乘用车备胎舱设计与开发

陈聪 侯明亮 刘彬 曾凤

【摘 要】文章从乘用车座椅与排气管布置、备胎舱结构选型、零件冲压成型、模态与强度等方面，阐述与总结了乘用车备胎舱设计的关键技术，剖析了布置、结构、冲压与性能四者之间的内在联系，为备胎舱的设计提供工程实践参考。

【关键词】乘用车行李舱;备胎舱;汽车后地板

【中图分类号】G386 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0066-03

0 前言

乘用车备胎舱位于后排座椅后方，用于存放备胎，同时承载行李重量。部分高端车型或者轻量化要求高的车型采用3.0 mm厚度的GMT（PP-GM30）材料的备胎舱可以实现40%的减重，零件模压成型，总装车间采用PU胶黏接工艺[1]。由于复合材料成本较高，所以绝大部分车型仍然采用钣金冲压的备胎舱，工艺简单，性能可靠。

1 备胎的布置

1.1 座椅对备胎布置的影响

座椅主要影响了备胎布置的Z向位置，从而影响备胎舱的冲压深度。

（1）如图1所示，后排座椅后方布置备胎，布置位置较高，两侧与前方需要设计储物盒，用于垫平地板。如图2、图3所示，后排座椅放倒，坐垫往前翻转，整个行李舱盖板与放倒座椅靠背处于平整状态，此时备胎舱凹坑较浅，冲压成型容易，该种布置常见于SUV车型。

（2）对于三厢轿车或者小型两厢车，为了增加行李箱高度方向的空间，没有座椅放倒功能或者座椅放倒不要求行李舱平整，备胎的布置位置较低，备胎布置在后地板以下，此时备胎舱深度较大（如图4、图5所示）。

1.2 排气管布置对备胎布置的影响

对于浅备胎舱车型而言，备胎舱深度较小，车下方空间充足，排气管采用横置或者纵置方式均可;对于深备胎舱车型而言，排气管主销只能纵向布置，如果是单主销的结构，则备胎舱需要偏向另外一侧（如图6所示）。三厢轿车为了保证行李箱空间通常采用深备胎舱，排气主销纵向布置。不论哪种布置方式，保证排气管主销与车身钣金的距离≥45 mm。

2 备胎舱结构

2.1 备胎舱基本形状与结构

如图7所示，常见的3种备胎舱俯视形状有倒“U”形，“Ω”形，“□”形3种，这3种结构并无明显的优劣之分，根据车型实际布置与结构选取。

如图8所示，常见的备胎舱底部形状也有3种：{1}平底，边缘3～5个凸台用于支撑备胎，保证轮辋与备胎舱的间隙要求;{2}渐变式凹底，边缘3～5个凸台，中部凸台焊接备胎固定支架;{3}突变式凹底，过渡区域较短，下凹部分中部有较大的凸台焊接备胎固定支架。

2.2 备胎的固定方式

备胎的安装有轮辋朝下与轮辋朝上两种（如图9、图10所示）。轮辋朝上是当前主流安装方式，固定螺栓长度短，轮辋空间可以布置工具盒用于固定随车工具。

胎舱底部形状需要控制轮辋与钣金的距离，底盘设计备胎数据，通常是备胎充满气的最大理论尺寸状态，实车安装的备胎由于充气压力与制造偏差，轮胎宽度小于设计数据状态，需要以实车备胎的测量尺寸校核与钣金的安全距离。

3 备胎舱冲压工艺

备胎舱的成型问题通过Autoform可以进行很好的预测，从而给结构优化及材料的选取提供依据。苏海波等人采用了Autoform对汽车地板（备胎舱）冲压成形过程进行数值模拟，分析了屈强比δs/δb、n值、r值对成形的影响[2]。

如图11所示，結构设计需要考虑的备胎舱冲压成形的主要参数如下：备胎舱深度H直接决定备胎舱的冲压性能，H越大，成形越难，通过调整侧壁冲压角α、备胎舱冲压圆角R1与R2及选择延伸率较大的板材解决。

（1）材料选择：深度大的备胎舱推荐BUSD、BUFD，优先使用BUSD。浅备胎舱推荐采用BLD、BUSD，优先使用BLD。材料厚度为0.7 mm。

（2）冲压侧壁角α：推荐冲压角≥15°，可根据深度适当加大，浅备胎舱不能小于10°。

（3）冲压圆角：推荐20～50 mm，深度越大，放大圆角有利于成形。

4 备胎舱性能要求

4.1 局部模态要求

备胎舱是地板的一部分，板类覆盖件容易在激振源的激励下产生强迫振动，激振频率与固有频率接近时会产生共振。如图12所示，备胎舱底部出现局部模态较低，与车身的一阶声腔模态耦合，容易出现共振，此时要求两者频率需要错开10 Hz以上。

