汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性仿真計(jì)算

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車(chē)整車(chē)動(dòng)力性仿真計(jì)算1 動(dòng)力性數(shù)學(xué)模型的建立汽車(chē)動(dòng)力性是汽車(chē)最基本、最重要的性能之一。汽車(chē)動(dòng)力性主要有最高車(chē)速、加速時(shí)間t及最大爬坡度。其中汽車(chē)加速時(shí)間表示汽車(chē)的加速能力，它對(duì)平均行駛車(chē)速有著很大影響，而最高車(chē)速與最大爬坡度表征汽車(chē)的極限行駛能力。根據(jù)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的平衡關(guān)系建立汽車(chē)行駛方程，從而可計(jì)算汽車(chē)的最高車(chē)速、加速時(shí)間和最大爬坡度。其中行駛阻力（Ft）包括滾動(dòng)阻力FR、空氣阻力FLx、坡度阻力FSt和加速阻力FB。根據(jù)圖1就可以建立驅(qū)動(dòng)的基本方程，各車(chē)節(jié)之間的連接暫時(shí)無(wú)需考慮。而車(chē)輛必須分解為總的車(chē)身和單個(gè)車(chē)輪。節(jié)點(diǎn)處只畫(huà)出了方向的力；方向的力對(duì)于討

2、論阻力無(wú)關(guān)緊要，可以忽略。圖1 （a）車(chē)輛，車(chē)輪和路面；（b）車(chē)身上的力和力矩；（c）車(chē)輪上的力和力矩；（d）路面上的力如果忽略?xún)蓚€(gè)車(chē)節(jié)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)工程力學(xué)的重心定理，汽車(chē)（注腳1）和掛車(chē)（注腳2）的車(chē)身運(yùn)動(dòng)方程為： （1）其中和是車(chē)節(jié)的車(chē)身重量，和它們的質(zhì)量，是路面的縱向坡度角，是n車(chē)軸上的縱向力之和，是空氣阻力。由圖1（c），對(duì)第個(gè)車(chē)軸可列出方程 （2） （3）是該車(chē)軸上所有車(chē)輪的重量，是它們的質(zhì)量，是繞車(chē)軸的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，是在輪胎印跡上作用的切向力之和，是軸荷，是第個(gè)車(chē)軸上的驅(qū)動(dòng)力矩。如果假設(shè)車(chē)軸的平移加速度和車(chē)身的加速度相等，由式（1）到式（3）在消去力和以后就得到方程引進(jìn)總

3、質(zhì)量和總重量（力）把車(chē)輪角加速度轉(zhuǎn)化為平移加速度，即得到 （4）右邊是由4項(xiàng)阻力組成，我們稱(chēng)之為1）滾動(dòng)阻力 （5）令，f為阻力系數(shù)，代入式（5），則整車(chē)的滾動(dòng)阻力為 （5-1）還常常進(jìn)一步假定，所有車(chē)輪（盡管比如各個(gè)車(chē)輪胎壓不同）的滾動(dòng)阻力系數(shù)相等，又因?yàn)樗熊?chē)輪輪荷之和等于車(chē)重G，如果車(chē)輛行駛在角度為的坡道上，則輪荷之和等于（參看圖1），這樣，式（5-1）可改寫(xiě)為 因?yàn)榈缆飞系钠露容^不是很大，整車(chē)滾動(dòng)阻力因而近似于整車(chē)車(chē)輪阻力 （5-2）2）空氣阻力 （6）3）上坡阻力 （7）在式（4）中的項(xiàng)用以表示上坡阻力 （7-1）參看式（7）。如果我們用以及等價(jià)的值p來(lái)取代，那么上述表達(dá)式就更為直觀

4、了。這里是坡度，即 （7-2）用取代，在小于17°，所帶來(lái)的誤差不會(huì)超過(guò)5%。這對(duì)應(yīng)的坡度。由上述兩式，可列出 （7-3）4）加速阻力 （8）為使車(chē)輛加速，按式（8），必須可續(xù)“加速阻力” （8-1）它包括質(zhì)量m=G/g的平移加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)部分的旋轉(zhuǎn)加速度。m是比較容易確定的，而估計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的數(shù)值是比較困難的。這一點(diǎn)我們用圖2上面的一輛由內(nèi)燃機(jī)和傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)后軸的雙軸汽車(chē)的例子來(lái)加以說(shuō)明。圖2 加速阻力必須考慮的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量總的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的加速力矩是，其中注腳1指前軸，注腳2指后軸。對(duì)于非驅(qū)動(dòng)的前軸，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是由兩個(gè)輪胎、車(chē)輪輪轂和制動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組成，這些部件以相同的角速度旋轉(zhuǎn)。后軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣

