《汽车理论》设计报告
汽车动力性、经济性的计算机模拟
学 学班院 级
...
号 20152805037 少波 交通学院 车辆本1501班 2017 年12月18 日
目 录
1汽车驱动力图1
1.1汽车驱动力图简介1 1.2汽车驱动力图2
2汽车驱动力-行驶阻力平衡图2 2.1汽车驱动力-行驶阻力平衡图简介2
2.1.1滚动阻力3 2.1.2空气阻力3
2.2汽车驱动力-行驶阻力平衡图3 3汽车爬坡度图3
3.1汽车爬坡度图简介3 3.2汽车爬坡度图4 4汽车加速度图5
4.1汽车加速度图简介5 4.2汽车加速度图5 5汽车动力特性图6 5.1汽车动力特性图简介6 5.2汽车动力特性图6 6汽车功率平衡图6
...
6.1汽车功率平衡图简介6 6.2汽车功率平衡图7 7汽车百公里油耗图7 7.1汽车百公里油耗图简介7 7.2汽车百公里油耗图8
参考文献 8 附录8
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汽车动力性、经济性的计算机模拟
少波
（交通学院，车辆工程，1501班，20152805037）
摘要：通过MATLAB计算机软件进行汽车动力性、经济性的计算机模拟，模拟
得出汽车的各种特性曲线。包括：驱动力图，驱动力-行驶阻力平衡图，爬坡度图，加速度图，动力特性图，功率平衡图，百公里油耗图。同时对汽车特性曲线的计算公式加以统计汇总学习。
关键词：驱动力图，驱动力-行驶阻力平衡图，爬坡度图，加速度图，动力特
性图，功率平衡图，百公里油耗图，汽车特性曲线的计算公式
1 汽车驱动力图
1.1 汽车驱动力图简介
驱动力是由发动机的转矩经传动系统传至驱动轮上得到的。汽车发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩Tt产生一对地面的圆周力F0,地面对驱动轮的反作用力F（方向与F0相反）既是驱动汽车的外力，此t外力称为汽车的驱动力。其数值为
TtF?（t1.1）
r式中，Tt为作用于驱动轮上的转矩；r为车轮半径。
作用于驱动轮上的转矩Tt是由发动机产生的转矩经传动系传至车轮上的。若令Ttq表示发动机转矩，ig表示变速器的传动比，i0表示主减速器的传动比，?T表示传动系的机械效率，则有
T t ? T tq i g i0 ? T （1.2）
对于装有分动器、轮边减速器、液力传动等装置的汽车，上式应计入相应的传动比和机械效率。
因此驱动力为
Ttqigi0?T T t ? （1.3）
r汽油发动机使用外特性的Tq-n曲线的拟合公式为
nn2n3n4Tq??19.13?259.27()?165.44()?40.874()?3.8445()1000100010001000
（1.4）
一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线Ft-ua来全面表示汽车的驱动力，称为汽车的驱动力图。设计中的汽车有了发动机的外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数后，即可用式（1.1）求出各个档位的Ft值，再根据发动机转速与汽车行驶速度之间转换关系求出ua，即
...
