（车辆工程专业论文）新型汽车动力传动系统性能计算研究.pdf

新掣汽乍动，j j 传动系统r 丰能计算研究 摘要 汽车动力传动系统是汽车的重要组成部分，其性能的优劣直接决定着汽车动 力性和经济性的好坏。在新型汽车动力传动系统开发过程中，对其动力传动系统 的性能进行研究，可以为动力传动系统参数的确定和优化提供依据，以达到提高 整车性能的目的。本论文的研究工作就是将汽车动力传动系统性能计算和评价的 理论应用于两种新型汽车动力传动系统，揭示它们的性能优势，提出了技术应用 的指导建议。 本文首先从汽车行驶原理出发，对汽车动力传动系统动力性、经济性计算的 基本原理及评价指标进行阐述，为后面的研究工作做准备。 接着分别对整车性能模拟软件g t - d r i v e 的功能、应用领域，v b a ( v i s u a lb a s i c f o r a p p l i c a t i o n ) 编程语言的功能、特点及g t - d r i v e 与v b a 编程相结合的汽车性 能计算方法进行简要说明。 然后，详细阐述一种液压混合动力垃圾回收车的动力传动系统的组成、原理 和能量控制策略；详细说明内燃机动力驱动的原车和液压混合动力驱动的车辆的 计算建模原理；在此基础上编写液压混合动力垃圾回收车的动力性、经济性计算 程序，对液压混合动力垃圾回收车的性能进行全面分析和评价并与原车性能进行 对比。计算表明液压混合动力车辆的动力性能与储能器的初始压力有关；在指定 运行工况下，综合燃油消耗量比原车降低2 4 7 1 。 最后本文从汽车理想驱动力曲线出发，针对一种无变速器汽车传动系统，进 行了动力学分析的探讨研究。以g t - d r i v e 软件为工具，建立无变速器汽车动力传 动系统动力学模型。计算表明该车最大爬坡度可达2 8 ，最高车速达到1 2 2 3 8 k m h 。 结果表明，本文采用的汽车性能计算理论及计算建模方法有效的揭示了汽车 动力传动系统的性能，可以为汽车动力传动系统新技术的应用提供指导。 关键词：汽车；动力传动系统；整车性能；模拟计算 l i 硕l j 学化论文 a b s t r a c t p o w e r t r a i ni sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fav e h i c l e ，m o r e o v e r , i t sp e r f o r m a n c e d e t e r m i n e st h ev e h i c l ef u n c t i o n a l i t y s t u d y i n go nt h ep o w e r t r a i np e r f o r m a n c eo ft h e n e wt y p ev e h i c l ep o w e r t r a i ns y s t e m sp r o v i d e st h eb a s i sf o rd e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h ep o w e r t r a i ns y s t e mp a r a m e t e r s i nt h i s t h e s i s ，t h et h e o r yo fv e h i c l ep o w e r t r a i n p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o na n de v a l u a t i o ni su s e df o rt w on e wt y p e so fp o w e r t r a i n s y s t e m s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ea d v a n t a g e so ft h en e ws y t e m sa n dg i v e s o m er e c o m m e n d a t i o n sf o rt h ea p p li c a t i o n f i r s t l y ，t h e t h e s i sd i s c u s s e dt h ev e h i c l e d r i v i n gp r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c e ，f u e l e c o n o m y ，a n ds o m ee v a l u a t i n gf a c t o r sf o rt h ea u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t h e v e h i c l e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n s o f t w a r eg t - d r i v ea n dt h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ev b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) w