自行式C型旅居車的動態(tài)性能分析與優(yōu)化

劉影

關鍵詞：旅居車；自行式C 型；動力性；噪聲-振動-聲振粗糙度

0 前言

旅居車簡稱房車，是一種裝備有睡具（可由桌椅轉換而來）及其他必要的生活設施、用于旅行宿營的汽車［1-2］。

隨著國民收入水平逐年提高和人們對高品質生活的不懈追求，人們的生活方式發(fā)生了很大的改變；后疫情時代下，越來越多的人選擇房車出行的方式。據統(tǒng)計，截止到2021 年底，國內房車保有量約28.8 萬輛［3］，中國房車市場雖然起步較晚，但是發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

目前，國內外絕大多數房車企業(yè)的關注點主要集中在房車配置方面，如房車高檔內飾、智能化與電動化設備、大容積水箱、大容量電池包等。房車企業(yè)在追求豐富配置的同時，很少關注改裝后房車的動態(tài)性能。眾所周知，房車是在選型的底盤車基礎上進行改裝的，車輛改裝前后的空載質量、前后軸承載質量分配、外形尺寸等方面均有顯著差異，這些差異會導致車輛制動性能、動力性、經濟性和噪聲等動態(tài)性能發(fā)生顯著變化。如果不對房車的動態(tài)性能加以系統(tǒng)化的管控，一方面會帶來一定的駕駛安全隱患，另一方面會引起客戶滿意度下降。國內外在房車動態(tài)性能領域開展的研究較少，可以借鑒的經驗有限。因此，本文以國內某款自行式C 型房車為研究對象，綜合運用汽車設計理論和汽車試驗技術，開展房車關鍵動態(tài)性能研究，為國內房車行業(yè)在開展房車產品設計時提供參考。

1 房車動態(tài)性能

房車動態(tài)性能一般指房車在動態(tài)行駛狀態(tài)下所表現出來的性能，主要包括動力性、經濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、通過性和噪聲-振動-聲振粗糙度（NVH）性能等。C 型房車與底盤車相比，在外部形狀尺寸上有非常大的差異，如圖1 和圖2 所示。該房車底盤關鍵參數見表1。

房車上部裝置由額頭、廂板，以及內部各種生活設施組成，其質量和前后軸載荷的分布與底盤車有顯著差異，主要影響車輛的承載性能、動力性和NVH 性能。因此，本文主要從自行式C 型房車及其底盤車的承載性能、動力性和NVH 性能方面開展研究。

2 房車承載性能分析及優(yōu)化

2. 1 承載性能分析與測試

房車的質心位置在P 點，前輪心位置在P_f點，后輪心位置在P_r 點，分別對應的受力為汽車重力G、前軸的法向反作用力F_f、后軸法向反作用力F_r。車輛受力圖如圖3 所示，其中d 為質心P 到前輪心的距離，L 為前后輪心距離，即軸距。

對房車質量進行測量，結果見表2。由表2 可以看出：房車的前軸承載質量實測值為2 130 kg，超出該車底盤設計的前軸極限承載質量（2 100 kg），前軸剩余承載質量為負數，需要優(yōu)化；后軸承載質量實測值為2 370 kg，小于底盤設計的后軸極限承載質量（2 900 kg），后軸剩余承載質量為530 kg。

2. 2 承載性能優(yōu)化與驗證

針對前軸承載質量超出設計極限承載質量30 kg 的情況，需要對前軸的承載質量進行優(yōu)化。由式（6）可知，在房車滿載質量不變的情況下，可以通過調整軸距來降低前軸承載質量，將表2 數值代入式（6），可求得房車質心到前輪心的距離為1 980 mm。制定的優(yōu)化方案見表3。