可求得各个档位的Ft于ua曲线。发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为
rnu?0.377 a （1.5）
igi0式中，ua为汽车行驶速度（km/h）;n为发动机转速（r/min）;r为车轮半径（m）; ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比。
另：实际行驶中，发动机常在节气门部分开启下工作，相应的驱动力要比它小。
1.2汽车驱动力图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录2。
附图：
2 汽车驱动力-行驶阻力平衡图
2.1 汽车驱动力-行驶阻力平衡图简介
汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。滚动阻力以符号Ff表示，空气阻力以符号Fw表示。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡道阻力，以符号Fi表示。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力，以符号Fj表示。因此，汽车行驶的总阻力为
?F?Ff?Fw?Fi?Fj （2.1）
在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力一并画出，做出汽车驱动力-行驶阻力平衡图。
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2.1.1 滚动阻力
滚动阻力等于滚动阻力系数与车轮负载之乘积。即
Ff?Wf （2.2）
其中滚动阻力系数由试验确定。滚动阻力系数与路面的种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关。这里选取滚动阻力系数为良好的沥青或混凝土路面滚动阻力系数。（详见附录1）。
2.1.2 空气阻力
汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。此处讨论无风条件下汽车的运动，空气阻力计算公式为 2CDAua F w ? （2.3）
21.15式中，A为迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积（m2）；CD为空气阻力系数；ua2为车速，km/h。（详见附录1）。
2.2 汽车驱动力-行驶阻力平衡图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录3。
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3 汽车爬坡度图
3.1 汽车爬坡度图简介
汽车的上坡能力是用满载（或某一载质量）时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax表示的。另外imax代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度超出很多，这是因为应考虑到在实际坡道行驶时，在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。
也可以理解汽车的爬坡能力，指汽车在良好路面上克服Ff+Fw后的余力全部用来（即等速）克服坡度阻力时能爬上的坡度。
因此
Fi=Ft-（Ff+Fw） （3.1） 一般汽车最大爬坡度达30%左右，因此利用汽车行驶方程式确定1档及低档爬坡能力时，应采用Gsinα作为坡道阻力，即上式应为
2CDAuaTtqi0ig?TGsin???(Gcos?f?) r 21 .15 （3.2）
F?(Ff?Fw)即 ? ? arc sin t （3.3）
G根据驱动力-行驶阻力图求出汽车能爬上之坡道角，相应地根据tanα=i可求
出坡度值。
3.2 汽车爬坡度图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录4。
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4 汽车加速度图
4.1 汽车加速度图简介
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。 而汽车加速行驶时，需克服的其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力Fj 。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。为了简易计算旋转质量，常用系数δ作为计算计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数。δ主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。 其公式如下：
22Iii 0??I11fg ? ? 1 ? w T （4.1） ?mr2mr2
式中，Iw为车轮的转动惯量（kg·m2）；If为飞轮的转动惯量（kg·m2）；i0
为主传动比；ig为变速器的速比。
汽车加速时其驱动力需全力加速，即坡道阻力为0 。
4.2 汽车加速度图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录5。
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5 汽车动力特性图
5.1 汽车动力特性图简介
用动力特性图来分析汽车动力性。
将汽车行驶方程两边除以汽车重力并整理如下：
F t ? F f ? F i ? F w ? F j （5.1）
t- F F w ? ? ? ? du (5.2)
G?dt
F?F令 t w 为汽车的动力因数并以符号D表示，则
G
?du? ? D ? （5.3）
?dt汽车在各档下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特性图。
5.2 汽车动力特性图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录6。
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6 汽车功率平衡图
6.1 汽车功率平衡图简介
[正文部分用宋体小四号] 在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力多消耗的功率。
汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、空气阻力功率Pw、坡度阻力功率Pi及加速阻力功率Pj。
将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速ua，并经单位换算整理出汽车功率平衡方程式（式中功率单位为kW），如下
3?mudu1GfuaGiuaCDAua P e ? ( ? ? ? a ) （6.1）
?T36003600761403600dt
1将汽车经常遇到的阻力功率 （Pf+Pw）。发动机功率对车速的曲线绘制。得
?T到汽车功率平衡图。
6.2 汽车功率平衡图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录7。
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Qs?Peb1.02ua?g?Qs?12.17L
7 汽车百公里油耗图
7.1 汽车百公里油耗图简介
[正文部分用宋体小四号] 根据参考文献[1]，等速行驶工况燃油消耗量的计算。在万有特性图上有等燃油消耗率曲线。根据曲线可以确定发动机在一定转速n,发出一定功率Pe时的燃油消耗率b。
b 1 ? B 0 ? B 1 P e 2 ? B 3 P e 3 ? B e 4 （7.1） e?B2P4P
（7.2）
（7.3）
7.2 汽车百公里油耗图
其车辆基本参数见附录1，其Matlab程序见附录8。
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参考文献
[1] 余志生.汽车理论[M].：机械工业，2009.3.