e r ei n t r o d u c e d t h e s i m u l a t i o nm e t h o du s i n gb o t ht h eg t - d r i v ea n dv b ac o d ew a si n t r o d u c e d ，a sw e l l t h e nt h e c o n f i g u r a t i o n ，p r i n c i p l ea n dp o w e rs t r a t e g yo fah y d r a u l i ch y b r i dg a r b a g e p i c k u pv e h i c l ew e r ed i s c u s s e d t h ec a l c u l a t i o nm o d e l i n gp r o c e s so ft h eh y b r i dv e c h i l e w a sd e s c r i b e di nd e t a i l s i nt h i sb a s i s ，t h e p e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yo ft h e h y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l e w e r e p r o g r a m m e dt oa n a l y z e a n da s s e s st h ev e h i c l e p e r f o r m a n c ec o m p r e h e n s i v e l y i na d d i t i o nac o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo r i g i n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ep o w e r e dv e h i c l ea n dh y d r a u l i ch y b r i dv e h i c l ew a sm a d e t h e c a l c u l a t i o ns h o w e dt h a tt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c er e l a t e dt ot h ei n i t i a l p r e s s u r eo ft h ea c c u m u l a t o r i nt h es p e c i f i e dd r i v i n gc y c l e ，t h ec o m p r e h e n s i v ef u e l c o n s u m p t i o nr e d u c e d2 4 71 c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lv e h c i l e f i n a l l y ，av e h i c l ep o w e r t r a i nw i t h o u tt r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nw a se v a l u a t e d f o r e x p l o r a t o r yr e s e a r c ho nt h i sp o w e rs y s t e m sd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，ad y n a m i cm o d e l w a sb u i l tw i t hg t - d r i v e t h ec a l c u l a t i o ns h o w e dt h a tt h em a x i m u mg r a d a b i l i t yw a s 2 8 ，t h em a x i m u ms p e e dw a s12 2 3 8 k m h t h i sw o r ks h o w e dt h a tt h et h e o r ya n dm o d e l i n gm e t h o dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s c a nb ee f f e c t i v e l yu s e dt os t u d ya n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fn e wt y p ev e h i c l e p o w e r t r a i ns y s t e m s h e n c e t h i ss i m u l a t i o nm e t h o dc a np r o v i d eg u i d a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to fn e wt y p ep o w e r t r a i ns y s t e m s k e y w o r d s ：v e h i c l e ；p o w e r t r a i n ；v e h i c l ep e r f o r m a n c e ；s i m u l a t i o n i i i 硕f j 学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 汽车诞生至今已有1 2 0 余年，在这一个多世纪里它对人类社会的物质文明和 精神文明的进步起到了巨大作用，可以说它影响着我们生活的方方面面。