基于MATLAB的某專用越野汽車動力性能分析

鄧小雯，陳育榮，龔青山

(湖北汽車工業學院，湖北十堰 442002)

基于MATLAB的某專用越野汽車動力性能分析

鄧小雯，陳育榮，龔青山

(湖北汽車工業學院，湖北十堰 442002)

汽車動力性能分析是汽車設計過程中的重要內容。結合越野車的整車設計參數，采用MATLAB編制汽車動力性能的運算程序，計算出該車最高車速、加速能力、坡爬能力三大性能指標和性能曲線，并分析各指標是否達到整車設計要求。為滿足該車綜合動力性能，提出調整發動機、變速箱等技術參數配置的改進方案，并結合MATLAB程序驗證符合設計要求。該分析方法提高了整車的設計效率和可靠性。

動力性能；MATLAB分析；最高車速；加速時間；爬坡度

0 引言

汽車的動力性是汽車性能中最重要、最基本的性能之一，動力性能的好壞很大程度上決定了汽車的運輸效率。而越野車屬于在野外行駛的車輛，要能夠適應惡劣的道路環境，如凸凹不平、爬坡、狹窄、涉水泥濘路面等惡劣路況環境。為了適應這些復雜的路面，越野車必須具備高度的越野性能，使其在復雜的路面狀況下都能比較順利地通過。動力性能參數計算是汽車總體設計的重要內容之一，對越野車的越野性能起著關鍵性作用[1]。因此，在新型越野車設計研發階段，需要對其動力性進行分析計算，來檢驗整車參數設計是否合理，評估設計方案能否滿足設計要求和使用性能要求。

在專用越野車設計過程中，作者利用MATLAB軟件編寫計算程序，得出汽車各項動力性能指標，通過各項技術參數的調整和MATLAB程序驗證，直到得到理想的計算結果，達到設計要求。

1 汽車動力性的評定指標

評定汽車動力性的三大指標，即：最高車速，加速能力，爬坡能力。三項指標的測試均應在無風或者微風的條件下進行。

汽車的最高車速，即汽車在水平良好的路面上所能達到的最高行駛速度。此時，汽車應以最高擋行駛，且坡度阻力和加速阻力皆為0。

汽車的加速能力，即汽車在水平路面上所能達到的最大加速度。由于加速度是不斷變化的，且不易表述，常用加速時間來表示。加速時間有原地起步及超車加速時間之分。原地起步加速時間指汽車由1擋或2擋起步，并以最大加速度( 包括選擇恰當的換擋時機) 逐步換至最高擋后達到某一高速所需的時間，通常用從0至100 km/h所需的時間來表示；超車加速時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時間。加速時間越短，汽車的加速能力就越好。

汽車的爬坡能力，即汽車滿載時在良好坡道路面上等速行駛所能爬上的最大坡度，用imax來表示。通常，轎車在較好的道路上行駛，一般不強調它的爬坡能力；貨車在各種道路上行駛，要求它有足夠的爬坡能力，一般imax在30%，即坡度角為16.5°左右；而越野汽車要在各種壞路或無路條件下行駛，對其爬坡能力要求更高，它的爬坡度可達60%(30°)或更高[2]。

這3個評價指標的側重點各有不同，最高車速和最大爬坡度體現了汽車的極限行駛性能，而加速時間則反映了汽車的綜合動力性能。

1.1 越野車的設計要求

基于專用越野車特殊工況需求，越野車必須具備特殊的結構,以達到高度的越野性能。某專用越野車的整車總質量為9 000 kg，車身基本結構如圖1所示。

圖1 車身基本結構

根據越野車的高動力性能，該專用越野車需達到的技術指標如表1所示，以滿足使用性能要求。

表1 某專用越野車的技術指標

2 各項技術參數的配置

2.1 發動機的外特性

在該越野車的設計中，根據經驗，發動機初選為康明斯ISDe285-40。發動機外特性是指當發動機節氣門全開時，發動機輸出功率(扭矩)隨轉速變化的關系。計算汽車動力性需要先通過臺架試驗測出發動機外特性，再根據測得結果，利用MATLAB擬合功能對發動機扭矩與轉速的離散數據進行最小二乘多項式擬合[3]，得到發動機扭矩與轉速的函數關系：

T=a0+a1n+…+aknm

(1)

其中：T為發動機外特性轉矩(N·m)；n為發動機轉速(r/min)；a0，a1，…，ak為多項式擬合系數；m為多項式擬合次數。利用MATLAB對該發動機臺架實驗數據進行多次擬合，得出一個比較精確的外特性函數：

T=3.072×104-126n+0.210 6n2-0.180 2×10-3n3+8.396×10-8n4-2.031×10-11n5+1.998×10-15n6

(2)

采用MATLAB擬合的外特性曲線如圖2所示。

圖2 發動機轉矩與轉速關系曲線

2.2 越野車整車基本參數

設計者先初步選擇越野車各項結構參數，如表2所示。編譯程序時，在程序中選用表2中所選定的相關參數值，通過程序運算，計算出各項動力性能指標，將計算結果與設計要求進行比對，判斷是否滿足設計要求。若不滿足，則分析調整結構參數重新計算，直到得到滿意結果。