附录
附录1
车辆基本参数为发动机最低转速 600r/min ， 最高转速 4000r/min ， 装载质量 2000kg ，整车整备质量 1800kg ,车轮半径 0.367m ，传动系效率 0.85 ,滚动阻力系数 0.013 ，空气阻力系数与迎风面积之积为 2.77m2 ， 主减速器传动比5.83 ,飞轮转动惯量 0.218kg m2 ,前轮总转动惯量为 1.798kg m2 ,后轮总的转动惯量为 3.598kg m2,轴距为 3.2m 质心至前轴距离 1.947m ，质心高 0.9m ， 四挡变速器的变速比分别为 6.09 ， 3.09 ， 1.71 ， 1 。 附录2 close all;
n=linspace(600,4000,100);%设定转速围(linspace(x1,x2,N)在x1x2围选取N个点，均分。) ua1=0.377*0.367*n/(5.83*6.09);%公式计算各档车速围 ua2=0.377*0.367*n/(5.83*3.09); ua3=0.377*0.367*n/(5.83*1.71); ua4=0.377*0.367*n/(5.83*1);
Ttq=(-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4);%?Ttq-n
...
曲线拟合公式 x1=6.09; x2=3.09; x3=1.71; x4=1;
Ft1=x1*Ttq*5.83*0.85/0.367;%公式计算各档对应转速下的驱动力 Ft2=x2*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft3=x3*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft4=x4*Ttq*5.83*0.85/0.367;
plot(ua1,Ft1,'g',ua2,Ft2,'r',ua3,Ft3,'y',ua4,Ft4,'b');%汽车驱动力-行驶阻力平衡图 xlabel('ua/(km/h)');%汽车驱动力-行驶阻力平衡图 ylabel('F/N'); legend('1','2','3','4'); grid on;
title('汽车驱动力图');
附录3 close all;
n=linspace(600,4000);%设定转速围
ua1=0.377*0.367*n/(5.83*6.09);%公式计算各档车速围 ua2=0.377*0.367*n/(5.83*3.09); ua3=0.377*0.367*n/(5.83*1.71); ua4=0.377*0.367*n/(5.83*1);
Ttq=(-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4);%?Ttq-n曲线拟合公式 x1=6.09; x2=3.09; x3=1.71; x4=1;
Ft1=x1*Ttq*5.83*0.85/0.367;%公式计算各档对应转速下的驱动力 Ft2=x2*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft3=x3*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft4=x4*Ttq*5.83*0.85/0.367;
F1=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua1.^2;%公式计算各档对应的各个车速下的行驶阻力 F2=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua2.^2; F3=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua3.^2; F4=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua4.^2;
plot(ua1,Ft1,'g',ua2,Ft2,'b',ua3,Ft3,'y',ua4,Ft4,'m',ua1,F1,'r',ua2,F2,'r',ua3,F3,'r',ua4,F4,'r');%汽车驱动力-行驶阻力平衡图?
xlabel('ua/(km/h)');%汽车驱动力-行驶阻力平衡图 ylabel('F/N');
legend('1','2','3','4','行驶阻力'); grid on;
title('汽车驱动力-行驶阻力平衡图');
...
