（动力机械及工程专业论文）495qme发动机与cdk6710客车传动系的匹配研究.pdf

硕士学位论文 摘要 发动梳与传动系统的匹配研究是目前汽车界所关注的重大研究课题，二者之间匹配 的好坏程度，赢接影响到整_ 车的动力憾和燃油经济性。客举发动机与传动系的合理匹羁己， 就是根据客车的使用条件和要求，通过改迸发动机、选择适当的传动系参数，使发动机 的缀常工作区尽量与理想工作区相吻合，以达到整车动力性和燃油经济性豹改善。本文 对4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车底盘传动系的匹配进行了磺究和改进。 本文在充分硬究与课题稠关的国内夕 文献基础上，剩用c r u i s e 软件建立了 c d k 6 7 1 0 客车的整车模型、4 9 5 q m e 发动机的模型、传动系模型、驾驶员控制模型以 及不同行驶模式模型等。 本文在建立驾驶员控镧模型时，对雩j 二驶过程的模拟进行了缁化。定义车辆起动特性 时考虑了起步阶段离合器主从动部分的接含过程，定义行驶特性时考虑了干亍驶阶段加速 踏板和制动踏板的开度变化以及抉档过程中离合器踏板和加速踏板的开度交化情况，真 实地描述了一个驾驶员的特性，使得模拟结果更接近于实际。 为了建立发动机数学模型和验证c 戳j i s e 软件模拟计算的精度，分别做了发动机稳 态试验和整车性能试验。将模 譬 计算僮和试验值进行了比较，结栗表明两者基本吻合， 由此验证了c r u i s e 软件的可行性以及所建模型的正确性。在模型正确的基础上，利用 传统汽车匹配研究理论和模j 彗l 计算栩结合的方法，根獯城市客车鲍运彳亍特点，慰 4 9 5 q m e 发动机进行了改进，利精客车万有特性和功率平衡图，对c d k 6 7 1 0 客车的传 动系统进行了匹配改进。设置了超速档，并且对变速器各档传动比和主减速器传动改进 行了调整。对改进盖的客车进行了模拟计算，绫采表明客车的动力性和燃油经济性都得 到了很大的提高。可见，利用传统计算和仿真模拟相结合的方法不仅熊及时发现设计中 的闯题，预测夔牵的性能水平，著鼠能大大缩短黟 制周期和费用。 关键词：发动机；传动系；匹配；模型；动力性；燃j ； 经济性；仿囊计算 4 9 5 q m e 发动桃与c d k 6 7 1 0 客车蒋动系的匹配研究 a b s t r a c t t h eo p t i m a lm a t c h i n go fa u t o m o t i v ep o w e r t r a i nh a sb e e na l li m p o r t a n ts u b j e c tt o a u t o m o b i l ee n g i n e e r s t h em a t c h i n gb e t w e e n e n g i n ea n dp o w e r t r a i nw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e p e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y p a s s e n g e rc a rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yn o to n l yd e p e n d o nt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，b u ta l s oo nt h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sa n dt h ep o w e r t r a i n m a t c h i n g t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo b t a i nb e r e rf u e le c o n o m y , t h ep a s s e n g e rc a rt r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r ss h o u l db eo p t i m i z e dt om a k et h ee n g i n ew o r ka l m o s ti nt h el o wf u e lc o n s u m p t i o n r e g i o nw h e ni to p e r a t e si nt h er e a ld r i v i n gm o d e s i nt h i sp a p e r , t h em a t c h i n gb e t w e e n 4 9 5 q m ee n g i n ea n dp o w e r t r a i no f c d k 6 7 1 0p a s s e n g e rc a rw f l , sr e s e a r c h e da n di m p r o v e d o nt h ef o u n d a t i o no f s u f f i c i e n c ys t u d yw i t ht h ei n t e r n a la n de x t e r n a ll i t e r a t u r e sc o r r e l a t e w i mt h ep r o b l e m 。