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 威海廣泰空港設備股份有限公司；2.255000 山東省 淄博市 山東理工大學）

0 引言

動力系統匹配對于整車設計具有至關重要的作用，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，在設計初期選擇合適的動力系統可有效提高后期研發效率、控制成本，對整車設計具有重要作用。

我國機場使用的專用消防車一直由國外公司產品壟斷，主要是美國OSHKOSH 和奧地利盧森堡亞公司，目前國內在機場消防車專用底盤領域仍然很薄弱[1-2]，因此開發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 種不同發動機的動力系統進行仿真運算，選出更優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,也為后續開發其他類似車型提供經驗。

1 機場消防車底盤介紹及動力學模型

機場消防車是指專門用于預防和撲救飛機火災、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定，機場消防車到達機場起落區域任何部分的相應時間應不超過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和動力學指標[5]。

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

表2 動力學指標Tab.2 Dynamic index

（續表）

車輛直線行駛時，其動力學方程為

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

在平坦路面行駛時，發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。在某一車速下發動機功率需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Pe——發動機功率，kW；ηt——從發動機到輪胎的機械傳動效率；m——整車質量，kg；f——滾動阻力系數；ua——車速，km/h；CD——風阻系數；A——迎風面積，m2。

在某一車速下發動機的扭矩需求（忽略坡道和加速阻力）為

式中：Ttq——發動機扭矩，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，應保持加速度為最大可能值，所以在相同油門開度下，應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；Memax——發動機最大扭矩；ig1——第 1 擋傳動比；ua1——1擋車速。

依據以上原則，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 發動機1 功率和扭矩Fig.1 Power and torque of Engine 1

圖2 發動機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，然后建立整車仿真計算模型，分別對2 種發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，依據該車型的實際參數設置修改 Cruise 模塊的參數。

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，進行最高車速仿真，從Result Manager/results.log 中查看仿真結果，得到發動機1和發動機2 對應的車輛最高車速分別為121 km/h和107 km/h，如圖4 所示。

圖4 最高車速仿真數據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，加速時間仿真結果如圖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%（發動機1）和43.79%（發動機2）。

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

裝配發動機1 的車型最高車速121 km/h，滿足標準113 km/h 的要求，加速時間也遠遠低于35 s，最大爬坡度滿足≥50%坡度要求。顯然，發動機1 的各項性能均優于發動機2，所以經仿真得出結論：選用發動機1 作為裝車用發動機，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 數據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，滿足設計要求，由仿真結果與試驗結果對比可知，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果與試驗結果誤差小于5%，仿真結果合理可靠,具體仿真結果見表3。

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

4 結論

（1）開發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測了底盤的實際性能，為后續開發類似的4×4機場快調車和8×8 機場主力快調消防車底盤提供可靠的依據。

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