汽车总体设计整车性能仿真与系统匹配

1
1i
2 g
2 确定，在轿车中 1 和 2 取
值范围在 0.03 到 0.05 之间，我们取平均数值 m : 计算载荷情况下汽车的质量 , 单位： kg
1 = 2 =0.04
dua : 汽车行驶加速度 , 单位： m/s2 dt
在进行不同挡位的驱动力和阻力计算时我们还需要知道车辆速度与发动机 转速之间的关系：
车运行工况的具体规定参见图 1.4.8。
11
图 1.4.8 汽车十工况试验循环
从上面的图形我们可以看出这些复杂公况主要包括加速工况、 恒速工况、 减 速工况，怠速工况等等。下面我们逐一说明具体的计算方法：
a 恒速工况
计算方法同等速百公里油耗的计算方法类似。首先利用公式（
1.4.11），
（ 1.4.12）确定汽车运行状态的功率与车速，然后根据下面公式计算对应的单位
图 1.4.3 汽车动力特性图
图 1.4.4 汽车功率平衡图
汽车功率平衡图
) 60 (kW
P 40 率 功
20
汽车爬坡度图
45
40
0
20
40
60
80 100 120 140 160
加速ix100%度332曲505 线
车速 V (km/h )
度 20 坡
图 1.4.5 汽车加速度曲线图
爬 15
10
5
7
就可以得到：
D f 1 D2 f 2
arcsin
1 f2
1 sin 2
以及公式（ 1.4.8 ），经过整理那么我们 （ 1.4.10 ）
然后根据公式 i tg 进行转换，这样就可以计算出爬坡度曲线了。
加速时间
汽车的驱动力除了用来克服空气阻力，滚动阻力以外主要是用来克服加 速阻力，此时坡道阻力为零。 根据公式（ 1.4.1 ），（ 1.4.6 ）我们可以得到如下公式： du 1 [ Ft F f F w ] a j dt m 所以
1.4 汽车总体设计整车性能仿真与系 统匹配
1.4.1 动力性能仿真计算 (1) 计算目的
汽车的动力性是汽车重要基本性能指标之一。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要进行动力性计算， 预 测今后生产车型是否满足使用要求。使汽车具有良好的动力学性能 .
(2) 已知参数如表所示
表 1.4.1 动力学某车型的计算参数和数据的确定或优化
参数名称
某车型
变速器传动比
一挡
3.455
二挡 三挡
1.944 1.286
四挡
0.969
五挡
0.8
主减速器传动比 满载质量
4.111 1460kg
空载质量
1040kg
设计载荷质量
1250kg
各个挡传动效率
90%
迎风阻力系数 迎风面积
0.35 1.9m2
Ft F f F w Fi F j
（1.4.1 ）
2
表 1.4.2 各种受力名称 Ft _ 驱动力， F f _ 滚动阻力， Fw _ 空气阻力， Fi _ 坡道阻力， F j _ 加速阻力，
上述驱动力和行驶阻力的计算方法以及各个曲线的计算方法具体说明如下：
驱动力行驶阻力平衡图：
驱动力： Ft
Ttq i g i0 g ，N
Pe
1 mgf cos( (
)u a
mg sin( )ua
CD
Au
3 a
g
3600
3600
76140
mua dua ) 3600 dt
（ 1.4.9 ）
其中：
Pe ：发动机效率，单位 kW
其他各个参数的意义和单位同上述说明。 利用公式（ 1.4.9 ）我们就可以计算出汽车行驶功率平衡曲线。
爬坡度曲线
120
/s） 110 m 100 （ 90 V 80
70
度 60 速 50
40
30
20 10
0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
时间 ( s)
8
图 1.4.7 汽车加速时间曲线图
根据上述计算条件和计算结果，我们可以确定设计载荷情况下的计算结
果：
表 1.4.3 计算结果
1
（设计 H 点）前 50mm，可调整作为 R点前 100mm处。我国标准常常规定满载作 为设计工况 . 对于该计算车型如采用德国标准 , 则具体计算为： 1070kg+3* （ 68kg+7kg）=1295kg
b 迎风面积：
根据迎风面积计算公式： A=0.78BH确定，其中： A 迎风面积， B 车宽， H 车 高。对于该车型而言具体计算为： A=0.78*1710mm*1427mm=1.902m
动力因数图
动力因数定义公式： D Ft Fw
mg 其中各个参数的含义同前面的说明。
（1.4.8 ）
4
利用公式（ 1.4.8 ）结合前面公式就可以计算出汽车各个挡位的动力因数。 功率平衡图
在公式（ 1.4.1 ）的基础上，如果我们在公式两端乘以车辆速度 ua ，经过整理就
可以得到功率平衡计算公式（单位是 kW）：
rd
（1.4.2 ）
其中：
Ttq ：发动机的扭矩，根据发动机使用外特性曲线来确定。也就是说我们可以根
据发动机的转速利用外特性曲线进行插值计算来获得 , 单位 N.M.
