乘用車備胎艙設(shè)計(jì)與開發(fā)

陳聰 侯明亮 劉彬 曾鳳

【摘 要】文章從乘用車座椅與排氣管布置、備胎艙結(jié)構(gòu)選型、零件沖壓成型、模態(tài)與強(qiáng)度等方面，闡述與總結(jié)了乘用車備胎艙設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，剖析了布置、結(jié)構(gòu)、沖壓與性能四者之間的內(nèi)在聯(lián)系，為備胎艙的設(shè)計(jì)提供工程實(shí)踐參考。

【關(guān)鍵詞】乘用車行李艙;備胎艙;汽車后地板

【中圖分類號】G386 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0066-03

0 前言

乘用車備胎艙位于后排座椅后方，用于存放備胎，同時承載行李重量。部分高端車型或者輕量化要求高的車型采用3.0 mm厚度的GMT（PP-GM30）材料的備胎艙可以實(shí)現(xiàn)40%的減重，零件模壓成型，總裝車間采用PU膠黏接工藝[1]。由于復(fù)合材料成本較高，所以絕大部分車型仍然采用鈑金沖壓的備胎艙，工藝簡單，性能可靠。

1 備胎的布置

1.1 座椅對備胎布置的影響

座椅主要影響了備胎布置的Z向位置，從而影響備胎艙的沖壓深度。

（1）如圖1所示，后排座椅后方布置備胎，布置位置較高，兩側(cè)與前方需要設(shè)計(jì)儲物盒，用于墊平地板。如圖2、圖3所示，后排座椅放倒，坐墊往前翻轉(zhuǎn)，整個行李艙蓋板與放倒座椅靠背處于平整狀態(tài)，此時備胎艙凹坑較淺，沖壓成型容易，該種布置常見于SUV車型。

（2）對于三廂轎車或者小型兩廂車，為了增加行李箱高度方向的空間，沒有座椅放倒功能或者座椅放倒不要求行李艙平整，備胎的布置位置較低，備胎布置在后地板以下，此時備胎艙深度較大（如圖4、圖5所示）。

1.2 排氣管布置對備胎布置的影響

對于淺備胎艙車型而言，備胎艙深度較小，車下方空間充足，排氣管采用橫置或者縱置方式均可;對于深備胎艙車型而言，排氣管主銷只能縱向布置，如果是單主銷的結(jié)構(gòu)，則備胎艙需要偏向另外一側(cè)（如圖6所示）。三廂轎車為了保證行李箱空間通常采用深備胎艙，排氣主銷縱向布置。不論哪種布置方式，保證排氣管主銷與車身鈑金的距離≥45 mm。

2 備胎艙結(jié)構(gòu)

2.1 備胎艙基本形狀與結(jié)構(gòu)

如圖7所示，常見的3種備胎艙俯視形狀有倒“U”形，“Ω”形，“□”形3種，這3種結(jié)構(gòu)并無明顯的優(yōu)劣之分，根據(jù)車型實(shí)際布置與結(jié)構(gòu)選取。

如圖8所示，常見的備胎艙底部形狀也有3種：{1}平底，邊緣3～5個凸臺用于支撐備胎，保證輪輞與備胎艙的間隙要求;{2}漸變式凹底，邊緣3～5個凸臺，中部凸臺焊接備胎固定支架;{3}突變式凹底，過渡區(qū)域較短，下凹部分中部有較大的凸臺焊接備胎固定支架。

2.2 備胎的固定方式

備胎的安裝有輪輞朝下與輪輞朝上兩種（如圖9、圖10所示）。輪輞朝上是當(dāng)前主流安裝方式，固定螺栓長度短，輪輞空間可以布置工具盒用于固定隨車工具。

胎艙底部形狀需要控制輪輞與鈑金的距離，底盤設(shè)計(jì)備胎數(shù)據(jù)，通常是備胎充滿氣的最大理論尺寸狀態(tài)，實(shí)車安裝的備胎由于充氣壓力與制造偏差，輪胎寬度小于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)狀態(tài)，需要以實(shí)車備胎的測量尺寸校核與鈑金的安全距離。

3 備胎艙沖壓工藝

備胎艙的成型問題通過Autoform可以進(jìn)行很好的預(yù)測，從而給結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材料的選取提供依據(jù)。蘇海波等人采用了Autoform對汽車地板（備胎艙）沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了屈強(qiáng)比δs/δb、n值、r值對成形的影響[2]。

如圖11所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的備胎艙沖壓成形的主要參數(shù)如下：備胎艙深度H直接決定備胎艙的沖壓性能，H越大，成形越難，通過調(diào)整側(cè)壁沖壓角α、備胎艙沖壓圓角R1與R2及選擇延伸率較大的板材解決。

（1）材料選擇：深度大的備胎艙推薦BUSD、BUFD，優(yōu)先使用BUSD。淺備胎艙推薦采用BLD、BUSD，優(yōu)先使用BLD。材料厚度為0.7 mm。

（2）沖壓側(cè)壁角α：推薦沖壓角≥15°，可根據(jù)深度適當(dāng)加大，淺備胎艙不能小于10°。

（3）沖壓圓角：推薦20～50 mm，深度越大，放大圓角有利于成形。

4 備胎艙性能要求

4.1 局部模態(tài)要求

備胎艙是地板的一部分，板類覆蓋件容易在激振源的激勵下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，激振頻率與固有頻率接近時會產(chǎn)生共振。如圖12所示，備胎艙底部出現(xiàn)局部模態(tài)較低，與車身的一階聲腔模態(tài)耦合，容易出現(xiàn)共振，此時要求兩者頻率需要錯開10 Hz以上。

