用于共享汽車的城市車輛方案

1 城市機(jī)動(dòng)化服務(wù)行業(yè)

目前，共享化是汽車行業(yè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。在城市車輛特征(UMT)中，能從個(gè)人車輛需求的角度描述城市機(jī)動(dòng)化服務(wù)行業(yè)的所有型式，同時(shí)評(píng)估采用專用車輛方案的商業(yè)模式(表1)。

表1 根據(jù)城市車輛特征的各種不同商業(yè)模式

例如，在作為車輛服務(wù)行業(yè)的共享車輛自由流動(dòng)情況下，將駕車人與車輛供應(yīng)企業(yè)進(jìn)行分離。大多數(shù)情況行駛里程小于8 km，而且乘坐的人數(shù)較少。與個(gè)人乘車的情況有所不同，在乘車消費(fèi)(尤其是Uber或Lyft公司的出租車服務(wù))前提下，駕駛者可通過駕駛自己的車輛為乘客提供服務(wù)。

機(jī)動(dòng)化服務(wù)行業(yè)通常需要滿足乘客的特定使用需求，其關(guān)注的重點(diǎn)是簡便、舒適，同時(shí)具有附帶效益，如個(gè)人或業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)可任意支配的行駛時(shí)間、行駛成本及使用者能迅速到達(dá)目的地的功能(圖1)。

圖1 以乘客為導(dǎo)向的城市車輛方案選擇準(zhǔn)則

此外，還要考慮到運(yùn)輸服務(wù)行業(yè)的革新。在德國亞琛的share2drive公司是德國亞琛應(yīng)用科技大學(xué)(FH Aachen)衍生出的一家新興公司，順應(yīng)共享化發(fā)展趨勢(shì)，其公司提供了在車輛共享環(huán)境下的創(chuàng)新方案，其商業(yè)模式的基本組成部分是共享車輛(PPV)。這是在與FEV公司及其超過4 500人的子公司的緊密合作下開發(fā)出的一種用于城市車輛市場(chǎng)整體解決方案的新車型。

2 未來城市共享機(jī)動(dòng)化的商業(yè)模式

在UMT中，新型城市車輛服務(wù)行業(yè)對(duì)汽車領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生顛覆性的影響，因此除了新建的城市實(shí)現(xiàn)車輛服務(wù)行業(yè)外，來自信息和通信技術(shù)(IKT)行業(yè)和能源行業(yè)的參與者以全新的商業(yè)模式擠壓原汽車市場(chǎng)。傳統(tǒng)汽車制造業(yè)所建立起來的原始設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)已為全球培育出首批車輛制造商，而汽車零部件工業(yè)特別是大型一級(jí)零部件供應(yīng)商已重新改組，如改組成新型車輛制造商，以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化。

除了為最終用戶進(jìn)一步開發(fā)多種多樣的車型外，用于城市汽車服務(wù)行業(yè)的車輛也成為了整車廠關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。多方面的研究預(yù)測(cè)顯示，至2030年全球約有10%或更多的車輛將被用于城市汽車服務(wù)行業(yè)[2]，用于該領(lǐng)域的共享車型的競爭已經(jīng)開始。

根據(jù)UMT，必須清楚地辨別基于上述用途的車輛是否按照“共用1輛車”或“共乘1次車”以及“車上有司機(jī)”或“乘客就是司機(jī)”等概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，不過該車輛方案在其乘坐總成本(TCR)較低的同時(shí)具有強(qiáng)大的市場(chǎng)滲透力。對(duì)于一種新車輛方案，意味著必須要綜合分析所有與成本有關(guān)的因素。對(duì)于車輛成本而言，要包含車輛的維護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施、信息與通信技術(shù)費(fèi)用及其經(jīng)營成本。這些成本必須反映在一種較為經(jīng)濟(jì)的商業(yè)模式中，并且需考慮到車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)上述每一種因素的影響。本文展望了未來作為公共交通與個(gè)人交通之間接口的PPV車輛情況。

3 對(duì)城市最小共享車輛的要求

迄今為止，城市車輛服務(wù)行業(yè)所使用的電動(dòng)車僅能滿足較為有限的用途，因?yàn)槠湓臼菫樽罱K用戶所設(shè)計(jì)的，其中僅能由車隊(duì)經(jīng)營者對(duì)增加乘客人數(shù)方面進(jìn)行少許修改。但是，在部分城市中經(jīng)營者和車輛使用者反而有一些特殊的需求，而在共享服務(wù)中的車輛必須被理解為一種由多種情況所決定的“車輛行駛裝置”。因此，共享車輛的要求并非是通過傳統(tǒng)用戶的使用情況進(jìn)行分析而得出的結(jié)果，而是從城市共享方案及其商業(yè)模式的角度來開發(fā)。表2示出了PPV 1.0共享車輛制定設(shè)計(jì)任務(wù)書的過程。