i g ：变速器各个挡位的传动比
i 0 ：主减速器传动比
g ：传动系统各个挡位情况下的传动效率
r d ：车轮的滚动半径 , 单位 m
滚动阻力： F f mgf cos( ) ，N
（ 1.4.3 ）
其中： m ：是汽车计算载荷情况下的质量 , 单位： kg g ：重力加速度 , 单位： m/s2
f ：汽车滚动阻力系数
：道路坡角 , 单位： rad
空气阻力： Fw
CD A
u
2 a
,N
21.15
其中：
C D ：空气阻力系数， A ：迎风面积 , 单位： m2
ua ：车速 , 单位是 km/h
时间油耗：
Qt Pe g m /(0.3671 g) （单位： L/s）
(1.4.14）
其中：
Qt ：等速百公油耗，单位： L gm ：发动机的实际燃油消耗率，我们利用万有特性曲线通过对转速和功率的插
值计算来获得 ,单位： g/kW/h
12
Pe：发动机工作功率，我们采用设计的阻力功率来获得，也就是包括滚动阻力
40
60
80 100 120 140 160
车速 V ( km/h )
汽车驱动力阻力平衡图
图 1.4.2 汽车驱动力与行驶阻力平衡图
动力因数图
6
0.5
0.4
?ˉ á｜0.3 òò êｙ D 0.2
0.1
汽车动力特性图
0
20
功率平衡图 80
40
60
80 100 120 140 160
3μ?ù V ( km/h )
功率，迎风阻力功率（加速阻力和坡路阻力为零） , 单位： kW
ua ：汽车行驶车速，利用车速同发动机转速之间的关系，我们就可以得到这时
的发动机转速 , 单位： Km/h
：燃油密度 , 单位： kg/m2
g :重力加速度
,
单位：
-2
m/s
(2) 微型车 10 个工况油耗 微型车 10 工况油耗是根据国家标准规定的汽车复杂运行工况来计算的，汽
1.4.2 燃油经济性能仿真 随着世界石油危机的出现， 节约汽车用油是现代汽车制造业和运输业必须首
先考虑的问题，在汽车设计之初就必须对所设计汽车的经济性有准确的评价。 (1) 等速百公里油耗计算原理
汽车等速百公里油耗计算主要是依据汽车发动机的万有特性曲线以及汽
车功率平衡图进行油耗计算。计算具体过程说明如下：
滚动阻力系数采用推荐拟和公式进行计算：
f
f 0 (1
2
ua
/ 19440)
，
其中： f0 取为 0.014 （良好水泥或者沥青路面） ， ua 为车速 km/h。
(3) 发动机外特性曲线
发动机
i.
发动
AJR发动机 ii AFE 发动机 图 1.4.1 发动机外特性曲线
(4) 基本理论概述
汽车动力性能计算主要依据汽车驱动力和行驶阻力之间的平衡关系 :
最后利用已经获得的发动机转速和发动机功率根据万有特性曲线进行插值
10
计算获得燃油消耗率 g m ，然后根据公式： QS Pe gm /( 0.00102ua g) 计算得出等速百公里油耗。
（ 1.4.13）
其中：
QS ：等速百公里油耗，单位： L gm ：发动机的实际燃油消耗率 .
我们利用万有特性曲线通过对转速和功率的插值计算来获得 ,单位： g/kW/h Pe：发动机工作功率，我们采用设计的阻力功率来获得，也就是包括滚动阻力
由于计算爬坡度时， 汽车除了克服空气阻力， 滚动阻力之外所有的剩余驱动力都 用来克服坡道阻力，所以加速阻力为零。 根据公式（ 1.4.1 ）我们可以得到如下公式
Ff Fi Ft Fw
代入公式（ 1.4.3 ），（ 1.4.5 ）我们就可以得到如下公式：
mgf cos mg sin F t F w
如果我们代入公式 cos
首先计算汽车在不同车速情况下以最高挡位行驶时的阻力功率， 主要是空气
阻力功率和滚动阻力功率。
根据动力性能的计算公式我们可以知道
Pe
1
mgf cos( (
)u a
CD
Au