車身鈑金改變固有頻率的最直接有效的方法就是是在板上沖壓筋，因?yàn)檎駝硬偸浅瘎傂宰畈畹姆较蚯斑M(jìn)，合理的布置筋可以切斷振動波。還有一種辦法是增加加強(qiáng)件，如果不考慮成本和重量因素，此方法非常有效[3]。

備胎艙底部的筋條設(shè)計(jì)各企業(yè)甚至同一廠家的產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)理念不一致，并沒有統(tǒng)一的筋條設(shè)計(jì)規(guī)則與方式。如圖13所示，兩款車型來自不同的企業(yè)，筋條的設(shè)計(jì)風(fēng)格差異十分明顯。筋條的結(jié)構(gòu)多種多樣，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)筋條，也可以結(jié)合形貌優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行筋條設(shè)計(jì)，張彩婷等人[4]對某承載式轎車的地板利用形貌優(yōu)化方法自由起筋優(yōu)化和約束起筋優(yōu)化對地板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高后地板的模態(tài)頻率值，優(yōu)化整車的第一階固有頻率，避免整車發(fā)生共振現(xiàn)象。不論采用哪種方式設(shè)計(jì)備胎艙筋條，總的原則是保證其局部模態(tài)滿足整車NVH要求，滿足強(qiáng)度要求，能沖壓成形，涂裝過程中電泳液能夠順利排出。

4.2 備胎艙強(qiáng)度要求

備胎艙零件由于需要承載備胎與行李，在開發(fā)過程中CAE分析與路試行李重量以配重的方式放置在備胎艙。根據(jù)國標(biāo)《汽車道路試驗(yàn)方法通則》（GB/T 12534—1990）規(guī)定[5]，轎車道路試驗(yàn)過程中，乘員平均質(zhì)量為60 kg/人，行李為5 kg/人，試驗(yàn)過程中可用相同質(zhì)量的重物替代，座椅上50 kg/人，座椅前的地板上10 kg/人，行李箱5 kg/人。實(shí)際上，大部分車型行李箱普遍空間大，且客戶使用的工況比較復(fù)雜。以某三廂轎車為例，行李箱容積為426 L，按國標(biāo)5人的乘用車配重25 kg，要求偏低。對于行李箱的配重標(biāo)準(zhǔn)，沒有統(tǒng)一的規(guī)定，各企業(yè)都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，本文推薦的配重方式為Max{最大乘員數(shù)×5 kg，0.1 kg/dm3×行李箱容積}。此外，在道路試驗(yàn)過程中，OTS階段的路試車往往有非全工裝零件容易出現(xiàn)整備質(zhì)量比設(shè)計(jì)偏小，行李箱試驗(yàn)配重可能遠(yuǎn)超過25 kg，此時多余的重量應(yīng)該均勻地分布到座椅，將配重堆積在行李箱進(jìn)行路試可能導(dǎo)致鈑金開裂。

（1）備胎艙圓弧頂部地板區(qū)域容易出現(xiàn)高應(yīng)力，該位置靠近大梁后懸減振彈簧或者后獨(dú)懸車型副車架安裝點(diǎn)，反復(fù)扭轉(zhuǎn)受力，存在高開裂風(fēng)險。改善備胎艙前端橫梁與備胎艙的連接結(jié)構(gòu)，或者在備胎艙中間增加橫梁（如圖14所示），提升后部的抗扭轉(zhuǎn)能力，從而減小變形與應(yīng)力。

（2）如圖15所示，備胎艙底部沒有橫梁，左、右兩側(cè)有短接頭的結(jié)構(gòu)，接頭與備胎艙側(cè)壁鏈接位置容易出現(xiàn)高應(yīng)力。增加連接接頭的焊點(diǎn)數(shù)量或者在內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)板，可以降低焊點(diǎn)應(yīng)力，降低開裂風(fēng)險。

（3）備胎艙底部筋條過渡平順，避免出現(xiàn)形狀的劇烈變化。如圖16所示，環(huán)形筋與縱筋相交，打斷了縱筋的棱線，縱筋方向的剛度不連續(xù)，致使備胎艙剛度不足，筋條相交處應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞開裂。重新設(shè)計(jì)底部筋條形狀，避免筋條的交錯，平緩過渡的設(shè)計(jì)，應(yīng)力明顯下降。

（4）備胎艙偏置布置會導(dǎo)致備胎與大梁近的一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖17所示，距離較小側(cè)要求大梁翻邊與備胎艙沖壓圓角距離≥15 mm。在焊點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，適當(dāng)增加焊點(diǎn)，或者大梁與地板之間增加結(jié)構(gòu)膠可以降低應(yīng)力。

5 結(jié)語

備胎艙的設(shè)計(jì)受到多方面的影響，備胎、座椅與排氣管的布置決定了備胎艙的基本結(jié)構(gòu)，沖壓成形、局部模態(tài)及強(qiáng)度問題的解決往往成為備胎艙設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)了布置、結(jié)構(gòu)、性能、沖壓等技術(shù)要點(diǎn)，期望為后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)帶來幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]武勝軍，李中兵，史榮波.GMT材料在汽車備胎艙上的應(yīng)用研究[A].汽車內(nèi)外飾產(chǎn)品及新材料國際研討會論文集[C].2009：11-13.

[2]蘇海波，陳慶欣.汽車地板成形分析及選材研究[A].第九屆全國沖壓學(xué)術(shù)年會[C].2009：68-71.

[3]范蔚鋒，王鏑，張海華，等.基于模態(tài)分析的汽車后地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].上海汽車，2014（9）：9-11.

[4]張彩婷，王曉花，王國斌，等.基于形貌優(yōu)化的某承載式轎車地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（22）：154-156.

[5]GB/T 12534—1990，汽車道路試驗(yàn)方法通則[S].