1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于MATLAB的汽車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)仿真【摘要】建立汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB計(jì)算機(jī)仿真程序，為車輛的前期設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)。【關(guān)鍵詞】動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性；MATLAB仿真引言動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車性能的重要指標(biāo)，石油價(jià)格的飛速上漲，對(duì)汽車性能有了更高的要求。動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)仿真能準(zhǔn)確、快速、有效的預(yù)測(cè)性能指標(biāo)。節(jié)省實(shí)車試驗(yàn)中不必要的巨額浪費(fèi)及實(shí)車道路試驗(yàn)中駕駛員、道路環(huán)境、氣候等因素對(duì)汽車使用性能測(cè)定的影響，在新車

2、設(shè)計(jì)中迅速且經(jīng)濟(jì)地選擇最佳方案。1發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型是整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算的重要依據(jù)，包括外特性數(shù)學(xué)模型和萬(wàn)有特性數(shù)學(xué)模型。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用插值法描述發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性；采用最小二乘法曲線擬合描述發(fā)動(dòng)機(jī)外特性。1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性在進(jìn)行動(dòng)力性估算時(shí)，一般仍沿用穩(wěn)態(tài)工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所得到的使用外特性中的功率與轉(zhuǎn)矩曲線。穩(wěn)定工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線基本呈拋物線形狀，并且為轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，所以采用最小二乘法曲線擬合法描述。式中n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；T為穩(wěn)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；系數(shù)a,a,a, ,a可由最小二乘法來(lái)確定；擬合階數(shù)k隨特性曲線而異，一般在

3、2、3、4、5中選取。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性是個(gè)二元函數(shù)，燃油消耗率b是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和功率p的函數(shù)，國(guó)內(nèi)外多采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的矩陣描述方法，需要時(shí)插值提取；國(guó)內(nèi)也有采用曲面擬合法的，但要小心其系數(shù)矩陣可能出現(xiàn)病態(tài)。本文采用插值法比較迅速，精度的高低取決于數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密程度，可真實(shí)的反映萬(wàn)有特性的局部特點(diǎn)。二元插值公式：（，）?鄢（，）?鄢其中n，p，b(n，p)為給定的萬(wàn)有特性上的節(jié)點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、油門開度與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系復(fù)雜，通過試驗(yàn)測(cè)試只能得到部分點(diǎn)值。為了得到任意工況下的燃油消耗率值，必須仿真出燃油消耗率值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系，建立發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型。2動(dòng)力性指標(biāo)從

4、獲得盡可能高的平均行駛速度的角度出發(fā)，汽車的動(dòng)力性主要包括三方面的指標(biāo)來(lái)評(píng)定，即：汽車的最高車速u、汽車的加速時(shí)間t、汽車能爬上的最大坡度i。最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上汽車能達(dá)到的最高行駛車速。汽車的加速時(shí)間反映汽車的加速能力，常用原地起步加速時(shí)間與超車加速時(shí)間來(lái)表面汽車的加速能力。原地起步加速時(shí)間指汽車由擋或擋起步，并以最大的加速?gòu)?qiáng)度（包括選擇恰當(dāng)?shù)膿Q擋時(shí)機(jī)）逐步換至最高擋后到某一預(yù)定的距離或車速所需的時(shí)間。超車加速時(shí)間指用最高擋或次高擋由某一較低車速全力加速至某一高速所需的時(shí)間。汽車的爬坡能力是用滿載（或某一載質(zhì)量）時(shí)汽車在良好路面上的最大爬坡度i表示的。顯然，最大爬坡

5、度是指擋最大爬坡度。3汽車動(dòng)力性計(jì)算模型3.1汽車行駛方程汽車行駛時(shí)，汽車的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與汽車遇到的外界阻力之和相等，根據(jù)這些力的平衡關(guān)系建立汽車行駛方程式，從而估算汽車的各項(xiàng)動(dòng)力性能。汽車行駛方程式為：F=F+F+F+F（1）其中，汽車驅(qū)動(dòng)力F=；滾動(dòng)阻力F=Gf cosa；空氣阻力F=CA；坡度阻力 ；加速阻力F=m式中T為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；i為變速器傳動(dòng)比；i為主減速器傳動(dòng)比；為傳動(dòng)系機(jī)械效率，本文計(jì)算時(shí)取=0.9；r為車輪滾動(dòng)半徑，m；G為整車總重力，N；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)f=f+f+f，本文計(jì)算時(shí)取f=0.009，f=0.002，f=0.0003；C為空氣阻）系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m；u為車速，k

