朱強(qiáng)，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(dòng)力系統(tǒng)匹配對(duì)于整車(chē)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的作用，直接決定了車(chē)輛能否滿足性能要求，尤其對(duì)于造價(jià)昂貴的6×6 機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)，在設(shè)計(jì)初期選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)可有效提高后期研發(fā)效率、控制成本，對(duì)整車(chē)設(shè)計(jì)具有重要作用。

我國(guó)機(jī)場(chǎng)使用的專用消防車(chē)一直由國(guó)外公司產(chǎn)品壟斷，主要是美國(guó)OSHKOSH 和奧地利盧森堡亞公司，目前國(guó)內(nèi)在機(jī)場(chǎng)消防車(chē)專用底盤(pán)領(lǐng)域仍然很薄弱[1-2]，因此開(kāi)發(fā)適合機(jī)場(chǎng)消防用的專用底盤(pán)具有重要意義。本文以一種機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)為例，運(yùn)用AVL-Cruise 軟件搭建該底盤(pán)仿真模型，分別對(duì)2 種不同發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)算，選出更優(yōu)的方案進(jìn)行裝車(chē)驗(yàn)證，后期對(duì)實(shí)際車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真型的合理性,也為后續(xù)開(kāi)發(fā)其他類似車(chē)型提供經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)介紹及動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)場(chǎng)消防車(chē)是指專門(mén)用于預(yù)防和撲救飛機(jī)火災(zāi)、及時(shí)救援機(jī)上乘員以及可在車(chē)輛行駛中噴射滅火劑的消防車(chē)輛，因此對(duì)車(chē)輛的最高車(chē)速和加速時(shí)間有著很高的要求。國(guó)際民航組織明確規(guī)定，機(jī)場(chǎng)消防車(chē)到達(dá)機(jī)場(chǎng)起落區(qū)域任何部分的相應(yīng)時(shí)間應(yīng)不超過(guò)3 min，最好不要超過(guò)2 min。鑒于機(jī)場(chǎng)消防車(chē)的高機(jī)動(dòng)性、高越野性，普通的商用二類底盤(pán)已不能滿足其性能要求。國(guó)外廠商已研發(fā)出專門(mén)用于機(jī)場(chǎng)主力泡沫車(chē)的6×6 專用底盤(pán)。消防保障等級(jí)6級(jí)以上（含6 級(jí)）的機(jī)場(chǎng)必須配備主力泡沫車(chē)，且數(shù)量隨等級(jí)升高而增多。滅火能力強(qiáng)的主力車(chē)在機(jī)場(chǎng)消防保障、救災(zāi)搶險(xiǎn)中的作用舉足輕重，為機(jī)場(chǎng)必備消防車(chē)輛，市場(chǎng)前景很好，因此自主專用底盤(pán)的研發(fā)具有重要意義。表1 和表2 分別列出了機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)的基本參數(shù)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)[5]。

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

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

（續(xù)表）

車(chē)輛直線行駛時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程為

式中：Ft——行駛驅(qū)動(dòng)力，N；m——整車(chē)質(zhì)量，kg；g——重力加速度，m/s2；f ——滾動(dòng)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(chē)速，km/h；δ——汽車(chē)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力用來(lái)克服車(chē)輛行駛阻力，主要為滾動(dòng)阻力和空氣阻力。在某一車(chē)速下發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；ηt——從發(fā)動(dòng)機(jī)到輪胎的機(jī)械傳動(dòng)效率；m——整車(chē)質(zhì)量，kg；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua——車(chē)速，km/h；CD——風(fēng)阻系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2。

在某一車(chē)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Ttq——發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，N·m；r ——車(chē)輪滾動(dòng)半徑，mm；ig——變速器減速比；i0——主減速器減速比。

為使車(chē)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(mén)開(kāi)度下，應(yīng)以實(shí)際行駛過(guò)程中相鄰擋位加速度曲線的交點(diǎn)作為最佳動(dòng)力換擋點(diǎn)。車(chē)輛第i 擋的加速度為

式中：Fti——車(chē)輛第 i 擋的驅(qū)動(dòng)力，N；Fwi——車(chē)輛第 i 擋的空氣阻力，N；Ffi——車(chē)輛第 i 擋的道路阻力，N。