附录4 close all; n=600:10:4000;
Tq=-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4; m=3800;g=9.8;
nmin=600;nmax=4000;G=m*g; ig=[6.09 3.09 1.71 1 ]; nT=0.85;%传动系效率 r=0.367;%车轮半径 f=0.013;%滚动阻力系数
CDA=2.77;%空气阻力系数与迎风面积之积 i0=5.83;%主减速器传动比 L=3.2;%轴距
a=1.947;%质心至前轴距离 hg=0.9;%质心高 If=0.218;%飞轮转动惯量 Iw1=1.798;%前轮总转动惯量 Iw2=3.598;%后轮总转动惯量 Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; Ft2=Tq*ig(2)*i0*nT/r; Ft3=Tq*ig(3)*i0*nT/r; Ft4=Tq*ig(4)*i0*nT/r; ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; ua2=0.377*r*n/ig(2)/i0; ua3=0.377*r*n/ig(3)/i0; ua4=0.377*r*n/ig(4)/i0; Fw1=CDA*ua1.^2/21.15; Fw2=CDA*ua2.^2/21.15; Fw3=CDA*ua3.^2/21.15; Fw4=CDA*ua4.^2/21.15; Ff=G*f;
i1=asin((Ft1-Ff-Fw1)/G); i2=asin((Ft2-Ff-Fw2)/G); i3=asin((Ft3-Ff-Fw3)/G); i4=asin((Ft4-Ff-Fw4)/G); plot(ua1,i1,ua2,i2,ua3,i3,ua4,i4); title('汽车的爬坡度图'); xlabel('ua/(km*h^-1)'); ylabel('i/%'); legend('1','2','3','4'); grid on; 附录5
...
close all; n=600:10:4000;
Tq=-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4; m=3880;g=9.8; nmin=600;nmax=4000; G=m*g;
ig=[6.09 3.09 1.71 1.00]; nT=0.85;r=0.367; f=0.013;CDA=2.77;i0=5.83; L=3.2;a=1.947;hg=0.9; If=0.218;Iw1=1.798;Iw2=3.598; Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; Ft2=Tq*ig(2)*i0*nT/r; Ft3=Tq*ig(3)*i0*nT/r; Ft4=Tq*ig(4)*i0*nT/r; ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; ua2=0.377*r*n/ig(2)/i0; ua3=0.377*r*n/ig(3)/i0; ua4=0.377*r*n/ig(4)/i0; Fw1=CDA*ua1.^2/21.15; Fw2=CDA*ua2.^2/21.15; Fw3=CDA*ua3.^2/21.15; Fw4=CDA*ua4.^2/21.15; Ff=G*f;
deta1=1+(Iw1+Iw2)/(m*r^2)+(If*ig(1)^2*i0^2*nT)/(m*r^2);%汽车旋转质量换算系数 deta2=1+(Iw1+Iw2)/(m*r^2)+(If*ig(2)^2*i0^2*nT)/(m*r^2); deta3=1+(Iw1+Iw2)/(m*r^2)+(If*ig(3)^2*i0^2*nT)/(m*r^2); deta4=1+(Iw1+Iw2)/(m*r^2)+(If*ig(4)^2*i0^2*nT)/(m*r^2); a1=(Ft1-Ff-Fw1)/(deta1*m); a2=(Ft2-Ff-Fw2)/(deta2*m); a3=(Ft3-Ff-Fw3)/(deta3*m); a4=(Ft4-Ff-Fw4)/(deta4*m); plot(ua1,a1,ua2,a2,ua3,a3,ua4,a4); title('汽车的行驶加速度曲线'); xlabel('ua/(km*h^-1)'); ylabel('a/(m*s^-2)'); legend('1','2','3','4'); grid on; 附录6 close all;
n=linspace(600,4000);%设定转速围
ua1=0.377*0.367*n/(5.83*6.09);%公式计算各档车速围 ua2=0.377*0.367*n/(5.83*3.09);
...
ua3=0.377*0.367*n/(5.83*1.71); ua4=0.377*0.367*n/(5.83*1.00);
Ttq=(-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4);%Ttq-n 曲线拟合公式 m=3800;g=9.8; G=m*g; x1=6.69; x2=3.09; x3=1.71; x4=1;
Ft1=x1*Ttq*5.83*0.85/0.367;%公式计算各档对应转速下的驱动力 Ft2=x2*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft3=x3*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft4=x4*Ttq*5.83*0.85/0.367;
F1=(2.77/21.15)*ua1.^2;%公式计算各档对应的各个车速下的空气阻力 F2=(2.77/21.15)*ua2.^2; F3=(2.77/21.15)*ua3.^2; F4=(2.77/21.15)*ua4.^2; D1=(Ft1-F1)/G; D2=(Ft2-F2)/G; D3=(Ft2-F2)/G; D4=(Ft3-F3)/G;
plot(ua1,D1,ua2,D2,ua3,D3,ua4,D4); title('汽车的动力特性图'); xlabel('ua/(km*h^-1)'); ylabel('D'); legend('1','2','3','4') grid on; 附录7 close all;
n=linspace(600,4000);%设定转速围?
