基于MATLAB 的汽車動力性能的仿真與分析

常高爽，孫江

（200093 上海市 上海理工大學 機械學院）

0 引言

汽車的動力特性作為汽車的六大特性之一，是汽車最基本的使用性能，就現階段而言，研究汽車動力性具有著承上啟下的重大意義[1]。汽車的生產運輸能力的高低在很大程度上受到汽車動力特性的影響。為了使汽車能夠拉更多的貨物和跑得更快，汽車的擁有者希望汽車能夠擁有良好的動力性能，以便節約成本和提高利潤。另一方面，提高汽車動力性可以降低交通壓力，防止交通堵塞。為了節約能源，也要求我們來提高汽車的動力性能。就目前來看，汽車的發動機性能已經達到了非常理想的要求，汽車的底盤設計也已經達到了很高的水平，但是，如何將這兩方面合理而又高效地結合起來，需要進行研究和探索。

本文通過汽車發動機使用外特性擬合公式和計算出來的個擋位的傳動比，運用MATLAB 軟件對汽車最高車速進行計算仿真。

1 汽車結構和動力裝置參數的選擇

1.1 汽車驅動形式及發動機布置

考慮到追求汽車行駛速度以及制造成本和節約自然能源和燃料的需要，采用ZK6117CRP 客車底盤，并且在設計時力求通用、安全、標準。4×2 式汽車結構特點是布置簡單、制造成本低，符合經濟性要求，并且主要用于城市行駛，因此本車采用4×2 驅動形式。該車采用發動機后置后輪驅動，使得汽車的橫向力矩相比于其他布置情況要小得多，車輛在駕駛操作起來非常靈活；良好連接了發動機、變速器和差速容器，動力傳遞路徑短；發動機易于拆卸，不會在車輛底板上有凸起，從而有效減少了汽車車廂內的振動和噪聲，提高了乘客的乘坐舒適度。

1.2 汽車主要結構參數和尺寸選擇

汽車的主要結構指輪距、軸距、外輪廓尺寸車輪半徑、滾動阻力、傳動效率、轉動慣量和汽車質量等。

車輪半徑通過式（1）確定

式中：d——生產輪胎的自由直徑。

計算得車輪半徑為367 mm。

汽車傳動效率與變速箱傳動效率ηg，主減速器傳動效率η0和萬向節傳動效率ηt有關，具體計算如下：

汽車主要結構參數和尺寸選擇見表1。

表1 汽車主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of the vehicle

1.3 汽車主要性能參數

汽車主要性能參數包括直接擋和Ⅰ擋的最大動力因數D0max和D1max、最高車速、加速時間以及汽車的最大爬坡度等，具體見表2。

表2 汽車主要性能參數Tab.2 Main performance parameters of the vehicle

1.4 汽車發動機以及傳動系統說明

本車采用直列四缸增壓水冷式發動機，參數見表3。本車采用膜片彈簧式離合器、五擋變速器以及獨立懸架。

表3 索菲姆8140.435 發動機參數Tab.3 Engine parameters of SOFM 8140.435

2 傳動比的確定

2.1 驅動橋主減速器傳動比的確定

汽車驅動橋主減速器傳動比i0需要根據汽車的最高車速、車輪參數和發動機參數來確定。

式中：uamax——汽車最高車速；r——車輪半徑；n——最高車速時發動機轉速；ig——汽車變速器傳動比。

本車最高擋傳動比設計為1，一般的n 為600～4 000 r/min。選取i0要考慮直接擋行駛時汽車要有足夠的動力性能，故計算得i0=5.83。

2.2 變速器傳動比確定

（1）變速器最低擋ig1要滿足的條件

確定了主傳動比i0后，根據最大爬坡度來確定ig1[2]。汽車的驅動力必須大于等于汽車行駛的滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力之和。因為汽車在一擋行駛，故忽略空氣阻力和加速阻力的影響。故：

