大型宿营客车的设计开发
作者：曹立波 胡陈晨 全裕喜
来源：《专用汽车》 2011年第1期
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    CAO Li-bo et al
    1．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室  湖南长沙  410082
    2．湖南衡山汽车制造有限公司
    湖南衡阳  421300
    摘要：针对目前宿营车存在车型较小、睡眠空间不足、舒适性差等缺陷，提出了使用大客车改装成可以容纳33人宿营的自行式宿营车的技术方案，并应用虚拟装配技术进行了整车结构设计。运用ANSYS软件对展开工况下的顶围和活动侧围进行了仿真分析，结果表明宿营客车展开时的刚度和强度均能够符合设计要求。在实车测试中，宿营客车能满足33人同时舒适宿营的要求。
    关键词：宿营客车结构设计活动地板强度和刚度分析
    中图分类号：U469.79.02  文献标识码：A文章编号：1004-0226(2011)01-0071-03
    1前言
    武警部队在执行处突、维稳等任务时需要远距离运输兵力，急需能够具有整排兵力的运输和宿营功能的新型运兵宿营车。而野外作战部队担负着野外发射、监测等重要使命，地质勘探、科学考察及救灾等部门也经常需要野外作业，由于野外环境条件恶劣，为了保障人员的安全及身体健康，也需要具有舒适的工作和宿营条件的宿营车。目前，国内外现有的宿营车主要用于家庭或商务休闲，车型较小，难以满足上述需要。东风公司曾根据部队的需要在货车基础上开发了运兵宿营车，但该车乘坐的舒适性和密封性都较差，没有空调，展开空间较小，不能实现自动展开，在部队中使用效果不佳。针对以上问题，本文提出了采用大客车改装为宿营车的整体方案，完成了相应的结构设计及计算分析，并制造出样车。
    2设计方案
    2.1展开方案
    客车属于自行式车辆，它乘坐人数多，具有机动灵活、舒适性好等优点，但宿营时，客车车厢内部难以满足相同人数的睡眠空间要求，所以开发宿营客车的关键在于扩展客车的宿营空间。为了解决这一问
题，提出了全液压自动展开活动侧围及活动地板侧向推出的设计方案。该套机械系统由固定地板架、液压系统、活动侧围、活动地板、活动座椅、地板横梁和支撑杆组成，如图1所示。当宿营客车到达宿营地后，先用液压油缸将活动侧围举升，再从固定地板架中抽出地板横梁并放下支撑杆，然后使用液压油缸水平推出活动地板，最后在展开的侧围上挂上具有防水保暖的布帘，形成一个相对密闭的睡眠空间。
    2.2功能规划
    该车正常行驶时如同常规客车，车内座椅采用32+1布置形式，且均面朝前方，乘员头部与腿部活动范围大，乘坐舒适性好；宿营时，活动地板在地板横梁和支撑杆的支撑下形成左右两个扩展的睡眠平台，座椅靠背翻倒并靠拢形成平整的铺位，这样在车厢内便形成了3个休息区。该车总宿营面积为41.5m2，能同时满足33人宿营的空间需求。宿营客车各工况示意图如图2、3所。
    宿营客车内部分为三个功能区：驾驶区、乘坐宿营区和辅助功能区。驾驶区与原客车一致，没有改动；乘坐宿营区是该车的核心功能区，设计时考虑了合理的结构功能分区：活动地板等专用机构隐藏在固定地板架下，从而与乘员空间分离，避免影响乘员活动。当活动座椅靠拢后，在其两侧便形成了行走通道，可使宿营人员行动方便。此外，活动座椅为可拆卸式，可根据用户的实际使用需求调整座位数，将多余空间布置为其所需的功能区，满足了不同用户的需要；辅助功能区设计在客车尾部，布置为卫生间和储物室。此外，宿营时，车身周围设置多个紧急疏散爬梯，并在车内布置应急灯和灭火器，这有利
于应对紧急情况。将客车的贯通式大行李舱设计为专用设备存放处，这样为野外宿营、作业提供了有力支持。
    3整车结构与设计
    在宿营客车的设计过程中，采用了计算机辅助三维设计技术完成整车结构设计和虚拟装配，使得在设计初期就可以检验结构设计的合理性，避免结构件和运动件之间发生干涉。整车结构设计主要包括机械系统设计和舒适性设计两部分。
    3.1机械系统设计
    宿营客车的机械系统设计主要针对侧围、地板、座椅和液压系统，客车的其它结构不变。
    活动侧围采用上掀式设计：活动侧围前、后立柱与液压油缸铰接，而其上纵梁通过铰链与顶围骨架连接。当液压油缸的活塞杆伸出时，活动侧围绕其上方铰链向侧上方翻开。活动侧围收拢时，通过多个专用夹钳将活动侧围与固定地板架紧固在一起，保证宿营客车在行车中维持稳固的车身骨架结构。此外，活动侧围四周与车身结合处设置有密封胶条。
