李漢培 蘇建軍 廖春杰 代旭運(yùn)

湖北省齊星汽車(chē)車(chē)身股份有限公司 湖北隨州 441300

1 前言

經(jīng)歷了2020年初突如其來(lái)的疫情之后，人們將更加關(guān)注生活方式和生活質(zhì)量，旅居車(chē)可以為人們提供一種新的生活方式，在滿足“房”和“車(chē)”兩大功能的同時(shí)，還綜合考慮了汽車(chē)動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、平順性以及噪聲問(wèn)題。自行式旅居車(chē)是在有限的空間將動(dòng)力性能優(yōu)良的底盤(pán)和居家休息的臥具、休閑娛樂(lè)設(shè)施、烹飪美食的廚具等集成于一體，解決了人們的出行、休息和用餐所需，比起總長(zhǎng)超過(guò)6 m的A型旅居車(chē)需要持有“A照”人員才能駕駛，自行式C型旅居車(chē)憑借其“C照”可駕駛和其空間優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到中產(chǎn)收入人群的青睞。然而，由于車(chē)身過(guò)高，自行式C型旅居車(chē)在國(guó)內(nèi)公路各種限高架通行不便、停車(chē)不便，也不能進(jìn)入地下車(chē)庫(kù)，同時(shí)，車(chē)輛質(zhì)心增加導(dǎo)致車(chē)輛操縱穩(wěn)定性能較差。針對(duì)這種現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了一種自行式C型旅居車(chē)，可電動(dòng)升降車(chē)頂結(jié)構(gòu)，可降低整車(chē)高度和質(zhì)心。

截至2019年12月，我國(guó)旅居車(chē)保有量約為15萬(wàn)輛，已建成露營(yíng)地約1 690個(gè)，幾年內(nèi)將突破4 000個(gè)，可以預(yù)見(jiàn)，筆者研發(fā)的這款既能用于商務(wù)又適合家庭旅行的旅居車(chē)將成為人們購(gòu)車(chē)的首選。它的電動(dòng)升降車(chē)頂結(jié)構(gòu)降低了整車(chē)高度和質(zhì)心，行駛更穩(wěn)定，且不受限高桿限制，駐車(chē)后，升降頂可有效增加房車(chē)內(nèi)部空間，保證了人員旅行中休息時(shí)所需的生活空間。

2 底盤(pán)選型

近年來(lái)，旅居車(chē)市場(chǎng)朝著個(gè)性化方向發(fā)展，不同年齡段、不同性格的車(chē)友都有不同的追求，有人追求車(chē)輛的越野性能，也有人偏好車(chē)輛操縱穩(wěn)定性，還有人會(huì)考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。在選擇和定制專(zhuān)用底盤(pán)時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮車(chē)輛使用環(huán)境、布置對(duì)軸荷分配的影響，并考慮車(chē)輛的動(dòng)力性能、通過(guò)性、操縱穩(wěn)定性、平順性，以及燃油經(jīng)濟(jì)性能。

2.1 動(dòng)力性

車(chē)輛的動(dòng)力性能主要表現(xiàn)在最高車(chē)速、100 km/h加速時(shí)間、最大爬坡度3個(gè)方面，其中發(fā)動(dòng)機(jī)功率和最大扭矩直接決定著整車(chē)3項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)，同時(shí)也影響著車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性，即100 km燃油消耗量。旅居車(chē)使用工況較復(fù)雜，需要考慮到高寒、高溫、高原、高濕等各種行駛環(huán)境。因此，在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，需要綜合考慮用戶對(duì)整車(chē)的需求，對(duì)于需要進(jìn)入高原地區(qū)和越野用戶，由于高海拔地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，故應(yīng)選用發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率較大的底盤(pán)。

