乘用車備胎艙設計與開發

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、備胎艙結構選型、零件沖壓成型、模態與強度等方面，闡述與總結了乘用車備胎艙設計的關鍵技術，剖析了布置、結構、沖壓與性能四者之間的內在聯系，為備胎艙的設計提供工程實踐參考。

【關鍵詞】乘用車行李艙;備胎艙;汽車后地板

【中圖分類號】G386 【文獻標識碼】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現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，兩側與前方需要設計儲物盒，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，整個行李艙蓋板與放倒座椅靠背處于平整狀態，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，如果是單主銷的結構，則備胎艙需要偏向另外一側（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 備胎艙結構

2.1 備胎艙基本形狀與結構

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種結構并無明顯的優劣之分，根據車型實際布置與結構選取。

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，底盤設計備胎數據，通常是備胎充滿氣的最大理論尺寸狀態，實車安裝的備胎由于充氣壓力與制造偏差，輪胎寬度小于設計數據狀態，需要以實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可以進行很好的預測，從而給結構優化及材料的選取提供依據。蘇海波等人采用了Autoform對汽車地板（備胎艙）沖壓成形過程進行數值模擬，分析了屈強比δs/δb、n值、r值對成形的影響[2]。

如圖11所示，結構設計需要考慮的備胎艙沖壓成形的主要參數如下：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，通過調整側壁沖壓角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，優先使用BUSD。淺備胎艙推薦采用BLD、BUSD，優先使用BLD。材料厚度為0.7 mm。

（2）沖壓側壁角α：推薦沖壓角≥15°，可根據深度適當加大，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生強迫振動，激振頻率與固有頻率接近時會產生共振。如圖12所示，備胎艙底部出現局部模態較低，與車身的一階聲腔模態耦合，容易出現共振，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，因為振動波總是朝剛性最差的方向前進，合理的布置筋可以切斷振動波。還有一種辦法是增加加強件，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計各企業甚至同一廠家的產品由于設計理念不一致，并沒有統一的筋條設計規則與方式。如圖13所示，兩款車型來自不同的企業，筋條的設計風格差異十分明顯。筋條的結構多種多樣，可以根據經驗設計筋條，也可以結合形貌優化技術進行筋條設計，張彩婷等人[4]對某承載式轎車的地板利用形貌優化方法自由起筋優化和約束起筋優化對地板進行結構優化設計，以提高后地板的模態頻率值，優化整車的第一階固有頻率，避免整車發生共振現象。不論采用哪種方式設計備胎艙筋條，總的原則是保證其局部模態滿足整車NVH要求，滿足強度要求，能沖壓成形，涂裝過程中電泳液能夠順利排出。

4.2 備胎艙強度要求

備胎艙零件由于需要承載備胎與行李，在開發過程中CAE分析與路試行李重量以配重的方式放置在備胎艙。根據國標《汽車道路試驗方法通則》（GB/T 12534—1990）規定[5]，轎車道路試驗過程中，乘員平均質量為60 kg/人，行李為5 kg/人，試驗過程中可用相同質量的重物替代，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雜。以某三廂轎車為例，行李箱容積為426 L，按國標5人的乘用車配重25 kg，要求偏低。對于行李箱的配重標準，沒有統一的規定，各企業都有自己的標準，本文推薦的配重方式為Max{最大乘員數×5 kg，0.1 kg/dm3×行李箱容積}。此外，在道路試驗過程中，OTS階段的路試車往往有非全工裝零件容易出現整備質量比設計偏小，行李箱試驗配重可能遠超過25 kg，此時多余的重量應該均勻地分布到座椅，將配重堆積在行李箱進行路試可能導致鈑金開裂。

（1）備胎艙圓弧頂部地板區域容易出現高應力，該位置靠近大梁后懸減振彈簧或者后獨懸車型副車架安裝點，反復扭轉受力，存在高開裂風險。改善備胎艙前端橫梁與備胎艙的連接結構，或者在備胎艙中間增加橫梁（如圖14所示），提升后部的抗扭轉能力，從而減小變形與應力。

（2）如圖15所示，備胎艙底部沒有橫梁，左、右兩側有短接頭的結構，接頭與備胎艙側壁鏈接位置容易出現高應力。增加連接接頭的焊點數量或者在內側增加加強板，可以降低焊點應力，降低開裂風險。

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

（4）備胎艙偏置布置會導致備胎與大梁近的一側出現應力集中，如圖17所示，距離較小側要求大梁翻邊與備胎艙沖壓圓角距離≥15 mm。在焊點區域產生應力集中，適當增加焊點，或者大梁與地板之間增加結構膠可以降低應力。

5 結語

備胎艙的設計受到多方面的影響，備胎、座椅與排氣管的布置決定了備胎艙的基本結構，沖壓成形、局部模態及強度問題的解決往往成為備胎艙設計過程中的關鍵問題。本文結合工程實踐，總結了布置、結構、性能、沖壓等技術要點，期望為后續項目開發帶來幫助。

參 考 文 獻

[1]武勝軍，李中兵，史榮波.GMT材料在汽車備胎艙上的應用研究[A].汽車內外飾產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].第九屆全國沖壓學術年會[C].2009：68-71.

[3]范蔚鋒，王鏑，張海華，等.基于模態分析的汽車后地板結構設計優化研究[J].上海汽車，2014（9）：9-11.

[4]張彩婷，王曉花，王國斌，等.基于形貌優化的某承載式轎車地板結構設計[J].汽車實用技術，2018（22）：154-156.

[5]GB/T 12534—1990，汽車道路試驗方法通則[S].