我国公 安部统计数据显示，截止2 0 0 9 年6 月底全国机动车保有量约为1 7 7 亿辆。其中包 括：汽车6 9 6 2 6 0 万辆、摩托车9 1 2 2 6 6 万辆、挂车1 0 3 5 0 万辆、上道路行驶的拖 拉机1 4 6 4 1 8 力辆，其他机动车2 1 7 万辆。可见汽车已经成为人们生活中不可 缺少的交通工具。到目前为止绝大部分汽车仍然采用以石油为燃料的内燃机为动 力，所以数量众多的汽车每年既要消耗大量的石油，又排放大量的废气。当前世界 能源同益紧张，环境保护也越来越受到人们的重视，而汽车既消耗能源又排放废 弃物，因此汽车的节能减排研究一直是汽车工业和科研领域的热门话题。 为了减少对石油资源的依赖，缓解石油紧缺带来的能源危机，国内外的研究 机构和汽车厂商加大了对新能源汽车技术的研发投入，形成了多种技术共同发展 的局面。以日本、美国及欧盟为代表的发达国家和地区，特别是丰田、宝马、通 用、本田、大众等主要汽车厂商根据本国和公司的实际情况，先后采取了不同的 新能源汽车技术发展策略，研发成功了多款新能源概念车型和应用车型，其中一 些成熟的技术己经成功实现了产业化心1 。我国根据实际情况和世界汽车发展的趋势 制定了相应的产业政策及发展纲要。2 0 0 4 年6 月1 日正式颁布实施的汽车产业 发展政策中提出“汽车产业要结合国家能源结构调整战略和排放标准的要求， 积极开展电动汽车、车用动力电池等新型动力的研究和产业化，重点发展混合动 力汽车技术和轿车柴油发动机技术。国家在科技研究、技术改造、新技术产业化、 政策环境等方面采取措施，促进混合动力汽车的生产和使用 ，“汽车产业及相 关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车的燃油经济性。2 0 1 0 年前，乘用车新 车平均油耗比2 0 0 3 年降低1 5 以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求， 建立汽车产品油耗公示制度 。国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 m 2 0 2 0 年) 将低能耗与新能源汽车列为优先主题，纲要指出“重点研究 开发混合动力汽车、替代燃料汽车和燃料电池汽车整车设计、集成和制造技术， 动力系统集成与控制技术，汽车计算平台技术，高效低排放内燃机、燃料电池发 动机、动力蓄电池、驱动电机等关键部件技术，新能源汽车实验测试及基础设施 技术等”。在国家产业政策的引导下，国内各大汽车厂商、高校、科研机构对新 新型汽乍动力f 0 动系统- 陀能计算研究 能源汽车技术的研究热情高涨，并投入大量人力、物力、财力，使得我国新能源 汽车技术得到很好的发展。 根据国家科技部的定义，我国新能源汽车技术主要包括混合动力汽车、纯电 动汽车、燃料电池汽车、替代燃料汽车等类型。新能源汽车由于采用不同于传统 汽车的动力源，所以必然要设计新型的动力传动系统与之匹配，特别是混合动力 汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车。传统汽车动力传动系统由发动机( 内燃机) 、 离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器、驱动轴、轮胎等构成；新能源汽 车动力传动系统中的动力源将是多种形式，同时变速器机构也有所变化，本文将 这种与传统汽车动力传动系统不同的新能源汽车动力传动系统称之为新型汽车动 力传动系统。 国外许多科研机构和汽车厂商经研究发现，汽车动力性和经济性的高低，不 仅与发动机的效率高低有关，而且在很大程度上要取决于汽车动力传动系统性能 匹配的好坏口叫1 。在国外，整车设计已经形成了以整车需求、道路特点为先导，通 过精确模拟和整车性能模拟( 预测) 的先进手段进行整车匹配设计的模式。这种 模式配合大量的道路试验数据，大大提升了整车匹配设计的前期符合性，有效地 缩短了产品推出周期喵1 。这些厂家在大量试验和理论积累的基础上，透彻理解发动 机性能与其参数之间、整车性能与各参数之间的关系，提出了“虚拟发动机技术 和“虚拟样车技术 的概念并付诸实施，建立各总成的计算模型，进行整车模拟， 在发动机尚在设计阶段就可预测其性能，在发动机尚未装车就可预测其装车后的 整车性能1 。因此汽车动力传动系统性能的研究成为汽车设计制造过程中的一个重 要部分。对于新能源汽车来说新型汽车动力传动系统的开发设计、性能研究更显 得尤为重要，动力传动系统性能的好坏将决定着新型汽车的成败。 