自行式C型旅居车的动态性能分析与优化

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P_f点，后轮心位置在P_r 点，分别对应的受力为汽车重力G、前轴的法向反作用力F_f、后轴法向反作用力F_r。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：F_w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。