6、m/h；i為道路坡度；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，1；m為汽車質(zhì)量，kg；為汽車行駛加速度，m/s。3.2動(dòng)力性計(jì)算模型1）最高車速汽車在水平良好路面上以最高擋或次高擋行駛所能達(dá)到的最大車速。此時(shí)坡度i=0，發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開，由汽車行駛方程可得最高車速為：）加速時(shí)間汽車的加速能力常用原地起步加速時(shí)間來(lái)表示，是指汽車由低擋起步并以最大加速度逐步換至高擋后到達(dá)某一預(yù)定距離或車速所需的時(shí)間。計(jì)算公式為：式中：T為起步時(shí)間，v為起步過程結(jié)束時(shí)汽車最低車速，a為道路符合增加系數(shù)（轎車該值取0）。）最大爬坡度汽車滿載在良好的路面上等速行駛的最大爬坡度反映汽車的爬坡能力，根據(jù)汽車?yán)碚?，其?jì)算公式為：?鄢100式中

7、：a為最大爬坡度， f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，D為I擋動(dòng)力因數(shù)。汽車的動(dòng)力因數(shù)D=4燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是指在保證動(dòng)力性的條件下，汽車以盡量少的燃油消耗量經(jīng)濟(jì)行駛的能力。常用一定工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或用一定燃油消耗量能使汽車行駛的里程來(lái)評(píng)價(jià)。汽車行駛整個(gè)循環(huán)工況是由起步、等速、等加速、等減速和怠速停車等工況所組成，其計(jì)算方法各不相同。4.1起步行駛工況對(duì)于起步過程，在計(jì)算時(shí)可將其按一定的時(shí)間步長(zhǎng)t分為若干個(gè)時(shí)間段，在某一時(shí)間段內(nèi)的燃油消耗量為Q，則起步過程總的燃油消耗量為：式中：P為汽車等速工況下行駛阻力功率，k；b為等速工況下車速對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率P時(shí)的燃油消耗率，

8、g/(kh)；為燃油的密度，kg/L；g為重力加速度，m/s，本文汽油的取7.05。4.2等速行駛工況等速行駛s（m）行程的燃油消耗量（mL）為：折算成等速百公里燃油消耗量為：4.3等加速行駛工況加速過程中，車速、發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速在不斷地變化，燃油消耗量業(yè)不是定值?？梢园衙恳粋€(gè)加速段分成若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間可以看做一個(gè)等速工況，利用等速工況計(jì)算公式計(jì)算出每個(gè)小區(qū)間的油耗Q，累加起來(lái)即為一個(gè)加速時(shí)間段的燃油消耗量。整個(gè)加速過程的燃油消耗量（mL/s）為：4.4等減速行駛工況等速行駛時(shí)，油門松開并進(jìn)行輕微制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)，其燃油消耗量為正常怠速油耗。所以減速工況燃油消耗量（mL）等于

9、減速行駛時(shí)間與怠速油耗的乘積。其計(jì)算公式為：式中：u、u為起始及減速終了的車速，km/h；為減速度，m/s；Q為怠速燃油消耗率，mL/s。4.5怠速停車工況若怠速停車時(shí)間為t（s），則燃油消耗量（mL）為：式中：Q為怠速燃油消耗率，mL/s。4.6整個(gè)循環(huán)工況對(duì)于由等速、等加速、等減速、怠速停車等行駛工況組成的循環(huán)，總油耗為組成該循環(huán)的各工況油耗之和，轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)循環(huán)百公里燃油消耗量（L/100km）為：式中：為所有過程油耗量之和，mL；s為整個(gè)循環(huán)的行駛距離，m。5仿真軟件MATLAB是一款功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件，是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界最具影響力、最有活力的軟件之一。它能方便地處理矩陣變換運(yùn)算、多

