自行式C型电动升降车顶旅居车结构设计

李汉培 苏建军 廖春杰 代旭运

湖北省齐星汽车车身股份有限公司 湖北随州 441300

1 前言

经历了2020年初突如其来的疫情之后，人们将更加关注生活方式和生活质量，旅居车可以为人们提供一种新的生活方式，在满足“房”和“车”两大功能的同时，还综合考虑了汽车动力性、操纵稳定性、平顺性以及噪声问题。自行式旅居车是在有限的空间将动力性能优良的底盘和居家休息的卧具、休闲娱乐设施、烹饪美食的厨具等集成于一体，解决了人们的出行、休息和用餐所需，比起总长超过6 m的A型旅居车需要持有“A照”人员才能驾驶，自行式C型旅居车凭借其“C照”可驾驶和其空间优势，越来越受到中产收入人群的青睐。然而，由于车身过高，自行式C型旅居车在国内公路各种限高架通行不便、停车不便，也不能进入地下车库，同时，车辆质心增加导致车辆操纵稳定性能较差。针对这种现状，笔者设计了一种自行式C型旅居车，可电动升降车顶结构，可降低整车高度和质心。

截至2019年12月，我国旅居车保有量约为15万辆，已建成露营地约1 690个，几年内将突破4 000个，可以预见，笔者研发的这款既能用于商务又适合家庭旅行的旅居车将成为人们购车的首选。它的电动升降车顶结构降低了整车高度和质心，行驶更稳定，且不受限高杆限制，驻车后，升降顶可有效增加房车内部空间，保证了人员旅行中休息时所需的生活空间。

2 底盘选型

近年来，旅居车市场朝着个性化方向发展，不同年龄段、不同性格的车友都有不同的追求，有人追求车辆的越野性能，也有人偏好车辆操纵稳定性，还有人会考虑经济实用性。在选择和定制专用底盘时，应当综合考虑车辆使用环境、布置对轴荷分配的影响，并考虑车辆的动力性能、通过性、操纵稳定性、平顺性，以及燃油经济性能。

2.1 动力性

车辆的动力性能主要表现在最高车速、100 km/h加速时间、最大爬坡度3个方面，其中发动机功率和最大扭矩直接决定着整车3项动力性能指标，同时也影响着车辆燃油经济性，即100 km燃油消耗量。旅居车使用工况较复杂，需要考虑到高寒、高温、高原、高湿等各种行驶环境。因此，在选择发动机功率时，需要综合考虑用户对整车的需求，对于需要进入高原地区和越野用户，由于高海拔地区发动机功率下降，故应选用发动机后备功率较大的底盘。

2.2 通过性和操纵稳定性

良好的通过性和操纵稳定性会给驾驶者带来较好的驾驶感受，车辆的操纵稳定性涉及较为广泛。对于旅居车来说，底盘的性能已经决定了整车性能，在整车布置方案设计阶段，应充分考虑上装部分对底盘性能的影响，尤其是上装部分对车辆前、后轴荷的影响较大，应准确计算整车前、后轴荷，尽量选择与底盘设计轴荷相接近的，避免整车质心变化过大和设计轴荷与实际轴荷相差甚远导致车辆在非直线行驶时侧倾角过大。另外，它对整车的牵引性、通过性、制动性、操纵性和稳定性等主要性能以及轮胎的使用寿命都有很大的影响[1]。

表1是国内几款代表性皮卡车基本参数，考虑整车总长不超过6 m，总高不超过2.2 m[2]，相关文献推荐轴距为3 380～3 500 mm[3]，以及旅居车特殊性，本方案采用定制某品牌D-MAX四驱自动档双排挡国六轴距为3 095 mm二类底盘。

3 上装厢体

箱体安装后车辆质心会发生变化，质心过多地前移、后移或者上移都会对车辆的稳定性和制动性造成很大的影响，建立车辆质心在X、Z方向变化最小优化目标函数[4]，得到布置方案质心理想位置，以提高车辆的行驶稳定性。其强度也是设计保证的重中之重，同时，智能化和模块化也是本款旅居车上装布置设计思想，需做到空间利用率最大化，并兼顾内部视觉感受和采光要求。

3.1 厢体设计

考虑皮卡底盘承载力有限以及燃油经济性，厢体设计以轻量化为主，需兼顾强度与自重平衡。在进行厢体设计时，首先确定车身骨架的主体，车身骨架采用非承载式，利用二类底盘的车架起承载作用。整个厢体骨架分前围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、后围骨架、地板骨架、顶板骨架、升降车顶6个部分。厢体方案结构建模和实物如图1、2所示，该旅居车厢体采用全金属冲压成型模具电阻点焊工艺车体，轿车级烤漆，全车由保温发泡工艺和国内房车传统厢体的玻璃钢生产工艺打造而成。

表1 基本参数表

图1 厢体结构建模图

3.2 厢体功能区域设计布置

图2 厢体实物图

为达到《旅居车技术条件》，并能够满足使用者的需求。针对设计要求，作出布局图（图3）和效果图（图4、5）。布局主要分为驾驶区、生活区、娱乐区和休息区。厨卫集中在后部两侧，中部为舱道，前部配有带折叠功能的升降茶几，两侧放置对坐式双人沙发，可变换为1 100 mm×1 800 mm的床，驾驶室顶部配有3人大床（1 700 mm×1 900 mm），外侧带有储物仓及2.5 m遮阳棚。主要电气配置有：冷暖一体底置空调、房车专用冷热水泵、燃气热水器、房车专用48 L冰箱、24寸内外翻转电视机、双温净水箱、大功率锂电池供电系统、太阳能充电系统。整车可满足4～5人居住，既适用于家庭旅游休闲，也可进行户外办公，旅游工作两不误。

