电动消防车总体毕业设计.docx
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电动消防车总体毕业设计
电动消防车总体毕业设计
第一章绪论
1.1普通汽车带来的问题
内燃机汽车经过120多年的发展和壮大，在安全，节能，环保，舒适和价廉等方面取得了重大的进展，但是，内燃机汽车的发展也正在面临可持续发展能源的挑战，大气环保和地球温室效应的挑战，以及噪声方面的限制等。
目前，世界上各种汽车的保有量超过7亿辆，每年新生产的各种汽车约为5000万辆，按平均每辆汽车年消耗10～15桶石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到80～100亿桶，约占世界石油产量的一半以上。
大多数汽车是用内燃机作为驱动动力，燃料在内燃机中快速燃烧，使燃料的化学能转变热能，通过活塞和曲柄连杆运动将化学能转变的热能转变为机械能为汽车提供能量。
汽车在满负荷条件下，汽油车的总效率为15%～16%，柴油车约为18%～22%，在部分负荷运转的条件下，内燃机汽车的效率会更低一点。
内燃机由于是通过对石油制品的燃烧来得到的机械能，石油制品含有大量的碳，氮，硫元素，燃烧的同时会产生包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）和碳氢化合物（HC）等有害气体，对大气环境造成污染同时对人体造成伤害。
内燃机汽车的噪声主要是燃烧噪声、进气和排气过程中气体的空气动力性噪声，这些噪声随汽车的行驶，飘逸在人们生活的环境中，在大城市中，汽车所产生的噪声会引起人们的神经系统和心血管系统功能的紊乱。
1.2电动汽车的优点
与内燃机汽车相比，电动汽车是指由电机驱动，并且自身装备供电能源（不包括供电架线）的车辆。
它包括蓄电池电动汽车（ZEV），燃料电池电动汽车（FCEV）和混合动力电动汽车（HEV）。
它与汽车相比有比较突出的优点：
1良好的环境保护效果。
燃料电池电动汽车的燃料通常为富氢气体，富氢的主要来源是通过矿物燃料制取。
且在富氢气体的提取过程中，其CO2的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。
而蓄电池电动汽车以电力为动力，几乎不排放有害气体。
因此，电动汽车相对于内燃机汽车而言有着十分突出的环境保护效果。
2能量利用率高。
从理论上来讲，燃料电池的热点转化效率可达85%～90%。
但实际上，在工作时，电池受各种限制，目前各类电池实际的能量转换效率均在40%～60%的范围内。
若实现热电联供，燃料的总利用率可大80%以上。
相比内燃机汽车的能量利用率而言，电动汽车的有了很大的提高。
3噪声低。
燃料电池按电化学原理工作，运动部件很少，无内燃机的燃烧噪声和进气门、排气门，活塞等运动件的机械噪声。
燃料电池系统中，最大的噪声源是空气压缩机，在没有采取隔声措施的燃料电池概念车中，空气压缩机在汽车运行中产生的噪声也相当大。
总的来看，燃料电池的噪声明显低于内燃机汽车。
1.3电动车的历史
电动汽车的诞生也比较早。
1885年，世界上第一辆汽油机汽车由德国人本茨研制成功，并于1886年1月26日获得专利，后人为了纪念本茨对汽车发展所作的贡献，将1886年1月26日定为世界上第一辆汽车诞生日。
电动汽车的历史同样也可以追溯到19世纪，并且早于内燃机汽车的发明时间，最早开发电动汽车的人为法国和英国人[1]。
1881年法国工程师古斯塔夫-特鲁夫（GustaveTrouve）发明了第一辆电动汽车——铅酸蓄电池动力三轮车，并于1881年8月到11月间在巴黎举办的国际电器展览会上展出，遗憾的是这辆电动汽车的照片没有留下来。
现在留有照片的最早的电动汽车是英国人阿顿和培理于1882年发明的三轮电动车。
应该说明的是，若把一次电池电动汽车作为电动汽车的诞生日的话，则第一辆电动汽车的诞生时间是1873年，由英国人罗伯特-戴维森（RobertDavidson）发明[2]。
