管理信息化信息化知识14汽车总体设计整车性能仿真与系统匹配

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1、管理信息化信息化知识 14 汽车总 体设计整车性能仿真与系统匹配 管理信息化信息化知识 14 汽车总 体设计整车性能仿真与系统匹配 1.4 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 参数名称参数名称某车型某车型 变速器传动比变速器传动比 一挡一挡3.455 二挡二挡1.944

2、 三挡三挡1.286 四挡四挡0.969 五挡五挡0.8 主减速器传动比主减速器传动比4.111 满载质量满载质量1460kg 空载质量空载质量1040kg 设计载荷质量设计载荷质量1250kg 各个挡传动效率各个挡传动效率90% 迎风阻力系数迎风阻力系数0.35 迎风面积迎风面积1.9m2 滚动阻力系数滚动阻力系数公式拟和 发动机形式发动机形式AFE 电喷发动机 滚动半径滚动半径0.288m(195/60R1485H) a 设计载荷确定：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

3、 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（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） =1295kg b 迎风面积：b 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=1.90m2 c 传动效率：c 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

4、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：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： ， 其中：取为 0.014（良好水泥或者沥青路面） ，为车速 km/h。 (3)发动机外特性曲线(3)发动机外特性曲线 i.AJR 发动机 iiAFE 发动机 图 1.4.1 发动机外特性曲线图 1.4.1 发动机外特性曲线 (4

5、)基本理论概述(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: （1.4.1） 表 1.4.2 各种受力名称 _ _驱动力， _ _滚动阻力， _ _空气阻力， _ _坡道阻力， _ _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：驱动力行驶阻力平衡图： 驱动力：驱动力：，N（1.4.2） 其中： ：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. ：变速器各个挡位的传动比 ：主减速器传动比 ：传动系统各个挡位情况下的传动效率

6、：车轮的滚动半径,单位 m 滚动阻力：滚动阻力：，N（1.4.3） 其中： ：是汽车计算载荷情况下的质量,单位：kg ：重力加速度,单位：m/s2 ：汽车滚动阻力系数 ：道路坡角,单位：rad 空气阻力：,空气阻力：,N（1.4.4） 其中： ：空气阻力系数， ：迎风面积,单位：m2 ：车速,单位是 km/h 坡道阻力：坡道阻力：，N（1.4.5） 其中： ：计算载荷情况下汽车的质量,单位：kg ：重力加速度,单位：m/s2 ：道路坡角,单位：rad 加速阻力：加速阻力：，N（1.4.6） 其中： ：旋转质量换算系数，根据估算公式确定，在轿车中和取值范围在 0.03 到 0.05 之间，我们取

7、平均数值=0.04 :计算载荷情况下汽车的质量,单位：kg :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： ， （1.4.7） 其中： ：车速,单位是 km/h ：发动机转速，单位是 rpm ：主减速器传动比 ：传动系统各个挡位情况下的传动效率 ：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图 动力因数定义公式： （1.4.8） 其中各个参数的含义同前面的说明。 利用公式（1.4.8）结合前面公式就可以计算出汽车各个挡

8、位的动力因数。 功率平衡图功率平衡图 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，经过整理就可 以得到功率平衡计算公式（单位是 kW）： （1.4.9） 其中： ：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 代入公式（1.4.3） ， （1.4.5）我们就可以得到如下公式： 如果我们代入公式以及公式（1.4.8） ，经过整理

9、那么我们就可以得到： （1.4.10） 然后根据公式进行转换，这样就可以计算出爬坡度曲线了。 加速时间加速时间 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： 所以 时间 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(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图 1.4.2 汽车驱动力与行驶

10、阻力平衡图 动力因数图动力因数图 图 1.4.3 汽车动力特性图图 1.4.3 汽车动力特性图 功率平衡图功率平衡图 图 1.4.4 汽车功率平衡图图 1.4.4 汽车功率平衡图 加速度曲线加速度曲线 汽汽车车动动力力特特性性图图 V ( km/h ) 160140120100806040200 D 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 图 1.4.5 汽车加速度曲线图图 1.4.5 汽车加速度曲线图 爬坡度曲线爬坡度曲线 图 1.4.6 汽车爬坡度曲线图图 1.4.6 汽车爬坡度曲线图 时间速度曲线时间速度曲线 汽汽车车爬爬坡坡度度图图 车速 V ( km/h ) 160140120100

11、80604020 爬坡度 i x100% 45 40 35 30 25 20 15 10 5 汽汽车车爬爬坡坡度度图图 车速 V ( km/h ) 16014012010080604020 爬坡度 i x100% 45 40 35 30 25 20 15 10 5 图 1.4.7 汽车加速时间曲线图图 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 项目项目计算数值计算数值公布数值公布数值 汽车最高车速汽车最高车速169.0km/h165km/h 0 到 100km/h 加速时间0 到 100km/h 加速时间13.

12、0s13.9s 最高档 30km/h 加速通过 400m 时间最高档 30km/h 加速通过 400m 时间23.0s 原地起步加速通过 400m 时间原地起步加速通过 400m 时间18.8s 最高档最大动力因数最高档最大动力因数0.1 最大爬坡度最大爬坡度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

13、汽车的经济性有准确的评价。 (1)等速百公里油耗计算原理(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 ( (1.4.11） 其中： ：发动机功率，单位:kW ：传动系统各个挡位情况下的传动效率 ：是汽车计算载荷情况下的质量,单位：kg。 ：重力加速度,单位：m/s2 ：汽车滚动阻力系数 ：道路坡角,单位：rad ：空气阻力系数 ：迎风面积,单位：m2 ：车速,单位:km

14、/h 然后根据公式 ， （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： ：车速,单位:km/h ：发动机转速，单位:rpm ：主减速器传动比 ：传动系统各个挡位情况下的传动效率 ：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计算 获得燃油消耗率，然后根据公式： （1.4.13） 计算得出等速百公里油耗。 其中： ：等速百公里油耗，单位：L ：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：gh ： 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

15、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：kW ：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/m2 :重力加速度,单位：m/s-2 (2)微型车 10 个工况油耗(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。 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

16、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： （单位：L/s）(1.4.14） 其中： ：等速百公里油耗，单位：L ：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：gh ： 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：kW ：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/m2 :重力加速度,单位：m/s-2 然后根据公式： （单位：L） 计算这段恒速阶段时间内的油耗。 其中： ：行驶时间，单位:s 同时这段时间内的行使距离为： /3.6（单位：m） 其中为行驶速度，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： （1.4.15）其中： ：发动机工作功率，单位：kW ：传动系统各个挡位情况下的传动效率 ：