基于MATLAB 的汽车动力性能的仿真与分析

常高爽，孙江

（200093 上海市 上海理工大学 机械学院）

0 引言

汽车的动力特性作为汽车的六大特性之一，是汽车最基本的使用性能，就现阶段而言，研究汽车动力性具有着承上启下的重大意义[1]。汽车的生产运输能力的高低在很大程度上受到汽车动力特性的影响。为了使汽车能够拉更多的货物和跑得更快，汽车的拥有者希望汽车能够拥有良好的动力性能，以便节约成本和提高利润。另一方面，提高汽车动力性可以降低交通压力，防止交通堵塞。为了节约能源，也要求我们来提高汽车的动力性能。就目前来看，汽车的发动机性能已经达到了非常理想的要求，汽车的底盘设计也已经达到了很高的水平，但是，如何将这两方面合理而又高效地结合起来，需要进行研究和探索。

本文通过汽车发动机使用外特性拟合公式和计算出来的个挡位的传动比，运用MATLAB 软件对汽车最高车速进行计算仿真。

1 汽车结构和动力装置参数的选择

1.1 汽车驱动形式及发动机布置

考虑到追求汽车行驶速度以及制造成本和节约自然能源和燃料的需要，采用ZK6117CRP 客车底盘，并且在设计时力求通用、安全、标准。4×2 式汽车结构特点是布置简单、制造成本低，符合经济性要求，并且主要用于城市行驶，因此本车采用4×2 驱动形式。该车采用发动机后置后轮驱动，使得汽车的横向力矩相比于其他布置情况要小得多，车辆在驾驶操作起来非常灵活；良好连接了发动机、变速器和差速容器，动力传递路径短；发动机易于拆卸，不会在车辆底板上有凸起，从而有效减少了汽车车厢内的振动和噪声，提高了乘客的乘坐舒适度。

1.2 汽车主要结构参数和尺寸选择

汽车的主要结构指轮距、轴距、外轮廓尺寸车轮半径、滚动阻力、传动效率、转动惯量和汽车质量等。

车轮半径通过式（1）确定

式中：d——生产轮胎的自由直径。

计算得车轮半径为367 mm。

汽车传动效率与变速箱传动效率ηg，主减速器传动效率η0和万向节传动效率ηt有关，具体计算如下：

汽车主要结构参数和尺寸选择见表1。

表1 汽车主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of the vehicle

1.3 汽车主要性能参数

汽车主要性能参数包括直接挡和Ⅰ挡的最大动力因数D0max和D1max、最高车速、加速时间以及汽车的最大爬坡度等，具体见表2。

表2 汽车主要性能参数Tab.2 Main performance parameters of the vehicle

1.4 汽车发动机以及传动系统说明

本车采用直列四缸增压水冷式发动机，参数见表3。本车采用膜片弹簧式离合器、五挡变速器以及独立悬架。

表3 索菲姆8140.435 发动机参数Tab.3 Engine parameters of SOFM 8140.435

2 传动比的确定

2.1 驱动桥主减速器传动比的确定

汽车驱动桥主减速器传动比i0需要根据汽车的最高车速、车轮参数和发动机参数来确定。

式中：uamax——汽车最高车速；r——车轮半径；n——最高车速时发动机转速；ig——汽车变速器传动比。

本车最高挡传动比设计为1，一般的n 为600～4 000 r/min。选取i0要考虑直接挡行驶时汽车要有足够的动力性能，故计算得i0=5.83。

2.2 变速器传动比确定

（1）变速器最低挡ig1要满足的条件

确定了主传动比i0后，根据最大爬坡度来确定ig1[2]。汽车的驱动力必须大于等于汽车行驶的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力之和。因为汽车在一挡行驶，故忽略空气阻力和加速阻力的影响。故：