對(duì)車輛共享企業(yè)的要求是由FH Aachen與Cambio公司共同研究后所提出的，并由德國聯(lián)邦車輛共享協(xié)會(huì)進(jìn)行公開發(fā)表[3]。

4 PPV 1.0概念車

上述PPV概念車的目標(biāo)是要開發(fā)出一種切實(shí)可用的車輛，并非是一味追求最新技術(shù)的展示型車輛，而是符合未來共享車輛要求的現(xiàn)代車型。為PPV 1.0共享轎車(圖2)制定的車輛設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)得到了歐洲的認(rèn)可。在整體工程方面遵循歐洲電子部品(ECIE)的標(biāo)準(zhǔn)要求，在硬件方面采用了內(nèi)部空間易于改變的模塊化車廂，以高要求的車廂內(nèi)部空間為開發(fā)目標(biāo)。采用LS-DYNA程序進(jìn)行相應(yīng)的有限元模擬來保障達(dá)到性能目標(biāo)(如用于碰撞事故)。

表2 根據(jù)城市機(jī)動(dòng)化需求和商業(yè)模式需求對(duì)車輛提出的要求

圖2 PPV 1.0共享車輛

5 品質(zhì)和結(jié)構(gòu)方案

該項(xiàng)技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)是其按規(guī)定的車輛要求設(shè)計(jì)出一種M1等級(jí)車輛，長度小于2.5 m，寬度約為1.7 m，同時(shí)可滿足95%的駕車人的駕駛需求。PPV 1.0 共享車輛有3個(gè)座位，同時(shí)還要求提供舒適、寬敞的內(nèi)部空間，進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的難度。

PPV 共享轎車被設(shè)計(jì)成具有3個(gè)座位(1+2個(gè)座位)的單廂型式，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與采用地板組件的高度集成組裝效果相協(xié)調(diào)。新型的白車身方案能使擋風(fēng)玻璃更為寬敞。該結(jié)構(gòu)方案的一大重要特點(diǎn)是仍然保有常規(guī)的A柱結(jié)構(gòu)及較大的車窗玻璃面積。該結(jié)構(gòu)方案的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是駕駛員車門，新型的轉(zhuǎn)動(dòng)拉門方案確保了即使在較為緊湊的停車空位情況下，車門也可保持最合適的開度，在車門完全打開的情況下也不會(huì)向外超出太多。

6 外觀和內(nèi)飾設(shè)計(jì)方案

在真正設(shè)計(jì)開發(fā)前，多學(xué)科開發(fā)團(tuán)隊(duì)就定義了PPV 1.0共享車輛的設(shè)計(jì)理念，并以“動(dòng)物種類”為主題進(jìn)行了一系列聯(lián)想(圖3)。針對(duì)這些與眾不同的理念，開發(fā)了約250個(gè)成功設(shè)計(jì)案例，并被濃縮成2種不同的空間方案，以此確認(rèn)了最終方案。方案確認(rèn)后，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，以便使設(shè)計(jì)理念能在最終設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來。綜上所述，PPV 共享轎車可被稱為目前全球最小的共享車輛。

圖3 PPV 1.0共享轎車設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)所選擇的聯(lián)想世界

在設(shè)計(jì)階段中，其內(nèi)飾與外觀就具有顯著的差別，并且就數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)和信息技術(shù)領(lǐng)域而言，都嚴(yán)格遵循了簡化的通信原則。設(shè)計(jì)者已不斷地將PPV 1.0共享轎車上所有的操縱器件數(shù)量減少到了最低，并將其直觀操縱方式都置于前方區(qū)域。駕駛員坐席采用現(xiàn)代數(shù)字化人機(jī)界面。空調(diào)方案則盡可能針對(duì)都市空間思維方式而非傳統(tǒng)車輛制造方式。作為真正的共享車輛，車內(nèi)有效空間的設(shè)計(jì)采用了通過電阻溫度系數(shù)優(yōu)化的內(nèi)部空間凈化方案，后排采用雙人座長椅并取消了易于積存污垢的座椅接縫，取消多余的儲(chǔ)物面積并進(jìn)行合理調(diào)整。同時(shí)，采用了源自游艇的外觀設(shè)計(jì)方案和源自軌道車輛的噴涂式地板。