t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l so f t h ep a s s e n g e re a r , i n c l u d i n gt h ev e h i c l e m o d e lo fp a s s e n g e rc a r , e n g i n ef u e l c o n s u m p t i o np e r f o r m a n c em o d e l ，p o w e r t r a i nm o d e l ， d r i v e rc o n t r o lm o d e la n dv a r i o u sd r i v i n go p e r a t i o n sm o d e l 、) l 舱r ee s t a b l i s h e db yt h eu s i n go f c r u i s es o f t w a r e t h es i m u l a t i o no fd r i v i n go p e r a t i o nw a sc o m p a r t m e n t a l i z e de x c r u c i a t i n gp a r t i c u l a r i t y t h ed r i v e rm o d e ls h o u l di m i t a t et h eb e h a v i o ro far e a ld r i v e r 勰w e l la sp o s s i b l e f o rt h i s p u r p o s e ，t h es t a r i n gb e h a v i o rw a sd e f i n e db yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec o a l e s c ep r o c e s sa b o u t t h ed r i v es i d ea n dt a k e - o f fs i d eo ft h ef r i c t i o nc l u t c h , t h ed r i v i n gb e h a v i o rw a sd e f m e db y t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a n g eo fa c c e l e r a t i o np e d a lp o s i t i o n ，a t t e s t e rp e d a lp o s i t i o na n d c l u t c hp e d a lp o s i t i o ni nt h es h i f t i n gp r o c e s s t h ee n g i n es t a b l ee x p e r i m e n ta n dp a s s e n g e rc a rr o a dt e s t d o n ei no r d e rt ob u i l dt h e e n g i n em o d e la n dt e s t i f yt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o nb yc r u i s e 码ea c c u r a c yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s j u s t i f i e db yc o m p a r i n gt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a l d a t a t h i sa l s ov a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo fc r u i s es o f t w a r e t h e4 9 5 q m ee n g i n e p e r f o r m a n c ew a si m p r o v e dt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f t h ep a s s e n g e rc a r w ea l s oi m p r o v e d t h em a t c h i n gb e t w e e nt h ee n g i n ea n dt h ep o w e r t r a i no f t h ec d k 6 7 l o p a s s e n g e rc a rb a s e do n t h ev e h i c l em a p p i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w e r - s p e e dd i a g r a m o v e r d r i v eg e a rw a sm o u n t e d ， a n dt h er a t i o so ft h eg e a r b o xa n ds i n g l er a t i ot r