ua1=0.377*0.367*n/(5.83*6.09);%公式计算各档车速围? ua2=0.377*0.367*n/(5.83*3.09); ua3=0.377*0.367*n/(5.83*1.71); ua4=0.377*0.367*n/(5.83*1.00);
Ttq=(-19.13+259.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4);%?Ttq-n?曲线拟合公式? x1=6.09; x2=3.09; x3=1.71; x4=1;
Ft1=x1*Ttq*5.83*0.85/0.367;%公式计算各档对应转速下的驱动力? Ft2=x2*Ttq*5.83*0.85/0.367;
...
Ft3=x3*Ttq*5.83*0.85/0.367; Ft4=x4*Ttq*5.83*0.85/0.367;
F1=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua1.^2;%公式计算各档对应的各个车速下的行驶阻力? F2=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua2.^2; F3=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua3.^2; F4=3800*9.8*0.013+(2.77/21.15)*ua4.^2;
Pe1=Ft1.*ua1./(3600*0.85);%计算各档对应转速下的功率? Pe2=Ft2.*ua2./(3600*0.85); Pe3=Ft3.*ua3./(3600*0.85); Pe4=Ft4.*ua4./(3600*0.85);
P1=F1.*ua1./(3600*0.85);%计算各档对应的各个车速下的行驶阻力功率? P2=F2.*ua2./(3600*0.85); P3=F3.*ua3./(3600*0.85); P4=F4.*ua4./(3600*0.85);
plot(ua1,Pe1,'b',ua2,Pe2,'y',ua3,Pe3,'m',ua4,Pe4,'y',ua1,P1,'r',ua2,P2,'r',ua3,P3,'r',ua4,P4,'r');%汽车功率平衡图??
xlabel('ua/(km/h)');%汽车功率平衡图 ylabel('P/kW'); grid on;
legend('1','2','3','4'); title('汽车功率平衡图'); 附录8 n=600:1:4000;
r=0.367;i0=5.83;eff=0.85;f=0.013;CdA=2.77;m=3880;g=9.8;G=m*g;
Ttq=-19.13+259.27*n/1000-165.44*(n/1000).^2+40.874*(n/1000).^3-3.8445*(n/1000).^4; n1=[815,1207,1614,2012,2603,3006,3403,3494];
b0=[1300,1354.56,1280.4,1125.9,1146.0,1053.2,1240.9,1130.7]; b1=[-418.46,-300.98,-190.75,-120,-98.5,-74.8,-85.56,-45.23]; b2=[72.4,36.8,15.21,7.0,4.56,2.92,3,0.765];
b3=[-6,-2.042,-0.6114,-0.2,-0.1,-0.052,-0.05,-0.0008]; b4=[0.2,0.043,0.0068,0.0019,0.0007,0.000352,0.0003,-0.00004];
B0=spline(n1,b0,n); B1=spline(n1,b1,n); B2=spline(n1,b2,n); B3=spline(n1,b3,n); B4=spline(n1,b4,n); deng=8; figure;
for ig=[6.09,3.09,1.71,1.00] Ua=0.377*r*n/ig/i0; Pf=G*f*Ua/3600; Pw=CdA*Ua.^3/76140; P=(Pf+Pw)/eff;
b=B0+B1.*P+B2.*P.^2+B3.*P.^3+B4.*P.^4; Qs=P.*b./(1.02*Ua*deng); plot(Ua,Qs); hold on;
...
end
axis([0 100 0 50]);
title('最高挡与次高挡等速百公里油耗曲线'); xlabel('Ua/(km/h)');
ylabel('百公里油耗Qs/(L/100km)'); grid on;
legend('1','2','3','4');
...
汽车理论课程设计报告 - 图文