經計算，軸距越小，前軸承載質量逐漸減小，后軸承載質量逐漸增加。優(yōu)化方案效果見表4。

由表3 可以看出：方案1～3 均可有效降低前軸承載質量，使其滿足前軸極限承載質量要求。結合房車的使用場景，為了滿足房車豐富布局、后部儲物及載重的使用需求，綜合對比方案1、方案2 和方案3，方案2 軸距為3 460 mm 時，房車的前后軸承載質量分別為1 925 kg 和2 575 kg，比原軸距下前軸承載質量降低205 kg，可滿足前軸承載要求；前軸剩余承載質量為175 kg，承載能力利用率為92%，后軸剩余承載質量為325 kg，承載能力利用率為89%。該方案房車的承載質量利用率最高。針對車長為6 m 左右的自行式C 型房車，軸距推薦選擇3 460 mm 左右，該軸距下承載質量利用率較高。

3 房車動力性能分析與優(yōu)化

房車動力性主要指車輛在良好路面直線行駛時，車輛在縱向外力下所能達到的平均行駛速度的能力［4］。房車動力性通常包含最高車速、加速時間和最大爬坡度3 項評價指標。

汽車的動力性由沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力決定，即驅動力和行駛阻力。驅動力主要為發(fā)動機轉矩經傳動系統(tǒng)傳遞到驅動輪，驅動輪的轉矩產生一個對地面的圓周力，地面對驅動輪的反作用力即為汽車的驅動力。行駛阻力通常包含來自路面的滾動阻力、來自空氣的空氣阻力、沿坡道行駛時的坡度阻力和汽車加速行駛時的加速阻力。

3. 1 房車外形尺寸影響分析

由圖1 和圖2 可知，房車與改裝前的底盤車在外形尺寸上有很大差異。由汽車理論可知，空氣阻力為：

式中：F_w為空氣阻力，單位N·m；C 為空氣阻力系數；A 為迎風面積，單位m²；u 為汽車行駛速度，單位km/h。

房車和底盤車相比，空氣阻力系數、迎風面積等參數有顯著差異：空氣阻力系數越大，空氣阻力越大；迎風面積越大，空氣阻力越大。通過仿真分析手段，對房車進行空氣動力學分析，其仿真分析壓力云圖如圖4 所示，在車頂的額頭區(qū)域、后圍等區(qū)域空氣阻力會顯著增大。

通過仿真計算得到的房車空氣阻力系數和迎風面積見表5。底盤車改裝為房車后，迎風面積從5.2 m²增加到6.6 m²，增加27%；空氣阻力系數從0.34 增大到0.44，增加29%。

3. 2 房車質量影響分析

車輛的質量會影響車輛滾動阻力、坡道阻力和加速阻力等。實車測量底盤車和房車的空載質量和滿載質量，結果見表6。

由表6 可以看出：房車的空載質量為3 850 kg，比底盤車重45%。

3. 3 道路行駛阻力測量

按照GB/T 12536—2017 《汽車滑行試驗方法》對房車和底盤車開展道路滑行阻力測試，測試結果如圖5 所示。

由圖5 可以看出：隨著車速的增大，道路行駛阻力逐漸增大，40 km/h 時房車阻力在底盤車阻力基礎上增加21%，120 km/h 時房車阻力在底盤車阻力基礎上增加了42%。整個道路行駛阻力差異非常大，這對車輛的動力性參數有非常大的影響。

3. 4 車輛動力性測試及分析

對房車和底盤車分別進行車輛動力性測試，測試結果見表7。

由表7 可以看出：房車改裝后，其關鍵的動力性參數均會在一定程度上變差，與底盤車相比，房車最高車速可達135 km/h，性能衰減3.6%；0～100 km/h 加速時間為32.4 s，性能衰減24.6%；40～80 km/h 加速時間為13.2 s，性能衰減14.8%；最大爬坡度為30%，性能衰減14.3%。

