《汽车设计》课程设计任务书(性能计算)0912

1、湖北汽丰工业学箕llutwd Atiltimniivi InduHKi IntitiiK汽车设计课程设计指导书（汽车性能仿真计算）汽车工程系2009年12月说明汽车设计是车辆工程专业课程之一，也是最重要的一个实践性内 容 。其 目 的 和 作 用 是 使 学 生 能 将 已 学 过 的 力 学 、机 械 以 及 汽 车 知 识 综 合运用于汽车零部件系统设计中，从而培养学生对汽车零部件系统的 综 合设计 和实 践能 力 。这 是在所有实 践性 课程 中最具活 力 ，最 能 培养 学生 的 自 主学 习 、实 践 能力 ，最 能培养学 生创 新思 维 的 课程之 一 。汽 车设计课程设计根据课题

2、难易程度分为二到六人一组、各组独立完 成，在学生设计过程中鼓励他们自主设计，积极创新。学生汽车设计课程设计的成绩主要从工作态度、设计工作量、 质疑答 辩等几 部分组成 。具 体 从 出 勤 情况 、设 计论证、软 件操作 能力与设计能 力 、设 计 工作量与 工程 图 图 面质量 、设 计说明 书质量 、回 答问题 情况等方 面评定 。最 终 成绩 按五级制 记分 ，分 为优 秀 、良 好 、中 等、及格和不及格五个等级。（设计报告按电子档附件1要求进 行书 写）1. 前言1.1 课程设计的目的在汽车的设计和改进时，需对样车的性能进行预测、评价、多方案选优或进行传动系的优化匹配等，这些都必须进

3、行汽车动力性和燃油经济性（E P性能）的计算。如采用手算并在坐标纸上作图，工作量大，费时费力，而且手算和作图误差较大，易出错。考虑到计算机在当前设计工作中的普遍应用，有必要利用计算机编制程序进行模拟计算，以方便迅速地得到具有相当精确度的数据和图形。1.2 课程设计的任务采用MATLAB语言，编制程序对汽车的EP性能进行计算，有关参数见指导老师所给文档。要求得到以下数据和图形：数据：1 最高车速uamax；2 加速时间t；3 最大爬坡度i max ；4 多工况循环行驶百公里油耗；5 等速行驶百公里油耗；图形：1 驱动力阻力平衡图；2 汽车加速时间曲线；3 汽车的爬坡度图；4 功率平衡图；5 动力

4、特性图；6 等速行驶百公里油耗曲线；7 燃油经济性加速时间曲线（ C 曲线） 。1.3 课程设计的要求程序应满足以下要求：1 在给定了足够参数时能自动计算得到以上所有数据和图形，并能保证一定的计算精度；2 .程序具有一定的通用性，能尽量满足多种车型EP性能计算的要求；3 界面友好，使用灵活方便。课程设计完成后，将所有同课程设计有关的计算机文件保存在自建的以 “班号学号姓名 ” 命名的文件夹中。1.4 注意事项在机房工作时请认真研读汽车数字化应用实验室上机管理规定；除最后的答辩外，课程设计的所有的工作均按分组进行；设计过程文件（说明书及计算机文件等）如内容重复率30%以上，雷同者成绩均按不及格处

5、理；认真准备答辩，答辩不通过者必须重新完成指定的课程设计内容后方能 进入毕业设计环节；1.5 进度安排序号工作内容所需时间1课题任务介绍及MATLAB语言学习1天2MATLAB界囿编程2天3MATLAB程序代码编写4天4程序调试3天5分析及编写设计说明书5天1.6 参考资料1 .余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2005。2 .张洪欣.汽车设计.北京：机械工业出版社，2005。2设计说明2.1任务说明汽车动力性和燃油经济性计算1 .主要动力性指标的计算与作图1.1 驱动力一行驶阻力平衡图（动力特性曲线）为全面地评价汽车在各个档位和不同车速下的动力性能，需要绘制驱动力一行驶阻力平衡图（动力