表2 越野車整車參數

3 動力性MATLAB程序編制與計算

3.1 最高車速計算

(3)

根據上述相關參數和公式，采用MATLAB語言編寫模擬計算程序，部分程序如下：

n=800∶100∶2500;

ig=[3.76,1.96,1.37,1.00,0.77,0.65];

i0=5.51;r=0.506;yita=0.85;

for i=1∶6

u=0.377*n*r/(ig(i)*i0);%行駛速度

T=3.072e4-126*n+0.2106*n.^2-0.1802e-3*n.^3+8.396*e-8*n.^4-2.031e-11*n.^5+1.998e-15*n.^6;%發動機外特性

Ft(i,:)=T*ig(i)*i0*yita/r;%驅動力-車速曲線

plot(u,Ft(i,:))%繪制驅動力-車速曲線

運算得到驅動力和行駛阻力的平衡圖，如圖3 所示。

圖3 驅動力-行駛阻力平衡圖

從圖3可以看出：汽車以最高擋行駛時的最高車速可以直接在曲線圖上讀取，即Ft6曲線與Ff+Fw曲線的交點便是uamax。此時，驅動力與行駛阻力相等，汽車處于穩定的平衡狀態，最高車速為122 km/h。

3.2 加速時間計算

汽車的加速性能通常用加速時間來衡量。加速時間分為原地起步加速時間以及超車加速時間。由汽車的行駛方程可知，此時應忽略坡度阻力，即：

(4)

由運動學得：

(5)

因此，加速時間為：

(6)

分析表達式可知，加速時間即對加速度倒數求積分，加速度倒數曲線任意兩速度區間的面積就是通過此速度區間的加速時間。

在計算原地起步加速時間時，通常將原地起步時離合器打滑時間和換擋操作時間忽略不計。若加速度倒數有交點，則在交點對應車速換擋，如無交點，則加速至發動機最高轉速時換擋。根據設計車型的相關參數，編寫MATLAB運算程序，部分程序如下：

m=9000;g=9.8;G=m*g;

yitaT=0.85;r=0.506;

CdA=3.264;i0=5.51;

ig=[3.76,1.96,1.37,1.00,0.77,0.65];

nmin=800;nmax=2500;

u1=0.377*r*nmin./ig/i0;

u2=0.377*r*nmax./ig/i0;

…

for i=1∶N

k=i;

ifua(i)<=u2(2) %判斷時速

n=ua(i)*(ig(2)*i0/r)/0.377;%加速到2擋最高轉速

Tq=3.072e4-126*n+0.2106*n.^2-0.1802e-3*n.^3+8.396e-8*n.^4-2.031e-11*n.^5+1.998e-15*n.^6;%發動機外特性

Ft=Tq*ig(2)*i0*yitaT/r;

inv_a(i)=(deta(2)*m)/(Ft-Ff(i)-Fw(i));%加速度倒數

delta(i)=deta_u*inv_a(i)/3.6;%加速時間

elseif ua(i)<=u2(3)

n=ua(i)*(ig(3)*i0/r)/0.377;

運行程序得到原地起步加速時間曲線，如圖4所示?？芍簭?加速到60 km/h的時間為11.05 s, 從0加速到100 km/h的時間為33.03 s。

圖4 汽車2擋原地起步換擋加速度時間曲線

3.3 爬坡性計算

汽車的爬坡能力，即汽車滿載時在良好坡道路面上等速行駛所能爬上的最大坡度，用imax來表示。最大爬坡度一般為一擋的最大爬坡度，此時忽略加速阻力。根據汽車的行駛方程Fi=Ft-(Ff+Fw)得：

Gsinα=Ft-(Ff+Fw)

則爬坡角度為：

(7)

最大爬坡度值：

imax=tanα

(8)

根據已知參數和公式，編寫MATLAB運算程序，部分程序如下：

n=800∶1∶2500;

ig=[3.76,1.96,1.37,1.00,0.77,0.65];

for i=1∶6

…

Ft=T*ig(i)*i0*yita/r;%驅動力-車速曲線

ua=0.377*n*r/(ig(i)*i0);

Fw=3.264*ua.^2/21.15;%空氣阻力

D=(Ft-Fw)/m/g;%動力因數

f=0.01*(1+(ua/160));%滾動阻力系數

i=100*(D-f);%坡度值

plot(ua,i);

title('爬坡度曲線圖');

得到汽車爬坡度曲線圖如圖5所示，此時最大爬坡度為20.01°。

圖5 爬坡度曲線

將上述分析結果驅動力-行駛阻力平衡圖、加速時間曲線和爬坡度曲線與該車技術指標表1比對，得到加速時間符合設計要求，但最高車速沒有達到設計要求和最大爬坡度不符合設計要求。因此，需要對該車整體部件的結構參數重新進行設計。根據越野車對最高車速、加速時間、爬坡度等性能指標的要求進行綜合考慮，調整總體設計方案[5]，再重新計算分析調整后的該越野車各項動力性能指標。