3. 5 車輛動力性優(yōu)化

通過降低車輛空載質量、減小迎風面積等方式進行車輛動力性能優(yōu)化。制定方案為：

（1） 降低車輛空載質量，從3 850 kg 降低到3 600 kg；

（2） 優(yōu)化車輛外部尺寸及形狀，將迎風面積從6.60 m²降低到6.56 m²。

按照方案1 和方案2 進行測試及分析，優(yōu)化方案效果見表8。

由表8 可以看出：方案1 對于改善車輛最高車速、加速時間和最大爬坡度均有一定效果。結合房車使用工況、房車關注點和方案可行性，綜合對比方案1 和方案2，方案1 的綜合改善效果最為顯著，0～100 km/h 加速時間縮短2.6 s，40～80 km/h 加速時間縮短1.5 s，最大爬坡度提升1.2 百分點。

4 房車NVH 性能分析及優(yōu)化

4. 1 噪聲測試及分析

聲壓級是用來衡量聲音大小的參數，聲壓級越大，噪聲越大。語言清晰度是用來衡量聲音清晰度的參數，語言清晰度越低，聲音越不清晰。隨著車速的增加，聲壓級逐漸增大，語言清晰度逐漸減小。

采用Simcenter 聲學試驗與分析軟硬件系統(tǒng)，通過對底盤車和房車進行噪聲測量，來分析房車改裝后的NVH 性能。結合房車使用場景，制定噪聲測量工況為勻速60 km/h、80 km/h 城市工況和勻速100 km/h 高速工況，聲壓級測量結果見表9。

勻速工況下，底盤車和房車在聲壓級和語言清晰度差異較大，房車的聲壓級比底盤車差2.7～3.0 dB，房車的語言清晰度比底盤車差12～14 百分點。語言清晰度測量結果見表10。

4. 2 勻速噪聲優(yōu)化

房車噪聲較底盤車明顯變差的原因主要在于：① 房車風阻的影響；② 房車空載質量的影響。這使得風激勵和動力總成激勵變大，進而導致車內噪聲會在一定程度上惡化。針對房車勻速工況下的噪聲制定優(yōu)化方案，將前風擋玻璃改為聲學玻璃， 增加前圍隔音墊隔聲材料克重。優(yōu)化方案效果見表11。

由表11 可以看出：該方案對于聲壓級和語言清晰度的改善都比較顯著，聲壓級改善量為1.5～2.6 dB，語言清晰度改善量為3～6 百分點。

5 結語

底盤車改裝成房車后，前軸承載質量超出其設計的極限載承載質量30 kg，通過減小軸距來優(yōu)化前后軸承載質量分配。軸距調整為3 460 mm，可有效降低前軸承載質量205 kg，并使其滿足前軸承載要求。該方案的前軸剩余承載質量為175 kg，后軸剩余承載質量為325 kg。針對車長6 m 左右的C 型房車，軸距3 460 mm 左右承載質量利用率較高。

底盤車改裝成房車后，道路行駛阻力增加21%～42%， 0～100 km/h 加速時間衰減24.6%，40～80 km/h 加速時間衰減14.8%。本文研究降低車輛空載質量可有效提升車輛動力性，質量從3 850 kg 降低到3 600 kg，0～100 km/h 加速時間縮短2.6 s，40～80 km/h 加速時間縮短1.5 s，最大爬坡度提升1.2 百分點。

底盤車改裝成房車后，勻速工況下房車的噪聲聲壓級比底盤車差2.7～3.0 dB，語言清晰度比底盤車差12～14 百分點。通過增加前圍隔音墊隔聲層克重、前風擋玻璃采用聲學玻璃的方案，可有效改善勻速車內噪聲水平，聲壓級改善量為1.5～2.6 dB，語言清晰度改善量為3～6 百分點。

該研究為房車關鍵動態(tài)性能控制提供了一套系統(tǒng)化的控制方法，所研究的內容和方法可以為國內C 型房車產品動態(tài)性能的研究與優(yōu)化提供參考。