图3 皮卡房车内布局图

图4 皮卡房车效果图

4 车顶扩展

车顶扩展方式是将车顶向上扩展，为旅居车创造新的睡眠空间，优化了室内的采光。该旅居车采用电动升降杆整体升顶。

4.1 升降顶

图5 皮卡房车效果图

升降顶由升降机构、篷布和车顶构成。在厢体内部的车头端和车尾端的两侧设有升降柱，升降柱的上端与车顶固定连接，升降柱的下端与底盘固定连接，升降柱控制开关有有线或无线两种方式，通过控制驱动电机等电气元件的一致性达到蜗杆运动同步，使4个具有锁止功能的升降柱控制车顶上升下降，能在任意高度停止，经十万次的负载升降试验均无卡滞，可靠性、同步性良好。篷布选用具有保温、防水、防阻燃、防紫外线、抗腐蚀、抗老化聚酯纤维材质的双层防水棉帘，收缩时篷布通过收紧带收缩在车体内部，使车厢与车顶之间间隙均匀一致，车顶升起后最大室内空间高度达2 m，满足人员在室内的活动空间。图6、7分别为升降柱处于收缩和升起状态的示意图。

图6 升降柱处于收缩状态示意图

图7 升降柱处于升起状态示意图

4.2 升降机构

升降顶机构主要由升降柱下支架、升降柱、上支架等组成，选用行程600 mm升降柱，最大负载可达2 000 N，与上装厢体通过下支架进行连接，电控升降，无需导轨就能实现车顶的升降，既能满足小型车辆的高度要求，又可以满足驻车使用时的空间要求。同时，在车顶降下后，外密封件和内密封件实现了双密封，起到防水、减震和缓冲作用。

4.3 燃油经济性

根据相关汽车理论汽车燃油经济性的计算成等速百公里燃油消耗量[4]，总质量为3 150 kg，公式为：

式中，Pe为等速时需要功率，kW；G为车辆自重，kg；f为滚动阻力系数；ua为车速，km/h；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；ηT为传动效率；b为燃油消耗率；ρ为燃油的密度，kg/L；g为重力加速度，m/s2。（汽油ρg=6.96～7.15 N/L；柴油ρg=7.94～8.13 N/L。）

车速取90 km/h时，通过计算得到发动机需要功率Pe=36.85 kW，百公里燃油消耗量Qs=10.9 L。

5 防水密封机构

防水密封性是升降车顶技术的关键，如图8、9所示分别为篷布处于收缩和延伸状态的结构，在车顶降下后，外密封件对车顶和厢体进行外部密封，内密封件在内侧进行密封，实现了双密封功能，起到防水、减震和缓冲作用。

所示篷布的上端通过上密封型材与车顶固定连接，篷布的下端通过下密封型材与厢体顶部固定连接。上密封型材包括上密封型材本体。上密封型材本体的外端设有向上延伸的延伸部，上密封型材本体的内端设有开口朝外的U形卡槽，上密封型材本体的中间下方设有凸块。下密封型材包括设置在篷布内侧的Z形密封型材、设置在篷布外侧的并与厢体顶部外侧边缘卡接的支撑密封型材。支撑密封型材的顶部沿外侧斜向上延伸，并与Z形密封型材的中间斜部相匹配。凸块的一侧形状与Z形密封型材的中间斜部相匹配。在凸块的内侧设有内密封件，且内密封件的一端与U形卡槽卡接，内密封件的另一端与Z形密封型材的尾端横部相抵接时能发生形变。

6 测试验证数据情况

图8 篷布处于收缩状态时截面

改装时必须严格控制整车总质量、整车外形轮廓尺寸、轴荷分配、质心高度位置等参数，这些参数不仅决定了该车是否满足法规，而且极大地影响汽车操纵稳定性。该款旅居车没通过以牺牲整车高度来降低质心位置，以获取良好的稳定性，而是通过升降顶的方式使两者得以兼顾。

6.1 整车参数

整车参数见表2。

6.2 侧倾稳定角测试

当轮距一定时，汽车横向侧翻的临界角度与质心高度有关。即汽车静态横向稳定性是汽车设计和结构布置合理性的重要特性之一，它将影响汽车运行中的横向稳定性，依据我国GB7258-2017《机动车运行安全技术条件》及第1号修改单规定，车辆在空载、静态情况下向左侧和右侧倾斜一定角度，不会侧翻。

根据横向侧翻临界角理论值计算公式：

式中，B为前轮距， mm；hg0为空载质心高，mm。

表2 整车参数表

将参数代入公式计算，可以得到侧翻临界角a0=45.9。说明该车在空载静态下具有在侧倾角度不超过45.9°时，不会侧翻的能力。

实际测试数据见表3。

表3 侧翻试验数据表

7 结语

该旅居车通过升降车顶机构创新设计，实现了车辆行驶时风阻最小化，驻车时空间最大化，车辆可进入地下车库，不仅解决了旅居车普遍存在的停车难问题，也让旅居车成为商务出行首选，为自行式旅居车设计提供了新的思路和方向。