7 驅(qū)動(dòng)方案

PPV 1.0共享轎車的驅(qū)動(dòng)方案基本上應(yīng)用了400 V城市電動(dòng)車的優(yōu)良技術(shù)狀況，其具備45 kW的驅(qū)動(dòng)功率優(yōu)勢(shì)、120 km/h的最高車速和將近20 kW·h的蓄電池組。這些技術(shù)數(shù)據(jù)具有較高競爭力，其在極端條件下的續(xù)航里程甚至可達(dá)到80 km，并且在專門開發(fā)的共享車輛行駛試驗(yàn)循環(huán)中得到了證實(shí)。因此，按照share2drive公司的商業(yè)模式，已可靠地實(shí)現(xiàn)了每天行駛約2 h的要求。而在share2drive公司提出的靈活共享模式中保障了無電纜充電過程的安全可靠?；谄湓谂鲎苍O(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)及對(duì)城市車輛靈活性的要求，確認(rèn)了安置在前車中的兩個(gè)小直徑電機(jī)串聯(lián)排列的方案。

8 安全性方案

圖4 用于歐洲市場(chǎng)PPV共享轎車和城市交通事故實(shí)況的碰撞安全性

除了避免事故的眾多措施之外，PPV 1.0共享轎車的特點(diǎn)是具有較高的碰撞安全性(圖4)。在方案開發(fā)時(shí)，首先面臨的巨大挑戰(zhàn)是要滿足正面碰撞的設(shè)計(jì)要求。較短的前車結(jié)構(gòu)迫使其開發(fā)了一種具有4種負(fù)荷途徑平面和受約束變形特性的極端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在總變形量約為350 mm的情況下，穿透距離約為60 mm的前圍板的正面碰撞最大沖擊加速度將達(dá)到31 G。

在側(cè)面碰撞情況下，可防止中央布置的蓄電池結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。對(duì)于按照FMVSS 216布置進(jìn)行的車頂變形試驗(yàn)要滿足將近60 kN的抗碰撞強(qiáng)度要求。

9 白車身方案和生產(chǎn)方案

白車身方案涉及一種被稱為“FlexBody”的車身組合構(gòu)件，其使得型材承載輕型結(jié)構(gòu)車身可應(yīng)用于年產(chǎn)量少于1萬輛的車輛制造項(xiàng)目的混合結(jié)構(gòu)中。通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化過程及型材和節(jié)點(diǎn)連接間的嚴(yán)格分配，能在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出可實(shí)際投產(chǎn)的FlexBody車身結(jié)構(gòu)(圖5)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是所需投資較低。在PPV 1.0共享車輛的FlexBody車身中，地板組件優(yōu)先采用以鋼加強(qiáng)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)型式，而在前車和上部結(jié)構(gòu)中則絕大部分采用鋁結(jié)構(gòu)方案。階梯集成式車架中容納了中央布置的蓄電池，以便對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

圖5 多種材料輕型結(jié)構(gòu)車身的FlexBody結(jié)構(gòu)方案

車身質(zhì)量140 kg的車輛的靜態(tài)抗扭剛度達(dá)到了較高的水平，其輕型結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)約為3。白車身的制作在整體式夾具上進(jìn)行，并采用新開發(fā)的噴膠工藝。PPV 1.0共享轎車計(jì)劃年產(chǎn)量約為7 000輛，采取兩班制生產(chǎn)。

10 PPV 2.0概念車和展望

新型機(jī)動(dòng)化解決方案的市場(chǎng)開發(fā)為實(shí)現(xiàn)車輛的技術(shù)性需求、新型商業(yè)模式和汽車制造業(yè)的緊密結(jié)合具有可觀的潛力。PPV 1.0共享轎車作為專用車輛的解決方案，為2020年之前共享經(jīng)濟(jì)中的車輛需求提供了理論參考，而對(duì)其的高度反響已使PPV 2.0共享轎車呼之欲出。

傳統(tǒng)汽車制造業(yè)重視開發(fā)以用戶舒適性和安全性為目標(biāo)的自動(dòng)駕駛功能。除此之外，在共享機(jī)動(dòng)化領(lǐng)域，自動(dòng)駕駛功能被認(rèn)為是不可或缺的技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)共享需求的必經(jīng)之路。