a n s m i s s i o nw e r ea d j u s t e dt oc o n f o r mt ot h e d e m a n d t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ei m p r o v e dp a s s e n g e rc a rs h o w e dt h a tt h e p e r f o r m a n c ea n d f u e le c o n o m yw e r ei m p r o v e d i tw a sp r o v e dt h a tt h em e t h o dw h i c h c o m b i n e sc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h et r a d i t i o nm e t h o dw a sb e n e f i c i a lt or e d u c i n gt h e d e v e l o p m e n tc y c l ea n dc o s to ft h ep r o d u c t i ti sc o n v e n i e n tt od i s c o v e rt h eq u e s t i o ni nt i m e 坝士学位论文 a n df o r e c a s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e p a s s e n g e rc a l o nt h ep e r i o dd e s i g n k e yw o r d s ：e n g i n e ；p o w e r t r a i n ；m a t c h i n g ；m o d e l ；p e r f o r m a n c e ；f u e le c o n o m y ； s i m u l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑耋声明：所至交的论文愚本入夜导帮豹指导下独立进幸亍研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包禽任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文串以明确方式标明。本人完全意识到本声裙的法律焉果 由本人承担。 作者签名：如俸 舀期：伽年够月，铂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鬃学校鸯关保留、使用学位论文的规定，陲意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据窿进行检索，可以采用影印、继露或掴攒等复利手段保存帮汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密疆，在年孵密君适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： e l 麓：渺辱年妒月膳日 曰期：御5 年仁月哆曰 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 在客车运输成本中，燃料消耗成本占2 0 3 0 ，而目前客车发动机使用的 燃料仍然主要是汽油和柴油，随羞国是经济豹遴步和交通运辕的发展，憝源供给 日趋紧张。因此，提高客车的运输效率，降低客车的燃油消耗提高客车的动力性 是目薷客车彳亍监急需孵决的重簧谍避之一。 世界范围韵能源危机的出现使各国汽车界都被迫采取各釉措施努力改善汽车 的动力性和燃油经济性。在来自市场和法规的双重压力下，围绕降低汽车燃油消 耗量、提高动力性能这个主题，借助予先进豹研究方法和技术手段，汽车设计人 员开展了大量卓有成效的研究工作。针对城市客车，目前国内主要围绕客车底盘 和发动祝采取了戳下措施： 1 提离汽车行驶效率 ( 1 ) 减小行驶阻力一通过改进车身造型、改善车身结构来减少空气阻力；通 过改进轮胎结构减少滚动阻力。 ( 2 ) 熬车质量轻爨化一采用新挺轻质材料，通过可靠性设计技术使整车质最 轻量化，使各总成部传、附件紧凑。 2 提高发动机性能 ( 1 ) 改进发动机一通过改善燃烧，减少冷帮损失以提高熟效率；采用可交气 门定时、交接量技术以改善部分负荷性能；通过降低运转部件的摩擦损失和发动 机辅助设备的损失以提高机械效率；采用汽油喷射、电予点火和微机控制使发动 机工作过程最佳化。采取这些措藤以提褰发动枫自毫有效热效率。 ( 2 ) 提高能源利用率一利用涡轮增联回收废气能；利用储能装置( 飞轮) 回 收割动能；提高黼属装鼍( 空调、彀器装置等) 的效率。 3 优化匹配动力传动系统 ( 1 ) 发动机的选型汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择；发动 机摊鳖的选择。 ( 2 ) 传动系型式及参数的选择变速器的烈式、速比范围、档位数、速比间 隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥豹类趱及尺寸。 客车动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动 系型式及参数的选择，即取决于客车动力传动系统合理匹配的程度。