车身钣金改变固有频率的最直接有效的方法就是是在板上冲压筋，因为振动波总是朝刚性最差的方向前进，合理的布置筋可以切断振动波。还有一种办法是增加加强件，如果不考虑成本和重量因素，此方法非常有效[3]。

备胎舱底部的筋条设计各企业甚至同一厂家的产品由于设计理念不一致，并没有统一的筋条设计规则与方式。如图13所示，两款车型来自不同的企业，筋条的设计风格差异十分明显。筋条的结构多种多样，可以根据经验设计筋条，也可以结合形貌优化技术进行筋条设计，张彩婷等人[4]对某承载式轿车的地板利用形貌优化方法自由起筋优化和约束起筋优化对地板进行结构优化设计，以提高后地板的模态频率值，优化整车的第一阶固有频率，避免整车发生共振现象。不论采用哪种方式设计备胎舱筋条，总的原则是保证其局部模态满足整车NVH要求，满足强度要求，能冲压成形，涂装过程中电泳液能够顺利排出。

4.2 备胎舱强度要求

备胎舱零件由于需要承载备胎与行李，在开发过程中CAE分析与路试行李重量以配重的方式放置在备胎舱。根据国标《汽车道路试验方法通则》（GB/T 12534—1990）规定[5]，轿车道路试验过程中，乘员平均质量为60 kg/人，行李为5 kg/人，试验过程中可用相同质量的重物替代，座椅上50 kg/人，座椅前的地板上10 kg/人，行李箱5 kg/人。实际上，大部分车型行李箱普遍空间大，且客户使用的工况比较复杂。以某三厢轿车为例，行李箱容积为426 L，按国标5人的乘用车配重25 kg，要求偏低。对于行李箱的配重标准，没有统一的规定，各企业都有自己的标准，本文推荐的配重方式为Max{最大乘员数×5 kg，0.1 kg/dm3×行李箱容积}。此外，在道路试验过程中，OTS阶段的路试车往往有非全工装零件容易出现整备质量比设计偏小，行李箱试验配重可能远超过25 kg，此时多余的重量应该均匀地分布到座椅，将配重堆积在行李箱进行路试可能导致钣金开裂。

（1）备胎舱圆弧顶部地板区域容易出现高应力，该位置靠近大梁后悬减振弹簧或者后独悬车型副车架安装点，反复扭转受力，存在高开裂风险。改善备胎舱前端横梁与备胎舱的连接结构，或者在备胎舱中间增加横梁（如图14所示），提升后部的抗扭转能力，从而减小变形与应力。

（2）如图15所示，备胎舱底部没有横梁，左、右两侧有短接头的结构，接头与备胎舱侧壁链接位置容易出现高应力。增加连接接头的焊点数量或者在内侧增加加强板，可以降低焊点应力，降低开裂风险。

（3）备胎舱底部筋条过渡平顺，避免出现形状的剧烈变化。如图16所示，环形筋与纵筋相交，打断了纵筋的棱线，纵筋方向的刚度不连续，致使备胎舱刚度不足，筋条相交处应力集中，导致疲劳开裂。重新设计底部筋条形状，避免筋条的交错，平缓过渡的设计，应力明显下降。

（4）备胎舱偏置布置会导致备胎与大梁近的一侧出现应力集中，如图17所示，距离较小侧要求大梁翻边与备胎舱冲压圆角距离≥15 mm。在焊点区域产生应力集中，适当增加焊点，或者大梁与地板之间增加结构胶可以降低应力。

5 结语

备胎舱的设计受到多方面的影响，备胎、座椅与排气管的布置决定了备胎舱的基本结构，冲压成形、局部模态及强度问题的解决往往成为备胎舱设计过程中的关键问题。本文结合工程实践，总结了布置、结构、性能、冲压等技术要点，期望为后续项目开发带来帮助。

参 考 文 献

[1]武胜军，李中兵，史荣波.GMT材料在汽车备胎舱上的应用研究[A].汽车内外饰产品及新材料国际研讨会论文集[C].2009：11-13.

[2]苏海波，陈庆欣.汽车地板成形分析及选材研究[A].第九届全国冲压学术年会[C].2009：68-71.

[3]范蔚锋，王镝，张海华，等.基于模态分析的汽车后地板结构设计优化研究[J].上海汽车，2014（9）：9-11.

[4]张彩婷，王晓花，王国斌，等.基于形貌优化的某承载式轿车地板结构设计[J].汽车实用技术，2018（22）：154-156.

[5]GB/T 12534—1990，汽车道路试验方法通则[S].