后地板備胎坑性能提升

施科科，余彥永，田曦陽

（泛亞汽車技術(shù)中心，上海201208）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，乘客對于整車空間和NVH要求越來越高［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鍵區(qū)域之一［2］。 同時隨著 PHEV／HEV／BEV 等車型的逐漸推廣［3］，后備胎坑也承載著越來越豐富的功能。

相對于傳統(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，或者無備胎［4］），其設計難點在于實現(xiàn)后備胎懸掛物模態(tài)。對于BEV車型，更多的是針對城市工況使用，為了滿足更豐富的儲物空間，會考慮將后備胎空間設計成規(guī)整的儲物盒。對于PHEV／HEV車型，部分車型會考慮取消后備胎，隨之用補胎工具和充電設備來合理使用原后備胎空間，或者用于存放部分電子模塊。本文作者將針對以上的不同車型和后地板結(jié)構(gòu)形式進行展開和討論。

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保留安全跳動包絡，一般要求是30 mm以上，具體需要針對各車型的實際包絡進行設計預留。布置后備胎C的存放位置時，需要考慮后地板皮B的成型性，一般使用深拉延工藝，拔模角需要預留15°以上。行李箱內(nèi)飾蓋板D會根據(jù)行李箱容積要求和人機取放舒適區(qū)間進行布置，結(jié)合備胎尺寸大小合理進行安裝點選取，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，對于傳統(tǒng)車型，后地板備胎坑最關鍵的是模態(tài)性能要求，以往車型經(jīng)常出現(xiàn)模態(tài)不足引起后地板開裂問題。隨著國家對于汽車三包法規(guī)的落實，后地板備胎坑的性能指標必須滿足國家法規(guī)要求，此處的設計穩(wěn)健性就尤為重要。調(diào)查了以往項目的開裂失效問題，如圖3所示，經(jīng)常出現(xiàn)在后備胎拉延拐角處，或者在備胎安裝點等位置出現(xiàn)長度在50 mm以上的開裂。在客戶實際使用中如果出現(xiàn)類似開裂失效問題，還會并行地帶來備胎坑處進水以及隨之而來的腐蝕問題，引起客戶售后抱怨甚至退車問題。

圖3 常見后地板開裂示意

2 傳統(tǒng)車型后地板備胎坑性能

首先作者對于目前量產(chǎn)車型進行了信息匯總，發(fā)現(xiàn)目前的結(jié)構(gòu)設計CAE分析模態(tài)均大于28.5 Hz，且對應的車型實車最終均能通過疲勞路試試驗，如圖4所示。

圖4 量產(chǎn)車型模態(tài)數(shù)據(jù)

同時查看后輪輪心力功率譜密度和后懸車身處應變功率譜密度數(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。綜合考慮設計成本和設計性能，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個不同位置傳感器測得的后輪心／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，考慮板料購買成本和質(zhì)量因素，設計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)的設計選區(qū)區(qū)間后，結(jié)合目前的焊點連接、結(jié)構(gòu)膠等綜合考慮Benchmark應力水平，以及實車試驗和售后表現(xiàn)，將應力目標值設定為小于450 MPa，如圖6所示。

圖6 應力目標值示意

目前比較常見的是在后備胎地板皮下方增加補強板，以此來補強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計理念，即保留傳統(tǒng)的加強片結(jié)構(gòu)E，在和5號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。對于E和F分片后的形式，使用不同的工藝和更復雜的幾何造型，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 備胎坑加強件分片

在該方案中作者使用DFSS的最優(yōu)設計理念，對F結(jié)構(gòu)進行關鍵因子的設定，因子設定為加強板厚度、加強板長度、翻邊高度和過渡區(qū)圓角深度，如圖8所示。

圖8 備胎坑加強件關鍵因子設定

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

圖9 關鍵因子選取

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)和耐久性的關鍵因素，指導后續(xù)設計，以及對應的實際收益如圖10所示。作者將該車型的實際模態(tài)做到了31.3 Hz，高于28.5 Hz的設計要求，同時質(zhì)量比上一代Benchmark車型還輕了0.37 kg，同時成本降低6.7CNY，實現(xiàn)了精益化的設計開發(fā)目標。

圖10 實際收益信息

3 BEV車型儲物盒布置

對于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)合實際使用工況和牌照補貼等政策，它們更多的是在城市工況下使用，部分BEV車型會設定為取消后備胎，用隨車補胎工具等來替代。同時由于BEV車型沒有排氣管，那么上文提到的傳統(tǒng)車型將會有全新的布置形式。在左右側(cè)后縱梁和5號梁之間的區(qū)域會形成一個規(guī)整的空間如圖11所示，如果可以合理地布置和利用，是儲物盒的理想存放空間，可以在規(guī)整的矩形空間內(nèi)進行不同大小儲物布置，如圖12所示。該儲物盒空間處于傳統(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，在打開行李箱蓋板后的額外儲物空間。

圖11 后地板儲物盒空間

圖12 后地板儲物盒布置

4 BEV車型儲物盒性能

由于不同的結(jié)構(gòu)布置，內(nèi)飾儲物盒泡棉很均勻地貼附在車身鈑金，整個受力會比較分散和均勻，同時考慮BEV車型因為沒有了發(fā)動機的噪聲，對于后地板區(qū)域性能關注點主要在路噪以及地板大板模態(tài)。

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

圖13 儲物盒后地板補強

通過以上方案優(yōu)化，在滿足客戶儲物需求最大化的布置需求下，作者將原先初始設計的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 儲物盒地板皮大板模態(tài)

5 PHEV／HEV車型儲物盒布置

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

圖15 混動車型布置

對于該小儲物盒空間，目前主要有2種設計意圖：其一是對于插電式混動車型，可以將充電設備放置于此；其二是可以將某些電子模塊做一個小手套箱。由于該種小儲物盒會有6號梁以及縱梁在周圍全繞，其性能一般都能達標，無需其他加強結(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純電動車以及PHEV／HEV等不同驅(qū)動形式的后地板備胎坑設計布置和性能要求，針對不同的市場客戶需求和使用場景，合理進行最優(yōu)工程方案組合。其基本設計思路是以后地板皮為基本結(jié)構(gòu)進行裝載空間設計，配合以縱向或者橫向的加強結(jié)構(gòu)來滿足設計要求，以保證滿足客戶使用需求。