汽車動力性試驗 仿真 matlab

1、44基于matlab的一款輕型貨車動力性試驗仿真段#（武漢理工大學汽車學院，汽車#班；1049#）摘要：利用一款輕型貨車發(fā)動機外特性的轉(zhuǎn)矩擬合曲線及整車的其他配置參數(shù)建立了整車的動力學模型，在matlab環(huán)境下用m語言完成了仿真過程。動力性是汽車的最基本性能，是汽車整車性能道路試驗的必備項目之一，但道路試驗需要較好的試驗場地和有經(jīng)驗的試驗人員，過程也很繁瑣。但若利用發(fā)動機及整車的參數(shù)建立數(shù)學模型，在軟件中進行試驗仿真則會方便很多。設(shè)計合理的數(shù)學模型及高效的仿真程序，能得出接近真實試驗的結(jié)果，為工作人員提供了重要參考，有很強的實用性。關(guān)鍵詞：汽車；動力性；試驗仿真；matlab;m語言；實用性1

2、汽車動力性試驗的基本內(nèi)容汽車動力性評價指標有最高車速、加速時間、最大爬坡度等，與之對應(yīng)的試驗內(nèi)容有最高車速的測試、汽車起步連續(xù)換擋加速時間與超車加速時間的測試和汽車最大爬坡度的測試。另外，按照我國標準，動力性評價試驗均在滿載情況下進行。1.1最高車速汽車的最高車速是指汽車標準滿載狀態(tài)，在水平良好的路面（清潔、干燥、平坦的混凝土或瀝青路面，縱向坡度在0.1%以內(nèi)）上所能達到的最高行駛速度。1.2加速時間常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明汽車的加速能力。原地起步加速時間是指汽車由I擋或II擋起步，并以最大的加速度（包括選擇最恰當?shù)膿Q擋時間）逐步換至最高擋到某一預(yù)定的距離或車速所需的時間。一般

3、常用0100km/h所需的時間來表明原地起步的加速能力。超車加速是指用最高擋或次高擋有某一較低車速全力加速至某一高速所需的時間。對超車加速能力還沒有一致的規(guī)定，采用較多的是用最高擋或次高擋由30km/h或40km/h全力加速至某一高速所需的時間。本文所取模型為一款輕型貨車，動力性一般，再結(jié)合生活使用實際需要，現(xiàn)用40km/h全力加速至70km/h所用的時間來評價汽車的加速性能，因為此速度區(qū)間是城市道路在較佳的通車情況下加速時的常用工況。1.3最大爬坡度實際的各類公路不可避免會有一定的坡度，若汽車能順利且快速的通過遇到的各類斜坡，必然需要較強的動力。汽車的上坡能力是用滿載時汽車在良好的路面上的最

4、大爬坡度。轎車的最高車速大，加速時間短，經(jīng)常在較好的道路上行駛，一般不強調(diào)它的爬坡能力；然而，它的I擋加速能力大，故爬坡能力也強。貨車在各種地區(qū)的各種道路上行駛，所以必須具有足夠的爬坡能力，一般最大爬坡度在30%即16.7左右。要進一步說明的是：最大爬坡度代表了汽車的極限爬坡能力，它應(yīng)該比實際行駛中遇到的道路最大坡度超出很多，這是因為應(yīng)考慮到實際坡道行駛時，在坡道上停車順利起步加速、克服松軟坡道路面的阻力、克服坡道上崎嶇不平路面的局部最大阻力等要求的緣故。2動力模型的參數(shù)2.1發(fā)動機使用外特性的Tq-n的擬合曲線3.844T=19.313+29527（-）16544（_L+40.874；3.8

5、44TOC o 1-5 h zq10001000式中，T為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩（N*m）；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）。q、發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速n.=600r/min,最高轉(zhuǎn)速n=4000r/minminmax2.2整車配置參數(shù)裝載質(zhì)量m1=2000kg整車整備質(zhì)量m0=1800kg總質(zhì)量M=3880kg車輪半徑r=0.367m傳動系機械效率n=0.85滾動阻力系數(shù)f=0.013空氣阻力系數(shù)X迎風面積CDA=2.77mA2主減速器傳動比i0=5.83飛輪的轉(zhuǎn)動慣量If=0.218kg一前輪轉(zhuǎn)動慣量Iw1=1.798kg四后輪轉(zhuǎn)動慣量Iw2=3.598kgE重力加速度g=9.8m/s2變速器傳動比igI擋ig(

6、1)II擋ig(2)III擋ig(3)IV擋ig(4)V擋ig(5)5.562.7691.6441.000.7933模型的動力方程3.1外特性功率曲線的求出由公式（1）可求出功率曲線與給出參數(shù)中的轉(zhuǎn)矩曲線一起可得出此發(fā)動機的外特性曲線，如圖1外特性曲線可反映發(fā)動機的做功性能，為汽車動力性的求解提供重要參考。Tq-nTq-n9550公式（1）公式中Pe為發(fā)動機的功率，Tq為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速。3.2最高車速的求出由已知的Tq曲線和其他參數(shù)可得到汽車各擋位下的驅(qū)動力Ft,并可做出驅(qū)動力曲線。公式（2）Ft二Tqig公式（2）圖1圖1發(fā)動機外特性曲線汽車在水平路面上勻速行駛時阻力包括滾動阻力和空氣阻力，

