汽车理论1课程设计__汽车动力性匹配计算的研究.

汽车理论课程设计
汽车动力性匹配计算的研究
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摘要
应用 MATLAB 进行汽车动力性匹配计算，首先求解出发动机与液力变矩器共同工作的输入输出特性，然后绘制出汽车的驱动力-行驶阻力平衡图，最后得出汽车的动力性参数，从而实现了汽车动力性匹配计算、分析及绘图的自动化，提高了设计效率和精度。

关键词：汽车动力性；匹配；MATLAB
Abstract
MATLAB was applied to matching calculation of the automotive dynamic performance. At fi rst, the input and output characteristics while the engine operates together with hydraulic torque converter were solved, and then the balancing diagram of automotive driving force and advancing resistance were plotted, fi nally the dynamic performance parameters were obtained. Thereby the automated calculation, analysis and
plotting for matching of the automotive dynamic performance were achieved, which promoted the design effi ciency and precision.
Key Words：dynamic performance; matching; MATLAB
序言
矿用汽车运行工况比较复杂，路况比较恶劣，具有载重大、速度低的特点；因此，要求汽车动力系统在汽车较低速度下能输出较大的转矩。

其中，发动机与液力变矩器的匹配计算是整个地下汽车动力系统设计的关键和难点。

发动机与液力变矩器的合理匹配，能使汽车在较低速度下输出较大的转矩，从而获得较好的动力性和燃油经济性。

在此基础上再进行合理的挡位选择，绘出汽车在不同挡位下的驱动力-行驶阻力平衡图，最后得出汽车的最高速度、加速度和最大爬坡度等反映汽车动力性的参数，从而对汽车动力性进行评定[1]。

传统的匹配计算主要是作图法和解析法，其共同缺点是工作量大，计算误差大。

利用 MATLAB设计相关匹配计算程序[2]，可以方便、精确地完成各种匹配计算，从而快速地对匹配方案进行筛选。

一、程序结构设计
按照流程，程序主要包括发动机外特性曲线的拟合、发动机与液力变矩器的匹配计算以及汽车动力性计算这 3 个模块[3]。

二、发动机外特性曲线的拟合
发动机外特性曲线是进行发动机与液力变矩器匹配计算的基础，通过发动机台架试验获得，常用 Me =Me(ne 或 Ne = Ne(ne 曲线表示。

本文选用 Me =
Me(ne 曲线来表示。

用数值方法计算时，需要将没有函数关系的发动机外特性曲线以拟合的方式用解析式表示，以便求解发动机外特性曲线与变矩器输入特性曲线的交点，即二者共同工作点。

已知发动机外特性曲线的若干离散点，采用最小二乘法拟合发动机外特性曲线的解析式，可以通过调整拟合阶次来控制曲线拟合的精度[4]。

运行程序，对所选的某型号发动机的外特性曲线进行拟合，拟合次数取 6。

发动机的外特性参数如表1 所列，拟合结果如图 1 所示。

图1
三、发动机与液力变矩器的匹配计算
发动机与液力变矩器共同工作性能是指发动机与液力变矩器共同工作的输入输出特性的变化规律。

当发动机与液力变矩器组合后，可视为一种新的动力装置，具有新的性能特性。

发动机与液力变矩器的匹配计算主要根据发动机的外特性和液力变矩器的原始特性，确定共同工作的输入特性、共同工作区域及其输出特性。

（一）、液力变矩器的无因次特性
液力变矩器的特性一般用液力变矩器的无因次特性来表示，其数据通常通过变矩器的台架试验测得。

无因次特性给出了变矩系数 K、变矩效率η 及泵轮转矩系数λ p 随转速比 i 变化的关系。

变矩系数 K 为涡轮输出转矩
与泵轮输入转矩
之比，即
(1
变矩器转速比 i 为涡轮转速
与泵轮转速
之比，即
(2
变矩效率η 为输出功率与输入功率之比，即
(3
泵轮输入转矩
(4 式中：为泵轮转矩系数；ρ 为工作油密度；g 为重力加速度；D 为变矩器有效直径。

（二）、共同工作的输入特性
液力变矩器和发动机共同工作的输入特性是分析研究液力变矩器在不同工况时，液力变矩器和发动机共同工作的转速和转矩的变化特性。

液力变矩器和发动机共同工作的必要条件是二者的转速和转矩相等，即
(5
(6
其计算的本质就是求解发动机外特性曲线与泵轮转矩曲线的交点，即泵轮转速和对应的泵轮转矩。