4 設計改進

通過分析，初始選擇的發動機馬力不足，為滿足最高車速設計要求，需要加大發動機的后備功率。因此，將發動機型號更換為康明斯ISDe300-40。為滿足越野車的爬坡需求，采用液力變矩器，將變速箱速比(前兩擋)乘以液力變扭比2.0，即變速箱速比為：7.52，3.92，1.37，1.00，0.77，0.65。重新計算該車調整后的最高車速、加速時間、爬坡度三大性能指標。

重新擬合康明斯ISDe300-40型號發動機的臺架實驗數據，得到外特性函數：

T=-3.317×104+100.9n-0.117 6n2+6.75×10-5n3-1.908×10-8n4+2.121×10-12n5

(9)

采用MATLAB擬合的外特性曲線如圖6所示。

圖6 設計改進后發動機轉矩與轉速關系曲線

4.1 改進后的最高車速

通過調整各部件參數，修改MATLAB運算程序，重新運行程序得到驅動力-行駛阻力曲線圖，如圖7所示。可見，該越野車改進后的最高車速可達到138 km/h。

圖7 設計改進后驅動力—行駛阻力平衡圖

4.2 改進后的加速時間

根據改進后的參數，修改MATLAB運算程序，得到改進后的加速時間曲線，如圖8所示。改進后，原地起步從0加速到60 km/h的時間為9.2 s，從0加速到100 km/h的時間為28.8 s。

圖8 設計改進后汽車2擋原地起步換擋加速度時間曲線

4.3 改進后的爬坡性

修改MATLAB運算程序，得到如圖9所示的爬坡度曲線，改進后的汽車最大爬坡度為86.40%，即40.83°?？梢姡捎靡毫ψ兙仄骱笤揭败嚨呐榔滦阅艿玫搅藰O大的提高。

圖9 設計改進后爬坡度曲線

將改進前、改進后的計算結果與設計要求進行對比分析，如表3所示，改進后的各項動力性能均滿足了該越野車的設計要求。

表3 改進前、后方案與設計要求對比

5 結論

結合具體車型的設計性能參數，利用 MATLAB計算和繪圖功能，編制了動力性的計算機仿真程序，對某專用越野車進行了動力性仿真分析，得出該車各項動力性能指標及相應曲線。根據計算結果，評估原始整車參數選擇不合理，該車的綜合動力性能未能達到設計要求。為滿足設計要求，調整整車各部件的技術參數，提出了改進設計方案，再通過MATLAB程序分析，驗證改進后的方案達到了設計要求。分析方法指導了汽車設計過程中各部件技術參數的合理選取，為越野車設計研發提供了有效依據，極大地提高了設計效率和可靠性。

【1】曾志斌.軍用越野車越野性能分析[J].客車技術與研究,2007,29(5):24-26. ZENG Z B.Analysis on the Cross-country Performance of Military Cross-country Vehicles[J].Bus Technology and Research,2007,29(5):24-26.

【2】吳光強.汽車理論[M].北京:人民交通出版社,2007.

【3】吳心平,鄭延武.純電動客車的動力性分析與計算[J].汽車實用技術,2011(5):9-12. WU X P,ZHENG Y W.Power Performance Simulation and Calculation of BEV[J].Automobile Technology,2011(5):9-12.

【4】吳心平,郟國中,賈振華.基于Matlab的某輕型貨車動力性計算[J].拖拉機與農用運輸車,2011,38(3):24-26,30. WU X P,JIA G Z,JIA Z H.Power Performance Calculation of Light Truck Based on Matlab[J].Tractor & Farm Transporter,2011,38(3):24-26,30.

【5】張輝.基于Cruise的客車動力總成匹配及仿真分析[J].柴油機設計與制造,2014,20(1):11-13,40. ZHANG H.Matching and Simulation of Bus Powertrain Based on Cruise[J].Design & Manufacture of Diesel Engine,2014,20(1):11-13,40.

Power Performance Analysis of Special SUV Based on MATLAB

DENG Xiaowen, CHEN Yurong, GONG Qingshan

(Hubei University of Automotive Technology，Shiyan Hubei 442002，China)

The analysis and calculation of dynamics performance are important in automobile design. According to the performance parameters of the SUV, the calculation program of dynamic performance was compiled based on MATLAB, and the three performance indexes of maximum speed, acceleration, gradeability were calculated, and the results were analyzed to verify whether the design met the design requirements. In order to meet the vehicle dynamic performance of the SUV, the improved design scheme was put forward by adjusting the technical parameters of the engine and gearbox, which was verified to meet the design requirements. It improves the design efficiency and reliability.

Power performance; MATLAB analysis; Maximum speed; Acceleration time; Gradeability

2017-03-20

湖北省教育廳科學技術研究重點項目(D20141802)；湖北省教育廳科學技術研究項目(D20151803)；十堰市科學技術研究頂目(16Y97)

鄧小雯(1988—)，女，碩士，助教，主要研究方向為機械產品的優化設計、汽車動力性、精密測量與儀器。E-mail:dxw_huat@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.002

U462.3

A

1674-1986(2017)04-006-05