基于MATLAB的某专用越野汽车动力性能分析

邓小雯，陈育荣，龚青山

(湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002)

基于MATLAB的某专用越野汽车动力性能分析

邓小雯，陈育荣，龚青山

(湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002)

汽车动力性能分析是汽车设计过程中的重要内容。结合越野车的整车设计参数，采用MATLAB编制汽车动力性能的运算程序，计算出该车最高车速、加速能力、坡爬能力三大性能指标和性能曲线，并分析各指标是否达到整车设计要求。为满足该车综合动力性能，提出调整发动机、变速箱等技术参数配置的改进方案，并结合MATLAB程序验证符合设计要求。该分析方法提高了整车的设计效率和可靠性。

动力性能；MATLAB分析；最高车速；加速时间；爬坡度

0 引言

汽车的动力性是汽车性能中最重要、最基本的性能之一，动力性能的好坏很大程度上决定了汽车的运输效率。而越野车属于在野外行驶的车辆，要能够适应恶劣的道路环境，如凸凹不平、爬坡、狭窄、涉水泥泞路面等恶劣路况环境。为了适应这些复杂的路面，越野车必须具备高度的越野性能，使其在复杂的路面状况下都能比较顺利地通过。动力性能参数计算是汽车总体设计的重要内容之一，对越野车的越野性能起着关键性作用[1]。因此，在新型越野车设计研发阶段，需要对其动力性进行分析计算，来检验整车参数设计是否合理，评估设计方案能否满足设计要求和使用性能要求。

在专用越野车设计过程中，作者利用MATLAB软件编写计算程序，得出汽车各项动力性能指标，通过各项技术参数的调整和MATLAB程序验证，直到得到理想的计算结果，达到设计要求。

1 汽车动力性的评定指标

评定汽车动力性的三大指标，即：最高车速，加速能力，爬坡能力。三项指标的测试均应在无风或者微风的条件下进行。

汽车的最高车速，即汽车在水平良好的路面上所能达到的最高行驶速度。此时，汽车应以最高挡行驶，且坡度阻力和加速阻力皆为0。

汽车的加速能力，即汽车在水平路面上所能达到的最大加速度。由于加速度是不断变化的，且不易表述，常用加速时间来表示。加速时间有原地起步及超车加速时间之分。原地起步加速时间指汽车由1挡或2挡起步，并以最大加速度( 包括选择恰当的换挡时机) 逐步换至最高挡后达到某一高速所需的时间，通常用从0至100 km/h所需的时间来表示；超车加速时间指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至某一高速所需时间。加速时间越短，汽车的加速能力就越好。

汽车的爬坡能力，即汽车满载时在良好坡道路面上等速行驶所能爬上的最大坡度，用imax来表示。通常，轿车在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；货车在各种道路上行驶，要求它有足够的爬坡能力，一般imax在30%，即坡度角为16.5°左右；而越野汽车要在各种坏路或无路条件下行驶，对其爬坡能力要求更高，它的爬坡度可达60%(30°)或更高[2]。

这3个评价指标的侧重点各有不同，最高车速和最大爬坡度体现了汽车的极限行驶性能，而加速时间则反映了汽车的综合动力性能。

1.1 越野车的设计要求

基于专用越野车特殊工况需求，越野车必须具备特殊的结构,以达到高度的越野性能。某专用越野车的整车总质量为9 000 kg，车身基本结构如图1所示。

图1 车身基本结构

根据越野车的高动力性能，该专用越野车需达到的技术指标如表1所示，以满足使用性能要求。

表1 某专用越野车的技术指标

2 各项技术参数的配置

2.1 发动机的外特性

在该越野车的设计中，根据经验，发动机初选为康明斯ISDe285-40。发动机外特性是指当发动机节气门全开时，发动机输出功率(扭矩)随转速变化的关系。计算汽车动力性需要先通过台架试验测出发动机外特性，再根据测得结果，利用MATLAB拟合功能对发动机扭矩与转速的离散数据进行最小二乘多项式拟合[3]，得到发动机扭矩与转速的函数关系：

T=a0+a1n+…+aknm

(1)

其中：T为发动机外特性转矩(N·m)；n为发动机转速(r/min)；a0，a1，…，ak为多项式拟合系数；m为多项式拟合次数。利用MATLAB对该发动机台架实验数据进行多次拟合，得出一个比较精确的外特性函数：

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拟合的外特性曲线如图2所示。

图2 发动机转矩与转速关系曲线

2.2 越野车整车基本参数

设计者先初步选择越野车各项结构参数，如表2所示。编译程序时，在程序中选用表2中所选定的相关参数值，通过程序运算，计算出各项动力性能指标，将计算结果与设计要求进行比对，判断是否满足设计要求。若不满足，则分析调整结构参数重新计算，直到得到满意结果。

表2 越野车整车参数

3 动力性MATLAB程序编制与计算

3.1 最高车速计算

(3)

根据上述相关参数和公式，采用MATLAB语言编写模拟计算程序，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);%行驶速度

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;%发动机外特性

Ft(i,:)=T*ig(i)*i0*yita/r;%驱动力-车速曲线

plot(u,Ft(i,:))%绘制驱动力-车速曲线

运算得到驱动力和行驶阻力的平衡图，如图3 所示。

图3 驱动力-行驶阻力平衡图

从图3可以看出：汽车以最高挡行驶时的最高车速可以直接在曲线图上读取，即Ft6曲线与Ff+Fw曲线的交点便是uamax。此时，驱动力与行驶阻力相等，汽车处于稳定的平衡状态，最高车速为122 km/h。

3.2 加速时间计算

汽车的加速性能通常用加速时间来衡量。加速时间分为原地起步加速时间以及超车加速时间。由汽车的行驶方程可知，此时应忽略坡度阻力，即：

(4)

