基于MATLAB/GUI的汽车动力性仿真平台设计

张新敏 侯红宾 景忠玉 缑庆伟

摘要： 汽车动力性作为汽车重要性能之一，它对提高汽车加速性能有重要作用。为了便于对五速手动挡车型进行动力性能分析，快速有效地得到更加直观的结果，提高实用性和通用性，基于MATLAB/GUI以五速手动挡车型为研究对象，设计了针对五速手动挡车型的汽车动力性仿真平台，可以有效实现五速手动挡车型的汽车动力性分析与仿真。仿真结果合理，生动直观高效，具备通用性和推广性，为设计复杂的车辆仿真系统提供了基础。

Abstract： As one of the important performances of automobiles， automobile dynamics play an important role in improving the acceleration performance of automobiles. In order to facilitate the analysis of the dynamic performance of the five-speed manual transmission model， quickly and effectively obtain more intuitive results， and improve the practicability and versatility， based on MATLAB/GUI， the five-speed manual transmission model is the research object， and the five-speed manual transmission is designed. The vehicle dynamics simulation platform of the vehicle model can effectively realize the vehicle dynamics analysis and simulation of the five-speed manual transmission vehicle. The simulation results are reasonable， vivid， intuitive and efficient， universal and popular， and provide a basis for the design of complex vehicle simulation systems.

关键词： MATLAB;汽车动力性;仿真;平台

Key words： MATLAB;automobile power performances;simulation;platform

中图分类号：TP3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0001-03

0  引言

现阶段常见的汽车仿真技术的应用类型主要分为两种，一种是运用CATIA、ADAMS、SolidWorks等软件建立汽车的虚拟样机模型，如刘斌等人利用CATIA三维软件探索了汽车运动仿真的建立、运动分析控制过程[1];如岑少起等人利用ADAMS软件建立了C型车双横臂独立前悬架整车操纵稳定性仿真模型，并对后悬架钢板弹簧模型采用中性面方法建立仿真模型[2]。另一种类型则是利用C/C++、MATLAB等编程语言进行汽车控制系统的仿真分析，如曹立波运用新一代计算机编程语言LabVIEW与C/C++语言，开发了一套数据采集与控制系统，快速、高效地实现了整个汽车碰撞过程的计算机自动控制[3];肖前湖、马超利用MATLAB多种群遗传算法和GUI对FSAE赛车轮胎测试数据进行处理，得到了纯转弯工况下魔术公式侧向力参数的辨识过程[4]。

MATLAB由美国MathWorks公司开发，主要用于算法开发、数据分析、可视化和交互式环境实现的一种功能强大的软件[5-6]。动力性指标是汽车性能中最重要的性能之一。本文以五速手动挡车型为研究对象，运用MATLAB设计了一款五速手动挡车型进行了汽车动力性仿真平台，得到了汽车发动机外特性曲线、驱动力-行驶阻力关系图、汽车原地起步加速时间关系图以及汽车各挡位的爬坡度曲线图[7]。仿真结果合理，具有一定的实用性和通用性，本研究也为设计具备多功能的车辆仿真平台提供了理论依据。

1  仿真平台设计结构

为了便于对五速手动挡车型进行动力性能仿真，快速有效地得到更加直观的结果，提高实用性和通用性，本文利用MATLAB软件设计了一款针对五速手动挡车型进行动力性能仿真的平台，仿真平台的整体结构框架如图1所示。

该仿真平台根据汽车发动机转矩模型和汽车行驶平衡方程，建立汽车动力性模型，以五速手动挡车型相关参数为依据，运用MATLAB软件编程并设计仿真平台，可以进行汽车动力性分析，可以实现汽车动力学分析的多种功能：①汽车发动机外特性曲线;②驱动力-行驶阻力关系图;③最高车速;④汽车原地起步加速时间关系图;⑤汽车原地起步加速时间及距离;⑥汽车五个挡位的爬坡度曲线图;⑦汽车实际最大爬坡度。

2  汽车动力性能仿真主界面设计

仿真平臺主界面包含四个子功能。如图2所示。

各操作界面中的对象主要包括：按钮、图形显示区、文本框。

①按钮：本平台各子界面的按钮类型主要包含计算功能、清除功能、生成图形功能、退出功能。单击相应的按钮即可实现对应功能。分别通过点击对应的功能按钮弹出功能界面，完成相应的功能。②图形显示：用以显示二维曲线，包括对X、Y轴的详细说明。③文本框：若在输入状态，光标停止在文本框左边界处，按照输入要求、数据数型的要求，输入有关信息即可。