2.2 通過(guò)性和操縱穩(wěn)定性

良好的通過(guò)性和操縱穩(wěn)定性會(huì)給駕駛者帶來(lái)較好的駕駛感受，車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性涉及較為廣泛。對(duì)于旅居車(chē)來(lái)說(shuō)，底盤(pán)的性能已經(jīng)決定了整車(chē)性能，在整車(chē)布置方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮上裝部分對(duì)底盤(pán)性能的影響，尤其是上裝部分對(duì)車(chē)輛前、后軸荷的影響較大，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算整車(chē)前、后軸荷，盡量選擇與底盤(pán)設(shè)計(jì)軸荷相接近的，避免整車(chē)質(zhì)心變化過(guò)大和設(shè)計(jì)軸荷與實(shí)際軸荷相差甚遠(yuǎn)導(dǎo)致車(chē)輛在非直線行駛時(shí)側(cè)傾角過(guò)大。另外，它對(duì)整車(chē)的牽引性、通過(guò)性、制動(dòng)性、操縱性和穩(wěn)定性等主要性能以及輪胎的使用壽命都有很大的影響[1]。

表1是國(guó)內(nèi)幾款代表性皮卡車(chē)基本參數(shù)，考慮整車(chē)總長(zhǎng)不超過(guò)6 m，總高不超過(guò)2.2 m[2]，相關(guān)文獻(xiàn)推薦軸距為3 380～3 500 mm[3]，以及旅居車(chē)特殊性，本方案采用定制某品牌D-MAX四驅(qū)自動(dòng)檔雙排擋國(guó)六軸距為3 095 mm二類(lèi)底盤(pán)。

3 上裝廂體

箱體安裝后車(chē)輛質(zhì)心會(huì)發(fā)生變化，質(zhì)心過(guò)多地前移、后移或者上移都會(huì)對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性和制動(dòng)性造成很大的影響，建立車(chē)輛質(zhì)心在X、Z方向變化最小優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[4]，得到布置方案質(zhì)心理想位置，以提高車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性。其強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)保證的重中之重，同時(shí)，智能化和模塊化也是本款旅居車(chē)上裝布置設(shè)計(jì)思想，需做到空間利用率最大化，并兼顧內(nèi)部視覺(jué)感受和采光要求。

3.1 廂體設(shè)計(jì)

考慮皮卡底盤(pán)承載力有限以及燃油經(jīng)濟(jì)性，廂體設(shè)計(jì)以輕量化為主，需兼顧強(qiáng)度與自重平衡。在進(jìn)行廂體設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定車(chē)身骨架的主體，車(chē)身骨架采用非承載式，利用二類(lèi)底盤(pán)的車(chē)架起承載作用。整個(gè)廂體骨架分前圍骨架、左側(cè)圍骨架、右側(cè)圍骨架、后圍骨架、地板骨架、頂板骨架、升降車(chē)頂6個(gè)部分。廂體方案結(jié)構(gòu)建模和實(shí)物如圖1、2所示，該旅居車(chē)廂體采用全金屬?zèng)_壓成型模具電阻點(diǎn)焊工藝車(chē)體，轎車(chē)級(jí)烤漆，全車(chē)由保溫發(fā)泡工藝和國(guó)內(nèi)房車(chē)傳統(tǒng)廂體的玻璃鋼生產(chǎn)工藝打造而成。

表1 基本參數(shù)表

圖1 廂體結(jié)構(gòu)建模圖

3.2 廂體功能區(qū)域設(shè)計(jì)布置

圖2 廂體實(shí)物圖

為達(dá)到《旅居車(chē)技術(shù)條件》，并能夠滿足使用者的需求。針對(duì)設(shè)計(jì)要求，作出布局圖（圖3）和效果圖（圖4、5）。布局主要分為駕駛區(qū)、生活區(qū)、娛樂(lè)區(qū)和休息區(qū)。廚衛(wèi)集中在后部?jī)蓚?cè)，中部為艙道，前部配有帶折疊功能的升降茶幾，兩側(cè)放置對(duì)坐式雙人沙發(fā)，可變換為1 100 mm×1 800 mm的床，駕駛室頂部配有3人大床（1 700 mm×1 900 mm），外側(cè)帶有儲(chǔ)物倉(cāng)及2.5 m遮陽(yáng)棚。主要電氣配置有：冷暖一體底置空調(diào)、房車(chē)專(zhuān)用冷熱水泵、燃?xì)鉄崴鳌⒎寇?chē)專(zhuān)用48 L冰箱、24寸內(nèi)外翻轉(zhuǎn)電視機(jī)、雙溫凈水箱、大功率鋰電池供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能充電系統(tǒng)。整車(chē)可滿足4～5人居住，既適用于家庭旅游休閑，也可進(jìn)行戶外辦公，旅游工作兩不誤。