戴维森制作的世界上最初可供实用的电动汽车是一辆载货车，长4800mm，宽1800mm，使用铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池。
电动汽车在欧洲发明之后，很快传到了美国，并在美国得到了快速发展。
1890年美国一辆蓄电池汽车在美国衣阿华州诞生，时速达到23km/h。
在此之后的十多年里，电动汽车在美国飞速发展，到1912年保有量已达到33384辆。
到1900年为止，美国的电动汽车相对来说比内燃机还要多占一些优势。
其原因是在美国辽阔的乡村，当时坚硬道路稀少，而城市内大多是坚硬的道路，市区面积狭小，因此，续驶里程为30英里并不认为是一个严重的缺陷。
英法两国的情况就大不一样，由于欧洲历史悠久，文化古老，在主要城市之间当时已有公路相接，无论什么天气，车辆都能行驶。
因此，在英国和法国，汽油动力车就成为了主要对象。
到20世纪初，美国以蓄电池为动力的电动汽车占汽车保有量的38%，其比例仅次于占汽车保有量的40%的蒸汽机汽车。
到了1915年，美国电动汽车的年产量达5000辆。
后来由于起动机的发明促进了汽油机汽车的发展和美国洲际公路的发展，使电动汽车不能适应长距离行驶的缺点更为突出，因而电动汽车开始走向衰落，在1935年到1960年25年里，电动汽车几乎处于停产状态，并逐步退出使用。
20世纪60年代，随着汽车保有量的增加，汽车的排气污染使美国发达国家相继出现光化学烟雾等空气污染事故，使人们的健康与生命安全受到了严重威胁。
因而，首先在收到汽车污染威胁的汽车工业发达国家又重新开始电动汽车的开发。
日本在1976年就成立了电动汽车协会，并开展了电动汽车的研究与开发工作。
1990年9月美国加州政府通过的法定规定了“零排放车辆”ZEV（ZeroEmissionVehicle）的销售比例，随后其他各州效仿立法，推动了美国及世界范围内电动汽车的迅速发展。
1991年10月布什总统批准了2.26亿美元拨款资助此项研究。
表1-1部分国家的电动汽车的保有量
国家
美国
日本
法国
德国
意大利
瑞士
年份
2002
2003
2001
2001
2001
2001
电动汽车保有量/辆
5466
5600
7592
2300
5750
2100
1.4电动车的现状及所面对的问题
在国家科技部，国家高技术研究发展计划（“863计划”）中，设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车工业自助创新和科技创新的主攻方向，组织汽车企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式进行联合攻关，计划在“十五”期间，以电动车辆的产业化技术平台为重点，力争在电动车辆关键技术、系统集成技术等方面取得重大突破，促进电动车辆符合现代企业制造和市场经济发展要求的研发体系等方面取得重大突破，促进电动车辆符合现代企业制造和市场经济发展要求的研发体系和机制的形成。
同时在“十五”期间，我国一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学等高等学校以及汽车企业，承担了“863”和“973”的研究项目，在“十五”期间研究和开发了多种有自主知识产权和多项技术专利的电动车辆和装备技术。
东风汽车公司研制了一款神龙富康纯电动轿车，一汽集团研发出了“解放牌”混合动力城市客车和“红旗牌”混合动力轿车。
上汽则研制出“春晖一号”“超越一号”等燃料电池轿车。
进入21世纪，已出现全新设计的电动车辆的概念车，在总布置、结构上采用了最新设计理念，广泛地应用了现代科技成果，使电动车辆的发展迈上了新台阶。
图1-1电动汽车重大专项提出的“三纵、三横”布局及其组织管理模式
主要面对问题：
1，续驶里程短，载质量小