即使一台发 动机具有良好的性能，如果没有一个与之合理瓯配的传动系，也不戆充分发挥其 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的殴配研究 性能。巍与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作。 这样不仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机的使用寿命，丽且可 以取得良好的排放效果。然丽，在客车研制王作中，囊予专她分工过细，往往存 在着这样的情况，鄄发动枫研制部门整重于改善发动规l 的工作过程，降低枫披损 失，以减少燃油消耗率；底盘研制部门则着熏予提高传动效率，降低运行隧力等。 这些工作无疑是很重要豹，但如果不将发动机与底盘视为一个有联系的综合整体 _ i 麸彳亍合理匹配，任何一个部件的性能改进完全有可能由于另一部件的匹配不当而 造成燕车性能未获褥应霄的改进。 所以，客车行驶动力的产生、传递过程应该援为一个袁关联的综合体系，并 兼顾该系统与外部负载、道路条侔、周围环境所反映的行驶要求之闻的相置关系， 也就是说对某个部分的设计改进都必须以各个元件在熬个系统巾的协调箍达到的 熬体性能指标的好坏为标准。但是，由于问题的复杂性以及客车动力性、燃油经 济性之间的相互矛盾和制约，使客车动力传动系统的设计改避成为十分复杂的多 变量的优化闻题。 客车制造的核心技术在予底盘授术。跌2 0 整纪6 0 年代超，中国客车庶盘制 造业随着中国客车工业的发展从无到脊，走过7 段艰难强折豹发展历程。2 0 世 纪6 0 年代到8 0 年代期间，中国客车制造基本是直接采粥载货车底盘改装而成。 其中大型客车基本上采用黄河牌载赞车底盘，中型客车主要采用解放、东风载货 车底盘等。近年来，在引进技术的问时，国内一些客车底盘制造众业如汽、东 风和江淮等通过模仿，鑫走研制开发出一拙客车专用底盘，其中6 8 m 客车底懿 以h f c 6 6 0 1 k y 、h f c 6 7 0 2 k y 、h f c 6 7 8 2 隽代表，1 0 l l m 客车底盘以c a 6 1 0 0 、 e q l 4 5 系列客车底盘为代表，较好媲满足了市场需求。但是，绝大多数客车底盘 的传动系仍然采用与卡车底盘相同的配置，不能个性化的满足客车用户的需求， 尤其是城市客车的要求【1 1 。根据统计分析表明，厨前国产客车发动机使用工况多数 是逡离其竣饯经济区域，未能实现动力传动系统的最佳瓤配。 因此，通过会理匹配客车动力传动系统来提离客车运竣效率，降低燃油消耗 具有较大的潜力，这是一个值得迸一步研究的课题。正是在这种塞戏背祭下，本 文对c d k 6 7 1 0 客车的动力传动系统的合理匹配进行了磁究和分析。 1 2 整车匹配技术的篷内外研究现状 逶常对于客车动力性帮燃油经济性水平的评价，需要在完成整孳遵路试验之 后才能给出。整车的设计改型必须依靠简单的定性分析和定量计算，依靠大囊的 经验数据和反复测试，整个周期包括：经验设计计算一制遥样车一现场试验一样 车修改一现场试验一样车定型。这样做周期长、成本商，而且在产品设计阶段使整 车及各总成方案的确定、结构参数的选取、传动系与发动机豹匹配等尝蓼带有一定 2 硕士学位论文 的盲目性，可能会使较优的方案遗漏，进而使得整车的性能不尽人意，从而造成人 财物力的浪费。翔要试验某种车型，嗣不丽的发动机和不同的变速器及不同的轮胎 组合在一起就有很多种方案，每种方案都要设计制造一系列不同的零件，需要花费 大量的时闯和费用。 我国生产客车的企业众多，技术水平参差不齐，众多客车生产厂家实际土是 一个发动机、底盘岛车身的简单拼装，缺乏核心技术。部分企业在走向底盘自制 化道路过程中，缺乏应有的技术支持，在匹配过稽出现了较多润遂，比如“大马拉 小车”、“千里马变成油老虎”等等，这些都使得发动机的性能不能充分发挥。目前 国内豹大多数客车生产厂家，在进行发动机与底盘的匹配工作的时候，基本上都 是采用定性分析和简单的定量计算，这样的分板光可避免的带有一定的盲目性， 般计算量大而复杂。并且在计算时许多条件往往无法考虑到，导致计算结果误差 较大，蠢此使撂最终豹匹配方案逶常不够理想。 为了提高设计质量，缩短研制周期，在设计阶段就需要根据有关设计参数，对 照车动力性和燃料经济性进行预测。髓藩计算祝的广泛威用，计算机模拟计算己成 为汽车总体方案设计的有力工具。采用计算机模拟计算鸯很多优点，宦可以计算出 一些参数作微小变化时对整车的动力性和经济性的影响，而这往往是车辆试验时 测量不出来的；采梢计算机模拟还可以求鳃较复杂丙精礁麴数学模型，铁焉傻计算 结果更接近实际情况；计算机模拟可以在较短的时间里对各种方案进行计算比较， 有助予设计入员很快豹找鹫更优的设计方案和参数。 美国通用汽车公司在1 9 7 2 年首先开发了汽车幼力性与燃油经济性的通用预测 程序o p s i m ( g e n e r a lp u r p o s ea u t o m o t i v ev e h i c l ep e r f o r m a n e ea n de c o n o m y s i m u l a t i o n ) ，该程廖可以模拟汽车在务穗工况下的油耗和行驶距离，预测汽车设诗 参数如传动系速比、空气阻力系数等的变化对整车性能的影响【2 1 。