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自行式C型旅居车的动态性能分析与优化

2024-01-14刘影

汽车与新动力 2023年5期
关键词:动力性噪声振动

刘影

关键词:旅居车;自行式C 型;动力性;噪声-振动-声振粗糙度

0 前言

旅居车简称房车,是一种装备有睡具(可由桌椅转换而来)及其他必要的生活设施、用于旅行宿营的汽车[1-2]。

随着国民收入水平逐年提高和人们对高品质生活的不懈追求,人们的生活方式发生了很大的改变;后疫情时代下,越来越多的人选择房车出行的方式。据统计,截止到2021 年底,国内房车保有量约28.8 万辆[3],中国房车市场虽然起步较晚,但是发展潜力巨大。

目前,国内外绝大多数房车企业的关注点主要集中在房车配置方面,如房车高档内饰、智能化与电动化设备、大容积水箱、大容量电池包等。房车企业在追求丰富配置的同时,很少关注改装后房车的动态性能。众所周知,房车是在选型的底盘车基础上进行改装的,车辆改装前后的空载质量、前后轴承载质量分配、外形尺寸等方面均有显著差异,这些差异会导致车辆制动性能、动力性、经济性和噪声等动态性能发生显著变化。如果不对房车的动态性能加以系统化的管控,一方面会带来一定的驾驶安全隐患,另一方面会引起客户满意度下降。国内外在房车动态性能领域开展的研究较少,可以借鉴的经验有限。因此,本文以国内某款自行式C 型房车为研究对象,综合运用汽车设计理论和汽车试验技术,开展房车关键动态性能研究,为国内房车行业在开展房车产品设计时提供参考。

1 房车动态性能

房车动态性能一般指房车在动态行驶状态下所表现出来的性能,主要包括动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性、通过性和噪声-振动-声振粗糙度(NVH)性能等。C 型房车与底盘车相比,在外部形状尺寸上有非常大的差异,如图1 和图2 所示。该房车底盘关键参数见表1。

房车上部装置由额头、厢板,以及内部各种生活设施组成,其质量和前后轴载荷的分布与底盘车有显著差异,主要影响车辆的承载性能、动力性和NVH 性能。因此,本文主要从自行式C 型房车及其底盘车的承载性能、动力性和NVH 性能方面开展研究。

2 房车承载性能分析及优化

2. 1 承载性能分析与测试

房车的质心位置在P 点,前轮心位置在Pf点,后轮心位置在Pr 点,分别对应的受力为汽车重力G、前轴的法向反作用力Ff、后轴法向反作用力Fr。车辆受力图如图3 所示,其中d 为质心P 到前轮心的距离,L 为前后轮心距离,即轴距。

对房车质量进行测量,结果见表2。由表2 可以看出:房车的前轴承载质量实测值为2 130 kg,超出该车底盘设计的前轴极限承载质量(2 100 kg),前轴剩余承载质量为负数,需要优化;后轴承载质量实测值为2 370 kg,小于底盘设计的后轴极限承载质量(2 900 kg),后轴剩余承载质量为530 kg。

2. 2 承载性能优化与验证

针对前轴承载质量超出设计极限承载质量30 kg 的情况,需要对前轴的承载质量进行优化。由式(6)可知,在房车满载质量不变的情况下,可以通过调整轴距来降低前轴承载质量,将表2 数值代入式(6),可求得房车质心到前轮心的距离为1 980 mm。制定的优化方案见表3。

经计算,轴距越小,前轴承载质量逐渐减小,后轴承载质量逐渐增加。优化方案效果见表4。

由表3 可以看出:方案1~3 均可有效降低前轴承载质量,使其满足前轴极限承载质量要求。结合房车的使用场景,为了满足房车丰富布局、后部储物及载重的使用需求,综合对比方案1、方案2 和方案3,方案2 轴距为3 460 mm 时,房车的前后轴承载质量分别为1 925 kg 和2 575 kg,比原轴距下前轴承载质量降低205 kg,可满足前轴承载要求;前轴剩余承载质量为175 kg,承载能力利用率为92%,后轴剩余承载质量为325 kg,承载能力利用率为89%。该方案房车的承载质量利用率最高。针对车长为6 m 左右的自行式C 型房车,轴距推荐选择3 460 mm 左右,该轴距下承载质量利用率较高。

3 房车动力性能分析与优化

房车动力性主要指车辆在良好路面直线行驶时,车辆在纵向外力下所能达到的平均行驶速度的能力[4]。房车动力性通常包含最高车速、加速时间和最大爬坡度3 项评价指标。

汽车的动力性由沿汽車行驶方向作用于汽车的各种外力决定,即驱动力和行驶阻力。驱动力主要为发动机转矩经传动系统传递到驱动轮,驱动轮的转矩产生一个对地面的圆周力,地面对驱动轮的反作用力即为汽车的驱动力。行驶阻力通常包含来自路面的滚动阻力、来自空气的空气阻力、沿坡道行驶时的坡度阻力和汽车加速行驶时的加速阻力。

3. 1 房车外形尺寸影响分析

由图1 和图2 可知,房车与改装前的底盘车在外形尺寸上有很大差异。由汽车理论可知,空气阻力为:

