汽车总体设计整车性能

11.4汽车总体设计整车性能仿真与系统匹配1.4.1动力性能仿真计算(1)计算目的汽车的动力性是汽车重要基本性能指标之一。动力性的好坏，直接影到汽车在城市和城际公路上的使用情况。因此在新车开发阶段要进行动力性计算，预测今后生产车型是否满足使用要求。使汽车具有良好的动力学性能.(2)已知参数如表所示表1.4.1动力学某车型的计算参数和数据的确定或优化参数名称某车型变速器传动比一挡3.455二挡1.944三挡1.286四挡0.969五挡0.8主减速器传动比4.111满载质量1460kg空载质量1040kg设计载荷质量1250kg各个挡传动效率90%迎风阻力系数0.35迎风面积1.9m2滚动阻力系数公式拟和发动机形式AFE电喷发动机滚动半径0.288m(195/60R1485H)a设计载荷确定：该车型设计载荷根据德国标准DIN70020规定：在空车重量（整备质量）的基础上加上座位载荷。5座位轿车前面加2人、后排加1人，也称为半载作为设计载荷,重量假定为68kg加上随身物品7kg，重心对于不可调整座位在R点2（设计H点）前50mm，可调整作为R点前100mm处。我国标准常常规定满载作为设计工况.对于该计算车型如采用德国标准,则具体计算为：1070kg+3*（68kg+7kg）=1295kgb迎风面积：根据迎风面积计算公式：A=0.78BH确定，其中：A迎风面积，B车宽，H车高。对于该车型而言具体计算为：A=0.78*1710mm*1427mm=1.90m2c传动效率：根据该轿车的具体传动系统形式，传动系统的传动效率大体可以由变速器传动效率，单级主减速器传动效率，万向节传动效率组成。具体计算为：95%（变速器）乘96%（单级主减速器）乘98%（万向节）=89.4%，同时考虑到，一般情况下采用有级变速器的轿车的传动系统效率在90%到92%之间，对上述计算结果进行圆整，对传动系统效率取为90%d滚动阻力系数：滚动阻力系数采用推荐拟和公式进行计算：)19440/1(20auff，其中：0f取为0.014（良好水泥或者沥青路面），au为车速km/h。(3)发动机外特性曲线i.AJR发动机iiAFE发动机图1.4.1发动机外特性曲线(4)基本理论概述汽车动力性能计算主要依据汽车驱动力和行驶阻力之间的平衡关系:jiwftFFFFF（1.4.1）发动机转速n/min发动机转速n/min3表1.4.2各种受力名称tF_驱动力，fF_滚动阻力，wF_空气阻力，iF_坡道阻力，jF_加速阻力，上述驱动力和行驶阻力的计算方法以及各个曲线的计算方法具体说明如下：驱动力行驶阻力平衡图：驱动力：dggtqtriiTF0，N（1.4.2）其中：tqT：发动机的扭矩，根据发动机使用外特性曲线来确定。也就是说我们可以根据发动机的转速利用外特性曲线进行插值计算来获得,单位N.M.gi：变速器各个挡位的传动比0i：主减速器传动比g：传动系统各个挡位情况下的传动效率dr：车轮的滚动半径,单位m滚动阻力：)cos(mgfFf，N（1.4.3）其中：m：是汽车计算载荷情况下的质量,单位：kgg：重力加速度,单位：m/s2f：汽车滚动阻力系数：道路坡角,单位：rad空气阻力：15.212aDwuACF,N（1.4.4）其中：DC：空气阻力系数，A：迎风面积,单位：m2au：车速,单位是km/h4坡道阻力：)sin(mgFi，N（1.4.5）其中：m：计算载荷情况下汽车的质量,单位：kgg：重力加速度,单位：m/s2：道路坡角,单位：rad加速阻力：dtdumFaj，N（1.4.6）其中：：旋转质量换算系数，根据估算公式2211gi确定，在轿车中1和2取值范围在0.03到0.05之间，我们取平均数值1=2=0.04m:计算载荷情况下汽车的质量,单位：kgdtdua:汽车行驶加速度,单位：m/s2在进行不同挡位的驱动力和阻力计算时我们还需要知道车辆速度与发动机转速之间的关系：0377.0iinrugda，（1.4.7）其中：au：车速,单位是km/hn：发动机转速，单位是rpm0i：主减速器传动比g：传动系统各个挡位情况下的传动效率dr：车轮的滚动半径,单位：m根据上述公式我们就可以方便的确定出汽车的驱动力行驶阻力平衡曲线，求出驱动力和行驶阻力的交点即为最高车速。