随后，国外各犬 汽车公司也在这方面散了大量的研究工作，并开发了各自的模拟程序，懿福特汽车 公司的t o e f p ( t e s to p e r a t i n gf u e le c o n o m yp r o g r a m ) ，康明斯公司的v m s ( v e h i c l e m i s s i o ns i m u l a t i o n ) ，日产汽车公司的c s v f e p ，奔驰汽车公司的t r a s c o ，奥地利 a v l 公司的c r u i s e 等【3 ，4 l 。使用这些程序可以在撵车制造出来以蘸，就能较准确 地对整车的性能进行预测，找到各系统各参数的合理匹配，这样可以节省大量的试 验费雳，缩短设计周齄。 国外客车生产厂对匹配技术已经研究多年，并形成了一撼套的匹配技术规范， 在产品设计过程中发挥了巨大作用，避免了众多损失。相对于国外生产厂家，我 们所积累的经验相对较少。近几年来，匡内一些科磷院所也秀始使熙仿真计算来 进行发动机与传动系的甄配研究，但是由于车辆的行驶是一个复杂的过程，因此 这些磷究建立的数学模型大多毙较篱单，忽貉了缀多参数、条传畦及一些绸节过 程，导致仿真结果大多只能用于定性分析。相比传统的仅仅依靠手工计算和试验 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的匹配研究 来分析改进，这无疑有了很大的进步。但是，如果能详细考虑率辆在行驶过程中 豹各种复杂情况，建立的模型更加完善，将会馒仿真结巢更加实秀可信。阂此， 对发动机与底盘的躁配技术的研究刻不容缓。 1 3 课题来源及本文的主要内容 本论文的研究是7 米客车整车性能提高课题项目中的一部分，本文主要对 发动机与客车底盘传动系的合理匹配方面进行分析和研究，利用奥地利a v l 公司 的c r u i s e 软件对4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车底盘传动系的匹配进行研究和 模拟计算，并与试验结果和传统的计算方法所得的结果相比较，进而分析提出改 进方案。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 介缓整车动力性能和燃油经济性熊豹评价指标。 ( 2 ) 建立客车的结构模型和整车各系统的数学模型以及驾驶员控制模型、道 路模型和客车行驶工况模型。利用a v l 公司的c r u i s e 软件对整车的动力性和燃 油经济性进行模拟计算。 ( 3 ) 对装用4 9 5 q m e 发动机的原c d k 6 7 1 0 客车进行整车性能试验，测得其动 力性和燃油经济挂的各矮指标的结果。把试验结果与模拟计算缩采进行分桥比较， 验证软件和模型的可行性及准确性。 ( 4 ) 利用c r u i s e 软件和传统的瓯配理论相缩合的方法对4 9 5 q m e 发动机与 c d k 6 7 1 0 客车底盘匹配的各系绕参数进行分析研究，根攥城市客车的使用特点，提 出相应的发动机和传动系的匹配改进方案。 ( 5 ) ； l | 用c r u i s e 软 孛对匮配改进后豹c d k 6 7 掩客车的瞧能进行摸 耋 计算， 将仿真结果与原车的结果进行比较，分析改进方案的使用价值。 4 硕士学位论文 第2 章客车的动力性经济性评价指标 发动枫与整车琶配精，发动机的最佳性能能否发挥出来，便是遁配所要解决的 主要内容。丽要知道发动机与整车匹配的台理与否，就必须对整车的性能进行一个 综合的评价。车辆的动力性和燃油经济性是整车性能中最重要最基本的部分。 2 1 动力性评价指标 客车作为一种逡输工具，其运输效率的嵩低在很大程度上是由汽车的平均速 度决定的，而影响平均速度的主要因素就是汽车的动力性。汽车的动力性是指汽车 在良好路面上直线行驶时由汽车受到的缎向强力决定酴，赝髓达残靛平均抒驶速 度。 从获得尽可能商的平均行驶速度的观点国发，汽车豹动力健主要可由以下三 个指标来评定辑6 1 。 1 最高车速 最高车速是指在永平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度。它仅仅反 映汽车本身具有的极限能力，并不反映汽车实际褥驶中的警均速度。 2 加速性髓 汽车的加速能力常用原地起步连续换档翔速时间与最商档或次高档加速时间 来表示。 原璁起步连续换档的加速时间是指用一档或二档起步，以最大加速度按最佳 换档时间逐步换至最高档，加速至慕一预定的距离或车速所需要的时润。该项指 标反映了汽攀在各秘车速下的平均动力性。 最高档或次高档挑速时阗是揍用最高档或次离档由某一较低车速全力加速至 某一高速所需掰韵时间。因为超车时汽车与被超汽车并行，容易发生安全事故， 历以最高档或次高档加速能力强，行驶就更安全。 3 爬坡能力 汽车的爬坡戆力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度。来表示的。显 然，最大爬坡度是指档时的最大爬坡度。有些姻家忍汽车在一定坡邀上能达到 豹车速来表明其爬坡能力。该顼指标掰反映的是汽车低速时的动力往。 现有的汽车动力性的评价指标只是反映了汽车本身其有的极限能力，在一定 程度上反映了汽车动力性的好坏，但由于未与复杂的实际使用工况统一考虑，因 而往往与汽车实际使用效果相差很丈。例如国内鞠蘸的城市公共汽车，尽管其最 离车速设计在7 0 9 0 k m h 志右，丽实际汽车遮营时的平均车速只有2 5 4 5 k m h 。 