汽车动力性试验--仿真--matlab

基于matlab的一款轻型货车动力性试验仿真段##（武汉理工大学汽车学院，汽车##班；1049####）摘要：利用一款轻型货车发动机外特性的转矩拟合曲线及整车的其他配置参数建立了整车的动力学模型，在matlab环境下用m语言完成了仿真过程。动力性是汽车的最基本性能，是汽车整车性能道路试验的必备项目之一，但道路试验需要较好的试验场地和有经验的试验人员，过程也很繁琐。但若利用发动机及整车的参数建立数学模型，在软件中进行试验仿真则会方便很多。设计合理的数学模型及高效的仿真程序，能得出接近真实试验的结果，为工作人员提供了重要参考，有很强的实用性。关键词：汽车；动力性；试验仿真；matlab；m语言；实用性1汽车动力性试验的基本内容汽车动力性评价指标有最高车速、加速时间、最大爬坡度等，与之对应的试验内容有最高车速的测试、汽车起步连续换挡加速时间与超车加速时间的测试和汽车最大爬坡度的测试。另外，按照我国标准，动力性评价试验均在满载情况下进行。1.1最高车速汽车的最高车速是指汽车标准满载状态，在水平良好的路面（清洁、干燥、平坦的混凝土或沥青路面，纵向坡度在0.1％以内)上所能达到的最高行驶速度。1.2加速时间常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步加速时间是指汽车由Ⅰ挡或Ⅱ挡起步，并以最大的加速度（包括选择最恰当的换挡时间）逐步换至最高挡到某一预定的距离或车速所需的时间。一般常用0—100km/h所需的时间来表明原地起步的加速能力。超车加速是指用最高挡或次高挡有某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。对超车加速能力还没有一致的规定，采用较多的是用最高挡或次高挡由30km/h或40km/h全力加速至某一高速所需的时间。本文所取模型为一款轻型货车，动力性一般，再结合生活使用实际需要，现用40km/h全力加速至70km/h所用的时间来评价汽车的加速性能，因为此速度区间是城市道路在较佳的通车情况下加速时的常用工况。1.3最大爬坡度实际的各类公路不可避免会有一定的坡度，若汽车能顺利且快速的通过遇到的各类斜坡，必然需要较强的动力。汽车的上坡能力是用满载时汽车在良好的路面上的最大爬坡度。轿车的最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；然而，它的Ⅰ挡加速能力大，故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力，一般最大爬坡度在30%即16.7º左右。要进一步说明的是：最大爬坡度代表了汽车的极限爬坡能力，它应该比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多，这是因为应考虑到实际坡道行驶时，在坡道上停车顺利起步加速、克服松软坡道路面的阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部最大阻力等要求的缘故。2动力模型的参数2.1发动机使用外特性的Tq-n的拟合曲线432q)1000(8445.3)1000(874.40)1000(44.165)1000(27.295313.19nnnnT式中，qT为发动机转矩（N*m）；n为发动机转速（r/min）。发动机最低转速minn=600r/min,最高转速maxn=4000r/min2.2整车配置参数装载质量m1=2000kg整车整备质量m0=1800kg总质量M=3880kg车轮半径r=0.367m传动系机械效率η=0.85滚动阻力系数f=0.013空气阻力系数×迎风面积CD·A=2.77m^2主减速器传动比i0=5.83飞轮的转动惯量If=0.218kg·㎡二前轮转动惯量Iw1=1.798kg·㎡四后轮转动惯量Iw2=3.598kg·㎡重力加速度g=9.8m/s2变速器传动比igI挡ig(1)II挡ig(2)III挡ig(3)IV挡ig(4)V挡ig(5)5.562.7691.6441.000.7933模型的动力方程3.1外特性功率曲线的求出由公式(1)可求出功率曲线与给出参数中的转矩曲线一起可得出此发动机的外特性曲线，如图1.外特性曲线可反映发动机的做功性能，为汽车动力性的求解提供重要参考。9550nqeTP公式（1）公式中Pe为发动机的功率，Tq为转矩，n为转速。3.2最高车速的求出由已知的Tq曲线和其他参数可得到汽车各挡位下的驱动力Ft，并可做出驱动力曲线。ri0igTqFt公式（2）图1发动机外特性曲线汽车在水平路面上匀速行驶时阻力包括滚动阻力和空气阻力，运用公式（3）可求出不同挡位下汽车的行驶速度，继而利用公式（4）、公式（5）分别求出滚动阻力和空气阻力。Ft+Fw与车速的关系为行驶阻力曲线，结合公式（2）的各档驱动力曲线就得到汽车驱动力—行驶阻力平衡，如图2。第Ft5曲线与Ft+Fw曲线的交点便是最高车速uamax。显然最高车速为100km/h。i0ignr377.0ua公式（3）fgfMF公式（4）15.21uw2aACFD公式（5）图2汽车驱动力—行驶阻力平衡图3.3汽车的加速时间如上所述，本文用40km/h全力加速至70km/h所用的时间来评价汽车的加速性能。现利用图2来求出汽车的加速时间。由行驶方程的)]([m1aFwFfFt公式（6）结合各档节气门全开时的加速度曲线，见图3。有图可以看出，高挡位的加速度要小些。图3加速度曲线图由运动学知识可知公式（6），可得公式（7），即加速时间可用计算机进行积分计算或图解积分法求出，将a—ua曲线转化成1/a—ua曲线，如图4。曲线下两个速度区间的面积就是通过此速度区的加速时间。dua1dt公式（6）duadtuut0211t公式（7）图4各挡加速度的倒数曲线在进行一般动力性分析而计算加速时间时，加速过程中的换挡时刻可根据图3各挡的a-ua曲线来确定。