6、特性曲线），以便清晰而形象地表明汽车行驶时的受力情况及其平衡关系。汽车的驱动力（单位为N）为Ttqigio TFt r在动力性计算时，目前一般采用稳态工况时发动机台架实验所得到的使用外特性中的功率与转矩曲线（常为采用最小二乘法拟合得到的多项式）Ttqao ana2n2kaE拟合阶数k随特性曲线而异，一般在 2、3、4、5中选取。汽车在良好路面上行驶时经常遇到的滚动阻力Ff和空气阻力Fw为FwFfGfCd A 2 ua 21.15其中车速ua （km/h）与发动机转速n （r/min）之间的关系为rnua0.377（）igi0在程序中，二重循环计算各档位下发动机最低转速nmin到最高转速nmax

7、对应的驱动力，并连接成线即得驱动力图（ Ft Ua ）；计算I档最低转速到发动机最高转速nmax所对应的最高车速相应的阻力，连接成线即得阻力曲线（Fw Ff） ua）。也可用动力特性图分析汽车的动力性。汽车的行驶方程为Ft Ff Fi Fw FjTtqigi0 TCd A 2 du Gf cos Gsin uam r21.15dt将方程式两边除以汽车重力并整理得：Ft Fwdu令F Fw为汽车的动力因数并以符号 d表示，则 GD -dU g dt作出汽车在各档下的动力因数与车速的关系曲线和滚动阻力曲线f ua ,显然f线与直接档D Ua曲线的交点即为汽车的最高车速。需要指出的是，某些经济性要求

8、较高的汽车，其最高车速Uamax小于（最高档）发动机标定功率时所对应的车速，这时在计算最高档动力因数时，当车速超过时Uamax后，继续计算D值时，D值已变得很小，甚至出现负值，故当 DWO时，即应停止计算。1.2 最高车速Uamax汽车在良好路面上行驶时所能达到的最高车速Uamax ,乃是驱动力阻力平衡图中（Ft Ua）与（FwFf ） Ua）的交点对应的车速。该车速一般对应于最高档或次高档（最高档为超速档），程序中求解时，可将阻力曲线的绘制放到驱动力曲线的循环中（利用公式 （*）进行Ua n之间的转换），并随时比较Ft与Fw Ff ,相等（或误差小于指定精度）时对应的车速即为Uamax；或直

9、接利用数值法解方程组2 kTtq a0 a1n a2naknoFtFw Ff这里有两点需要说明：1）有的汽车在高档Ft与Fw Ff两曲线无交点（即Ft始终大于Fw Ff）,这时应以最高档时发动机允许的最高转速对应的车速作为Uamax。a max2）某些装有超速档的汽车其超速档的最高车速有时可能反而低于直接档的最高车速，这是还应将最高档和次高档的最高车速进行比较，取其较大者为Uamax。1.3 加速时间t加速时间表示汽车的加速能力，常用原地起步加速时间和超车加速时间来表示。超车 加速时间因不涉及换档问题，因此比较简单，这里不作要求。下面只讨论原地起步连续换 档的加速时间t （由最低稳定车速加速到

10、一定距离或 80%Uamax所需时间）。1.3.1 数学表达式由汽车行驶方程式得du Ft （FfFw）（设 Fi 0）dt m利用上式可求得各档油门全开时的加速度曲线，进一步可求得由某一车速加速到另较高车速所需时间tUa2 1duUa1 aj即：ua2Gt du3.6己(FfFw)式中：Uamin起步过程结束时汽车最低车速（这里取为10km/h）。ua2 加速过程结束时车速，这里取为70km/h。从uamin到ua2的加速时间为加速度的倒数曲线下的面积。按图解积分法，可将加速过程中的速度区间，划分为若干间隔du（一般取du=1km/h）,逐个计算每个间隔内的行驶时间ti ,并将它们累加起来，

11、即为所求。1.3.2 换档点的确定在上述计算中涉及换档点的确定，即要确定各换档车速ua ,从而发挥汽车最大加速强度考虑，应以相邻两档加速度曲线的交点作为最佳换档点。因为换档时加速度相等则有Ttq1ig1i0 T (GfCdA21.152、ua )Ttq2ig210 T (GfCdA21.152、a)式中：i g1、Ttq1、1mig2 相邻两档的传动比；Ttq2 一换档前后发动机扭矩;2m2汽车质量换算系数。用数值方法解方程可求得换档时刻的车速u a。注意：上述交点所对应的发动机转速如果超过发动机的标定功率转速n 则以n对应的车p ，p速作为换档点的车速。1.4 汽车爬坡度图在计算汽车的爬坡度

