后地板備胎坑性能提升

施科科，余彥永，田曦陽(yáng)

（泛亞汽車技術(shù)中心，上海201208）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，乘客對(duì)于整車空間和NVH要求越來(lái)越高［1］，而車身后地板備胎坑的性能和布置是滿足這一要求的關(guān)鍵區(qū)域之一［2］。 同時(shí)隨著 PHEV／HEV／BEV 等車型的逐漸推廣［3］，后備胎坑也承載著越來(lái)越豐富的功能。

相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車型，后地板備胎坑的主要作用是安裝后備胎 （按照備胎形式可以分為全尺寸和非全尺寸備胎，或者無(wú)備胎［4］），其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)后備胎懸掛物模態(tài)。對(duì)于BEV車型，更多的是針對(duì)城市工況使用，為了滿足更豐富的儲(chǔ)物空間，會(huì)考慮將后備胎空間設(shè)計(jì)成規(guī)整的儲(chǔ)物盒。對(duì)于PHEV／HEV車型，部分車型會(huì)考慮取消后備胎，隨之用補(bǔ)胎工具和充電設(shè)備來(lái)合理使用原后備胎空間，或者用于存放部分電子模塊。本文作者將針對(duì)以上的不同車型和后地板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行展開(kāi)和討論。

1 傳統(tǒng)車型后地板備胎坑布置

圖1所示為傳統(tǒng)車型的后地板備胎坑，主要作用為存放后備胎。

圖2所示為一種典型低頂車的后地板備胎坑示意，周邊主要結(jié)構(gòu)分為后消音器A、后地板皮B和后備胎C，以及行李箱內(nèi)飾蓋板D。其中在后消音器A的布置中需要與周邊的后縱梁和后地板皮B保留安全跳動(dòng)包絡(luò)，一般要求是30 mm以上，具體需要針對(duì)各車型的實(shí)際包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)留。布置后備胎C的存放位置時(shí)，需要考慮后地板皮B的成型性，一般使用深拉延工藝，拔模角需要預(yù)留15°以上。行李箱內(nèi)飾蓋板D會(huì)根據(jù)行李箱容積要求和人機(jī)取放舒適區(qū)間進(jìn)行布置，結(jié)合備胎尺寸大小合理進(jìn)行安裝點(diǎn)選取，也決定了后備胎C的Z向位置。

圖1 傳統(tǒng)車型后地板備胎坑示意

圖2 傳統(tǒng)車型后地板備胎坑示意

在總布置完成后，對(duì)于傳統(tǒng)車型，后地板備胎坑最關(guān)鍵的是模態(tài)性能要求，以往車型經(jīng)常出現(xiàn)模態(tài)不足引起后地板開(kāi)裂問(wèn)題。隨著國(guó)家對(duì)于汽車三包法規(guī)的落實(shí)，后地板備胎坑的性能指標(biāo)必須滿足國(guó)家法規(guī)要求，此處的設(shè)計(jì)穩(wěn)健性就尤為重要。調(diào)查了以往項(xiàng)目的開(kāi)裂失效問(wèn)題，如圖3所示，經(jīng)常出現(xiàn)在后備胎拉延拐角處，或者在備胎安裝點(diǎn)等位置出現(xiàn)長(zhǎng)度在50 mm以上的開(kāi)裂。在客戶實(shí)際使用中如果出現(xiàn)類似開(kāi)裂失效問(wèn)題，還會(huì)并行地帶來(lái)備胎坑處進(jìn)水以及隨之而來(lái)的腐蝕問(wèn)題，引起客戶售后抱怨甚至退車問(wèn)題。

圖3 常見(jiàn)后地板開(kāi)裂示意

2 傳統(tǒng)車型后地板備胎坑性能

首先作者對(duì)于目前量產(chǎn)車型進(jìn)行了信息匯總，發(fā)現(xiàn)目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAE分析模態(tài)均大于28.5 Hz，且對(duì)應(yīng)的車型實(shí)車最終均能通過(guò)疲勞路試試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 量產(chǎn)車型模態(tài)數(shù)據(jù)