由于汽车动力传动系统性能匹配如此重要，各大汽车厂商和研究机构在整车 性能分析方面都推出各自的分析软件如：福特公司的t o e f p ，康明斯公司的v m s ， 美国交通部的v e e m i s ，日本日产汽车公司的c s v f e p ，德国奔驰汽车公司的 t r a s c o ，a v l 公司的c r u i s e ，美国g a m m a 公司的g t - d r i v e ，美国再生能源实验 室( n r e l ) 的a d v i s o r ，美国国家实验室的h v e c ，美国国家工程实验室的 s i m p l e v ，o p a l r t 技术公司的h e v s i m 等h 1 。这些软件的使用在样车制造前就能 准确地对汽车动力传动系统的动力性、燃料经济性进行预测，这样就可以节省大 量的试验费用，缩短设计周期。这些软件有的侧重于传统动力传动系统性能模拟， 为新车型设计开发提供了有效分析手段；有的针对开发新能源汽车动力总成系统 而开发，为新型汽车动力传动系统的开发提供了可靠的虚拟研究平台。 本文就是在这样一个如火如荼的研究与应用新能源汽车技术的环境下，基于 汽车性能匹配基本原理，以商用整车性能分析软件g t - d r i v e 和v b a ( v i s u a lb a s i c f o ra p p l i c a t i o n ) 语言编程为工具，以两种新型汽车的动力传动系统为研究对象进行 硕 ：学位论文 计算研究，分析其动力传动系统的动力性能和经济性能，并与传统动力系统对比， 指出其优势所在和发展趋势，为新型动力系统的应用提供理论基础。 1 2 国内外研究情况 在计算机模拟计算方法和技术应用于汽车动力传动系统性能分析以前，设计 工程师们由于测试和计算工具的限制，只能做些定性分析和定量计算，然后确定 方案试制样机，对样机进行试验测试，如果测试结果没有达到设计目标则修改设 计参数，再分析设计试验测试，多次反复直到达到设计目标。这样的研发过程较 长，不能及时响应客户的需求；多次试制样机进行试验测试使得成本较高；试制 样机不能快速反应汽车性能对设计参数的敏感度。 随着计算机的快速发展，计算机模拟计算技术在汽车研发过程中被广泛的应 用，从而缩短了研发周期，降低了研发成本，又提高了设计水平。在汽车动力传 动系统性能分析方面，国外各大汽车厂商和科研机构先后提出了多种模拟计算程 序，为研究汽车动力传动系统的动力性和经济性提供了方便、准确的计算工具。 特别是在混合动力汽车，纯电动汽车，燃料电池汽车等新型汽车动力传动系统的 研发中，先进的模拟计算分析起着越来越重要的作用。 1 9 7 2 年美国通用汽车公司首先开发了汽车整车性能模拟程序g p s i m ( g e n e r a l p u r p o s ea u t o m a t i cv e h i c l ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m ys i m u l a t o r ) ，g p s i m 可以模 拟计算给定循环工况下的发动机、变速器的运行工况和性能以及燃油经济性。用 户以g p s i m 为平台，通过结合稳态试验数据和整车参数，建立各种车辆的模拟计 算模型，对车辆的动力性和经济性进行模拟计算分析哺】。此外福特汽车公司、康明 斯公司、日产汽车公司、奔驰汽车公司等都相继推出了自己的模拟计算分析软件。 2 0 世纪9 0 年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和 混合动力电动汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密 机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的动 力性指标达到了燃油汽车的水平。进入2 1 世纪后，各国加快了h e v 概念产品化 的进程，相继推出了不同形式的h e v 产品，如t o y a t a 的p r i u s ，h o n d a 的i n s i g h t ， d a i m l e rc h r y s l e r 的e s x 3 ，f o r d 的p r o d i g y ，n i s s a n 的t i n o ，g m 的p r e c e p t 等都是 具有代表性的车型。与此同时许多新能源汽车整车性能模拟软件被相应推出如： 美国再生能源实验室( n r e l ) 的a d v i s o r ，美国国家实验室1 9 9 4 年推出的h v e c ， 美国国家工程实验室的s i m p l e v ，以及a v l 公司的c r u i s e ，美国g a m m a 公司的 g t - d r i v e 等。这些软件的出现和应用，使得研究人员或工程师在新型汽车生产 出来之前就能对汽车的性能有准确的把握，从而缩短了研发周期，降低了研发成 本。 我国整车动力传动系统性能研究方面的起步较晚，进入2 0 世纪8 0 年代以后一 新型汽乍动力传动系统忖能计算研究 些科研单位和高校开展了这方面的工作。通过发动机、变速器、主减速器等合理 匹配来提高整车性能的方法越来越引起研究者的重视。我国内燃机界知名教授杨 连生在其19 8 8 年出版的内燃机性能及其传动装置的优化匹配一书中，针对内 燃机与传动装置的匹配问题进行了深入研究。他论述了内燃机与传动装置( 底盘) 的优化匹配，包括经济性匹配与动力性匹配。