动力因数图动力因数定义公式：mgFFDwt（1.4.8）其中各个参数的含义同前面的说明。5利用公式（1.4.8）结合前面公式就可以计算出汽车各个挡位的动力因数。功率平衡图在公式（1.4.1）的基础上，如果我们在公式两端乘以车辆速度au，经过整理就可以得到功率平衡计算公式（单位是kW）：)3600761403600)sin(3600)cos((13dtdumuAuCumgumgfPaaaDaage（1.4.9）其中：eP：发动机效率，单位kW其他各个参数的意义和单位同上述说明。利用公式（1.4.9）我们就可以计算出汽车行驶功率平衡曲线。爬坡度曲线由于计算爬坡度时，汽车除了克服空气阻力，滚动阻力之外所有的剩余驱动力都用来克服坡道阻力，所以加速阻力为零。根据公式（1.4.1）我们可以得到如下公式wtifFFFF代入公式（1.4.3），（1.4.5）我们就可以得到如下公式：wtFFmgmgfsincos如果我们代入公式2sin1cos以及公式（1.4.8），经过整理那么我们就可以得到：22211arcsinffDfD（1.4.10）然后根据公式tgi进行转换，这样就可以计算出爬坡度曲线了。加速时间汽车的驱动力除了用来克服空气阻力，滚动阻力以外主要是用来克服加速阻力，此时坡道阻力为零。根据公式（1.4.1），（1.4.6）我们可以得到如下公式：jwftaFFFmdtdu][1所以6时间211uujduat然后我们采用龙贝格数值积分计算方法对上面的公式进行积分就可以得到所需要的加速时间曲线。(5)计算分析根据上述已知条件以及相关的计算理论，得到如下计算结果。a.该车型的计算实例i.驱动力行驶阻力平衡图图1.4.2汽车驱动力与行驶阻力平衡图动力因数图汽车驱动力阻力平衡图车速V(km/h)160140120100806040200驱动力----阻力F(kN)407图1.4.3汽车动力特性图功率平衡图图1.4.4汽车功率平衡图加速度曲线图1.4.5汽车加速度曲线图汽车爬坡度图车速V(km/h)16014012010080604020爬坡度ix100%45403530252015105汽车功率平衡图车速V(km/h)160140120100806040200功率P(kW)806040200汽车动力特性图³µËÙV(km/h)160140120100806040200¶¯Á¦ÒòÊýD0.50.40.30.20.18爬坡度曲线图1.4.6汽车爬坡度曲线图时间速度曲线汽车爬坡度图车速V(km/h)16014012010080604020爬坡度ix100%45403530252015105时间速度曲线时间(s)32302826242220181614121086420速度V（m/s）16015014013012011010090807060504030201009图1.4.7汽车加速时间曲线图根据上述计算条件和计算结果，我们可以确定设计载荷情况下的计算结果：表1.4.3计算结果项目计算数值公布数值汽车最高车速169.0km/h165km/h0到100km/h加速时间13.0s13.9s最高档30km/h加速通过400m时间23.0s原地起步加速通过400m时间18.8s最高档最大动力因数0.1最大爬坡度48.4%从上面的计算结果我们可以看出，试验数值同计算数值之间的误差基本控制在5%工程误差范围之内,汽车的动力性能计算和仿真结果是正确的,可以进行整车匹配设计。