（2）ig1滿足汽車的輔助條件

式中：FZ——驅動輪法向反作用力；φ——附著系數；ηr——傳動系機械效率；Ttq——發動機轉矩。

此客車的FZ=8 120×9.8=79 576 N，φ可取0.7～0.8，故

本車ig1為5.56，小于上述范圍，故符合附著條件。

（3）變速器最次高擋傳動比ig4確定

本車采用最高擋位的傳動比ig4為1。

（4）變速器擋位數和各擋傳動比確定

汽車傳動系統中的每個齒輪的傳動比一般都是等比級數分布的，即：

因此，此客車各擋傳動比如表4 所示。

表4 各擋傳動比Tab.4 Transmission ratio of each gear

3 汽車動力性的評價與計算

3.1 汽車動力性能的評價

汽車動力性能的評價指標主要分為3 個方面：最高車速、加速時間、最大爬坡度[1，3]。對于汽車檢測部門來說，檢測汽車的動力特性就要求更為全面和具體，不僅僅只檢測以上3 項標準，還需進一步檢測汽車發動機的最大輸出功率以及汽車底盤最大輸出功率等其他更多的指標，進行綜合客觀的評價。

3.2 汽車動力性參數計算

（1）汽車驅動力

汽車的最高車速、加速能力以及最大爬坡度的大小都受到汽車的驅動力的影響。用驅動力作為汽車動力性檢測的參數，可以清楚地看到汽車各個擋位的驅動力的數值在相應的轉速下。

驅動力是由汽車發動機產生的轉矩經傳動系傳輸到驅動輪上形成的，即

將各個參數代入到MATLAB 中進行計算得到汽車驅動力-行駛阻力平衡圖，如圖1 所示。

圖1 汽車驅動力-行駛阻力平衡圖Fig.1 Vehicle driving force -driving resistance balance diagram

從汽車驅動力-行駛阻力平衡圖中我們可以得到，這輛汽車一擋的驅動力最大，之后依次遞減，五擋驅動力最小。

（2）行駛阻力

汽車在水平良好的瀝青或者混凝土路面上等速行駛時，需要克服輪胎以及來自路面的滾動阻力Ff和行駛的空氣阻力Fw

從圖2 中我們不僅可以看到各個擋位的驅動力，也可以看到汽車行駛的阻力。

（3）最高車速

汽車的最高車速定義：在無風的水平良好路面上，汽車行駛時所能達到的最大穩定可靠行駛速度[4]。運用用驅動力-行駛阻力圖計算最高車速。

從圖1 中可以看出，汽車的最高車速為直接擋的驅動力曲線和Ff+Fw曲線的交點，此時汽車的驅動力等于行駛阻力，汽車處于穩定的行駛平衡狀態，此時汽車受力平衡，從圖1 中可知本車的最大車速為uamax=95 km/h。

運用汽車的功率平衡圖來計算汽車的最高車速。

發動機的功率與行駛車速的關系曲線Pe-ua可根據發動機的外特性及將發動機的轉速轉換為車速來進行繪制。從圖中可以看到，不同的擋位汽車的功率的大小是不變的，只是各擋發動機最大功率所對應的車速不同。

汽車的功率平衡方程為

利用式（9）繪出發動機外特性中的功率曲線圖，如圖2 所示

圖2 汽車功率平衡曲線Fig.2 Power balance of the vehicle

（4）最大爬坡度

汽車的上坡能力使用滿載或某一載質量時汽車在良好路面上的最大爬坡度imax表示[5]。顯然，最大爬坡度是指汽車處在1 擋時的最大爬坡度。

我們常見的汽車最大爬坡度一般在30%左右，故當我們使用汽車行駛阻力方程式來計算汽車的最大爬坡度時，不能將 sinα≈tanα=i，而是應該采用 Gsinα作為坡度阻力來進行計算。

通過仿真計算獲得汽車各擋爬坡度，從計算結果中可以看出，當在一擋時?？蛙嚨呐榔露茸畲?，為34.2%，根據tanα=i 求出坡度值。其中，汽車最大坡度imax為汽車在一擋時的最大爬坡度。本車的最大爬坡度是當車速為10 km/h 左右時，imax≈18.9°。

4 結論

本文通過汽車驅動形式及發動機布置的選擇，設計了汽車主要結構參數和尺寸，通過計算確定汽車驅動橋主減速器傳動比和變速器傳動比。通過MATLAB 運用汽車動力性評價指標來仿真計算汽車行駛的最高車速、行駛阻力和最大爬坡度。仿真結果顯示，汽車最高車速和最大爬坡度達到理想要求，說明汽車傳動系統與動力系統的配合良好，汽車動力性得到充分發揮。