在解决“匹配”问题时，杨教授提 出的“汽车万有特性”使得“匹配 问题变得比较简单明了阳1 ，这也为以后的动力 传动装置的匹配工作指明了道路。东风康明斯较早地展开了整车性能及系统匹配 工作，玉林柴油机公司以及上柴公司为了争夺市场主动权，也都早早的启动了这 项工作1 。 1 3 课题研究的主要内容 本文研究了汽车动力传动系统的动力性、经济性模拟计算的理论、方法和性能 评价指标，介绍了整车性能模拟计算的软件工具。然后以两种新型汽车动力传动 系统即一种新型液压混合动力垃圾回收车辆和一种无变速器汽车传动系统为计算 研究的对象，并将其与传统的汽车动力传动系统进行对比，揭示了新型汽车动力 传动系统性能的优势并为新技术的应用提供指导建议。本文主要内容包括： ( 1 ) 综述现有汽车传动系统性能计算理论，了解各种动力汽车的性能计算工 具和方法，在此基础上研究新型汽车动力传动系统性能计算的方法，提出采用商 业软件g t d r i v e 与v b a 自动化语言编程相结合的方法对液压混合动力垃圾回收 车进行性能计算，采用g t d r i v e 软件为工具对无变速器汽车传动系统进行研究。 ( 2 ) 以某重型垃圾回收车辆为研究对象，利用g t d r i v e 建立垃圾回收车原 车的动力性、经济性计算模型并进行模拟计算，为后续液压混合动力垃圾回收车 的研究提供输入数据和对比目标。 ( 3 ) 根据液压混合动力垃圾回收车的特点确定车辆动力性策略，利用v b a 编程语言编写动力性计算程序并进行模拟计算。 ( 4 ) 根据液压混合动力垃圾回收车的动力传动系统的结构布置和典型的行驶 工况，分析车辆的节油潜力点，研究和确定其能量控制策略，计算拟合发动机的 最佳燃油经济性工作曲线，建立车辆经济性计算模型，用v b a 编写计算程序。 ( 5 ) 将液压混合动力垃圾回收车性能模拟计算程序的计算结果与g t d r i v e 模型的计算结果进行对比分析，指出液压混合动力汽车的动力性特点和经济性优 势，为液压混合动力技术的应用提供指导建议。 ( 6 ) 针对一种新型的无变速器汽车传动系统，阐明其组成特点，利用 g t d r i v e 软件建立搭载该传动系统的某轿车的动力性计算模型，通过模拟计算 对该系统的动力性能进行探讨研究，评价该新型系统的可行性。 硕i j 学位论文 第2 章汽车动力传动系统性能计算基础 汽车在道路上行驶所受的力很复杂，可分为驱动力和行驶阻力。其中驱动力 可以由多种动力装置提供，行驶阻力包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力、加速 阻力。因此，掌握这些作用于行驶汽车上的力之间的关系，是研究汽车动力传动 系统性能的理论基础。另外，明确汽车动力性经济性的评价方法也是进行汽车传 动系性能计算研究的前提，所以本章将对以上内容进行阐述。 2 1 汽车行驶原理 2 1 1 汽车行驶方程 汽车在行驶过程中受到驱动力和行驶阻力的作用，根据这些力的平衡关系建 立汽车行驶方程式，就可以描述汽车行驶的动力性原理。汽车的行驶方程为n 町 f = + l + f + ( 2 1 ) 在式( 2 1 ) 中： f 一一作用于汽车驱动轮上的驱动力，对于传统汽车z 为内燃机转矩经传动 系传至驱动轮上的驱动力e ：巩l o r l t ，其中，乙为内燃机转矩，n m ，为变速 器速比，i d 为主减速器速比，r r 为传动系机械效率，为驱动轮滚动半径，m ；对 于其它新型汽车只是其动力经传动系传至驱动轮上的驱动力，如为纯电动汽车则 为电机输出转矩作用到驱动轮上的作用力，若为混合动力汽车则为所有动力源输 出转矩作用到驱动轮上的作用力。 t 一一滚动阻力，t = 所c o s 口，其中m 为汽车总质量，堙，g 为重力加 速度，m s 2 厂道路滚动阻力系数，口道路坡度角。 e 一一空气阻力，f w 纂，其中彳为迎风面积，朋2 ，c d 为风阻系数， u 。为汽车速度，k m h 。 f 一一坡道阻力，f = m g s i n 口。 f 一一加速阻力，f ：8 m 华，其中万为质量转换系数，汽车加速行驶时需 要克服平移质量产生的惯性力和旋转质量产生的惯性力偶矩，为了计算方便一般 把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，引入旋转质量转换系数万。 所以搭载内燃机动力的汽车的行驶方程可以写为 新型汽乍动j 传动系统件能计算研究 _ t 蕞l o r t = 聊矿c o s o f + 纂一- - - m g s i nc r + 8 m 鲁 ( 2 2 ) ，么j 1 ) “z 由式( 2 2 ) 可知，研究汽车的动力性经济性可以从等号两边进行。如果从减 小汽车行驶阻力出发来提高汽车的性能，可以从汽车轻量化、车身空气动力学优 化设计、汽车轮胎优化设计等方面入手，目前国内外都有研究人员从事这些领域 的研究。如果从方程左边的驱动力项来考虑，则可以从提高内燃机效率或其它动 力源效率、优化匹配传动系速比和提高传动效率，来提高汽车的性能。驱动力项 的具体表达式取决于动力源的类型及传动系统的结构，所以新型的混合动力电动 汽车、液压混合动力汽车、纯电动汽车等的汽车行驶方程中的驱动力项具体形式 会各有不同。本文正是从汽车行驶方程的左边入手，以两新型汽车动力传动系统 为对象，研究新型汽车动力传动系统的性能。 