汽车理论仿真大作业.docx

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汽车理论仿真大作业

汽车与交通工程学院

汽车理论仿真

大作业

仿真任务：

汽车燃油经济性、平顺性仿真

姓名：

xxx

班级：

xxxxxx

学号：

xxxxxxxxxx

指导老师：

xxx

1汽车的燃油经济性仿真

1.1仿真实例数据

某轻型货车的汽油发动机使用外特性的

曲线的拟合公式为：

式中，

为发动机转矩（N·m）；n为发动机转速（r/min）。

该车的其他基本参数如表格1所示。

表格1某轻型货车的基本参数

参数

参数值

参数

参数值

装载质量/kg

2000

飞轮转动惯量If/（kg·m²）

0.218

整车整备质量/kg

1800

二前轮转动惯量Iw1/（kg·m²）

1.798

总质量/kg

3880

四后轮转动惯量Iw2/（kg·m²）

3.598

车轮半径/m

0.367

变速器

4挡/5档

传动系机械效率η

0.85

轴距L/m

3.2

滚动阻力系数f

0.013

质心距前轴距离（满载）a/m

1.947

空气阻力系数×迎风面积/m²

2.77

质心高（满载）hg/m

0.9

主减速器传动比i0

5.83

变速器（4挡和5挡）的传动比如表格2所示。

表格2变速器传动比

1挡

2挡

3挡

4挡

5挡

4挡变速器

6.09

3.09

1.71

1.00

-

5挡变速器

5.56

2.769

1.644

1.00

0.793

图1是该型货车汽油发动机的负荷特性与万有特性。

负荷特性曲线的拟合公式为

式中，b是燃油消耗率[g/（kw·h）]，Pe是为发动机净功率[kW]。

拟合公式中的系数如表格3所示。

表格3拟合公式的系数

n/（r⋅min-1）

B0

B1

B2

B3

B4

815

1326.8

-416.46

72.379

-5.8629

0.17768

1207

1354.7

-303.98

36.657

-2.0553

0.043072

1614

1284.4

-189.75

14.524

-0.51184

0.0068164

2012

1122.9

-121.59

7.0035

-0.18517

0.0018555

2603

1141

-98.893

4.4763

-0.09108

0.00068906

3006

1051.2

-73.714

2.8593

-0.05138

0.00035032

3403

1233.9

-84.478

2.9788

-0.04745

0.0002823

3804

1129.7

-45.291

0.71113

-0.00075

-0.000038568

怠速油耗

（怠速转速400r/min）。

图1动机的负荷特性与万有特性

1.2任务

计算与绘制此货车的

1）汽车功率平衡图

2）最高挡与次高挡的等速百公里油耗曲线

1.3实现思路

1）若以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率Pe、汽车经常遇到的阻力功率

对车速的曲线绘在坐标图上，即得汽车功率平衡图。

发动机功率Pe可根据下式计算：

式中，Ttq是发动机转矩，单位N·m，n是发动机转速，单位r/min，Pe的单位是kW。

（本文后面的功率单位均为kW，转速单位均为r/min，不再赘述。

）

给定具体的n值，根据

曲线的拟合公式可得到

的关系，进一步计算Pe。

同时，ua-n有以下关系：

式中，ua为汽车行驶速度（km/h）；n为发动机转速；r为车轮半径（m）；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比。

根据式计算出对应的ua。

不同挡位，不同，从而得到不同挡位的驱动力-速度曲线。

滚动阻力功率Pf，空气阻力功率Pw的计算公式分别如式：

式中，G指汽车重力（N），f为滚动阻力系数，CD为空气阻力系数，A为迎风面积（m2）。

由n算出ua之后，再计算出阻力功率。

选用5挡变速器，该车的功率平衡图如图2。

图2汽车功率平衡图

2）汽车等速百公里燃油消耗量计算公式如式：

式中，Pe为发动机功率，b为燃油消耗率[g/（kW·h）]；

为燃油密度（kg/L）；g为重力加速度（m/s2），汽油的

可取为6.96~7.15N/L，ua是车速，Qs是百公里燃油消耗量（L/100km）。

此处结合实例，

取7.00N/L。

由上式可见，确定了b-ua的关系之后，Qs-ua的关系随之确定。

这一关系，可以通过b-n的关系间接确定。

图1给出了该发动机的负荷特性，可以根据该特性计算出8个特定转速下的燃油消耗率b。

对于任意的转速n，进行插值可求得对应的b。

具体插值思路如下，根据每个n值，计算出对应车速ua，然后求出此时的发动机功率Pe（汽车做匀速直线运动，根据阻力功率和发动机功率相互平衡求），然后对于不同的8个特定n值，有8组B值，利用式，计算出8组b值。