車(chē)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(dòng)力因數(shù)；Memax——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；ig1——第 1 擋傳動(dòng)比；ua1——1擋車(chē)速。

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

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)1 功率和扭矩Fig.1 Power and torque of Engine 1

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)2 功率和扭矩Fig.2 Power and torque of Engine 2

2 基于Cruise 的整車(chē)仿真模型的建立與仿真

利用 AVL Cruise 軟件對(duì)機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)進(jìn)行仿真計(jì)算。首先明確各主要部件的參數(shù)，然后建立整車(chē)仿真計(jì)算模型，分別對(duì)2 種發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性進(jìn)行分析對(duì)比，最終得到最佳的匹配方案。計(jì)算中，選擇了最高車(chē)速（Maximum speed）、爬坡性能（Climbing Performance）和全負(fù)荷加速性能（Full Load Acceleration）項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。

2.1 整車(chē)仿真模型建立

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

圖3 整車(chē)模型Fig.3 Vehicle model

2.2 動(dòng)力性仿真

2.2.1 最高車(chē)速仿真

在Cruise軟件Task Folder中建立Constant Drive-MAX_V 任務(wù)，進(jìn)行最高車(chē)速仿真，從Result Manager/results.log 中查看仿真結(jié)果，得到發(fā)動(dòng)機(jī)1和發(fā)動(dòng)機(jī)2 對(duì)應(yīng)的車(chē)輛最高車(chē)速分別為121 km/h和107 km/h，如圖4 所示。

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

2.2.2 加速性仿真驗(yàn)證

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

圖5 0～80 km/h 加速時(shí)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(yàn)證

建立Climbing Performance 任務(wù)計(jì)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(dòng)機(jī)1）和43.79%（發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)1 的車(chē)型最高車(chē)速121 km/h，滿足標(biāo)準(zhǔn)113 km/h 的要求，加速時(shí)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(dòng)機(jī)1 的各項(xiàng)性能均優(yōu)于發(fā)動(dòng)機(jī)2，所以經(jīng)仿真得出結(jié)論：選用發(fā)動(dòng)機(jī)1 作為裝車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配后做進(jìn)一步的實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照確定的方案進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)。選用566 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)1，變速器為分體式自動(dòng)變速器，前中后橋分別為主減速比為5.46 的驅(qū)動(dòng)橋，輪胎為24R21 全地形越野輪胎，測(cè)試底盤(pán)動(dòng)力性能[6-7]。CAN 數(shù)據(jù)記錄儀記錄的最高車(chē)速為115.46 km/h，0～80 km/h 加速時(shí)間為28.52 s，如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試的加速時(shí)間及最高車(chē)速Fig.7 Acceleration time and maximum velocity of test

測(cè)試爬坡度時(shí)，借用試驗(yàn)場(chǎng)50%坡度進(jìn)行試驗(yàn)，車(chē)輛可以爬上50%坡度，滿足設(shè)計(jì)要求，由仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，該6×6 機(jī)場(chǎng)消防車(chē)底盤(pán)的最高車(chē)速、加速性能和爬坡性能等動(dòng)力性結(jié)果與試驗(yàn)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(jiàn)表3。

表3 整車(chē)性能仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between vehicle performance simulation results and test results

4 結(jié)論

（1）開(kāi)發(fā)機(jī)場(chǎng)消防車(chē)專用底盤(pán)是必然趨勢(shì)，本文通過(guò)專用底盤(pán)仿真模型的建立和實(shí)車(chē)驗(yàn)證有效預(yù)測(cè)了底盤(pán)的實(shí)際性能，為后續(xù)開(kāi)發(fā)類似的4×4機(jī)場(chǎng)快調(diào)車(chē)和8×8 機(jī)場(chǎng)主力快調(diào)消防車(chē)底盤(pán)提供可靠的依據(jù)。

（2）在機(jī)場(chǎng)消防車(chē)領(lǐng)域，響應(yīng)速度快和滅火能力強(qiáng)是核心要求，節(jié)能環(huán)保的混動(dòng)和新能源專用底盤(pán)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，本課題的研究可延伸至混動(dòng)和新能源領(lǐng)域，為進(jìn)一步提升機(jī)場(chǎng)消防車(chē)專用底盤(pán)的性能提供保障。