同時(shí)查看后輪輪心力功率譜密度和后懸車身處應(yīng)變功率譜密度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在28.5 Hz處能量已經(jīng)衰減為峰值能量的1%，如圖5所示。綜合考慮設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)性能，可以將最終的備胎模態(tài)定義為大于28.5 Hz，已經(jīng)可以滿足客戶的使用需求。

圖5 2個(gè)不同位置傳感器測(cè)得的后輪心／后懸能量衰減示意

在暫不考慮塑料備胎坑或者SUV等外掛式的特殊情況下，普通家庭用車的后備胎坑基本使用鈑金零件深拉延工藝［5］，其材料選擇一般為易于成型的低碳鋼，如CR3／CR4，考慮板料購(gòu)買成本和質(zhì)量因素，設(shè)計(jì)中使用的板料厚度一般處于0.7～0.8 mm區(qū)間。在材料常規(guī)的設(shè)計(jì)選區(qū)區(qū)間后，結(jié)合目前的焊點(diǎn)連接、結(jié)構(gòu)膠等綜合考慮Benchmark應(yīng)力水平，以及實(shí)車試驗(yàn)和售后表現(xiàn)，將應(yīng)力目標(biāo)值設(shè)定為小于450 MPa，如圖6所示。

圖6 應(yīng)力目標(biāo)值示意

目前比較常見(jiàn)的是在后備胎地板皮下方增加補(bǔ)強(qiáng)板，以此來(lái)補(bǔ)強(qiáng)0.7～0.8 mm地板皮本體的性能不足。本文作者介紹一種比較精益和高效的設(shè)計(jì)理念，即保留傳統(tǒng)的加強(qiáng)片結(jié)構(gòu)E，在和5號(hào)橫梁接頭處使用不同材料和厚度的支撐結(jié)構(gòu)F，如圖7所示。對(duì)于E和F分片后的形式，使用不同的工藝和更復(fù)雜的幾何造型，優(yōu)化和調(diào)整分片位置，可以尋求最佳工程解決方案。

圖7 備胎坑加強(qiáng)件分片

在該方案中作者使用DFSS的最優(yōu)設(shè)計(jì)理念，對(duì)F結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵因子的設(shè)定，因子設(shè)定為加強(qiáng)板厚度、加強(qiáng)板長(zhǎng)度、翻邊高度和過(guò)渡區(qū)圓角深度，如圖8所示。

圖8 備胎坑加強(qiáng)件關(guān)鍵因子設(shè)定

經(jīng)過(guò)DFSS的噪聲因子S／N以及敏感度β（Mean）分析，對(duì)模態(tài)性能要求越高越好，對(duì)應(yīng)力要求越低越好，對(duì)質(zhì)量要求越低越好。經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析可以得到最優(yōu)方案組合如圖9所示，同時(shí)經(jīng)過(guò)敏感度研究，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)F的料厚、翻邊高度以及過(guò)渡區(qū)圓角深度對(duì)于性能有很明顯的貢獻(xiàn)量。

圖9 關(guān)鍵因子選取

在滿足質(zhì)量、成本和后碰性能要求下，提高結(jié)構(gòu)剛度和耐久性，尋找到影響模態(tài)和耐久性的關(guān)鍵因素，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)，以及對(duì)應(yīng)的實(shí)際收益如圖10所示。作者將該車型的實(shí)際模態(tài)做到了31.3 Hz，高于28.5 Hz的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)質(zhì)量比上一代Benchmark車型還輕了0.37 kg，同時(shí)成本降低6.7CNY，實(shí)現(xiàn)了精益化的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