3  汽车动力性能仿真子界面功能设计

3.1 发动机外特性分析子界面

汽车发动机转矩数学模型，利用MATLAB软件进行编程生成.m文件，利用GUI设计界面功能，如图3所示。输入不同发动机参数，可以实现不同车型的发动机外特性仿真与分析，并在曲线显示区域输出发动机外特性曲线。

输入参数分别为汽车质量（kg）、发动机转速（r/min）、发动机转矩（NM）。其中发动机转速（r/min）为间隔相等的一组1×9的数列。功能按钮“生成曲线”，点击即可生成发动机外特性曲线，并显示在相应区域;功能按钮“清除”，点击即可清除曲线。

3.2 最高车速子界面

根据汽车行驶方程，利用MATLAB软件进行编程生成.m文件，利用GUI设计界面功能，如图4所示。输入不同汽车基本参数及行驶参数，可以实现不同车型的最高车速仿真，并在曲线显示区域输出最高车速及驱动力行驶阻力平衡图。

输入参数分别为汽车质量（kg）、汽车轮胎直径（m）、五个前进挡位传动比、主减速器传动比、传动系效率、轮胎阻力系数、空气阻力系数、迎风面积、每挡最低转速（r/min）、每挡最高转速（r/min）。功能按钮“求最高车速”，点击即可求得该车型的最高车速，并显示在相应区域;功能按钮“驱动力-行驶阻力平衡图”，点击即可显示该曲线，显示在相应区域;功能按钮“行驶阻力”，点击即可显示该曲线，显示在相应区域;功能按钮“清除数据”，点击即可清除显示区域内的所有数据和曲线。

3.3 加速时间子界面

根据汽车行驶方程，利用MATLAB软件进行编程生成.m文件，利用GUI设计界面功能，如图5所示。输入不同汽车基本参数及行驶参数，可以实现不同车型的原地起步连续换挡时间和原地起步连续换挡距离的仿真，并输出汽车原地起步加速时间关系图。

输入参数分别为汽车质量（kg）、汽车轮胎直径（m）、每挡最低转速（r/min）、每挡最高转速（r/min）、五个前进挡位传动比、主减速器传动比、传动系效率、轮胎阻力系数、空气阻力系数、迎风面积、最高车速（km/h）。功能按钮“生成原地加速时间”，点击即可求得该车型的原地起步连续加速时间和原地起步连续换挡距离，并显示在相应区域;功能按钮“清除曲线”，点击即可清除显示区域内的所有数据和曲线。

3.4 爬坡度子界面

根据汽车行驶方程，利用MATLAB软件进行编程生成.m文件，利用GUI设计界面功能，如图6所示。输入不同汽车基本参数及行驶参数，实现不同车型的各挡位爬坡度仿真，并输出各挡位爬坡度图，还可以根据实际地面附着系数进行判断，输出实际爬坡度。

输入参数分别为汽车质量（kg）、汽车轮胎直径（m）、五个前进挡位传动比、主减速器传动比、传动系效率、轮胎阻力系数、空气阻力系数、迎风面积、每挡最低转速（r/min）、每挡最高转速（r/min）。功能按钮“生成各挡位爬坡度图”，点击即可求得该车型的各挡位爬坡度图，并显示在相应区域;功能按钮“清除图形”，点击即可清除显示区域内的所有数据和曲线。

4  结论

以五挡手动挡车型的物理参数及性能参数为依据，利用MATLAB软件设计了一款针对五速手动挡车型的汽车动力性能仿真平台，能够实现对发动机转矩特性和动力性能各指标进行分析与仿真等功能，仿真过程高效，仿真结果直观明了、高效便捷，对分析汽车的其他性能具有一定可借鉴和可推广性，也为设计复杂功能的汽车虚拟仿真系统提供了一定依据。

参考文献：

[1]刘斌，刘轶娅，韩亚平.CATIA运动仿真在汽车设计中的应用[J].上海汽车，2006（7）：32-34，43.

[2]岑少起，潘筱，秦东晨.ADAMS在汽车操纵稳定性仿真中的應用研究[J].郑州大学学报（工学版），2006，27（3）：55-58.

[3]曹立波.汽车前碰撞安全性的试验与仿真技术研究[D].湖南大学，103-109.

[4]肖前湖，马超.基于MATLAB遗传算法和GUI的FSAE轮胎魔术公式辨识[J].2021中国汽车工程学会年会论文集，2021 （10）：139-144.

[5]张璘，马岩，张辉.基于Matlab的智能网联汽车导航定位仿真[J].时代汽车，2021（22）：14-15.

[6]李晓锋.基于MATLAB的锂离子电池SOC相关参数辨识[J].电工材料，2021（05）：25-28，34.

[7]张新敏，李卓，吴海洋.MATLAB环境下的汽车动力性能分析[J].汽车维护与修理，2021（12）：72-75.