    活动地板是实现宿营空间扩展的关键结构，它布置在底盘和固定地板架之间，分设在车体左、右两侧，包括由拉索机构连接的上侧地板和下侧地板两部分。上侧地板底部安装有滚轮并叠放在下侧地板上，
下侧地板后部安装有挂轮机构和液压油缸。挂轮机构可在固定地板架滑槽中滚动，并对下侧地板起支撑和导向作用。在液压油缸的驱动下，下侧地板向外移出，并通过拉索机构带动上侧地板外移，最终两者铺设在已搭设好的地板横梁上，形成一块平整的地板。当液压油缸回缩时，活动地板反向运动并完全收叠在一起，其结构如图4所示。
    活动座椅可以横向移动，座椅背面为平板式结构，外面软包。座椅底架安装在固定地板架的固定支座上，底架上部设有横向滑轨。宿营时，原分置在车厢左右两侧的座垫及靠背可向车厢中部滑动到一起，而座椅靠背可向前倾倒，直至与座垫贴合呈水平状态，且其前端正好与前一排翻折靠背的后端紧密拼合。这样就在车厢中部形成了一个大通铺。
    液压系统为机械系统的动力源，由分流集流同步阀自动控制，以保证每组油缸中的各油缸始终处于同步状态，从而保证机械系统的展开和收拢更加可靠、便捷。
    3.2舒适性设计
    在设计中，全面加强了整车车身隔热、防振等性能。一方面对车体夹层采用填充聚胺脂发泡的措施，另一方面对活动侧围、活动地板等结构采用专用固定件和减振橡胶垫块，解决了机械系统收拢后的固定问题，也减少了行车过程中的噪声。
    为了保证宿营时车辆的密封性，布帘四周设计了可靠的密封结构。如布帘之间用尼龙扣连接，布帘通过卡板连接在活动侧围上，如图5所示。这些结构连接可靠性高、密封性能好。
    布帘设计为向外倾斜，使整车成梯形外观结构，这有利于遮光、避雨。在布帘上设置有窗户，便于天热时通风。车内安装了冷暖空调，保证了严寒及酷暑下使用的舒适性。用于睡眠的活动地板及座椅靠背分别铺有羊毛毡和海绵，温暖舒适、干净整洁。试制完成的宿营客车如图6所示。前端测试和后端测试的区别
    4顶围及活动侧围的强度和刚度分析
    宿营时，活动侧围处于展开工况，其自重大，纵向跨度长，如果结构强度不够，会对宿营人员的安全造成威胁。此外，顶围骨架是活动侧围正常工作的主要支撑结构，原客车顶围能否保证其结构可靠性需进行验证。因此，采用ANSYS软件对顶围及活动侧围骨架进行有限元分析。建模时，忽略蒙皮，骨架采用She1163壳单元模拟，活动侧围与顶围的铰接关系，采用节点耦合的方法定义。有限元模型如图7所示。
    空调及侧围玻璃以质量点的形式施加到骨架相应位置。在活动侧围与液压油缸及顶围的铰接处，约束除绕铰链轴向转动自由度外的其他自由度，对与前、后围连接的顶围两端参照实际焊接位置进行全约束，并约束侧围立柱底部节点的3个水平位移自由度。
    通过分析可知，展开工况下骨架模型的最大位移发生在活动侧围下纵梁中间段，变形量为37.37 mm。此外，顶围变形集中在中前部，最大变形出现在其左、右纵梁处，变形量为16.74 mm，这与空调及活动侧围的布置位置是一致的。
    侧围骨架变形过大会导致侧窗玻璃发生破坏，故分析了加载前后侧窗对角线的变化，如表1所示。左、右侧窗都按从车头到车尾的顺序依次编号为1～5。由表1可知，侧窗对角线变化都很小，其中右前窗对角线变形量最大，为0.369 mm。在实际情况中，侧围要加盖蒙皮，其结构刚度会增强，而变形量也会更小。
    展开工况下的较大应力处集中在侧围前立柱，活动侧围前、后立柱及顶围左、右纵梁上，其余部位应力值都较小，其原因是前三者在结构上属于承载的主骨架构件。最大应力为148.6 MPa，产生在顶围右纵梁与侧围前立柱连接处，如图8所示。由于车身骨架的材料为Q235，取安全系数为1 4，从而得出静强度许用应力为168 MPa，大于最大应力，故骨架设计符合强度要求。
    5结语
    经过全面的设计与开发，宿营客车可一车多用，在保持客车原有功能的前提下，又能在野外复杂情况下迅速扩展出较大的宿营空间，构成防风、防雨、防潮、防晒和防蚊的宿营篷屋，提供舒适的宿营条件，容纳人数较多。所开发的自动化机械系统可方便快捷地扩展宿营空间，大大提高了宿营的便捷性与
可靠性。通过ANSYS软件对该车顶围及活动侧围在展开工况下的强度和刚度进行分析，结果表明其强度和刚度符合设计要求。该车还可以进一步开发为临时指挥所、会议中心、医疗救护站等特种用途的特种车辆使用，满足战地指挥、抢险救灾、巡回医疗等场合的需要。目前，第一批宿营客车已交付使用，客户反映良好。

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