10、項(xiàng)式運(yùn)算、圖形繪制、微積分運(yùn)算以及微分方程求解等，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。將MATLAB應(yīng)用于汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真，能夠?qū)?fù)雜的公式可視化，有利于對(duì)汽車的動(dòng)力性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而分析各參數(shù)對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。本文利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和繪圖功能，編制了轎車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算機(jī)仿真程序，對(duì)某經(jīng)濟(jì)型轎車進(jìn)行了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算機(jī)仿真分析。6仿真實(shí)例分析根據(jù)上述原理，對(duì)某轎車進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真。該轎車采用1.5升發(fā)動(dòng)機(jī)，五擋機(jī)械式變速器，計(jì)算所需的原始數(shù)據(jù)如下：整備質(zhì)量：1150kg；滿載質(zhì)量：1555kg；迎風(fēng)面積A：2.03m；風(fēng)阻系數(shù)C：0.29；輪胎滾動(dòng)半徑r：0.299m

11、；變速器各擋速比：1擋：3.182；2檔：1.895；3擋：1.25；4擋：0.909；5擋：0.703；R擋：3.083；主減速比：4.038；傳動(dòng)效率：0.9。本文中進(jìn)行動(dòng)力性能計(jì)算時(shí)采用滿載質(zhì)量，燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算時(shí)整車質(zhì)量狀態(tài)為整備質(zhì)量加上50%的載質(zhì)量為m=1150+575/2=1337.5。由編寫的計(jì)算機(jī)仿真程序，可以得出各特性曲線如下圖所示。6.1發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線由發(fā)動(dòng)機(jī)特性仿真程序可得發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如圖1所示。6.2轎車的驅(qū)動(dòng)力行駛阻力曲線驅(qū)動(dòng)力行駛阻力曲線如圖2所示，由圖可知該轎車的最高車速在五擋約為180km/h右。6.3加速度曲線加速度曲線如圖3所示。由圖可以看出，高擋位時(shí)

12、加速度要小些，I擋的加速度最大，當(dāng)汽車實(shí)際車速低于最高車速時(shí)，驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力，此時(shí)汽車可以用剩余的驅(qū)動(dòng)力來(lái)加速或爬坡。6.4加速度倒數(shù)曲線加速度倒數(shù)曲線如圖4所示。加速過程中的換擋時(shí)刻可根據(jù)各擋的加速度倒數(shù)曲線來(lái)確定。若I擋和II擋的加速度倒數(shù)曲線有交點(diǎn)，應(yīng)在交點(diǎn)對(duì)應(yīng)車速由I擋換入II擋；若兩曲線無(wú)交點(diǎn)，則應(yīng)在I擋加速行駛至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速時(shí)換入II擋。其他各擋的換擋時(shí)刻也按此原則來(lái)確定。忽略換擋時(shí)間。6.5動(dòng)力特性曲線汽車在各擋下的動(dòng)力因數(shù)與車速的關(guān)系曲線稱為動(dòng)力特性圖，如圖5所示。在動(dòng)力特性圖上作滾動(dòng)阻力系數(shù)曲線fua，與動(dòng)力特性曲線的交點(diǎn)即為汽車的最高車速。6.6爬坡度曲線爬坡度曲線如圖6所示。由圖可知該轎車一擋的最大爬坡度為36%左右。6.7功率平衡圖發(fā)動(dòng)機(jī)功率和汽車行駛的阻力功率平衡圖如圖7所示。圖中發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線（V擋）與阻力功率曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)處的車速便是在良好水平路面上汽車的最高車速。6.8等速百公里燃油消耗量曲線等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)每隔10km/h速度間隔計(jì)算的等速百公里燃油消耗量繪制的曲線為等速百公里燃油消耗量曲線，可以用它來(lái)評(píng)價(jià)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。本文中轎車的等速百公里燃油消耗量曲線如圖8所示。7結(jié)束語(yǔ)采用Matlab編寫計(jì)算分析程序，程序運(yùn)行時(shí)間短、精度高、可維護(hù)性好，易與在新車設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用