能力密度（指单位体积的动力电池组所能输出的能力）低是出内燃机混合动力车外的电动汽车存在的最大的问题。
目前实际使用的电池有铅酸电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子电池等，常见的蓄电池比能量（只单位质量的动力电池组所能输出的能量）的范围为35～110W·h/kg，而汽油的低热值为44MJ/kg，可见汽油的能力密度约为蓄电池的110～340倍，即使把电动机的工作效率高于发动机这一因素考虑在内，两者之差也相当悬殊。
镍-氢电池、锂离子电池等电动汽车的一次充电行驶里程目前虽然已超过200km，最高车速已超过130km/h，但这仍然难以和内燃机汽车相比。
2，制造成本高
目前纯电动汽车的价格一般为同级燃油汽车的2～5倍。
当然生产规模扩大后，会有一定的幅度降低，但仍难以达到内燃机汽车的水平。
内燃机混合动力汽车价格明显高于同级别的燃油汽车。
燃料电池汽车的价格非常昂贵，达到同级别的燃油汽车的数十倍，甚至上百倍，还处于消费者无法接受的地步。
3，必须重新建设基础设施和解决氢的来源问题
除内燃机混合动力车外的电动汽车存在重新建设基础设施的问题。
为了克服蓄电池充电时间长（4～8h）的问题，需要在停车场或车库建设类似燃油汽车加油站的快速充电站。
氢燃料电池汽车则需要解决氢的来源问题和建设加氢站等设施。
1.5电动车未来的发展方向
21世纪，各大汽车公司都致力于纯电动汽车和混合动力汽车的商业化的同时，还致力于提高电动汽车的技术，如使用高性能的感应电动机或无刷永磁电动机来改进电力驱动系统，使用高性能电池、燃料电池或内燃机来提高车载能源的储备能力，应用感应充电技术及变温座椅来提高车辆辅助设施的技术水平等。
另外我们从对国际电动汽车年会论文集关于电动机驱动类型的统计中可以看出，在直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机中，关于感应电动机和永磁电动机的论文占绝大多数，而关于直流电动机的论文在逐年下降，开关磁阻电动机仍然处于缓慢发展阶段；另外就电动车能源方面而言，铅酸电池、镍基电池、锂基电池、燃料电池以及电容器、飞轮等，我们可以看出，尽管铅酸电池和镍基电池仍在继续发展，但关于锂基电池、燃料电池以及电容、飞轮的论文数目越来越多。
从不同种类的电动汽车的论文数目中可以看出，专门设计的电动汽车比改装车越来越受欢迎，在即将到来的电动汽车市场上，人们对混合电动汽车的兴趣越来越浓；另外电动汽车在接近市场化，因为越来越多的论文是关于电动汽车的示范、标准和市场化的。
在未来的30年里，纯电动汽车和混合电动汽车都将会市场化，并且会占有各自的市场份额。
纯电动汽车适合于特定的市场，如社区交通、电价便宜、使用方便的地区和零排放管制的城市；而混合车泽适合于长途运输。
纯电动汽车和混合电动汽车的市场化速度最终主要取决于它们各自的价格。
在未来20年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池撤在续驶里程和性能方面能与燃油车媲美。
总之，电力驱动和电源仍然是电动汽车技术的关键，纯电动汽车和混合车将并存，而能源、环境和经济将是电动汽车商业化的主要推动力。
我们应该注意到有些核心技术是燃油汽车、纯电动汽车和混合电动汽车所共有，我们最终的目的是开发清洁、高效、智能的交通车辆，使21世纪的交通可持续发展。
1.6课题研究的意义，内容及方法
1.6.1课题研究的意义
我国已经拥有了自主研发的城市主战消防车，主战消防车基本都是在商用车的底盘基础上进行设计的，体积较大，狭窄路面的通过性差。
在生产力快速发展的今天，人们的物质生活水平不断提高，越来越重视人生安全，且现在城市中的住房都已经基本社区化，并且在社区，学校，工厂装配了灭火栓，并且都有市政消防用水，因此一款配备基本消防设备的小型消防车十分满足人们的要求。