若I挡与II挡加速度曲线有交点，显然，为获得最短加速时间，应在交点对应车速由I挡换II挡。若I挡与II挡加速度曲线不相交，则应在I挡加速度行驶至发动机转速达到最高转时换入II挡。其他各挡间的换挡时刻亦按此原则来确定。至于换挡过程所经历的时间，则常忽略不计。)()1()(s(i)iaiuaiuaT公式（8）图5汽车超车加速的车速—时间曲线利用matlab中的积分函数可得到汽车从40km全力加速到70km的加速时间为24.78s。用公式（8）可求得两次速度采样点之间间隔的时间，然后利用Matlab数据处理及图像功能可以得到汽车超车加速的车速—时间曲线，如图（5）。作为综合评定参考。3.4汽车的爬坡能力一般所谓的爬坡能力，是指在良好的路面上克服Ff+Fw后的余力全部用来（即等速）克服坡度阻力时爬上的坡度，所以汽车爬坡时Fj=0。因此有公式（9）,一般汽车最大爬坡度30%左右，即16.7º因此利用汽车行驶方程确定I挡及抵挡爬坡能力时，应采用Gsin作为坡度阻力，即公式（9）化为公式（10）。)(iFwFfFtF公式（9））（15.21_cos-ri0igqsin2uaACGTG公式（10）整理得21)(sinfGFwFt公式（11）其中定义211cosf，为坡道的角度即利用图2求出汽车能爬上的坡道角，相应的根据itan求出坡度值。其中，汽车的最大爬坡度maxi为I挡时的最大爬坡度。最高挡最大爬坡度也应该引起注意，特别是货车、牵引车，因为货车经常以最高挡行驶，如果最高挡的最大爬坡度过小，迫使货车在遇到较小的坡度时经常换挡，就影响了行驶的平均速度。图6为求出的汽车爬坡度图。由图可以看出，此货车在低挡时有较好的爬坡能力，在高挡时能通过较缓的坡。图6汽车爬坡度图4总结利用动力学公式在matlab中建立汽车动力性试验的仿真模型，可得到汽车动力性的各项参数。设计合理的数学模型及高效的仿真程序，能得出接近真实试验的结果，为工作人员提供了重要参考，有很强的实用性。参考文献：[1]何耀华主编，汽车试验技术，机械工业出版社2010[2]余志生主编，汽车理论第5版，机械工业出版社2009[3]林雪松周婧编著MATLAB7.0应用集锦机械工业出版社2005[4]张琨毕靖编著MATLAB7.6从入门到精通电子工业出版社2009[5]张志涌杨祖樱等编著MATLAB教程R2010a北京航空航天大学出版社2010年附matlab程序：clearclcclose%*********汽车动力性试验仿真********%%*********按照我国规定，动力性指标为在满载条件下测得******m0=1800;%整车整备质量m1=2000;%装载质量M=3880;%总质量g=9.8;%重力加速度G=M*g;f=0.013;%滚动阻力系数r=0.367;%车轮半径eta=0.85;%传动系机械效率C_A=2.77;%空气阻力系数乘以迎风面积i0=5.83;%主减速器传动比If=0.218;%飞轮转动惯量Iw1=1.798;%二前轮转动惯量Iw2=3.598;%四后轮转动惯量n_max=4000;n_min=600;k=200;%发动机转数采样个数n=linspace(n_min,n_max,k);%*****变速器传动比***ig(1)=5.56;ig(2)=2.769;ig(3)=1.644;ig(4)=1.00;ig(5)=0.793;delta=1+(Iw1+Iw2)/(M*r^2)+(If*ig.^2*i0^2*eta)/(M*r^2);%旋转质量换算系数Tq=-19.313+295.27.*(n./1000)-165.44.*(n./1000).^2+40.874.*(n./1000).^3-3.8455.*(n./1000).^4;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曲线')text(1550,65,'Tq-n曲线')title('发动机使用外特性的功率与转矩的曲线')xlabel('发动机转速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.^2./21.15;Fw=C_A*uua.^2/21.15;figure(2)forz=1:5plot(ua(z,:),Ft(z,:))holdonendtitle('汽车驱动力-行驶阻力平衡图')xlabel('车速ua/(km/h)')ylabel('F/N')plot(uua,Ff_Fw,'r')text(11,13300,'Ft1')text(30,6500,'Ft2')text(45,4000,'Ft3')text(73,2600,'Ft4')text(110,1200,'Ft5')text(105,2400,'Ft+Fw')%*********加速时间**************fori=1:5a(i,:)=(Ft(i,:)-Ff_Fw)/(delta(i)*M);endfigure(3)fori=1:3plot(ua(i,:),a(i,:))holdonendplot(ua(4,1:fix(0.93*k)),a(4,1: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('汽车的行驶加速度曲线')xlabel('ua/(km/h)')ylabel('a/(m/s^2)')gridontext(11,2.2,'Ⅰ')text(22,1.25,'Ⅱ')text(41,0.7,'Ⅲ')text(62,0.37,'Ⅳ')text(44,0.2,'Ⅴ')%*******求加速度倒数曲线******a_re=1./a;%加速度的倒数figure(4)fori=1:3plot(ua(i,:),a_re(i,:))holdonendplot(ua(4,1:fix(0.8*k