7、運用公式（3）可求出不同擋位下汽車的行駛速度，繼而利用公式（4）、公式（5）分別求出滾動阻力和空氣阻力。Ft+Fw與車速的關(guān)系為行駛阻力曲線，結(jié)合公式（2）的各檔驅(qū)動力曲線就得到汽車驅(qū)動力行駛阻力平衡，如圖2。第Ft5曲線與Ft+Fw曲線的交點便是最高車速u。顯然最高車速為100km/h。amaXu=0.377口公式（3）aig-i0Ff=M-g-f公式Fw二。：公式（5）21.15圖2汽車驅(qū)動力一行駛阻力平衡圖3.3汽車的加速時間如上所述，本文用40km/h全力加速至70km/h所用的時間來評價汽車的加速性能。現(xiàn)利用圖2來求出汽車的加速時間。由行駛方程的a=Ft-（Ff+Fw）公式（6）結(jié)合

8、各檔節(jié)氣門全開時的加5m速度曲線，見圖3。有圖可以看出，高擋位的加速度要小些。圖3圖3加速度曲線圖由運動學知識可知公式（6）,可得公式（7）,即加速時間可用計算機進行積分計算或圖解積分法求出，將a一ua曲線轉(zhuǎn)化成1/aua曲線，如圖4。曲線下兩個速度區(qū)間的面積就是通過此速度區(qū)的加速時間。dt=du公式a公式（7）t=Jdt=Ju2du公式（7）u1a圖4圖4各擋加速度的倒數(shù)曲線在進行一般動力性分析而計算加速時間時，加速過程中的換擋時刻可根據(jù)圖3各擋的a-ua曲線來確定。若I擋與II擋加速度曲線有交點，顯然，為獲得最短加速時間，應(yīng)在交點對應(yīng)車速由I擋換II擋。若I擋與II擋加速度曲線不相交，則應(yīng)

9、在I擋加速度行駛至發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到最高轉(zhuǎn)時換入II擋。其他各擋間的換擋時刻亦按此原則來確定。至于換擋過程所經(jīng)歷的時間，則常忽略不計。Ts(i)=ua(i)一ua(i一Ts(i)=ua(i)一ua(i一1)a(i)公式（8）圖5汽車超車加速的車速一時間曲線利用matlab中的積分函數(shù)可得到汽車從40km全力加速到70km的加速時間為24.78s。用公式（8）可求得兩次速度采樣點之間間隔的時間，然后利用Matlab數(shù)據(jù)處理及圖像功能可以得到汽車超車加速的車速一時間曲線，如圖（5）。作為綜合評定參考。3.4汽車的爬坡能力一般所謂的爬坡能力，是指在良好的路面上克服Ff+Fw后的余力全部用來（即等速）克服

10、坡度阻力時爬上的坡度，所以汽車爬坡時Fj=0。因此有公式（9），一般汽車最大爬坡度30%左右，即16.7因此利用汽車行駛方程確定I擋及抵擋爬坡能力時，應(yīng)采用Gsin作為坡度阻力，即公式（9）化為公式（10）。F=Ft（Ff+Fw）公式（9）Gsina=公式（10）_(Gcosa+CGsina=公式（10）21.15Ft一Fw整理得sin（a+9）=公式（11）g、a+f21其中定義cos9=，a為坡道的角度即利用圖2求出汽車能爬上的坡道角，相應(yīng)的根據(jù)tana=1求出坡度值。其中，汽車的最大爬坡度ima為I擋時的最大爬坡度。最高擋最大爬坡度也應(yīng)該引起注意,特別是貨車、牽引車，因為貨車經(jīng)常以最高擋

11、行駛，如果最高擋的最大爬坡度過小，迫使貨車在遇到較小的坡度時經(jīng)常換擋，就影響了行駛的平均速度。圖6為求出的汽車爬坡度圖。由圖可以看出，此貨車在低擋時有較好的爬坡能力，在高擋時能通過較緩的坡。4040汽車的爬坡度圖圖6汽車爬坡度圖圖6汽車爬坡度圖4總結(jié)利用動力學公式在matlab中建立汽車動力性試驗的仿真模型，可得到汽車動力性的各項參數(shù)。設(shè)計合理的數(shù)學模型及高效的仿真程序，能得出接近真實試驗的結(jié)果，為工作人員提供了重要參考，有很強的實用性。參考文獻：何耀華主編，汽車試驗技術(shù)，機械工業(yè)出版社2010余志生主編，汽車理論第5版，機械工業(yè)出版社2009林雪松周婧編著MATLAB7.0應(yīng)用集錦機械工業(yè)出