当发生火情，小型消防车可快速达到现场，对于不严重的火情可以及时扑灭，对于较严重的火情，可以在城市主战消防车到达前进行控制，对拯救财产起着很大的作用。
小型消防车可以用内燃机商用车进行改装，也可以在已有电动车上进行改装，因此决定了两种不同的驱动方式。
由于是在社区，学校，工厂工作的消防车，不需要很大的续驶里程，在这些场所充电方便。
电动车和内燃机汽车相比，环境污染小，能源利用率高，噪声低等优点。
因此小型电动消防车较小型内燃机消防车而言更适应人们的需要，有着更好的市场前景。
1.6.2课题研究主要内容与方法
1、根据电动消防车的工作要求，选定消防设备，制成表格。
2、参考人机工程学和作业要求布置消防设备。
3、在借鉴专用汽车构造与设计的基础上，设计一种符合纯电动汽车自身特点以及性能要求的布置方案，并对电机和蓄电池进行选择，且对蓄电池进行布置。
4、参照相应的国家标准，对布置完成后的整车进行性能核算。
主要是动力性和经济性是否满足设计要求。
第二章电动消防车上装及器材布置
2.1消防器材介绍
火灾就是在时间和空间上，失去控制的燃烧带来的破坏。
按消防设备所起到的作用归纳起来就是，检测火焰燃烧，控制火焰燃烧以及快速结束火焰燃烧。
常见的消防器材有下面几种：
1.灭火砂箱
灭火时候用的沙子，使燃烧处的氧气供应不足而使火焰熄灭。
通常将灭火沙放置于作业场所适合的地点，并配备所需要的铁锹、斧头等工具。
发生火灾时候，用铁锹将沙子铲向火焰处，使其熄灭。
适用于扑灭由于油品，地面管线造成的初期小火灾。
图2-1消防沙箱
2．石棉被
石棉是不燃物。
将石棉被覆盖在着火物上，火焰会因缺氧而熄灭。
适用于扑灭各种储油容器的罐口、桶口、油罐车口、管线裂缝的火焰以及地面小面积的初期火焰。
图2-2石棉被
3.灭火器
灭火器分为很多种类，常见的有：
干粉灭火器，二氧化碳灭火器和泡沫灭火器。
干粉灭火器适用于扑救各种易燃、可燃液体和易燃、可燃气体火灾以及电器设备火灾。
二氧化碳灭火器适用于各种易燃、可燃液体、可燃气体火灾，还可以扑救仪器仪表、图书档案等的火灾。
泡沫灭火器主要适用于木材、纤维、橡胶造成的火灾。
图2-3灭火器
4．消防水带
消防水带的作用是运送高压水或泡沫等阻燃液体的软管。
传统的消防水带是以橡胶为内衬，外表包裹着亚麻编织物。
现在所使用的则是用有机聚合材料制成的。
将消防水带两头的金属接头接上喷嘴则可进行喷水。
图2-4消防水带
5.消防水枪
消防水枪分为直流水枪，喷雾水枪，多用水枪以及多功能消防水枪。
其主要功能就是与水带相连喷射出不同特性的水柱，减弱火势。
图2-5消防水枪
6．消防水泵
当水柱的高度达不到火险处时，通常借助水泵来增压水的出口压力以增加水柱高度。
合适的消防水泵对险情的控制有着很大的作用。
图2-6消防水泵
2.2消防器材的选用
不同性能要求的消防车配备不同种类以及不同数量的消防设备。
本设计中设计的是一款小型电动消防车，它不需要有城市主战车所具备的功能，在没用水罐的情况下，我们从市政管网取水。
另外这款消防车的载客量设为2人，我们配备消防沙箱一个，铁锹一把，消防平斧两把，消防水带2卷，消防水枪2支，灭火器3个，以及手抬泵一台。
手抬泵的选型：
水泵的选型需要两个关键数据：
一个是流量，一个是扬程。
根据其工作要求，确定杨程为50m
另外就是流量的选取，综合考虑需水量以及运输过程中的损失，我们将流量定为300L/min。
最后选取上海赞马的一款型号为50HB-2G的手抬泵，其规格为如表2-1所示：
表2-1手抬泵规格表
进水口直径（寸）
50mm
出水口直径（mm）
50mm
出水口直径（mm）
38mm
标定流量（m3/h）
30
标定扬程（m）
65
最大吸程（m）
8
包装尺寸（mm）
510x400x430
净重（kg）
47
毛重（kg）
50
列出器材配置表2-2：
表2-2器材配置
序号
名称
规格
单位
数量
备注
1
消防水带
10-50-20m
卷
2
重量2.7kg
2
干粉灭火器
ABC4KG
个
3
