自行式C型電動升降車頂旅居車結構設計

2020-11-23 09:25:16李漢培蘇建軍廖春杰代旭運

專用汽車 2020年11期

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

經歷了2020年初突如其來的疫情之后，人們將更加關注生活方式和生活質量，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良的底盤和居家休息的臥具、休閑娛樂設施、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”可駕駛和其空間優勢，越來越受到中產收入人群的青睞。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，車輛質心增加導致車輛操縱穩定性能較差。針對這種現狀，筆者設計了一種自行式C型旅居車，可電動升降車頂結構，可降低整車高度和質心。

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，幾年內將突破4 000個，可以預見，筆者研發的這款既能用于商務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構降低了整車高度和質心，行駛更穩定，且不受限高桿限制，駐車后，升降頂可有效增加房車內部空間，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定性，還有人會考慮經濟實用性。在選擇和定制專用底盤時，應當綜合考慮車輛使用環境、布置對軸荷分配的影響，并考慮車輛的動力性能、通過性、操縱穩定性、平順性，以及燃油經濟性能。

2.1 動力性

車輛的動力性能主要表現在最高車速、100 km/h加速時間、最大爬坡度3個方面，其中發動機功率和最大扭矩直接決定著整車3項動力性能指標，同時也影響著車輛燃油經濟性，即100 km燃油消耗量。旅居車使用工況較復雜，需要考慮到高寒、高溫、高原、高濕等各種行駛環境。因此，在選擇發動機功率時，需要綜合考慮用戶對整車的需求，對于需要進入高原地區和越野用戶，由于高海拔地區發動機功率下降，故應選用發動機后備功率較大的底盤。

2.2 通過性和操縱穩定性

良好的通過性和操縱穩定性會給駕駛者帶來較好的駕駛感受，車輛的操縱穩定性涉及較為廣泛。對于旅居車來說，底盤的性能已經決定了整車性能，在整車布置方案設計階段，應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，應準確計算整車前、后軸荷，盡量選擇與底盤設計軸荷相接近的，避免整車質心變化過大和設計軸荷與實際軸荷相差甚遠導致車輛在非直線行駛時側傾角過大。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是國內幾款代表性皮卡車基本參數，考慮整車總長不超過6 m，總高不超過2.2 m[2]，相關文獻推薦軸距為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

箱體安裝后車輛質心會發生變化，質心過多地前移、后移或者上移都會對車輛的穩定性和制動性造成很大的影響，建立車輛質心在X、Z方向變化最小優化目標函數[4]，得到布置方案質心理想位置，以提高車輛的行駛穩定性。其強度也是設計保證的重中之重，同時，智能化和模塊化也是本款旅居車上裝布置設計思想，需做到空間利用率最大化，并兼顧內部視覺感受和采光要求。

3.1 廂體設計

考慮皮卡底盤承載力有限以及燃油經濟性，廂體設計以輕量化為主，需兼顧強度與自重平衡。在進行廂體設計時，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、左側圍骨架、右側圍骨架、后圍骨架、地板骨架、頂板骨架、升降車頂6個部分。廂體方案結構建模和實物如圖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，全車由保溫發泡工藝和國內房車傳統廂體的玻璃鋼生產工藝打造而成。

表1 基本參數表

圖1 廂體結構建模圖

3.2 廂體功能區域設計布置

圖2 廂體實物圖

為達到《旅居車技術條件》，并能夠滿足使用者的需求。針對設計要求，作出布局圖（圖3）和效果圖（圖4、5）。布局主要分為駕駛區、生活區、娛樂區和休息區。廚衛集中在后部兩側，中部為艙道，前部配有帶折疊功能的升降茶幾，兩側放置對坐式雙人沙發，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、房車專用冷熱水泵、燃氣熱水器、房車專用48 L冰箱、24寸內外翻轉電視機、雙溫凈水箱、大功率鋰電池供電系統、太陽能充電系統。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，為旅居車創造新的睡眠空間，優化了室內的采光。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、篷布和車頂構成。在廂體內部的車頭端和車尾端的兩側設有升降柱，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，升降柱控制開關有有線或無線兩種方式，通過控制驅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的雙層防水棉簾，收縮時篷布通過收緊帶收縮在車體內部，使車廂與車頂之間間隙均勻一致，車頂升起后最大室內空間高度達2 m，滿足人員在室內的活動空間。圖6、7分別為升降柱處于收縮和升起狀態的示意圖。

圖6 升降柱處于收縮狀態示意圖

圖7 升降柱處于升起狀態示意圖

4.2 升降機構

升降頂機構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，無需導軌就能實現車頂的升降，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，外密封件和內密封件實現了雙密封，起到防水、減震和緩沖作用。

4.3 燃油經濟性

根據相關汽車理論汽車燃油經濟性的計算成等速百公里燃油消耗量[4]，總質量為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；ua為車速，km/h；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，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

防水密封性是升降車頂技術的關鍵，如圖8、9所示分別為篷布處于收縮和延伸狀態的結構，在車頂降下后，外密封件對車頂和廂體進行外部密封，內密封件在內側進行密封，實現了雙密封功能，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有向上延伸的延伸部，上密封型材本體的內端設有開口朝外的U形卡槽，上密封型材本體的中間下方設有凸塊。下密封型材包括設置在篷布內側的Z形密封型材、設置在篷布外側的并與廂體頂部外側邊緣卡接的支撐密封型材。支撐密封型材的頂部沿外側斜向上延伸，并與Z形密封型材的中間斜部相匹配。凸塊的一側形狀與Z形密封型材的中間斜部相匹配。在凸塊的內側設有內密封件，且內密封件的一端與U形卡槽卡接，內密封件的另一端與Z形密封型材的尾端橫部相抵接時能發生形變。