自行式C型電動升降車頂旅居車結(jié)構(gòu)設(shè)計

李漢培 蘇建軍 廖春杰 代旭運

湖北省齊星汽車車身股份有限公司 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，旅居車可以為人們提供一種新的生活方式，在滿足“房”和“車”兩大功能的同時，還綜合考慮了汽車動力性、操縱穩(wěn)定性、平順性以及噪聲問題。自行式旅居車是在有限的空間將動力性能優(yōu)良的底盤和居家休息的臥具、休閑娛樂設(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，比起總長超過6 m的A型旅居車需要持有“A照”人員才能駕駛，自行式C型旅居車憑借其“C照”可駕駛和其空間優(yōu)勢，越來越受到中產(chǎn)收入人群的青睞。然而，由于車身過高，自行式C型旅居車在國內(nèi)公路各種限高架通行不便、停車不便，也不能進入地下車庫，同時，車輛質(zhì)心增加導(dǎo)致車輛操縱穩(wěn)定性能較差。針對這種現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一種自行式C型旅居車，可電動升降車頂結(jié)構(gòu)，可降低整車高度和質(zhì)心。

截至2019年12月，我國旅居車保有量約為15萬輛，已建成露營地約1 690個，幾年內(nèi)將突破4 000個，可以預(yù)見，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將成為人們購車的首選。它的電動升降車頂結(jié)構(gòu)降低了整車高度和質(zhì)心，行駛更穩(wěn)定，且不受限高桿限制，駐車后，升降頂可有效增加房車內(nèi)部空間，保證了人員旅行中休息時所需的生活空間。

2 底盤選型

近年來，旅居車市場朝著個性化方向發(fā)展，不同年齡段、不同性格的車友都有不同的追求，有人追求車輛的越野性能，也有人偏好車輛操縱穩(wěn)定性，還有人會考慮經(jīng)濟實用性。在選擇和定制專用底盤時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮車輛使用環(huán)境、布置對軸荷分配的影響，并考慮車輛的動力性能、通過性、操縱穩(wěn)定性、平順性，以及燃油經(jīng)濟性能。

2.1 動力性

車輛的動力性能主要表現(xiàn)在最高車速、100 km/h加速時間、最大爬坡度3個方面，其中發(fā)動機功率和最大扭矩直接決定著整車3項動力性能指標(biāo)，同時也影響著車輛燃油經(jīng)濟性，即100 km燃油消耗量。旅居車使用工況較復(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)動機功率時，需要綜合考慮用戶對整車的需求，對于需要進入高原地區(qū)和越野用戶，由于高海拔地區(qū)發(fā)動機功率下降，故應(yīng)選用發(fā)動機后備功率較大的底盤。

2.2 通過性和操縱穩(wěn)定性

良好的通過性和操縱穩(wěn)定性會給駕駛者帶來較好的駕駛感受，車輛的操縱穩(wěn)定性涉及較為廣泛。對于旅居車來說，底盤的性能已經(jīng)決定了整車性能，在整車布置方案設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮上裝部分對底盤性能的影響，尤其是上裝部分對車輛前、后軸荷的影響較大，應(yīng)準(zhǔn)確計算整車前、后軸荷，盡量選擇與底盤設(shè)計軸荷相接近的，避免整車質(zhì)心變化過大和設(shè)計軸荷與實際軸荷相差甚遠導(dǎo)致車輛在非直線行駛時側(cè)傾角過大。另外，它對整車的牽引性、通過性、制動性、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是國內(nèi)幾款代表性皮卡車基本參數(shù)，考慮整車總長不超過6 m，總高不超過2.2 m[2]，相關(guān)文獻推薦軸距為3 380～3 500 mm[3]，以及旅居車特殊性，本方案采用定制某品牌D-MAX四驅(qū)自動檔雙排擋國六軸距為3 095 mm二類底盤。

3 上裝廂體

箱體安裝后車輛質(zhì)心會發(fā)生變化，質(zhì)心過多地前移、后移或者上移都會對車輛的穩(wěn)定性和制動性造成很大的影響，建立車輛質(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，以提高車輛的行駛穩(wěn)定性。其強度也是設(shè)計保證的重中之重，同時，智能化和模塊化也是本款旅居車上裝布置設(shè)計思想，需做到空間利用率最大化，并兼顧內(nèi)部視覺感受和采光要求。

3.1 廂體設(shè)計

考慮皮卡底盤承載力有限以及燃油經(jīng)濟性，廂體設(shè)計以輕量化為主，需兼顧強度與自重平衡。在進行廂體設(shè)計時，首先確定車身骨架的主體，車身骨架采用非承載式，利用二類底盤的車架起承載作用。整個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、升降車頂6個部分。廂體方案結(jié)構(gòu)建模和實物如圖1、2所示，該旅居車廂體采用全金屬沖壓成型模具電阻點焊工藝車體，轎車級烤漆，全車由保溫發(fā)泡工藝和國內(nèi)房車傳統(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)計布置