由运动学得：

(5)

因此，加速时间为：

(6)

分析表达式可知，加速时间即对加速度倒数求积分，加速度倒数曲线任意两速度区间的面积就是通过此速度区间的加速时间。

在计算原地起步加速时间时，通常将原地起步时离合器打滑时间和换挡操作时间忽略不计。若加速度倒数有交点，则在交点对应车速换挡，如无交点，则加速至发动机最高转速时换挡。根据设计车型的相关参数，编写MATLAB运算程序，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) %判断时速

n=ua(i)*(ig(2)*i0/r)/0.377;%加速到2挡最高转速

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;%发动机外特性

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

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

delta(i)=deta_u*inv_a(i)/3.6;%加速时间

elseif ua(i)<=u2(3)

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

运行程序得到原地起步加速时间曲线，如图4所示。可知：从0加速到60 km/h的时间为11.05 s, 从0加速到100 km/h的时间为33.03 s。

图4 汽车2挡原地起步换挡加速度时间曲线

3.3 爬坡性计算

汽车的爬坡能力，即汽车满载时在良好坡道路面上等速行驶所能爬上的最大坡度，用imax来表示。最大爬坡度一般为一挡的最大爬坡度，此时忽略加速阻力。根据汽车的行驶方程Fi=Ft-(Ff+Fw)得：

Gsinα=Ft-(Ff+Fw)

则爬坡角度为：

(7)

最大爬坡度值：

imax=tanα

(8)

根据已知参数和公式，编写MATLAB运算程序，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;%驱动力-车速曲线

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

Fw=3.264*ua.^2/21.15;%空气阻力

D=(Ft-Fw)/m/g;%动力因数

f=0.01*(1+(ua/160));%滚动阻力系数

i=100*(D-f);%坡度值

plot(ua,i);

title('爬坡度曲线图');

得到汽车爬坡度曲线图如图5所示，此时最大爬坡度为20.01°。

图5 爬坡度曲线

将上述分析结果驱动力-行驶阻力平衡图、加速时间曲线和爬坡度曲线与该车技术指标表1比对，得到加速时间符合设计要求，但最高车速没有达到设计要求和最大爬坡度不符合设计要求。因此，需要对该车整体部件的结构参数重新进行设计。根据越野车对最高车速、加速时间、爬坡度等性能指标的要求进行综合考虑，调整总体设计方案[5]，再重新计算分析调整后的该越野车各项动力性能指标。

4 设计改进

通过分析，初始选择的发动机马力不足，为满足最高车速设计要求，需要加大发动机的后备功率。因此，将发动机型号更换为康明斯ISDe300-40。为满足越野车的爬坡需求，采用液力变矩器，将变速箱速比(前两挡)乘以液力变扭比2.0，即变速箱速比为：7.52，3.92，1.37，1.00，0.77，0.65。重新计算该车调整后的最高车速、加速时间、爬坡度三大性能指标。

重新拟合康明斯ISDe300-40型号发动机的台架实验数据，得到外特性函数：

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拟合的外特性曲线如图6所示。

图6 设计改进后发动机转矩与转速关系曲线

4.1 改进后的最高车速

通过调整各部件参数，修改MATLAB运算程序，重新运行程序得到驱动力-行驶阻力曲线图，如图7所示。可见，该越野车改进后的最高车速可达到138 km/h。

图7 设计改进后驱动力—行驶阻力平衡图

4.2 改进后的加速时间

根据改进后的参数，修改MATLAB运算程序，得到改进后的加速时间曲线，如图8所示。改进后，原地起步从0加速到60 km/h的时间为9.2 s，从0加速到100 km/h的时间为28.8 s。

图8 设计改进后汽车2挡原地起步换挡加速度时间曲线

4.3 改进后的爬坡性

修改MATLAB运算程序，得到如图9所示的爬坡度曲线，改进后的汽车最大爬坡度为86.40%，即40.83°。可见，采用液力变矩器后越野车的爬坡性能得到了极大的提高。

图9 设计改进后爬坡度曲线

将改进前、改进后的计算结果与设计要求进行对比分析，如表3所示，改进后的各项动力性能均满足了该越野车的设计要求。

表3 改进前、后方案与设计要求对比

5 结论

结合具体车型的设计性能参数，利用 MATLAB计算和绘图功能，编制了动力性的计算机仿真程序，对某专用越野车进行了动力性仿真分析，得出该车各项动力性能指标及相应曲线。根据计算结果，评估原始整车参数选择不合理，该车的综合动力性能未能达到设计要求。为满足设计要求，调整整车各部件的技术参数，提出了改进设计方案，再通过MATLAB程序分析，验证改进后的方案达到了设计要求。分析方法指导了汽车设计过程中各部件技术参数的合理选取，为越野车设计研发提供了有效依据，极大地提高了设计效率和可靠性。

【1】曾志斌.军用越野车越野性能分析[J].客车技术与研究,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】吴光强.汽车理论[M].北京:人民交通出版社,2007.

【3】吴心平,郑延武.纯电动客车的动力性分析与计算[J].汽车实用技术,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】吴心平,郏国中,贾振华.基于Matlab的某轻型货车动力性计算[J].拖拉机与农用运输车,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】张辉.基于Cruise的客车动力总成匹配及仿真分析[J].柴油机设计与制造,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

湖北省教育厅科学技术研究重点项目(D20141802)；湖北省教育厅科学技术研究项目(D20151803)；十堰市科学技术研究顶目(16Y97)

邓小雯(1988—)，女，硕士，助教，主要研究方向为机械产品的优化设计、汽车动力性、精密测量与仪器。E-mail:dxw_huat@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.002

U462.3

A

1674-1986(2017)04-006-05