12、版社2005張琨畢靖編著MATLAB7.6從入門到精通電子工業(yè)出版社2009張志涌楊祖櫻等編著MATLAB教程R2010a北京航空航天大學出版社2010年附matlab程序:clearclcclose%*按照我國規(guī)定，動力性指標為在滿載條件下測得*m0=1800;%整車整備質(zhì)量m1=2000;%裝載質(zhì)量M=3880;%總質(zhì)量g=9.8;%重力加速度G=M*g;f=0.013;%滾動阻力系數(shù)r=0.367;%車輪半徑eta=0.85;%傳動系機械效率C_A=2.77;%空氣阻力系數(shù)乘以迎風面積i0=5.83;%主減速器傳動比If=0.218;%飛輪轉(zhuǎn)動慣量Iw1=1.798;%二前輪轉(zhuǎn)動慣量Iw

13、2=3.598;%四后輪轉(zhuǎn)動慣量n_max=4000;n_min=600;k=200;%發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)采樣個數(shù)n=linspace(n_min,n_max,k);%*變速器傳動比*ig(l)=5.56;ig(2)=2.769;ig(3)=1.644;ig(4)=1.00;ig(5)=0.793;delta=1+(Iw1+Iw2)/(M*rA2)+(If*ig.A2*i0A2*eta)/(M*rA2)%旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)Tq=-19.313+295.27.*(n./1000)-165.44.*(n./1000).人2+40.874.*(n./1000).人3-3.8455.*(n./1000).人4;

14、Pe=Tq.*n/9550;fori=1:5ua(i,:)=0.377*n.*r/(ig(i)*i0);endfigure(1)plotyy(n,Pe,n,Tq)text(2400,35,Pe-n曲線)text(1550,65,Tq-n曲線)title(發(fā)動機使用外特性的功率與轉(zhuǎn)矩的曲線)xlabel(發(fā)動機轉(zhuǎn)速n/(r/min)cleariclearjfori=1:5Ft(i,:)=Tq.*ig(i)*i0*eta/r;enduua=linspace(0,120,k);Ff_Fw=M*g*f+C_A.*uua.A2./21.15;Fw=C_A*uua.A2/21.15;figure(2)fo

15、rz=1:5plot(ua(z,:),Ft(z,:)holdonendtitle(汽車驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖)xlabel(車速ua/(km/h)ylabel(F/N)plot(uua,Ff_Fwr)text(11,133O0,Ft1)text(30,6500,Ft2)text(45,4000,Ft3)text(73,2600,Ft4)text(110,1200,Ft5)text(105,2400,Ft+Fw)%*加速時間*fori=1:5a(i,:)=(Ft(i,:)-Ff_Fw)/(delta(i)*M);endfigure(3)fori=1:3plot(ua(i,:),a(i,:)hol

16、donendplot(ua(4,l:fix(0.93*k),a(4,l:fix(0.93*k)holdonplot(ua(5,1:fix(0.82*k),a(5,1:fix(0.82*k)holdonaxis(0,100,0,2.5)title(汽車的行駛加速度曲線)xlabel(ua/(km/h)ylabel(a/(m/sA2)gridontext(11,2.2,I)text(22,1.25,II)text(41,0.7,III)text(62,0.37,W)text(44,0.2,V)%*求加速度倒數(shù)曲線*a_re=1./a;%加速度的倒數(shù)figure(4)fori=1:3plot(ua(

17、i,:),a_re(i,:)holdonendplot(ua(4,1:fix(0.8*k),a_re(4,1:fix(0.8*k)holdonplot(ua(5,1:fix(0.65*k),a_re(5,1:fix(0.65*k)holdontitle(汽車的加速度倒數(shù)曲線)xlabel(ua/(km/h)ylabel(加速度的倒數(shù)1/a)%axis(0,80,0,8)text(5,0.2,1/a_1)text(21,0.56,1/a_2)text(41,1.3,1/a_3)text(60,3,1/a_4)text(79,5.5,1/a_5)ji；whileua(3,j)v40j=j+1；en

18、dm1=j；j=1;whileua(3,j)53j=j+1；endm2=j;j=1;whileua(4,j)53j=j+l;endm3=j;j=1;whileua(4,j)v70j=j+1；endm4=j;%*積分出加速時間*Ta1=trapz(ua(3,m1,m2)./3.6,a_re(3,m1,m2);Ta=Ta1+trapz(ua(4,m3,m4)./3.6,a_re(4,m3,m4);dispC汽車從40km到70km的加速時間/s)Tafori=1:(m2-m1)Ts(i)=(ua(3,m1+i)-ua(3,m1+i-1)/3.6/a(3,m1+i-1)%除以3.6，化成標準單位endt(1)=Ts(1);fori=1:(m2-m1-1)t(i+1)=t(i)+Ts(i+1);en