圖2 廂體實物圖

為達到《旅居車技術(shù)條件》，并能夠滿足使用者的需求。針對設(shè)計要求，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)、娛樂區(qū)和休息區(qū)。廚衛(wèi)集中在后部兩側(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)帶有儲物倉及2.5 m遮陽棚。主要電氣配置有：冷暖一體底置空調(diào)、房車專用冷熱水泵、燃氣熱水器、房車專用48 L冰箱、24寸內(nèi)外翻轉(zhuǎn)電視機、雙溫凈水箱、大功率鋰電池供電系統(tǒng)、太陽能充電系統(tǒng)。整車可滿足4～5人居住，既適用于家庭旅游休閑，也可進行戶外辦公，旅游工作兩不誤。

圖3 皮卡房車內(nèi)布局圖

圖4 皮卡房車效果圖

4 車頂擴展

車頂擴展方式是將車頂向上擴展，為旅居車創(chuàng)造新的睡眠空間，優(yōu)化了室內(nèi)的采光。該旅居車采用電動升降桿整體升頂。

4.1 升降頂

圖5 皮卡房車效果圖

升降頂由升降機構(gòu)、篷布和車頂構(gòu)成。在廂體內(nèi)部的車頭端和車尾端的兩側(cè)設(shè)有升降柱，升降柱的上端與車頂固定連接，升降柱的下端與底盤固定連接，升降柱控制開關(guān)有有線或無線兩種方式，通過控制驅(qū)動電機等電氣元件的一致性達到蝸桿運動同步，使4個具有鎖止功能的升降柱控制車頂上升下降，能在任意高度停止，經(jīng)十萬次的負載升降試驗均無卡滯，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，收縮時篷布通過收緊帶收縮在車體內(nèi)部，使車廂與車頂之間間隙均勻一致，車頂升起后最大室內(nèi)空間高度達2 m，滿足人員在室內(nèi)的活動空間。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 升降機構(gòu)

升降頂機構(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，最大負載可達2 000 N，與上裝廂體通過下支架進行連接，電控升降，無需導(dǎo)軌就能實現(xiàn)車頂?shù)纳?，既能滿足小型車輛的高度要求，又可以滿足駐車使用時的空間要求。同時，在車頂降下后，外密封件和內(nèi)密封件實現(xiàn)了雙密封，起到防水、減震和緩沖作用。

4.3 燃油經(jīng)濟性

根據(jù)相關(guān)汽車理論汽車燃油經(jīng)濟性的計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為等速時需要功率，kW；G為車輛自重，kg；f為滾動阻力系數(shù)；ua為車速，km/h；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ηT為傳動效率；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。）

車速取90 km/h時，通過計算得到發(fā)動機需要功率Pe=36.85 kW，百公里燃油消耗量Qs=10.9 L。

5 防水密封機構(gòu)

防水密封性是升降車頂技術(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)，在車頂降下后，外密封件對車頂和廂體進行外部密封，內(nèi)密封件在內(nèi)側(cè)進行密封，實現(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上密封型材與車頂固定連接，篷布的下端通過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能發(fā)生形變。

6 測試驗證數(shù)據(jù)情況

圖8 篷布處于收縮狀態(tài)時截面

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

6.1 整車參數(shù)

整車參數(shù)見表2。

6.2 側(cè)傾穩(wěn)定角測試

當(dāng)輪距一定時，汽車橫向側(cè)翻的臨界角度與質(zhì)心高度有關(guān)。即汽車靜態(tài)橫向穩(wěn)定性是汽車設(shè)計和結(jié)構(gòu)布置合理性的重要特性之一，它將影響汽車運行中的橫向穩(wěn)定性，依據(jù)我國GB7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》及第1號修改單規(guī)定，車輛在空載、靜態(tài)情況下向左側(cè)和右側(cè)傾斜一定角度，不會側(cè)翻。

根據(jù)橫向側(cè)翻臨界角理論值計算公式：

式中，B為前輪距， mm；hg0為空載質(zhì)心高，mm。

表2 整車參數(shù)表

將參數(shù)代入公式計算，可以得到側(cè)翻臨界角a0=45.9。說明該車在空載靜態(tài)下具有在側(cè)傾角度不超過45.9°時，不會側(cè)翻的能力。

實際測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 側(cè)翻試驗數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語

該旅居車通過升降車頂機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了車輛行駛時風(fēng)阻最小化，駐車時空間最大化，車輛可進入地下車庫，不僅解決了旅居車普遍存在的停車難問題，也讓旅居車成為商務(wù)出行首選，為自行式旅居車設(shè)計提供了新的思路和方向。