1.4.2燃油经济性能仿真随着世界石油危机的出现，节约汽车用油是现代汽车制造业和运输业必须首先考虑的问题，在汽车设计之初就必须对所设计汽车的经济性有准确的评价。(1)等速百公里油耗计算原理汽车等速百公里油耗计算主要是依据汽车发动机的万有特性曲线以及汽车功率平衡图进行油耗计算。计算具体过程说明如下：首先计算汽车在不同车速情况下以最高挡位行驶时的阻力功率，主要是空气阻力功率和滚动阻力功率。根据动力性能的计算公式我们可以知道)761403600)cos((13aDageAuCumgfP(1.4.11）10其中：eP：发动机功率，单位:kWg：传动系统各个挡位情况下的传动效率m：是汽车计算载荷情况下的质量,单位：kg。g：重力加速度,单位：m/s2f：汽车滚动阻力系数：道路坡角,单位：radDC：空气阻力系数A：迎风面积,单位：m2au：车速,单位:km/h然后根据公式0377.0iinrugda，（1.4.12）来确定最高挡位情况下发动机转速和车速之间的关系以获得对应不同车速的发动机转速。其中：au：车速,单位:km/hn：发动机转速，单位:rpm0i：主减速器传动比gi：传动系统各个挡位情况下的传动效率dr：车轮的运动半径,单位：m最后利用已经获得的发动机转速和发动机功率根据万有特性曲线进行插值11计算获得燃油消耗率mg，然后根据公式：)00102.0/(gugPeQamS（1.4.13）计算得出等速百公里油耗。其中：SQ：等速百公里油耗，单位：Lmg：发动机的实际燃油消耗率.我们利用万有特性曲线通过对转速和功率的插值计算来获得,单位：g/kW/hPe：发动机工作功率，我们采用设计的阻力功率来获得，也就是包括滚动阻力功率，迎风阻力功率（加速阻力和坡路阻力为零）,单位：kWau：汽车行驶车速，利用车速同发动机转速之间的关系，我们就可以得到这时的发动机转速,单位：Km/h：燃油密度,单位：kg/m2g:重力加速度,单位：m/s-2(2)微型车10个工况油耗微型车10工况油耗是根据国家标准规定的汽车复杂运行工况来计算的，汽车运行工况的具体规定参见图1.4.8。12图1.4.8汽车十工况试验循环从上面的图形我们可以看出这些复杂公况主要包括加速工况、恒速工况、减速工况，怠速工况等等。下面我们逐一说明具体的计算方法：a恒速工况计算方法同等速百公里油耗的计算方法类似。首先利用公式（1.4.11），（1.4.12）确定汽车运行状态的功率与车速，然后根据下面公式计算对应的单位时间油耗：)3671.0/(ggPeQmt（单位：L/s）(1.4.14）其中：tQ：等速百公里油耗，单位：Lmg：发动机的实际燃油消耗率，我们利用万有特性曲线通过对转速和功率的插值计算来获得,单位：g/kW/h13Pe：发动机工作功率，我们采用设计的阻力功率来获得，也就是包括滚动阻力功率，迎风阻力功率（加速阻力和坡路阻力为零）,单位：kWau：汽车行驶车速，利用车速同发动机转速之间的关系，我们就可以得到这时的发动机转速,单位：Km/h：燃油密度,单位：kg/m2g:重力加速度,单位：m/s-2然后根据公式：ctctQQ（单位：L）计算这段恒速阶段时间内的油耗。其中：ct：行驶时间，单位:s同时这段时间内的行使距离为：cactuS/3.6（单位：m）其中au为行驶速度，单位:km/h。b加速工况根据动力性能计算说明书，我们可以知道汽车在行驶过程中的功率表达方式为：)3600761403600)cos((13dtdumuAuCumgfPaaDage（1.4.15）其中：eP：发动机工作功率，单位：kWg：传动系统各个挡位情况下的传动效率m：是汽车计算载荷情况下的质量，单位：kg。g：重力加速度，单位：m/s2f：汽车滚动阻力系数14：道路坡角单位：radDC：空气阻力系数，A：迎风面积，单位：m2au：车速,单位：km/h：旋转质量换算系数，根据估算公式2211gi确定，在轿车中1和2取值范围在0.03到0.05之间，我们取平均数