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的匹配研究 2 2 经济性评价指标 在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗率经济行驶的能力称为汽 车的燃油经济性。汽车的燃油经济性与发动视的燃油消耗特性、汽车结构参数和 汽车行驶条件等密切相关。燃油经济性好，可以降低汽车的使用费用，节卷能源， 同时也可以降低发动枫的c 0 2 摊放量。宙予节约燃料，保护环境己成为全球关注 的重大事件，因此汽车的燃油经济性受到各国政府以及汽车制造泣的高度熏视。 汽车的燃油经济性通常用一定工况下汽车行驶一百公里的燃油消耗量或一定 燃油量能行驶的里程来衡量。在我国及欢渊，燃油经济性擐标的单位为l 1 0 0 k m ， 即行驶1 0 0 k m 所消耗的燃油量。荚国为m p g 或m i l e g a l ，指的是每加仑燃油能符 驶麴英鬃数。 1 等速燃油经济性 等速行驶百公里燃油消耗羹是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷下， 以最高档在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k m 的燃油消耗量。测出每隔1 0 k m h 或 2 0 k m h 速度间隔的等速酉公里燃油消耗最，绘制成曲线，称为等速酉公里燃油消 耗量曲线，鼹它来综合评徐汽车的燃油经济性。 2 多工况燃浊经济性 等速行驶工况并没有全面菠浃汽擎的实际运行情况，特别憝在市区行驶中频 繁出现的加速、减速、怠遗停车等行驶正况。因此，在对实际行驶车辆进行跟踪 测试统计的基础上，各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车 运行工况，并以其百公里燃泊消耗量来评价褶应行驶工况豹燃油经济性。这魏多 工况法包括怠速、加速、减速、匀速和换档等行驶模式在内，该方法综合考虑了 客车行驶的典型路蔼和特殊环境，最大程度上避免了采用单一王况进彳亍试验所带 来豹评价误差。尽管妇此，目嚣等速燃油经济性仍是客车经济性的评价指标之一， 人们常将它和多工况燃油经济性结合起来考察客车的经济性能。 欧洲经济委员会( e c e ) 规定。要测量车速为9 0 k m h 和1 2 0 k m h 的等速蠢公 里燃油消耗最和按e c e r 1 5 循环工况的百公熊燃油消耗爨，并备取1 3 相加作为 混合百公里燃_ | i l 消耗爨来谱定汽翠的燃油经济性。我国根据不辩的试验车摧制定 了不弼髂试验工况。对憨羼量在3 5 0 0 1 4 0 0 0 k g 的载货汽车按六工况送行试验， 对城市客车按圈工况避行试验，对轿车按十五工况进行试验。还规定以等速百公 里燃油消耗鬣和最高档全负荷加速行驶5 0 0 m 的加速浦耗作为单项评价指栎，以德 环工况燃油消耗量作为综合性评价指标【5 ，6 】。 2 3 本文分析所采用的评价指标 本课题研究的是c d k 6 7 1 0 客车的动力性能和燃油经济性能，根据用户反映 6 硕士学位论文 该车存猩的问题是：最高车速偏低、爬坡无力、加速性能差、油耗高。 因此，针对用户反映的现象，在进行模拟计算以及试验研究时，主要采用的 动力性评价指标有客车满载情况下最急车速、原地起步连续换档加速性能、蛊 接档加速性能和最大爬坡发k ；主要采用的经济性评价指标有客车满载情况下各 档不罚车速等速行驶的嚣公里油耗以及循环工况油耗。 7 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的匹配研究 第3 章客车整车模型的建立 前面介绍了评价整车动力性能和经济性能的评价指标，具体怎样计算则必须 考虑到车辆的实际行驶过程和相应的发动机运转工况。本章将建立c d k 6 7 1 0 客车 在不同行驶模式下的各系统的模拟计算模型。 所谓模型( m o d e l ) 是指为了某个特定的目的将原型所具有的本质属性的菜一 部分经过简化、提炼丽构造的原型替代物。它是对实体系统的特征和变化规律的 一种定量的抽象，抽象的过程是建模的基础。常用的建模方法有以下| l 珂类口1 ： 1 机理建模法 机理建模法倾向于运用经验知识信息，根据构成系统的一些假设和基本原理， 通过数学上的逻辑推导和演绎推理，从理论上建立描述系统中各部分的数学表达 式或逻辑表达式。这是一种从一般到特殊的方法，并且将模型看作是在一组前提下 经过演绎而得到的结果。此时试验数据只被用来证实或否定原始假设或原理。机 理建模法又称为演绎法或理论建模法。 2 试验建模法 试验建模法是根据观测到的系统行为结果，导出与观测结果相符合的模型，这 是一个从特殊到一般的过程。它是基于系统的试验和运行试验数据建立系统模型 的方法，即根据系统的输入、输出数据的分析和处理来建立系统的模型。这种方法 又称为归纳法或系统辨识法。 本章将主要运用以上两种建模方法在c r u i s e 软件中针对所选的客车建立各 系统的结构和数学模型。 3 1c r u i s e 软件介绍 本课题采用a v l 公司提供的c r u i s e 软件进行发动机与整车的匹配模拟研 究。 c r u i s e 是研究汽车动力性、燃油经济性及排放性能的高级模拟分析软件。灵 活的模块化理念使得c r u i s e 软件可以对任意结构形式的汽车进行建模和仿真。 