圖3 皮卡房車(chē)內(nèi)布局圖

圖4 皮卡房車(chē)效果圖

4 車(chē)頂擴(kuò)展

車(chē)頂擴(kuò)展方式是將車(chē)頂向上擴(kuò)展，為旅居車(chē)創(chuàng)造新的睡眠空間，優(yōu)化了室內(nèi)的采光。該旅居車(chē)采用電動(dòng)升降桿整體升頂。

4.1 升降頂

圖5 皮卡房車(chē)效果圖

升降頂由升降機(jī)構(gòu)、篷布和車(chē)頂構(gòu)成。在廂體內(nèi)部的車(chē)頭端和車(chē)尾端的兩側(cè)設(shè)有升降柱，升降柱的上端與車(chē)頂固定連接，升降柱的下端與底盤(pán)固定連接，升降柱控制開(kāi)關(guān)有有線或無(wú)線兩種方式，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)等電氣元件的一致性達(dá)到蝸桿運(yùn)動(dòng)同步，使4個(gè)具有鎖止功能的升降柱控制車(chē)頂上升下降，能在任意高度停止，經(jīng)十萬(wàn)次的負(fù)載升降試驗(yàn)均無(wú)卡滯，可靠性、同步性良好。篷布選用具有保溫、防水、防阻燃、防紫外線、抗腐蝕、抗老化聚酯纖維材質(zhì)的雙層防水棉簾，收縮時(shí)篷布通過(guò)收緊帶收縮在車(chē)體內(nèi)部，使車(chē)廂與車(chē)頂之間間隙均勻一致，車(chē)頂升起后最大室內(nèi)空間高度達(dá)2 m，滿足人員在室內(nèi)的活動(dòng)空間。圖6、7分別為升降柱處于收縮和升起狀態(tài)的示意圖。

圖6 升降柱處于收縮狀態(tài)示意圖

圖7 升降柱處于升起狀態(tài)示意圖

4.2 升降機(jī)構(gòu)

升降頂機(jī)構(gòu)主要由升降柱下支架、升降柱、上支架等組成，選用行程600 mm升降柱，最大負(fù)載可達(dá)2 000 N，與上裝廂體通過(guò)下支架進(jìn)行連接，電控升降，無(wú)需導(dǎo)軌就能實(shí)現(xiàn)車(chē)頂?shù)纳?，既能滿足小型車(chē)輛的高度要求，又可以滿足駐車(chē)使用時(shí)的空間要求。同時(shí)，在車(chē)頂降下后，外密封件和內(nèi)密封件實(shí)現(xiàn)了雙密封，起到防水、減震和緩沖作用。

4.3 燃油經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)相關(guān)汽車(chē)?yán)碚撈?chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算成等速百公里燃油消耗量[4]，總質(zhì)量為3 150 kg，公式為：

式中，Pe為等速時(shí)需要功率，kW；G為車(chē)輛自重，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua為車(chē)速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηT為傳動(dòng)效率；b為燃油消耗率；ρ為燃油的密度，kg/L；g為重力加速度，m/s2。（汽油ρg=6.96～7.15 N/L；柴油ρg=7.94～8.13 N/L。）

車(chē)速取90 km/h時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)需要功率Pe=36.85 kW，百公里燃油消耗量Qs=10.9 L。

5 防水密封機(jī)構(gòu)