12、时，令 Fj 0 ,则由汽车行驶方程式有：FiFt FfFw即：2ItqigiO TCD Aua21.15Gsin Gf 则有:2TtqigiO T GfCd AUar21.15arcsinG由此式即可得到各档的爬坡度图，汽车的最大爬坡度i max为I档时的最大爬坡度。1.5 汽车功率平衡图汽车功率平衡方程式(式中功率单位为kW)如下：3 -X 3-X Z- A 31 Gfua Giua CDAuamua duPe (一-)T 3600 3600 761403600 dt以纵坐标表示功率、横坐标表示车速，将发动机功率Pe、汽车经常遇到的阻力功率1 (Pf Pw)对车速Ua的关系曲线绘制在坐标图

13、上，即得汽车功率平衡图。从功率平衡图T上也可得到最局车速。2 .主要燃油经济性指标的计算与作图汽车的燃油经济性指标主要有等速行驶百公里油耗和多工况循环行驶百公里油耗。2.1 多工况循环行驶百公里油耗多工况循环模式通常包括等速段、加速段和减速段，应分别计算后再累加起来。2.1.1 计算等速油耗1由车速Ua可计算出发动机转速 n,以及汽车行驶时的阻力功率 (Pf Pw),根据等TQt (mL/s)速行驶车速Ua及阻力功率P,在万有特性图上(利用插值法)可确定相应的燃油消耗率 b从而计算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量c PbQt367.1式中 b燃油消耗量，单位为 g / (kWh);一

14、燃油重度，汽油 6.967.15N/L ,柴油7.948.13N/L。百公里燃油消耗量Qs (单位为mL/s)为Qs1.02uaPbV (一般为1km/h),逐个计算每2.1.2 加速行驶工况燃油消耗量的计算按图解积分法，把每一加速段分成若干个速度间隔个区间的燃油消耗量，并累加起来，即为一个加速段的油耗。首先，由匀加速段的初速度和末速度算出加速度四（单位为m/s2）,再算出加速阻力Fdt和各速度间隔的转速 n以及Ff、Fw ,于是所需的驱动力Ft Ff Fw Fj再计算Pe,在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。若加速度为du （单位为m/s2）,则发动机提供的功率 Pe

15、 （单位为kW）应为dt3P 1 ,GfUa CdAUh mua du e （）T 3600761403600dt由Pe、n查取ge ,进而算出单位时间油耗 Qt ； u间隔内的行驶时间为tidutiu/（3.6）dt于是u间隔内的油耗QiQi Qt ti然后累加Qi ,即得一个匀加速段的油耗。上述计算是把加速工况近似按稳态工况计算的。实际上汽车加速时的油耗要比稳态时高，因而计算油耗时可乘以一个非稳态系数。加速时取1.02 1.05 ,等速时 1。2.1.3计算减速段油耗减速段油耗为正常怠速油耗。减速时间t （单位为s）:t 扇2 扇3du3.6 -dt式中ua2、ua3减速段起始及终了车速，

16、单位为 km/h;du减速度，单位为 m/s2。dt减速段燃油消耗量 Qd （单位为mL）为QdUa2扇3Qi式中：Qi 怠速油耗率，单位为mL/s。1.1.4 从万有特性图上查取ge有三种方法：1）将万有特性以矩阵（即数组）方式存入计算机，提取时根据Pe、n进行插值计算。2）仿照外特性的处理方法，将每一条负荷特性都用最小二乘法进行曲线拟合，得到数条不同转速下的负荷特性的拟合多项式。提取时若发动机转速与负荷特性中给定的转速不相等，可由相邻两条曲线用插值法求得。3）用多元线形回归的方法对万有特性进行曲面拟合，得到一个二维多项式： gef（Pe,n） fl（Pe） f?”） f 3（Pe, n）。提取时，根据Pe、n计算出相应的ge。1.1.5 整个多工况循环行驶百公里油耗QsQQs 100s式中： Q 所有过程油耗量之和，单位为 mL ；s 整个循环的行驶距离，单位为m。2.2 汽车等速行驶百公里油耗的计算与作图先求出单位