warming is increasing quickly nowadays. Identifying ways to slow down the trend of global warming is very critical for governments and carmakers. Therefore, reducing the greenhouse gas emissions and increasing fuel efficiency of vehicles is the main trend of vehicle development. Besides improving the efficiency of powertrain, using the hybrid power system, reducing the drag coefficient and tire resistance, lightweight design is also a possible solution to reducing the greenhouse gas emissions and increasing fuel efficiency of vehicles. In this article, we use the original design manufacturer’s SUV model as benchmark and apply optimization method, new materials, and manufacturing process to maintain the same bending and torsional stiffness and reduce weight at the same time.

關鍵詞：輕量化、最佳化、液壓成形、高強度鋼

Keywords：Lightweight, Optimization, Hydroforming, High Strength Steel

前言
全球暖化日益嚴重，如何減少溫室氣體的排放已成為各國政府不斷努力的目標，以美國加州為例，其州內溫室氣體（Greenhouse Gas, GHG）的排放約有三分之一是由交通運輸所產生[1]，如圖1所示，由於溫室氣體之主要成分為二氧化碳，因此歐盟已制定EC NO. 443/2009規範，用以限制新車之二氧化碳（carbon dioxide）排放量，於2015年上市之車輛的二氧化碳排放量需小於130 g/km，而至2020年上市之車輛的二氧化碳排放量需小於95 g/km；另一方面，由於石油價格不斷上升，直接影響消費者購買車輛後的使用成本，因此燃油效率已成為消費者購車時主要考慮的因素之一，圖2為美國環境保護局（United States Environmental Protection Agency, EPA）所統計於1975年至2010年轎車和貨車之二氧化碳排放量及油耗之變化[2]，可看出於2004年後車輛之二氧化碳排放量及油耗每年皆穩定的減少，因此如何持續降低車輛的溫室氣體排放量及燃油消耗，同時維持車輛的操控性、安全性及生產成本等，已成為汽車製造商不斷努力的目標。

根據Ricardo於2008年所做的研究顯示[3]，車輛的輕量化對於燃油效率有明顯的幫助，對使用汽油引擎之小型SUV來說，在使用相同引擎的情況下，每減少45公斤的重量約可減少0.5 %的油耗，若更換成較小型的引擎則可減少約1.0 %的油耗，如圖3所示；而根據ThyssenKrupp Steel Europe所作之研究顯示[4]，車體輕量化約可減少10 %的溫室氣體排放量；除此之外，車體輕量化亦代表著更好的加減速性能、操控性與安全性，因此輕量化已成為車輛發展的主要趨勢之一，表1即統計了美國環境保護局所預估至2016年時，各種車型之輕量化目標，以及Mazda、Ford、Nissan及Toyota對於未來所生產之車型，所訂定的車體輕量化目標[5]，然而輕量化勢必伴隨著成本的增加，若要在成本的提升與輕量化效益上取得平衡，則必須同時考慮設計、材料與製程的搭配，並在設計時即考慮各種材料與製程之優勢與限制，才可最有效的達成輕量化的設計（圖4）。射