6×6 機場消防車底盤性能仿真及試驗驗證

朱強，許秀芝，孫曉建，徐家川

（1.264200 山東省 威海市 威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司；2.255000 山東省 淄博市 山東理工大學(xué)）

0 引言

動力系統(tǒng)匹配對于整車設(shè)計具有至關(guān)重要的作用，直接決定了車輛能否滿足性能要求，尤其對于造價昂貴的6×6 機場消防車底盤，在設(shè)計初期選擇合適的動力系統(tǒng)可有效提高后期研發(fā)效率、控制成本，對整車設(shè)計具有重要作用。

我國機場使用的專用消防車一直由國外公司產(chǎn)品壟斷，主要是美國OSHKOSH 和奧地利盧森堡亞公司，目前國內(nèi)在機場消防車專用底盤領(lǐng)域仍然很薄弱[1-2]，因此開發(fā)適合機場消防用的專用底盤具有重要意義。本文以一種機場消防車底盤為例，運用AVL-Cruise 軟件搭建該底盤仿真模型，分別對2 種不同發(fā)動機的動力系統(tǒng)進行仿真運算，選出更優(yōu)的方案進行裝車驗證，后期對實際車輛進行試驗，驗證了仿真型的合理性,也為后續(xù)開發(fā)其他類似車型提供經(jīng)驗。

1 機場消防車底盤介紹及動力學(xué)模型

機場消防車是指專門用于預(yù)防和撲救飛機火災(zāi)、及時救援機上乘員以及可在車輛行駛中噴射滅火劑的消防車輛，因此對車輛的最高車速和加速時間有著很高的要求。國際民航組織明確規(guī)定，機場消防車到達機場起落區(qū)域任何部分的相應(yīng)時間應(yīng)不超過3 min，最好不要超過2 min。鑒于機場消防車的高機動性、高越野性，普通的商用二類底盤已不能滿足其性能要求。國外廠商已研發(fā)出專門用于機場主力泡沫車的6×6 專用底盤。消防保障等級6級以上（含6 級）的機場必須配備主力泡沫車，且數(shù)量隨等級升高而增多。滅火能力強的主力車在機場消防保障、救災(zāi)搶險中的作用舉足輕重，為機場必備消防車輛，市場前景很好，因此自主專用底盤的研發(fā)具有重要意義。表1 和表2 分別列出了機場消防車底盤的基本參數(shù)和動力學(xué)指標(biāo)[5]。

表1 車輛基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the vehicle

表2 動力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Dynamic index

（續(xù)表）

車輛直線行駛時，其動力學(xué)方程為

式中：Ft——行駛驅(qū)動力，N；m——整車質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m/s2；f ——滾動阻力系數(shù)；α——道路坡道角，°；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；ρ——空氣密度，（N·s2）/m4；ua——車速，km/h；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；——行駛加速度，m/s2。

在平坦路面行駛時，發(fā)動機動力用來克服車輛行駛阻力，主要為滾動阻力和空氣阻力。在某一車速下發(fā)動機功率需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Pe——發(fā)動機功率，kW；ηt——從發(fā)動機到輪胎的機械傳動效率；m——整車質(zhì)量，kg；f——滾動阻力系數(shù)；ua——車速，km/h；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2。

在某一車速下發(fā)動機的扭矩需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Ttq——發(fā)動機扭矩，N·m；r ——車輪滾動半徑，mm；ig——變速器減速比；i0——主減速器減速比。

為使車輛加速最快，應(yīng)保持加速度為最大可能值，所以在相同油門開度下，應(yīng)以實際行駛過程中相鄰擋位加速度曲線的交點作為最佳動力換擋點。車輛第i 擋的加速度為

式中：Fti——車輛第 i 擋的驅(qū)動力，N；Fwi——車輛第 i 擋的空氣阻力，N；Ffi——車輛第 i 擋的道路阻力，N。

車輛的最大爬坡度為一擋大爬坡角度αmax：

式中：D1max——第 1 擋的最大動力因數(shù)；Memax——發(fā)動機最大扭矩；ig1——第 1 擋傳動比；ua1——1擋車速。

依據(jù)以上原則，初步選定2 款柴油機，其外特性曲線分別如圖 1 和圖 2 所示。

圖1 發(fā)動機1 功率和扭矩Fig.1 Power and torque of Engine 1

圖2 發(fā)動機2 功率和扭矩Fig.2 Power and torque of Engine 2

2 基于Cruise 的整車仿真模型的建立與仿真

利用 AVL Cruise 軟件對機場消防車底盤進行仿真計算。首先明確各主要部件的參數(shù)，然后建立整車仿真計算模型，分別對2 種發(fā)動機的動力性進行分析對比，最終得到最佳的匹配方案。計算中，選擇了最高車速（Maximum speed）、爬坡性能（Climbing Performance）和全負(fù)荷加速性能（Full Load Acceleration）項進行計算。