式中:Fw为空气阻力,单位N·m;C 为空气阻力系数;A 为迎风面积,单位m2;u 为汽车行驶速度,单位km/h。

房车和底盘车相比,空气阻力系数、迎风面积等参数有显著差异:空气阻力系数越大,空气阻力越大;迎风面积越大,空气阻力越大。通过仿真分析手段,对房车进行空气动力学分析,其仿真分析压力云图如图4 所示,在车顶的额头区域、后围等区域空气阻力会显著增大。

通过仿真计算得到的房车空气阻力系数和迎风面积见表5。底盘车改装为房车后,迎风面积从5.2 m2增加到6.6 m2,增加27%;空气阻力系数从0.34 增大到0.44,增加29%。

3. 2 房车质量影响分析

车辆的质量会影响车辆滚动阻力、坡道阻力和加速阻力等。实车测量底盘车和房车的空载质量和满载质量,结果见表6。

由表6 可以看出:房车的空载质量为3 850 kg,比底盘车重45%。

3. 3 道路行驶阻力测量

按照GB/T 12536—2017 《汽车滑行试验方法》对房车和底盘车开展道路滑行阻力测试,测试结果如图5 所示。

由图5 可以看出:随着车速的增大,道路行驶阻力逐渐增大,40 km/h 时房车阻力在底盘车阻力基础上增加21%,120 km/h 时房车阻力在底盘车阻力基础上增加了42%。整个道路行驶阻力差异非常大,这对车辆的动力性参数有非常大的影响。

3. 4 车辆动力性测试及分析

对房车和底盘车分别进行车辆动力性测试,测试结果见表7。

由表7 可以看出:房车改装后,其关键的动力性参数均会在一定程度上变差,与底盘车相比,房车最高车速可达135 km/h,性能衰减3.6%;0~100 km/h 加速时间为32.4 s,性能衰减24.6%;40~80 km/h 加速时间为13.2 s,性能衰减14.8%;最大爬坡度为30%,性能衰减14.3%。

3. 5 车辆动力性优化

通过降低车辆空载质量、减小迎风面积等方式进行车辆动力性能优化。制定方案为:

(1) 降低车辆空载质量,从3 850 kg 降低到3 600 kg;

(2) 优化车辆外部尺寸及形状,将迎风面积从6.60 m2降低到6.56 m2

按照方案1 和方案2 进行测试及分析,优化方案效果见表8。

由表8 可以看出:方案1 对于改善车辆最高车速、加速时间和最大爬坡度均有一定效果。结合房车使用工况、房车关注点和方案可行性,综合对比方案1 和方案2,方案1 的综合改善效果最为显著,0~100 km/h 加速时间缩短2.6 s,40~80 km/h 加速时间缩短1.5 s,最大爬坡度提升1.2 百分点。

4 房车NVH 性能分析及优化

4. 1 噪声测试及分析

声压级是用来衡量声音大小的参数,声压级越大,噪声越大。语言清晰度是用来衡量声音清晰度的参数,语言清晰度越低,声音越不清晰。随着车速的增加,声压级逐渐增大,语言清晰度逐渐减小。

采用Simcenter 声学试验与分析软硬件系统,通过对底盘车和房车进行噪声测量,来分析房车改装后的NVH 性能。结合房车使用场景,制定噪声测量工况为匀速60 km/h、80 km/h 城市工况和匀速100 km/h 高速工况,声压级测量结果见表9。

匀速工况下,底盘车和房车在声压级和语言清晰度差异较大,房车的声压级比底盘车差2.7~3.0 dB,房车的语言清晰度比底盘车差12~14 百分点。语言清晰度测量结果见表10。

4. 2 匀速噪声优化

房车噪声较底盘车明显变差的原因主要在于:① 房车风阻的影响;② 房车空载质量的影响。这使得风激励和动力总成激励变大,进而导致车内噪声会在一定程度上恶化。针对房车匀速工况下的噪声制定优化方案,将前风挡玻璃改为声学玻璃, 增加前围隔音垫隔声材料克重。优化方案效果见表11。

由表11 可以看出:该方案对于声压级和语言清晰度的改善都比较显著,声压级改善量为1.5~2.6 dB,语言清晰度改善量为3~6 百分点。

5 结语

底盘车改装成房车后,前轴承载质量超出其设计的极限载承载质量30 kg,通过减小轴距来优化前后轴承载质量分配。轴距调整为3 460 mm,可有效降低前軸承载质量205 kg,并使其满足前轴承载要求。该方案的前轴剩余承载质量为175 kg,后轴剩余承载质量为325 kg。针对车长6 m 左右的C 型房车,轴距3 460 mm 左右承载质量利用率较高。

底盘车改装成房车后,道路行驶阻力增加21%~42%, 0~100 km/h 加速时间衰减24.6%,40~80 km/h 加速时间衰减14.8%。本文研究降低车辆空载质量可有效提升车辆动力性,质量从3 850 kg 降低到3 600 kg,0~100 km/h 加速时间缩短2.6 s,40~80 km/h 加速时间缩短1.5 s,最大爬坡度提升1.2 百分点。

底盘车改装成房车后,匀速工况下房车的噪声声压级比底盘车差2.7~3.0 dB,语言清晰度比底盘车差12~14 百分点。通过增加前围隔音垫隔声层克重、前风挡玻璃采用声学玻璃的方案,可有效改善匀速车内噪声水平,声压级改善量为1.5~2.6 dB,语言清晰度改善量为3~6 百分点。

该研究为房车关键动态性能控制提供了一套系统化的控制方法,所研究的内容和方法可以为国内C 型房车产品动态性能的研究与优化提供参考。

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