圖10 實(shí)際收益信息

3 BEV車型儲(chǔ)物盒布置

對(duì)于BEV車型，考慮現(xiàn)階段電池能量密度和續(xù)航里程的限制以及結(jié)合實(shí)際使用工況和牌照補(bǔ)貼等政策，它們更多的是在城市工況下使用，部分BEV車型會(huì)設(shè)定為取消后備胎，用隨車補(bǔ)胎工具等來(lái)替代。同時(shí)由于BEV車型沒(méi)有排氣管，那么上文提到的傳統(tǒng)車型將會(huì)有全新的布置形式。在左右側(cè)后縱梁和5號(hào)梁之間的區(qū)域會(huì)形成一個(gè)規(guī)整的空間如圖11所示，如果可以合理地布置和利用，是儲(chǔ)物盒的理想存放空間，可以在規(guī)整的矩形空間內(nèi)進(jìn)行不同大小儲(chǔ)物布置，如圖12所示。該儲(chǔ)物盒空間處于傳統(tǒng)的行李箱蓋板以下，是屬于在保證傳統(tǒng)的行李箱容積前提下，在打開(kāi)行李箱蓋板后的額外儲(chǔ)物空間。

圖11 后地板儲(chǔ)物盒空間

圖12 后地板儲(chǔ)物盒布置

4 BEV車型儲(chǔ)物盒性能

由于不同的結(jié)構(gòu)布置，內(nèi)飾儲(chǔ)物盒泡棉很均勻地貼附在車身鈑金，整個(gè)受力會(huì)比較分散和均勻，同時(shí)考慮BEV車型因?yàn)闆](méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，對(duì)于后地板區(qū)域性能關(guān)注點(diǎn)主要在路噪以及地板大板模態(tài)。

傳統(tǒng)車型的加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)主要是縱向補(bǔ)強(qiáng)，在文中的BEV后地板儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)中，作者發(fā)現(xiàn)縱向并沒(méi)有太大的受力載荷，加強(qiáng)模式在橫向補(bǔ)強(qiáng)更有效果。在此討論一種如圖13所示的接頭和綁帶式補(bǔ)強(qiáng)片的結(jié)構(gòu)形式。在后縱梁側(cè)和后地板皮之間進(jìn)行接頭G1、G2連接，在地板皮后部薄弱處進(jìn)行綁帶式補(bǔ)強(qiáng)片H補(bǔ)強(qiáng)，且G1、G2和H的縱向位置也可以進(jìn)行DFSS思路的優(yōu)化，找到最精益和高效的位置，以實(shí)現(xiàn)大板模態(tài)的性能提升。

圖13 儲(chǔ)物盒后地板補(bǔ)強(qiáng)

通過(guò)以上方案優(yōu)化，在滿足客戶儲(chǔ)物需求最大化的布置需求下，作者將原先初始設(shè)計(jì)的46 Hz的后地板大板模態(tài)提升到69.5 Hz（如圖14所示），極大地提升了NVH性能和BEV車型的客戶感知。

圖14 儲(chǔ)物盒地板皮大板模態(tài)

5 PHEV／HEV車型儲(chǔ)物盒布置

對(duì)于PHEV／HEV車型而言，在一定程度上兼具上文所述的燃油車／純電動(dòng)車的特點(diǎn)，其布置形式表現(xiàn)為依舊有排氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是也具有BEV車型的使用場(chǎng)景特點(diǎn)，本文作者討論一種不帶后備胎需求的混動(dòng)車型后地板小儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)，如圖15所示。

圖15 混動(dòng)車型布置

對(duì)于該小儲(chǔ)物盒空間，目前主要有2種設(shè)計(jì)意圖：其一是對(duì)于插電式混動(dòng)車型，可以將充電設(shè)備放置于此；其二是可以將某些電子模塊做一個(gè)小手套箱。由于該種小儲(chǔ)物盒會(huì)有6號(hào)梁以及縱梁在周圍全繞，其性能一般都能達(dá)標(biāo)，無(wú)需其他加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論

本文作者主要討論了基于傳統(tǒng)燃油車、BEV純電動(dòng)車以及PHEV／HEV等不同驅(qū)動(dòng)形式的后地板備胎坑設(shè)計(jì)布置和性能要求，針對(duì)不同的市場(chǎng)客戶需求和使用場(chǎng)景，合理進(jìn)行最優(yōu)工程方案組合。其基本設(shè)計(jì)思路是以后地板皮為基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝載空間設(shè)計(jì)，配合以縱向或者橫向的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求，以保證滿足客戶使用需求。