2.1 整車仿真模型建立

基于AVL-Cruise 軟件建立如圖3 所示的整車模型，該模型主要包括發(fā)動機模型、變矩器模型、變速箱模型、主減速器模型、制動器模型、輪胎模型和駕駛員模型等。在整車模型搭建完成之后，建立模塊之間的物理連接與信號連接，依據(jù)該車型的實際參數(shù)設(shè)置修改 Cruise 模塊的參數(shù)。

圖3 整車模型Fig.3 Vehicle model

2.2 動力性仿真

2.2.1 最高車速仿真

在Cruise軟件Task Folder中建立Constant Drive-MAX_V 任務(wù)，進行最高車速仿真，從Result Manager/results.log 中查看仿真結(jié)果，得到發(fā)動機1和發(fā)動機2 對應(yīng)的車輛最高車速分別為121 km/h和107 km/h，如圖4 所示。

圖4 最高車速仿真數(shù)據(jù)Fig.4 Simulation data of maximum velocity

2.2.2 加速性仿真驗證

建立Full Load Acceleration 仿真任務(wù)，加速時間仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 0～80 km/h 加速時間仿真曲線Fig.5 Acceleration time simulation curve of 0～80 km/h

2.2.3 最大爬坡度仿真驗證

建立Climbing Performance 任務(wù)計算最大爬坡度，仿真得到最大爬坡度曲線如圖6 所示,爬坡度分別為51.72%（發(fā)動機1）和43.79%（發(fā)動機2）。

圖6 最大爬坡度仿真曲線Fig.6 Simulation curve of the maximum climbing degree

裝配發(fā)動機1 的車型最高車速121 km/h，滿足標(biāo)準(zhǔn)113 km/h 的要求，加速時間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于35 s，最大爬坡度滿足≥50%坡度要求。顯然，發(fā)動機1 的各項性能均優(yōu)于發(fā)動機2，所以經(jīng)仿真得出結(jié)論：選用發(fā)動機1 作為裝車用發(fā)動機，裝配后做進一步的實車驗證。

3 試驗驗證

按照確定的方案進行裝車試驗。選用566 kW的發(fā)動機1，變速器為分體式自動變速器，前中后橋分別為主減速比為5.46 的驅(qū)動橋，輪胎為24R21 全地形越野輪胎，測試底盤動力性能[6-7]。CAN 數(shù)據(jù)記錄儀記錄的最高車速為115.46 km/h，0～80 km/h 加速時間為28.52 s，如圖7 所示。

圖7 試驗測試的加速時間及最高車速Fig.7 Acceleration time and maximum velocity of test

測試爬坡度時，借用試驗場50%坡度進行試驗，車輛可以爬上50%坡度，滿足設(shè)計要求，由仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，該6×6 機場消防車底盤的最高車速、加速性能和爬坡性能等動力性結(jié)果與試驗結(jié)果誤差小于5%，仿真結(jié)果合理可靠,具體仿真結(jié)果見表3。

表3 整車性能仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison between vehicle performance simulation results and test results

4 結(jié)論

（1）開發(fā)機場消防車專用底盤是必然趨勢，本文通過專用底盤仿真模型的建立和實車驗證有效預(yù)測了底盤的實際性能，為后續(xù)開發(fā)類似的4×4機場快調(diào)車和8×8 機場主力快調(diào)消防車底盤提供可靠的依據(jù)。

（2）在機場消防車領(lǐng)域，響應(yīng)速度快和滅火能力強是核心要求，節(jié)能環(huán)保的混動和新能源專用底盤是未來的發(fā)展趨勢，本課題的研究可延伸至混動和新能源領(lǐng)域，為進一步提升機場消防車專用底盤的性能提供保障。