防水密封性是升降車(chē)頂技術(shù)的關(guān)鍵，如圖8、9所示分別為篷布處于收縮和延伸狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，在車(chē)頂降下后，外密封件對(duì)車(chē)頂和廂體進(jìn)行外部密封，內(nèi)密封件在內(nèi)側(cè)進(jìn)行密封，實(shí)現(xiàn)了雙密封功能，起到防水、減震和緩沖作用。

所示篷布的上端通過(guò)上密封型材與車(chē)頂固定連接，篷布的下端通過(guò)下密封型材與廂體頂部固定連接。上密封型材包括上密封型材本體。上密封型材本體的外端設(shè)有向上延伸的延伸部，上密封型材本體的內(nèi)端設(shè)有開(kāi)口朝外的U形卡槽，上密封型材本體的中間下方設(shè)有凸塊。下密封型材包括設(shè)置在篷布內(nèi)側(cè)的Z形密封型材、設(shè)置在篷布外側(cè)的并與廂體頂部外側(cè)邊緣卡接的支撐密封型材。支撐密封型材的頂部沿外側(cè)斜向上延伸，并與Z形密封型材的中間斜部相匹配。凸塊的一側(cè)形狀與Z形密封型材的中間斜部相匹配。在凸塊的內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)密封件，且內(nèi)密封件的一端與U形卡槽卡接，內(nèi)密封件的另一端與Z形密封型材的尾端橫部相抵接時(shí)能發(fā)生形變。

6 測(cè)試驗(yàn)證數(shù)據(jù)情況

圖8 篷布處于收縮狀態(tài)時(shí)截面

改裝時(shí)必須嚴(yán)格控制整車(chē)總質(zhì)量、整車(chē)外形輪廓尺寸、軸荷分配、質(zhì)心高度位置等參數(shù)，這些參數(shù)不僅決定了該車(chē)是否滿足法規(guī)，而且極大地影響汽車(chē)操縱穩(wěn)定性。該款旅居車(chē)沒(méi)通過(guò)以犧牲整車(chē)高度來(lái)降低質(zhì)心位置，以獲取良好的穩(wěn)定性，而是通過(guò)升降頂?shù)姆绞绞箖烧叩靡约骖櫋?/p>

6.1 整車(chē)參數(shù)

整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表2。

6.2 側(cè)傾穩(wěn)定角測(cè)試

當(dāng)輪距一定時(shí)，汽車(chē)橫向側(cè)翻的臨界角度與質(zhì)心高度有關(guān)。即汽車(chē)靜態(tài)橫向穩(wěn)定性是汽車(chē)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置合理性的重要特性之一，它將影響汽車(chē)運(yùn)行中的橫向穩(wěn)定性，依據(jù)我國(guó)GB7258-2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》及第1號(hào)修改單規(guī)定，車(chē)輛在空載、靜態(tài)情況下向左側(cè)和右側(cè)傾斜一定角度，不會(huì)側(cè)翻。

根據(jù)橫向側(cè)翻臨界角理論值計(jì)算公式：

式中，B為前輪距， mm；hg0為空載質(zhì)心高，mm。

表2 整車(chē)參數(shù)表

將參數(shù)代入公式計(jì)算，可以得到側(cè)翻臨界角a0=45.9。說(shuō)明該車(chē)在空載靜態(tài)下具有在側(cè)傾角度不超過(guò)45.9°時(shí)，不會(huì)側(cè)翻的能力。

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 側(cè)翻試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語(yǔ)

該旅居車(chē)通過(guò)升降車(chē)頂機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛行駛時(shí)風(fēng)阻最小化，駐車(chē)時(shí)空間最大化，車(chē)輛可進(jìn)入地下車(chē)庫(kù)，不僅解決了旅居車(chē)普遍存在的停車(chē)難問(wèn)題，也讓旅居車(chē)成為商務(wù)出行首選，為自行式旅居車(chē)設(shè)計(jì)提供了新的思路和方向。