Φ135*490
3
铁锹
把
1
4
消防平斧
把
2
5
消防沙箱
个
1
750*600*450
6
消防水枪
个
2
7
手抬泵
个
1
510*400*430
2.3消防器材的布置
选定器材后，还需合理布置专用工作装置和附件，使其附件与所选定的汽车底盘构成相互协调和匹配的整体，以获得好的专用汽车的基本性能要求和专用性能要求。
对于本设计中的电动消防车，首先是确定车厢，对于车厢而言：
主要因素是计算容积，该容积应能保证在运输装载物时，尽可能的利用汽车的装载质量。
第二个因素是选择车厢尺寸。
虽然交通法规允许汽车有较大长度，但为了减轻其自重和提高机动性，设计时总是力图缩短其距离。
公路用汽车的最大容许宽度为2500mm，而车厢的宽度由于栏板厚度的原因，所以稍小于上值。
第三个因素是考虑给定的轴荷分配。
通常货箱的质心位于汽车后轴之前一定距离（约为轴距的2%~20%）处。
另外对于专用车车厢的设计还必须满足其性能的要求，本设计中的电动消防车车厢作用要求有如下几点：
1站在地面或踏板上2个动作内取用任何器材
2按照使用频率和器材重量及外形放置器材
3按照战斗编成和器材使用逻辑关系放置器材
根据电动消防车工作要求，箱体内需要放置手抬泵，消防沙箱，灭火器，铁锹以及消防平斧。
其尺寸大小如表2-3所示
表2-3消防设备尺寸参数
名称
单位
规格
手抬泵
mm
510*400*430（长*宽*高）
消防沙箱
mm
750*600*450（长*宽*高）
铁锹
mm
680*150（长*宽）
消防平斧
mm
40
干粉灭火器
mm
Φ135*490
通过对消防设备尺寸和改造方便性的考虑，我给出的车厢尺寸为：
1200*1400*1280（mm）。
箱体的侧视图如2-7所示。
图2-7侧视图
效果图如图2-8所示
图2-8电动消防车效果图
为了避免改装完成后的电动消防车对操纵稳定性产生的影响，在横向上，尽量使左、右车轮的承载质量分配均匀，因此使消防沙箱和手抬泵的中间对称线位于底盘纵向轴线的位置，车厢内器材布置的俯视图就不再画出。
第三章电动消防车参数匹配与总布置
3.1目标性能指标
汽车设计的过程和汽车的生产过程是反向进行的。
汽车设计过程的起点正好是使用过程的终点，也就是人需求的满足。
本文设计的电动消防车整车目标动力性能和相关参数如下表3-1所示：
表3-1整车目标动力性能相关参数
项目
单位
最高车速（满载）
km/h
29
最大爬坡度（满载）
%
25
满载初速25km/h制动距离
m
≦5
一次充电续驶里程
km
≧80
最大总质量
Kg
1046
3.2电动车驱动方式的选择
根据驱动方式的不同选用不同的底盘，本设计给出如下三种方案：
方案一，如图3-1所示。
由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，它由电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成。
这种方案的优点是，只用将发动机在传统汽车底盘上去掉，安装电动机就可以了。
电动车的运行状态可以通过电动机和变速器来实现。
由于变速器的保留，电动机的控制也容易了很多。
该方案的缺点是该装好后，质量增加较大，虽然电动机的质量比发动机要轻，但是加上蓄电池组后，总的质量其实加大了，这对电动汽车的性能有一定的影响。
图3-1M-电动机C-离合器GB-变速箱D-差速器
方案二，如图3-2所示。
采用固定速比的减速器，去掉离合器。
这种方案的优点是去掉了变速箱换成了固定速比的减速器，在一定程度上缩小了体积，减少了机械传动装置的质量，同时由于传动系的简化，使机械效率得到了一定的提高。
该方案的缺点是改装后的质量得不到很显著的减轻。
图3-2M-电动机FG-固定速比减速器D-差速器
方案三，如图3-3所示，这种方式的布置和变速驱动桥很相似，在传统的前置前驱地盘上，将变速器和发动机去掉，在原变速器和发动机的位置布置电动机，在主减速器的位置布置固定速比减速器，通过传动装置与差速器相连接。
