J007 动力匹配计算指导

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Q/XRF-J007-2015
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动力匹配计算指导
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2015-03-15发布 2015-03-15实施
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目录
一、概述 (1)
二、输入参数 (1)
2.1 基本参数列表 (1)
2.2 参数取值说明 (1)
2.3 电动机外特性曲线 (2)
三、xxx纯电动物流车动力匹配计算基本方法 (4)
3.1 驱动力、行驶阻力及其平衡图 (5)
3.2 动力因数图 (7)
3.3 爬坡度曲线图 (7)
3.4 加速度曲线及加速时间 (8)
一、概述
汽车作为一种运输工具，运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。

动力性是各种性能中最基本、最重要的性能之一。

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，必须进行动力性匹配计算，以判断设计方案是否满足设计目标和使用要求。

二、输入参数
2.1 基本参数列表
进行动力匹配计算需首先按确定整车和电动机基本参数，详细精确的基本参数是保证计算结果精度的基础。

下表是波导纯电动物流车动力匹配计算必须的基本参数，其中电动机参数将在后文专题描述。

表1动力匹配计算输入参数表。

2.2 参数取值说明
1）迎风面积
迎风面积定义为车辆行驶方向的投影面积，可以通过通过三维数模的测量得到，三维数据不健全则通过设计总布置图测得。

波导纯电动物流车车型迎风面积为A一般取值3.5 m2。

2）动力传动系统机械效率
根据波导纯电动物流车车型动力传动系统的具体结构，传动系统的机械效率
T
主要由变速器传动效率、传动轴万向节传动效率、主减速器传动效率等部分串联组成。

根据电机的性能匹配情况可以选择有或没有装置，考虑到配套资源和成本因素，
XRF5020XXYHBEV 车型的变速传动比2，后桥单级主减速比4.11。

例如：根据实际情况，取差速器传动效率为98％、轴承总效率98％、传动轴万向节传动效率为99％（两级）、主减速器传动效率为99％，因此电机+传动轴驱动的方案传动效率为：
T η＝98％×98％×99％×99％×99％＝93.2％
3）滚动阻力系数
f
滚动阻力系数采用推荐的客车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数经验公式进行匹配计算：
f ＝⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+4
410100100a a u f u f f c
其中：0f —0.0072～0.0120以上，取0.012； 1f —0.00025～0.00280，取0.0027； 4f —0.00065～0.002以上，取0.002； a u —汽车行驶速度，单位为km/h ； c —对于良好沥青路面，c =1.2。

2.3 电动机外特性曲线
电动机外特性曲线是电动机功率、转矩的函数关系。

在进行动力性能匹配计算时，主要用到电动机的外特性参数，即最大负荷下功率、转矩随转速的变化曲线。

动力匹配计算所需电动机的主要性能指标如表2所示。

表2 电动机主要性能参数
额定转矩107Nm 峰值扭矩213Nm
电压320V (DC) 电流102A
重量48kg 外形尺寸Ф310X291 生产企业中科深江电动车辆
电机控制器研制单位中科深江电动车辆
型号SJ2104B3C1-L1
输入电流102A
输入电压320VDC 冷却要求液冷
重量15kg 外形尺寸
L407×W310×
H203mm
此外，电动机在使用过程中还要为水泵、气泵、发电机、空调等设备提供动力，其使用外特性(见图2)要比外特性小，用于汽车行驶的有效扭矩和有效功率均在原来基础上有所减少，一般发动机使用外特性比净功率外特性约小7-10%，取有效扭矩＝扭矩×92％，有效功率＝功率×92％。

图1 电动机外特性曲线
三、波导纯电动物流车动力匹配计算基本方法
汽车动力性能匹配计算的主要依据是汽车的驱动力和行驶阻力之间的平衡关系，汽车的驱动力－行驶阻力平衡方程为
j i w f t F F F F F +++=
（1）
其中 t F —驱动力； f F —滚动阻力； w F —空气阻力； i F —坡道阻力；
j F —加速阻力。

下面对上述驱动力和行驶阻力的匹配计算方法以及各个曲线的匹配计算方法简要说明如下。

3.1 驱动力、行驶阻力及其平衡图
在电动机转速特性、传动系统传动比及效率、车轮半径、空气阻力系数、迎风面积以及汽车的质量等确定后，便可确定汽车的驱动力－行驶阻力平衡关系。