2 1 2 汽车的功率平衡 汽车在行驶时，不仅驱动力和行驶阻力互相平衡，驱动功率和汽车行驶阻力 功率也要平衡。将汽车行驶方程两边乘以行驶车速u 。，即可得到汽车功率平衡方 程式如下n 叫 只：上( m g e u a c o s o ! + m g i u , , s i n o e + c o a u j + 塑堕堕) ( 2 3 ) r r 3 6 0 03 6 0 07 6 1 4 03 6 0 0d t 式中，只一一驱动功率，k w 对于传统动力汽车，只为内燃机功率；对于多动力源的汽车例如混合动力电 动汽车、液压混合动力汽车，只随汽车运行工况的不同可能是内燃机功率、电机 功率、液压马达功率、内燃机与电动机功率之和、内燃机与液压马达动率之和； 对于纯电动汽车，只为电动机功率。以车速为横坐标，功率为纵坐标，将汽车驱 动功率、汽车经常遇到的行驶阻力功率( 只+ ) r r 对车速的关系曲线绘在坐标 图上，得到汽车功率平衡图，如图2 1 所示是某轿车功率平衡图。利用汽车功率平 衡图可以分析汽车最高车速、汽车储备功率、汽车行驶时的发动机负荷率等。 9 0 7 5 蕾6 0 l 甜4 5 督3 0 1 5 0 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 52 5 0 车速k m h 一1 图2 1 汽车功率平衡图 硕f j 学位论文 2 2 汽车性能评价 2 2 1 动力性评价 汽车动力性能的高低将决定汽车运输效率的高低，所以动力性是汽车各 种性能中最基本、最重要的性能。汽车动力性能的评价，主要从汽车的最高 车速甜一、加速时间，、最大爬坡度f m 。三个方面的指标来评价引。 ( 1 ) 汽车最高车速 汽车最高车速是指在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶车速。它仅仅 反映汽车本身具有的极限能力，并不反映汽车实际行驶中的平均速度。最高车速 取决于汽车动力传动系统各参数，如动力装置的功率、转速水平，变速器速比， 主减速器速比，驱动轮滚动半径等。从功率平衡的角度来说，当汽车达到最大车 速时加速度为零，由式( 2 3 ) 得 ：一1f g f u m a x + g i u m x + 噬1 ( 2 4 ) 珊l3 6 0 0 3 6 0 0 7 6 1 4 0 不同用途的车辆最高车速有所不同，现代轿车最高车速一般在1 2 0 2 5 0 k m h 之间，城市公交车最高车速一般在8 0 1 0 0 k m h 之间，货车最高车速在8 0 1 2 0 k m h 之间。所以可以根据车辆的不同用途来设计或评价汽车的最高车速。 ( 2 ) 加速时间 汽车的加速性能对平均行驶车速有着很大影响，所以汽车的加速性能是汽车 性能评价中不可少的一项指标。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，但是是由于加速度数值不容易测量，实际常用原地起步 连续换挡加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。原地起步连续换挡的 加速时间是指用i 挡或i i 挡起步，以最大加速度按最佳换挡时间逐步换至最高挡， 加速至某一预定的距离或车速所需要的时间。超车加速时间是指用最高档或次高 档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。 汽车加速时间可以通过试验测试和数值计算的方法获得。试验法是通过道路 试验测得的汽车加速时间，比较直观、迅速，但是也有很大的弊病，如受到道路 条件、天气的变化、驾驶员换挡的时机、操作的误差、设备精确度等影响。此种 方法一般用作样车试制出来后性能的测试。数值计算的方法是由汽车搭载的发 动机的外特性数据、变速器的速比、主减速比、及传动系统效率珊等，再根据汽 1 车行驶方程计算并绘制三一u a 图，然后可以用计算机进行积分计算或用图解积分 口 法求出汽车加速。 由于计算的是汽车在平直路面加速时间，根据汽车行驶方程得 新型汽卞动力传动系统性能计算研究 口= 警= 丽1 肾( 乃+ 删 ( 2 5 ) 口= 警= 击m 盟r 巾旷+ 等2 11 ) 】 ( 2 6 ) d t6) d t = 二砌。 ( 2 7 ) f = d t = f ：2l a 刍d i g r 2 f ：2 去。半却1 矿+ 等d u ( 2 8 ) 万脚。尸 、一 2 1 15 根据式( 2 8 ) 依次用计算机积分计算出汽车行驶在各档位的加速时间，求和即得 若绘制一1 一u a 图，将汽车行驶在各档位下的速度区间分为若干小间隔，如图 2 2 所示是某轿车某档位的加速度倒数曲线。 3 二拿2 籁 姥 蜊 鬯1 茕 o 02 04 06 08 0 1 0 01 2 01 4 0 车速k m h 一1 图2 2 汽车加速度倒数曲线 假定第j + t j 、区间兮，速度从叶变化到“川，那么第区间的加速时间为0 。 = f 争= 4 9 ， 鸣为第歹区间丢曲线与轴围成的面积，通过确定这些小区间的面积即可求出总 顾i j 学位论文 加速时间。 ( 3 ) 最大爬坡度 汽车的爬坡能力用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度双表示。