这种布置的优点是传动效率较高，电机和传动装置都布置在电动汽车前面，增大前轴载荷，提高制动时的方向稳定性，减少制动甩尾的可能性，另外改装较为简便，蓄电池的布置更加的灵活。
图3-3M-电动机FG-固定速比减速器D-差速器
由上诉可知，方案三较方案一，方案二而言，在动力性，经济性上有着较大的优势，因此本设计选择方案三为驱动方式。
3.3底盘的选用
在底盘想选用过程中，为了节约成本，专用汽车设计中多选用定型的基本型汽车底盘进行改装设计。
汽车底盘通常是指除车身以外的其余部分，专用汽车所采用的基本底盘按结构组成可分为二，三，四类底盘。
从基本整车上去掉货箱装置为二类底盘。
从基本整车上去掉驾驶室和货箱为三类底盘，在三类地盘上去掉车架总成剩下的散件总成为四类底盘。
本文设计的是一款微型电动消防车，根据驱动方案的最终选择，可以在一款前置前驱的汽车底盘的基础上进行专用车的设计，通过对市场底盘的调查，筛选，最终确定在东风海贝系列电动多功能车的底盘EQ8041上进行改装设计。
具体参数如表3-2，3-3所示：
表3-2EQ8041数据参数表
项目
单位
EQ8041
外形尺寸（长×宽×高）
mm
3160×1400×1860
额定成员数
人
2
轴距
mm
2250
轮距（前/后）
mm
1230/1200
最小离地间隙（满载）
mm
133
整备质量
kg
766
最大总质量
kg
1046
最大爬坡度（满载）
%
25
驻车能力
%
15
满载初速25km/h制动距离
m
≦5
最小转弯直径
m
≦10
一次充电时间
h
8~10
前轴载荷比
%
65
表3-3基本配置表
车型
配置
EQ8041/EQ8041-JC
后桥
东风公司电动车专用车桥
车架
框架式车架、东风车架厂专业设计、专利防锈处理
轮胎
无内胎子午线轮胎
制动系统
双回路液压制动、前后鼓式制动器
悬挂系统
前悬麦弗逊式独立悬挂、后悬纵置钢板弹簧式非独立悬架
转向系统
齿轮齿条转向系统
EQ8041底盘总布置图如图3-4和3-5所示：
图3-4底盘总布置图（侧视图）
图3-5底盘总布置图（俯视图）
3.4电动车电机的选择
选完底盘后，就需要选择电动消防车的动力装置了。
最高车速虽然只是动力性中的一个指标，但它实际反映了汽车的加速能力和爬坡能力。
这是因为最高车速越高，要求的电机功率越大，汽车后备功率越大，加速和爬坡能力也就肯定比较好了。
在汽车总体设计中，通常用最高车速来选用合适的发动机。
与此类比，通过最高车速所需求的电机功率来选择合适的电动机。
在计算最高匀速行驶功率时，由于是匀速和在水平路面进行，不存在加速阻力和坡度阻力，所以在计算时，忽略克服加速阻力和坡度阻力所需的电动机功率。
计算公式见公式4-1：
（3-1）
：
机械传动效率
：
电动车总重量
：
滚动阻力摩擦系数
：
最高车速
：
空气阻力系数
：
迎风面积
滚动阻力系数和轮胎结构，帘线和橡胶品种，路面情况相关，需要做特定的实验才能得到精确值，因而依据表3-4，粗略确定滚动阻力系数的大小为：
表3-4滚动阻力系数f的数值
路面类型
滚动阻力系数
路面类型
滚动阻力系数
良好的沥青或混凝土路面
0.010~0.018
泥泞路面
0.100~0.025
一般的沥青或混凝土路面
0.018~0.020
干砂
0.100~0.300
碎石路面
0.020~0.025
湿砂
0.060~0.150
良好的卵石路面
0.025~0.030
结冰路面
0.015~0.030
坑洼的卵石路面
0.035~0.050
压紧的雪道
0.030~0.050
通常电动车的机械效率取为0.92
为保持动力性，用最大总质量来计算汽车总重
由已知参数给出
的大小根据表3-5确定
为0.5
表3-5汽车的空气阻力系数与迎风面积
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