在一定转速比之下，有一个值确定一条泵轮转矩曲线。

因此，液力变矩器的泵轮转矩曲线是一组曲线，与发动机外特性曲线的交点是一系列交点。

采用最小二乘法拟合出不同转速比之下的泵轮转矩曲线的解析式，再联合发动机外特性曲线的解析式求解方程，即可求出发动机与液力变矩器共同工作的交点。

（三）、共同工作的输出特性
液力变矩器的涡轮输出转矩
与涡轮转速的关系曲线称为液力变矩器的
输出特性。

得到发动机与液力变矩器的共同工作点后，按下式求解共同工作的输出特性：
(7
(8
将得到的共同工作的输出特性离散数据通过最小二乘法拟合成曲线[5]，即可绘制出发动机与液力变矩器共同工作的输出特性。

在程序中输入所选的某型号液力变矩器的各项参数 (见表 2，液力变矩器的有效直径为 0.36 m，油液密度为 830 kg/ m^3，设定曲线拟合的次数为 5，即可求出共同工作的输入输出特性曲线，如图2和图3所示。

图2
图3 四、汽车动力性的计算汽车的动力性主要有 3 个评价标准，即汽车的最高速度、加速度及最大爬坡度。

笔者选用汽车的驱动力 - 行驶阻力平衡图对汽车动力性进行评价。

（一）、汽车驱动力汽车发动机与液力变矩器共同工作的输出
转矩经传动系统传递至驱动轮上，作用在驱动轮上的转矩产生一对地面的圆周向力，地面对驱动轮的反作用力即是汽车的驱动力，计算公式为 (9 式中：为变速箱传动比；为主传动比；为传动效率；r 为车轮半径，m。

（二）、汽车的行驶阻力汽车的行驶阻力包括来自地面的滚动阻力、空气阻力、上坡时的坡度阻力以及在加速行驶时需克服的加速阻力。

滚动阻力 (10 式中：m 为汽车总质量，kg；f 为滚动阻力系数。

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空气阻力 (11 式中：Cd 为空气阻力系数；A 为汽车迎风面积，m2；v 为车速，km/ h。

坡度阻力Fi = G sinα 式中：G 为汽车重力；α 为坡度角度，(°。

加速阻力 (12 式中：δ 为汽车旋转质量换算系数。

在程序中输入所设计的汽车的整车参数及变速箱 4 个挡位的相关参数 (见表 3、4，滚动阻力系数 f 设为 0.03，就可以计算出整车的动力性能，并绘制出不同挡位传动时汽车的驱动力-行驶阻力平衡图和爬坡度图，分别如图 3、图 4 所示 (加速特性图略，从而进行地下汽车的动力性分析。

表 3 整车参数车轮半径传动效率迎风面积空气阻力系数汽车质量 r/ m A/ m2 Cd m/ kg 0.4 0.95 2.49 0.42 18000 图4 -6-
挡位 1 2 3 4 表 4 变速箱参数传动比 i 5.01 2.41 1.39 0.81 汽车旋转质量换算系数δ 1.047 5 1.033 3 1.030 4 1.019 1 图5 从图 4 可以看出，当前动力系统匹配计算的驱动力与阻力的最大交点约为 80，即所设计汽车的最高速度为 80 km/ h ，此外设计的汽车最大爬坡度约为 5.5°。

根据设计要求，该汽车的最高速度应为 30 km/ h，最大爬坡度应为 20°，可见，当前动力系统的匹配不能满足设计要求，需要对其重新进行选型计算，以满足矿用汽车特有的工况条件要求。

五、结语基于MATLAB 的汽车动力性匹配计算软件，实现了从发动机与液力变矩器的匹配计算到汽车动力性计算的全部过程，可以快速地进行汽车动力性分析，从而对不同的匹配方案进行筛选。

与传统的作图法和解析法相比，基于 MATLAB 的匹配计算提高了匹配效率和精度，计算结果更加直观准确。

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参考文献： [1] [2] [3] [4] [5] 余志生．汽车理论 [M]．北京：机械工业出版社，2007 王正林．精通 MATLAB[M]. 电子工业出版社 2012 陈家瑞. 汽车构造[M].
机械工业出版社 2009 王杏芳. 基于 MATLAB 的汽车动力性匹配计算的研究 [J] 2013 吴发乾. 发动机和液力变矩器输出特性合成计算方法[J] 2012 -8-。