轿车最高 车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；货 车在各种地区的各道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力，一般t 。在3 0 即 1 6 7 。左右。就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。 2 2 2 经济性评价 汽车被运用在国民生活的各个方面，不管是以石化能源为原料的传统汽车， 还是新能源汽车都消耗着大量的能源，因此对汽车的能源经济性进行评价非常有 必要。一般来说在满足汽车动力性能要求的条件下，汽车应该以尽量少的能量消 耗量行驶。目前很多汽车新技术都是在满足汽车动力性要求的前提下，尽量控制 汽车以低能量消耗量行驶。 传统能源汽车的经济性一般称为燃油经济性，通常用一定运行工况下汽车行 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。在我国及欧洲，燃 油经济性指标的单位为l 1 0 0 k m ，即行驶1 0 0 k m 所消耗的燃油量，其数值越大燃油 经济性越差。美国为m p g 或m i l e g a l ，指的是每加仑燃油能行驶的英里数，其数值 越大燃油经济性越好。目前，一般采用等速燃油经济性和多工况燃油经济性来评 价汽车的燃油经济性。 ( 1 ) 等速燃油经济性 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10 k m h 或2 0 k m h 速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连 成曲线，称为等速百公里燃油消耗量曲线，用它来综合评价汽车的燃油经济性。 根据发动机台架试验得到的万有特性曲线，和汽车行驶时的功率平衡关系可 以计算出汽车的等速燃油消耗量。计算方法如下： 计算发动机应该提供的功率只 = 去( 弓+ 只) = 寺( 等+ 意) 计算发动机转速玩 吃：u , , i g i o x 6 0 ：兰垃 ( 2 1 1 ) 2 7 r r 3 60 3 7 7 r 计算发动机转矩z z ：9 5 5 0 p e( 2 1 2 ) 吃 新型汽下动j 传动系统陀能计算研究 当计算得到对应于车速z , l 。的发动机转速以和转矩z 之后，根据发动机的万有 特性曲线，进行二维插值计算可以得到发动机的燃油消耗率b ，g ( k w h ) 。 计算汽车以u 。等速行驶时单位时间内的燃油消耗量 铲盖 眩 式中，g ，一一单位时间燃油消耗量，m l s p 一一燃料密度，k g l 计算等速百公罩燃油消耗量 ：坐旦：兰垒 (214)gloo -e- 2 百高2 丽 “ 式中，蜀。一一等速百公里燃油消耗量，l 1 0 0 k m ( 2 ) 多工况燃油经济性 因为等速燃油经济性不能代表加速、减速、怠速停车等行驶工况下的燃油经 济性，所以等速燃油经济性并不能完全反映汽车实际运行的经济性。因此各国都 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状况，并以其百公里燃 油消耗量来评定相应行驶工况的燃油经济性。图2 3 至2 7 y o 举了欧洲l57 - 况、美国 城市和公路循环工况、国标g b l 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中的轻型车试验运转循环工况n 引、国 标g b t19 7 5 4 2 0 0 5 中的中国典型城市公交循环n3 1 。循环工况规定了车速一时问行 驶规范，例如，何时换挡、何时制动以及行车的速度和加速度等数值。 o2 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 1 8 0 时间s 图2 3 欧洲e c e r 1 5 工况循环 的 如 加 加 o 车互删* 1 0 0 8 0 6 0 _ 群4 0 2 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 l 艘3 0 悱 2 0 1 0 o 硕l ：学位论文 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 时间s 图2 4 美国城市循环工况( u d d s ) o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 时间s 图2 5 美国公路循环工况( h w f e t ) 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 时问s 图2 6 中国典型城市公交循环 加 踟 们 加 0 ，车互煅* 新型汽下动力传动系统性能计算研究 01 9 53 9 05 8 5 7 8 09 7 5 时间s 图2 7g b l 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 轻型车试验用运转循环 欧洲经济委员会( c e c ) 规定，要测量车速为9 0k m h 和1 2 0k m h 的等速百公里燃 油消耗量和按e c e r 1 5 循环工况的百公里燃油消耗量，并各取i 3 x i | 加作为混合百 公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。