（2）ig1满足汽车的辅助条件

式中：FZ——驱动轮法向反作用力；φ——附着系数；ηr——传动系机械效率；Ttq——发动机转矩。

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

本车ig1为5.56，小于上述范围，故符合附着条件。

（3）变速器最次高挡传动比ig4确定

本车采用最高挡位的传动比ig4为1。

（4）变速器挡位数和各挡传动比确定

汽车传动系统中的每个齿轮的传动比一般都是等比级数分布的，即：

因此，此客车各挡传动比如表4 所示。

表4 各挡传动比Tab.4 Transmission ratio of each gear

3 汽车动力性的评价与计算

3.1 汽车动力性能的评价

汽车动力性能的评价指标主要分为3 个方面：最高车速、加速时间、最大爬坡度[1，3]。对于汽车检测部门来说，检测汽车的动力特性就要求更为全面和具体，不仅仅只检测以上3 项标准，还需进一步检测汽车发动机的最大输出功率以及汽车底盘最大输出功率等其他更多的指标，进行综合客观的评价。

3.2 汽车动力性参数计算

（1）汽车驱动力

汽车的最高车速、加速能力以及最大爬坡度的大小都受到汽车的驱动力的影响。用驱动力作为汽车动力性检测的参数，可以清楚地看到汽车各个挡位的驱动力的数值在相应的转速下。

驱动力是由汽车发动机产生的转矩经传动系传输到驱动轮上形成的，即

将各个参数代入到MATLAB 中进行计算得到汽车驱动力-行驶阻力平衡图，如图1 所示。

图1 汽车驱动力-行驶阻力平衡图Fig.1 Vehicle driving force -driving resistance balance diagram

从汽车驱动力-行驶阻力平衡图中我们可以得到，这辆汽车一挡的驱动力最大，之后依次递减，五挡驱动力最小。

（2）行驶阻力

汽车在水平良好的沥青或者混凝土路面上等速行驶时，需要克服轮胎以及来自路面的滚动阻力Ff和行驶的空气阻力Fw

从图2 中我们不仅可以看到各个挡位的驱动力，也可以看到汽车行驶的阻力。

（3）最高车速

汽车的最高车速定义：在无风的水平良好路面上，汽车行驶时所能达到的最大稳定可靠行驶速度[4]。运用用驱动力-行驶阻力图计算最高车速。

从图1 中可以看出，汽车的最高车速为直接挡的驱动力曲线和Ff+Fw曲线的交点，此时汽车的驱动力等于行驶阻力，汽车处于稳定的行驶平衡状态，此时汽车受力平衡，从图1 中可知本车的最大车速为uamax=95 km/h。

运用汽车的功率平衡图来计算汽车的最高车速。

发动机的功率与行驶车速的关系曲线Pe-ua可根据发动机的外特性及将发动机的转速转换为车速来进行绘制。从图中可以看到，不同的挡位汽车的功率的大小是不变的，只是各挡发动机最大功率所对应的车速不同。

汽车的功率平衡方程为

利用式（9）绘出发动机外特性中的功率曲线图，如图2 所示

图2 汽车功率平衡曲线Fig.2 Power balance of the vehicle

（4）最大爬坡度

汽车的上坡能力使用满载或某一载质量时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax表示[5]。显然，最大爬坡度是指汽车处在1 挡时的最大爬坡度。

我们常见的汽车最大爬坡度一般在30%左右，故当我们使用汽车行驶阻力方程式来计算汽车的最大爬坡度时，不能将 sinα≈tanα=i，而是应该采用 Gsinα作为坡度阻力来进行计算。

通过仿真计算获得汽车各挡爬坡度，从计算结果中可以看出，当在一挡时。客车的爬坡度最大，为34.2%，根据tanα=i 求出坡度值。其中，汽车最大坡度imax为汽车在一挡时的最大爬坡度。本车的最大爬坡度是当车速为10 km/h 左右时，imax≈18.9°。

4 结论

本文通过汽车驱动形式及发动机布置的选择，设计了汽车主要结构参数和尺寸，通过计算确定汽车驱动桥主减速器传动比和变速器传动比。通过MATLAB 运用汽车动力性评价指标来仿真计算汽车行驶的最高车速、行驶阻力和最大爬坡度。仿真结果显示，汽车最高车速和最大爬坡度达到理想要求，说明汽车传动系统与动力系统的配合良好，汽车动力性得到充分发挥。