驱动力：
（2）
其中：tq T —电动机的转矩，单位为N ·m ； g i —变速器各个档位的传动比； 0i —主减速器速比；
T η—动力传动系统机械效率； d r —车轮滚动半径，单位为m 。

滚动阻力
f F ＝αcos mgf （3）
其中：m —汽车匹配计算载荷工况下的质量，单位为kg ；
g —重力加速度，单位为m/s 2； f —滚动阻力系数；
α—道路坡角，单位为rad ；
d r —车轮滚动半径，单位为m 。

空气阻力
15
.212a
D w u A C F = （4）
其中：D C —空气阻力系数；
A —迎风面积，单位为m 2；
a u —汽车行驶速度，单位为km/h 。

货车空气阻力系数D C 通常取0.5-0.8，波导纯电动物流车根据具体车型造型选择系数大小，车辆造型越趋向于流线空气阻力系数取值越小。

坡道阻力
i F ＝αsin mg （5）
其中：m —匹配计算载荷工况下汽车的质量，单位为kg ； g —重力加速度，单位为m/s 2； α—道路坡角，单位为rad 。

加速阻力
dt
du m
F a
j δ= （6）
其中：δ—旋转质量换算系数；
m —匹配计算载荷工况下汽车的质量，单位为kg ；
dt
du a
—汽车行驶加速度，单位为m/s 2。

在进行动力性初步匹配计算时，由于不知道汽车轮胎等旋转部件准确的转动惯量数值，对于旋转质量换算系数δ，通常根据下述经验公式进行匹配计算确定：
δ＝2
211g i δ+δ+
式中，1δ和2δ取值围在0.03到0.05之间，这里粗取平均值，即认为1δ=2δ=0.04。

在进行驱动力和阻力估算时，还需要知道汽车速度与电动机转速之间的关系：
377
.0i i n
r u g d a = （7）
其中：a u —汽车行驶速度，单位为km/h ；
n —电动机转速，单位为rpm ；
0i —主减速器传动比；
d r —车轮的滚动半径，单位为m ；
—当前档速比。

根据上述公式，我们还可以方便地估算出汽车在任意电动机转速、汽车的驱动力、行驶阻力，进而可以绘制出汽车的驱动力－行驶阻力平衡图。

汽车的驱动力－行驶阻力平衡图形象地表明了汽车行驶时的受力情况和平衡关系。

由此可以确定汽车的动力性。

在驱动力－行驶阻力平衡图中，求出最大驱动力和行驶阻力曲线的交点，曲线交点处对应的速度值即为汽车的最高车速。

3.2 动力因数图
动力因数的定义为
mg F F D w
t -=
（8）
其中：各个参数的含义同前面的说明。

利用公式（8）结合前面公式就可以估算出汽车的动力因数值，进而可以绘制出动力因数图。

3.3 爬坡度曲线图
根据汽车的行驶方程式和驱动力－行驶阻力平衡图，可以估算汽车的爬坡能力。

在估算爬坡度时，认为汽车的驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力外，剩余驱动力都用来克服坡道阻力，即加速阻力j F 为零。

根据公式（1）可以得到如下公式
w
t i f F F F F -=+
将公式（3）、（5）代入上式，就可以得到如下公式：
w
t F F mg mgf -=+ααsin cos
代入公式αα2
sin 1cos -=以及公式（8），经过整理那么就可得
2
2
211arcsin
f
f
D f D ++--=α （10）
然后根据公式i =tg α进行转换，这样就可以估算出爬坡度，并进一步绘制出爬坡度曲线图。

3.4 加速度曲线及加速时间
汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。

汽车加速时，驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力以外，主要用来克服加速阻力，此时不考虑坡道阻力i F （i F =0）。

根据公式（1）、（6），可以得到如下公式：
j w f t a F F F m dt du =--=][1δ
所以，加速时间
t =⎰t
dt 0=⎰2
1
1
u u
j
du a 根据以上公式，通过数值积分方法对上式进行积分求解，就可以得到所需要的加
速时间。