最后根据8组对应的n，b值进行线性插值，插值点为最开始的n值。

本例中的最/次高挡等速百公里燃油消耗量曲线图如图3。

图中当车速在100-120km/h之间

图3百公里耗油量曲线

时，Qs异常下降。

再画出不同转速下的ua、Pe、b曲线，如图4，发现当转速

图4ua、Pe、b-n曲线

到3500-4000之间的某值时，b剧降。

由表格3可知，转速为3804r/min时，式中的B3、B4为负，而此时Pe又很大，极有可能是这两个高次项导致了b的剧降，并进一步导致了插值之后b值的异常减小。

考虑到此时车速已超过100km/h，而本例仿真对象为货车，车速不会过高。

因此，剔除一部分不合实际的数据，修正后的燃油消耗率曲线为图5。

图5燃油消耗率曲线-修正

分析曲线发现，对于某一固定挡位，车速越高，百公里油耗越大；同时，相同车速下，最高档比次高档百公里油耗要小。

因此，在驾驶车辆时，要尽可能以高挡行驶。

2基于.m文件的汽车平顺性仿真

2.1仿真任务

车身与车轮双质量系统如图6所示，系统各参数如表格4，仿真任务如下：

图6车身与车轮双自由度振动系统

表格4双自由度振动系统参数

参数

参数值

簧载质量m2/kg

492.25

非簧载质量m1/kg

40

悬架刚度k/N·m

16021

阻尼系数c/N·s·m-1

1419.48

轮胎刚度/N·m

238145

求出z1、z2、悬架动挠度以及相对动载对输入q的频响函数，并求出路面随机输入下车身加速度均方根值。

2.2实现思路

图6对应的运动方程为

变成矩阵形式为

令

进一步变形为

左右两边进行拉普拉斯变换

变形得

将s用jw代替得

由式可以得到z1、z2对输入q的频响函数。

悬架动挠度的表达式为

根据线性系统的叠加性，fd-q的频响函数为

相对动载Fd/G的时域表达式为

Fd/G-q的频响特性为

车身加速度均方根值计算式如下

而车身加速度对路面输入的幅频特性为

将

代入

可得到

的表达式。

路面速度功率谱的计算公式如下

仿真时，车速u=20m/s，取C级路面，路面不平度系数

，参考空间频率

。

仿真结果如图7。

积分求得车身加权加速度均方根值0.8019m/s2，人体感觉相当不舒适。

整车相对动载均方根值为0.1836，悬架弹簧动挠度均方根值为13.8mm。

图7幅频特性

3基于Simulink的汽车平顺性仿真

3.1仿真任务

模型同2.1，求z2、z1的时域输出，并验证第二小节的加速度均方根值。

3.2实现思路

根据式，可写出

的表达式

据此表达式即可搭建Simulink模型。

关于路面随机输入q，参考文献1、2，得到的路面随机激励如图8。

根据

图8路面随机输入

生成的路面激励，求得其均方值为15.22×10-3m，和标准C级路面的几何平均值15.23×10-3m非常接近，说明随机路面输入是可靠的。

从状态空间的角度来考虑，如果取状态向量

，

式又可写为

输出为

总的Simulink模型如图9，z2、z1的时域输出如图10，图11，比较z1，z2

图9平顺性Simulink仿真模型

图10常规积分方式系统响应

图11状态空间系统响应

在不同模型表示方法的响应曲线，z1、z2的响应基本相同，说明模型是合理的。

另外，对仿真得到的加速度时间历程进行数据处理，求得加权加速度为0.5326m/s2，人的主观感觉相当不舒服，和前面的结果一致。

4参考文献

[1]陈杰平,陈无畏,祝辉,朱茂飞.基于Matlab/Simulink的随机路面建模与不平度仿真[J].农业机械学报,2010,41（03）:

11-15.

[2]吴志成,陈思忠,杨林,张斌.基于有理函数的路面不平度时域模型研究[J].北京理工大学学报,2009,29（09）:

795-798.

[3]余志生.汽车理论第5版.机械工业出版社.2009（3）.