5、量于此不同，不僅包括以角速度旋轉(zhuǎn)的輪胎、輪轂、制動(dòng)器和半軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且也包括分別以角速度和旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)部分和發(fā)動(dòng)機(jī)。我們現(xiàn)在把各部分折算到一個(gè)角速度。適當(dāng)?shù)卣鬯愕胶筝喗撬俣壬稀檫M(jìn)行換算，關(guān)鍵是考慮儲(chǔ)存能量的變化。能量表達(dá)式為 （8-2）引進(jìn)主減速器輸入和輸出端之間的傳動(dòng)比即可得： （8-3）而通過(guò)變矩裝置輸入和輸出端之間的傳動(dòng)比可得（比如機(jī)械式變速器或自動(dòng)變速器）： （8-4）按式（8-2）其能量為 如果采用無(wú)級(jí)變速器，當(dāng)連續(xù)變化時(shí)，能量的變化為所求的這算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 （8-5）因?yàn)閳D2所示的后軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，所以確定后即可列出 （8-8）如果是前軸驅(qū)動(dòng)，必須把注腳V和H互換；對(duì)于全輪驅(qū)動(dòng)，要把

6、驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相應(yīng)地分配折算到前后輪上。圖3 （a）轎車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的分布范圍（b）轎車(chē)與貨車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的比較 按式（8-1）加速阻力的總和通常簡(jiǎn)化為 （8-9）式中為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。它由式（8-1）和式（8-9）給出 (8-10)經(jīng)常取，這是由于忽略了車(chē)輪的滑移率。則上述等式可簡(jiǎn)化為： （8-11）為便于估計(jì)值，在圖3中匯總了有關(guān)車(chē)輛的值。汽車(chē)行駛阻力為 Ft = FR + FLx + FSt + FB （9） 式（4）的左邊是驅(qū)動(dòng)力矩之和被相應(yīng)的靜態(tài)輪胎半徑除（按其量綱來(lái)說(shuō)，是一個(gè)力），我們稱(chēng)為牽引力，記為 （10）由式（4）到式（10），我們得到驅(qū)動(dòng)的基本方程 （11

7、）牽引力必須克服這些阻力。將行駛方程具體化為 （12）式中，Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；ig、i0為變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比；T為傳動(dòng)系機(jī)械效率；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑；G為汽車(chē)重量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；ua為車(chē)速；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；m為汽車(chē)質(zhì)量；為加速度。2 最高車(chē)速的理論計(jì)算汽車(chē)的最高車(chē)速是指在水平良好路面上汽車(chē)能達(dá)到的最高行駛車(chē)速。此時(shí)汽車(chē)的加速度及道路坡度都為0，故汽車(chē)行駛方程變?yōu)?（13）另外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與汽車(chē)車(chē)速u(mài)a之間存在以下關(guān)系 ua = 0.377 （14）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Ttq與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系常采用多項(xiàng)式描述 Ttq = a0 + a1n +

8、 a2n2 + ··· + aknk （15）式中，系數(shù)a0、a1、a2······ak由最小二乘法確定；擬合階數(shù)k隨特性曲線而異，一般取3、4、5。把式（4）、式（5）代入式（2），可將行駛方程變?yōu)橐攒?chē)速u(mài)a為變量的一元高次函數(shù) （16）或 （17）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速與最高轉(zhuǎn)速之間變化且變速器處于最高檔位時(shí)，對(duì)式（7）求導(dǎo)即可解出此函數(shù)的初值。其中極大值即為汽車(chē)的最高車(chē)速。顯然，階數(shù)k越高，計(jì)算越繁瑣。為了直觀地表達(dá)汽車(chē)各檔位行駛時(shí)的受力情況及其平衡關(guān)系，可將汽車(chē)行駛方程用圖解法表示，即將不同檔位的驅(qū)動(dòng)