它可用于汽车开发过程中的动力系统、传动系统的匹配、汽车性能预测和整车仿 真计算；可以进行发动机、变速箱、轮胎等的选型及它们与车辆的匹配优化；还 可以用于混合动力汽车、电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优 化。 c r u i s e 软件是基于全面满足汽车开发全过程要求的思想而设计的。它具有以 下特点：模块化的概念可进行各种汽车和动力总成配置的分析、智能化的司机模 型根据人体反应真实地再现车辆的行驶、发动机的冷启动模型考虑了高等摩擦和 型根据人体反应真实地再现车辆的行驶、发动机的冷启动模型考虑了高等摩擦和 撷士学位论文 热力学效应、黑盒予功能可嵌入用户臼定义的模块和控制算法。该软件既能计算 纯运动学模蘩，也能计算运动学动力学混会模型，如计算弹性扭转传动轴系的低 频振动。计算可以是准稳态的，比如发动机m a p 图中的一个控制点，也可以是瞬态 的，比如包含驾驶员和加速踏板模型的真实行驶工况的模拟。 下丽将详细的分析如俺在c r u i s e 软件中建立各系统豹结构模型和数学模型。 3 2 车辆模型的建立 3 2 1 攘车的结构模型 客车的结构模挺如图3 1 所示。 豳3 1 客车的结构模戮 其中： 1 b u s 一客车整车模块； 2 4c y l i n d e re n g i n e 一发动机模块( 四缸汽油机) ； 3 。f r i c t i o nc l u t e l 卜一离合器模块( 摩擦片式离合器) ； 4 g e a rb o x 一变速器模块( 蕊档变速器) ； 5 s i n g l er a t i ot r a n s m i s s i o n - - 主减速器模块； 6 v e h i c l e ：f r o n tl e 舡一汽车殿前车轮模块； 7 v e h i c l e ：f r o n tr i 曲卜汽车右前车轮模块； 9 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的匹配研究 8 v e h i c l e ：r e a l l e m 一汽车左后车轮模块； 9 v e h i c l e ：r e a l r i 班t _ 汽车右后车轮模块； 1 0 f r o n td i s kb r a k e 一汽车左前制动模块： 1 1 f r o n td i s kb r a k 卜汽车右前制动模块； 1 2 + r e a rd i s kb r a k e 一汽车左藤制动模块； 1 3 r e a rd i s kb r a k e 一汽车右后制动模块； 1 4 d i f f e r e n t i a l - - 差速器模块； 1 5 c o c k p i t _ 驾驶员控制模块。 3 2 2 车辆模块的数学模型 车辆摸块包括：棼辆的一些大体数掇，比如尺寸、满载空载时的质量和迎风面积 等等。车辆模块中主要尺寸参数见图3 2 。 翻3 2 客车豹尺寸参数示意围 m 一客车重心的高度h i m ；l v ，一客车重心到前轮轴的蹉离，m ； f r 一一前后转轴的距离，嗍。 3 2 2 。1 整车质量 客车的瞬态质最胁，。出下式来表示。 m r = m y o r , t o a d ) ( 3 1 ) 空载时= r 1 e a d = 0 ，因龀空载时客车质量m ，( = 拼r 曲；满载辩z ，删= 2 ，满载质 爨掰，( 2 ) = 掰r ，州；半载时知, l o a d = l ，半载震量拼，( 1 ) = i n v , m i a - b m v , l 。 当车辆在别的负载状态下时，可以根据客车空载、半载以及满载的质量采用线 性插值的方法求得窜辆的瞬态质量m v 。, 1 0 硕士学位论文 3 2 2 2 整车重心位置 整车重心的实际位置依赖于车辆的载荷状态。 h r = h v , c o g ( z r ，m d ) l v p d g | = i v , c o g ( z r l “) 式中：h v 。一客车实际重心的高度，r a m ； ，。，。一客车实际重心到前轴的距离，m m 。 3 2 2 3 车轮的动态载荷 对后轴取矩，合力矩为z m ，。= o ，由此可以计算出前轴上的载荷： ( 3 2 ) ( 3 3 ) f w , x , f , o z = m v , a c t ( 1 - 鲁 g 。一百 i v , c o g , o c t 垤s m 口棚4 ， 式中：易舭。一前轴的载荷，n ； 口u 一路面坡度，r a d 口，一客车加速度，m s 2 。 前轴上的载荷平均分配到左右前轮上，左右前轮载荷为： f 昂。，= 昂。川= 二鼍丝 ( 3 5 ) 式中：巧。，一右前轮载荷，n ； 品。一左前轮载荷，n 。 同样，对前轴取矩，合力矩为7 _ 3 1 ，。= 0 ，由此可以计算出后轴上的载荷： 吨一半+ 鲁v 垤s m 口u ) s ， ，一 j 式中：。一后轴的载荷，n 。 后轴的载荷也同样平均分配到左右后轮上，所以左右后轮载荷为： f 昂。，= 昂驯= 二号盟 ( 3 7 ) 式中：岛。，一右后轮载荷，n ； 。，一左后轮载荷，n 。 3 2 2 4 整车的行驶阻力 汽车在水平道路上直线等速行驶时，必须克服来自地面与轮胎相互作用而产 生的滚动阻力，和来自车身与空气相互作用而产生的空气阻力b 舢。当汽车在 坡道上上坡行驶时，还必须克服其重力沿坡道的分力，称为坡道阻力昂。汽车加 速行驶时，还需克服加速阻力毋一。