9、力連同由滾動(dòng)阻力與空氣阻力疊加形成的行駛阻力繪制在同一坐標(biāo)系中。這樣，汽車(chē)的最高車(chē)速便可以在圖中直接檔驅(qū)動(dòng)力曲線與行駛阻力曲線的交點(diǎn)處得到。3 仿真計(jì)算實(shí)例取國(guó)產(chǎn)某小型轎車(chē)進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性可由臺(tái)架試驗(yàn)獲得，其發(fā)動(dòng)機(jī)外特性具體參數(shù)如表1所示。表1 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性具體參數(shù)轉(zhuǎn)速/(r/min)100015002000250030003500400045005000輸出轉(zhuǎn)矩/(N·m)78.5983.0485.0186.6387.0985.8784.6782.5080.54汽車(chē)基本參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1096 mL，最大轉(zhuǎn)矩為87 N·m（30003500 r/mi

10、n），轉(zhuǎn)速范圍為8005500 r/min，滿載總質(zhì)量約為970 kg，車(chē)輪滾動(dòng)半徑為0.272 m，傳動(dòng)系機(jī)械效率為0.9，空氣阻力系數(shù)為0.3，迎風(fēng)面積為2.3 m2，滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.012，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，變速器速比ig =（3.416，1.894, 1.280，0.914, 0.757），主減速比為i0 =4.388。根據(jù)上述理論公式編寫(xiě)M文件，具體程序如下：clear all clcn=1500:500:5500;T=78.59 83.04 85.01 86.63 87.09 85.87 84.67 82.50 80.54 ;dt=polyfit(n,T,4); %對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)

11、矩特性進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，階數(shù)取4n1=1000:100:5400;t=polyval(dt,n1);figure(1)title(發(fā)動(dòng)機(jī)外特性)plot(n1,t,n,T,o),grid on %圖示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性 % 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算G=input(整車(chē)重力/N,G =); %輸入970*9.8；ig=3.416 1.894 1.280 0.914 0.757;k=1:5; % 5個(gè)前進(jìn)檔r=0.272; i0=4.388; eta=0.9;ngk=800 800 800 800 800 800;ngm=5400 5400 5400 5400 5400 5400;ugk=0.377.*r.*

12、ngk(k)./(ig(k).*i0); % 計(jì)算每一檔發(fā)動(dòng)機(jī)800rpm時(shí)的最低行駛速度ukm=0.377.*r.*ngm(k)./(ig(k).*i0); %計(jì)算每一檔發(fā)動(dòng)機(jī)5400rpm時(shí)的最高行駛速度f(wàn)or k=1:5 %依次計(jì)算5個(gè)檔的驅(qū)動(dòng)力u=ugk(k):ukm(k);n=ig(k)*i0.*u./r/0.377;t=54.8179+2.441.*(n./100)-4.8003.*(n./1000).2+2.815e-10.*n.3;Ft=t.*ig(k)*i0*eta/r;figure(2)plot(u,Ft)hold on, grid on %保證K的每次循環(huán)的圖形都保留顯示

13、end % 行駛阻力計(jì)算f0=0.009;f1=0.002;f4=0.0003; %三者都是轎車(chē)滾動(dòng)阻力系數(shù)%disp空氣阻力系數(shù)Cd=0.30.41,迎風(fēng)面積A=1.72.1）Cd=input(空氣阻力系數(shù)Cd =); %輸入0.3A=input(迎風(fēng)面積/m2 , A =); %輸入2.3u=0:10:160;f=f0+f1.*(u./100)+f4.*(u./100).4;Ff=G*f; %計(jì)算滾動(dòng)阻力Fw=Cd*A.*u.2./21.15; %計(jì)算空氣阻力F=Ff+Fw; % 滾動(dòng)阻力、空氣阻力之和title(驅(qū)動(dòng)力-阻力圖(五檔速比為3.416 1.894 1.28 0.914 0.

14、757)plot(u,F,mo-);grid on hold on % 圖解法求解最高車(chē)速for u=50:160; k=5; n=ig(k)*i0.*u./r/0.377; t=54.8179+2.2441.*(n./100)-4.8003.*(n./1000).2+2.815e-10.*n.3; Ft=t.*ig(k)*i0*eta/r; f=f0+f1.*(u./100)+f4.*(u./100).4;Ff=G*f;Fw=Cd*A.*u.2./21.15;F=Ff+Fw;if abs(Ff-F)<1; %當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力差值小于1N時(shí)，近似認(rèn)為相等，即到達(dá)理論最高車(chē)速 umax=

15、u; breakendenddisp= = = 汽車(chē)動(dòng)力性能仿真計(jì)算結(jié)果 = = =disp驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖及最高車(chē)速fprintf(汽車(chē)?yán)碚撟罡哕?chē)速（驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力曲線交點(diǎn)）Vmax=% 3.3f km/h n,umax)4 仿真計(jì)算結(jié)果分析運(yùn)行程序可以得到以下結(jié)果：整車(chē)重力/N,G =970*9.8空氣阻力系數(shù)Cd =0.3迎風(fēng)面積/m2 , A =2.3= = = 汽車(chē)動(dòng)力性能仿真計(jì)算結(jié)果 = = =驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖及最高車(chē)速汽車(chē)?yán)碚撟罡哕?chē)速（驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力曲線交點(diǎn)）Vmax= 154.000 km/h圖1所示為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性，圖2所示為汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力-阻力平衡圖，可以清

16、楚地得到汽車(chē)各檔位的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力，非常直觀。圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性圖5 汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力-阻力平衡圖汽車(chē)行駛時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力是相互平衡的，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與汽車(chē)行駛的阻力功率也總是平衡的。在汽車(chē)行駛的每一時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失與全部運(yùn)動(dòng)所消耗的功率。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率可以由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得。進(jìn)行功率需求計(jì)算時(shí)，一般先只考慮滾動(dòng)阻力功率與空氣阻力功率。它們分別為 Pe = （18） Pw = （19） PZ = （20）可以看出，兩部分阻力功率分別為車(chē)速u(mài)的一元函數(shù)，在MATLAB中可以容易地對(duì)它們進(jìn)行計(jì)算與圖示。仍然對(duì)先前國(guó)產(chǎn)某小排量轎車(chē)進(jìn)行仿真計(jì)算，整車(chē)綜合性能參數(shù)

17、如前所述。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率特性可由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得，如表2所示表2 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率特性轉(zhuǎn)速/(r/min)150020002500300035004000450050005500輸出功率/(kW)10.613.417.621.825.227.531.335.431.6與輸出轉(zhuǎn)矩一樣，功率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系也可以用MATLAB提供的多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合，非常實(shí)用、簡(jiǎn)便，可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。根據(jù)上述理論公式編寫(xiě)M文件如下，具體程序如下：clear all clcn=1500:500:5500;P=10.6 13.5 17.6 21.8 25.2 27.5 31.3 35.4 31.6;dp=pol

18、yfit(n,P,4); %擬合發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率曲線，階數(shù)取4n1=1000:500:5500;pp=polyval(dp,n1);figure(1)title('發(fā)動(dòng)機(jī)外特性')plot(n1,pp,'-o') ig=3.416 1.894 1.28 0.914 0.757;%變速器傳動(dòng)比r=0.272;i0=4.388;eta=0.9;G=input('整車(chē)重力/N,G ='); %輸入970*9.8；k=1:5;ngk=800 800 800 800 800 800;%每檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速初值ngm=5400 5400 5400 5400 5400

19、 5400;%每檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速末值ugk=0.377.*r.*ngk(k)./(ig(k).*i0); %每檔速度初值ukm=0.377.*r.*ngm(k)./(ig(k).*i0); %每檔速度末值，以上4個(gè)變量都是以數(shù)組形式儲(chǔ)存，運(yùn)算時(shí)注意點(diǎn)乘符號(hào)f0=0.009;f1=0.002f4=0.0003;%都是轎車(chē)輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值Cd=0.3;A=2.3;%發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率for k=1:5 u=ugk(k):ukm(k); n=ig(k)*i0.*u./r/0.377; pe=polyval(dp,n);%利用發(fā)動(dòng)機(jī)多項(xiàng)式擬合公式計(jì)算輸出功率計(jì)算 plot(u,pe)%對(duì)輸出功率進(jìn)行5次

20、計(jì)算，每檔計(jì)算一次并繪制一次圖 hold on;%每一檔的輸出功率圖形都保持 grid onend %阻力功率u=10:10:150;delta=1.5;f=f0+f1.*(u./100)+f4.*(u./100).4;pf=G*f.*u./3600;pw=Cd*A.*u.3./76140;%滾動(dòng)阻力功率pp=(pf+pw)/eta;%總的阻力功率title('功率平衡圖（五檔速比為3.416 1.894 1.28 0.914 0.757）')plot(u,pp)grid onhold on%最高車(chē)速的求解for u=50:150;k=5; n=ig(k)*i0.*u./r/0.377; pe=polyval(dp