因此，汽车行驶的总阻力品，。为： 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的匹配研究 昂。= 昂，+ 昂+ 毋驯+ 以。 ( 3 8 ) 上述各种行驶阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下都存在的，坡 度阻力和加速阻力仅在一定的行驶条件下存在。汽车下坡时，坡度阻力为负值，此 时汽车霪力沿坡道的分力已l 经不是汽车的行驶阻力，而是动力了。同样，汽车减速 行驶时，惯性作用是使汽车前进的，赝以加速阻力也是负慎，也不是阻力了。在本平 道路上匀速行驶时，就没有坡度阻力和加速阻力了。 1 。滚动阻力昂， 滚动阻力是车轮在地面上滚动时产生的阻力，其生成机理和影响因素将在车 轮轮胎模型中做其体的介绍。 岛，= c ，( ，l r g ( 3 9 ) 斌中：岛，( 唧) 一滚动阻力系数( 车速的函数) 。 2 空气臌力易。 汽车行驶时，汽车与空气之间形成相对运动，空气作用力在汽车行驶方向的分 力称为空气阻力。空气阻力由两部分组成，一是作用在汽车外表面上的法向压力的 合力在行驶方向的分力，称为压力阻力；另一部分是具有粘度的空气对车身表露产 畿的摩擦力的合力在行驶方向的分力，称为腾擦阻力。在汽车行驶范围内，空气阻 力的数值通常都总结成与气流榻对速度的动匿力妄砌，。嵋只。成正比的形式辑6 1 ， 二 即： 昂舸= 去c 。匆助砷瞎，槲 ( 3 + i o 嗡。p 州= d r + ( 3 1 1 ) 式中：c 。一空气阻力系数； 彳，一客车的迩风殛积，m 2 ； 砌。一空气密度； , v , r e 一客车的相对运动速度，m s ； d ，一客车的实际速度，m s ； 。一风速，m s 。 3 ，坡度阻力s 。 车辆上坡行驶时，整车重力沿坡道的分力称为坡度阻力昂。，即； 昂，耐= m r g s i n a u ( 3 1 2 ) 式中：a ：，一邋路坡度角( 上坡时，口。 0 ；下坡时， 0 ) 。 4 加速阻力昂一 汽军加速时，需要克服其质量加速运动日重的覆性力，郎为加速阻力。汽车的痰 量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性力，而且旋转 硕士学位论文 帛_ 目_ _ 自_ _ ! 宣= e _ _ 目_ _ e 自# 目 目_ _ _ e ! $ # _ = j - _ _ _ 2 e = 目= 女_ _ ，一p n n l _ = = _ ! 幂_ _ e - - _ 自! # z 自| _ _ _ _ _ 螭豳e = j 霉j _ 质量也要产生惯性力偶矩。为了计算方便，一般将加速时旋转质量的惯性力偶矩转 化为平移凄璧的馁链力 甜。 f v , a c c e - - - 艿，啊v , a c t 等 ( 3 m 式中：占一车辆旋转质量换算系数( 一般1 i 占 1 5 ) 。 3 3 发动机模型的建立 汽车的动力性和燃油经济性主要取决于发动机的性能。= 燕进行汽车动力性秘 燃油经济性的模拟计算中，发动机使用性能的描述至关重要。汽车在行驶过程中， 发动机经常工作在非稳定状态，为了和实际情况相一致，在发动机性能的台絮试验 中应测星其非稳定工况下的性能。由于测量工作还有很犬的难度，绝大多数情况下 都采糟稳定工况下的发动枫试验数据来表示发动梳豹稳定或j # 稳定工况性能。尽 镣已有大量的研究试图从发动机的工作机理方面入手，通过热力过程循环分析的 理论计算，建立发动机特性与输入变敷的关系，但到目前为止，台架试验方法仍然 是普遍采用的一种最直接有效的研究手段，由试验获箍大量数摄，经过处理、拟合 得至0 发动机稳态时的工作特性，并可进而修正得到发动机瞬态特性i s , 9 。 羁掇试验数据对发动班性能静描述方法主要有两种：是试验数据直接描述 法，即把实测的试验数据存入计算机中，当需要某一点的运行数据时，利用插值的 方法求出，该方法的特点是精度高，毯是程序控制难度大，而且计算速度受到一定 的影响；二是数学模型描述法，该方法的特点是比较灵活，计算撬处理方便，但其精 度比插值法要低一点。c r u i s e 软件中建立发动机模型是采用试验数据直接描述 法。 3 3 1 发动机外特性模型 通过发动机台架试验，由试验数据熬理得到发动机速度特性曲线m 。= f ( n 。，口) ， 其中，搿( o c t ：a ， 。 ( 3 1 4 ) 嚣 式中；，2 。发动机转速； 一，一多项式中各项系数； 七一多项式阶数； 多项式中的待定系数一，可依据最小二乘法原瑾求得f l 。n ，控j 。 利用台架试验测得发动机的一组( n 个) 外特性试验数据( m e d n e d ) ( - ，= l ， 2 ，n ) ，将数据代入式( 3 5 ) 中，并记入随机误差e i ，得到： 4 9 5 q m e 发动机与c d k 6 7 1 0 客车传动系的瓤配研究 m 。l m 。2 ： m d 厅： 打三 - 竹刍 一o 4 ： 4 + 岛 e 2 ( 3 1 5 ) 写成矩阵形式即为： m 。= g - a + e ( 3 1 6 ) 式中，g 为( | j + 1 ) 除蠖阵，m e 均为n i 阶捌向量。 假设j = p ? = e 7 - e ，应用最小二乘法原理，按照极篷理论，裔： 当 ：0 (3。17)t 翩o 。 。 可以褥到 五= ( g 7 g ) 7 g 7 也 ( 3 1 8 ) 因此有： m 。= g a