美国环境保护局( e p a ) 规定，要测量市 内循环工况( u d d s ) 及公路循环工况( h w f e t ) 的燃油经济性( 单位为每加仑 燃油汽车行驶英里数m i l e g a l ) ，并按下式计算综合燃油经济性( 单位为m i l e g a l ) 。 以它作为燃油经济性的综合评价指标。 综合燃油经济性= 瓦夏- ! 百砺一面丽丽西两弧蕊丽+ 瓦丽丽丽预弧蕊鼐 在汽车多工况燃油经济性评价的过程中，所采用的行驶工况应该能综合反映 所在地区的道路交通状况。国标g b1 8 3 5 2 3 2 0 0 5 中采用行驶工况实际是欧洲e c e 十五工况，而g b1 2 5 4 5 - 2 0 0 l 中仅有一个非常简化的四工况、六工况，这些工况都 不具有我国城市车辆行使工况的代表性，难以满足我国汽车行业的要求。我国的 汽车业界人士已经认识到行驶工况的重要性，已经开展这方面的研究并取得的一 定成果。2 0 0 5 年5 月2 3 日颁布g b t1 9 7 5 4 - 2 0 0 5 重型混合动力电动汽车能量消耗试 验方法，采用了“中国典型城市公交循环 ；2 0 0 5 年全国汽车标准化技术委员会 又制定汽车用城市运转循环行业标准n 引；一些研究人员对我国北京、上海、 重庆、武汉、广州、天津等大城市的道路行驶工况进行研究，提出了一些循环工 况睁引。 多工况循环的汽车燃油消耗量计算方法如下： 等速行驶工况燃油消耗量 q = q t t c ( 2 1 5 ) 式中，t 一一等速行驶时间，s 如 约 们 如 o _ k 苦芒煅卅 硕f j 学位论：丈 等加速行驶工况燃油消耗量 等加速行驶工况燃油消耗量的计算采用微积分的方法，将等加速行驶过程以 一个较小的速度增长量为间隔分割为若干个小区问，分别计算每个区间的燃油消 耗量，在对这些区间的燃油消耗量求和即得到整个加速行驶过程的燃油消耗量。 每个小区问的燃油消耗量可以用区间平均燃油消耗量与区间行驶时间之积求得。 如图2 8 所示为第j 个小区间，根据式( 2 1 3 ) 可计算得到t ，时刻和f 时刻对应的单 位时间燃油消耗量吼，和吼”。 时间s 图2 8 等加透过程的燃油消耗量计算 速度增加“的加速时间为 a u f = a u d t 速度增量材的小区间内的燃油消耗量为 g = l ( q v + q t t j + 1 ) ) a t 依据此法，依次计算出等加速段内每个小区间的燃油消耗量q ， q 那么等加速过程的燃油消耗量为 q = q ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) q 2 ，g ， ( 2 1 8 ) 等减速行驶工况燃油消耗量 减速行驶时，发动机处于强制怠速状态，其油耗量即为正常怠速油耗，所以 等减速工况的燃油消耗量为 优= 口。九( 2 1 9 ) 曲 叩 甜 h t 色赵煅 甜 新型汽乍动力传动系统r 阜能计算研究 式中，9 。肌一一怠速怠速单位时间燃油消耗量，m l s ， ，一一减速过程时间，s 怠速工况的燃油消耗量 吼= q , a l 。如 ( 2 2 0 ) 式中，f 耐一一怠速时间，s 根据以上计算，整个循环工况的百公里燃油消耗量( l 1o o k m ) 为 g l o o ：垒鱼鱼盟1 0 0 ( 2 2 1 ) 式中，s 一一整个循环的行驶距离，m 传统能源汽车通常用一定运行工况下汽车行驶一百公里的燃油消耗量或一定 燃油量能行驶的罩程来衡量，新能源汽车的经济性评价与传统内燃机汽车的经济 性评价相比有其自身的特点。以纯电动汽车为例，纯电动汽车能耗经济性评价指 标应该满足以下3 个条件：可以对不同类型的电动汽车经济性进行比较；指标 参数数值与整车储存能量总量无关；可以直接从参数指标进行能耗经济性判断。 常用的评价参数有：续驶里程、单位里程容量消耗、单位里程能量消耗、单位容 量和单位能量消耗行驶里程、等速能耗经济特性曲线旺0 l 。近年来国内有研究人员 对纯电动汽车的能耗经济性体系进行了探讨，提出了能量利用率的评价指标旺。 2 2 3 综合性评价 汽车动力性和燃油经济性指标实际上是相互矛盾的，如果单一追求某一方面， 必然会以损失另一方面为代价。为了增加动力性，就要汽车具有较大的储备功率， 大储备功率必然会降低汽车传动系统的负荷率，从而汽车经济性变差。因而不能 片面追求动力性或能耗经济性，必须取得车辆动力性和能耗经济性之间的优化他引。 为此可以采取综合评价指标，即把动力性与经济性两个指标加权求和，以此评价 动力与传动系统匹配的状况。 ( 1 ) 指标的形式：原地起步连续换挡加速时间和多工况燃油消耗量两者的加权 综合。 ( 2 ) 加权系数的选择：通常各占5 0 ，也可根据设计的具体情况和对汽车性 能的具体要求进行确定；还可由实践经验进行确定1 。 2 3 本章小结 本章从汽车行驶原理出发，介绍汽车动力传动系统性能计算的基本理论和评 价指标。首先根据汽车行驶方程分析了汽车的驱动力及各项阻力的具体形式，再 由行驶方程分析汽车的功率平衡；然后介绍了汽车动力性、经济性计算方法和评 价指标。 硕l j 学位论文 第3 章整车性能计算工具g t - d r lv e 与v b a 编程语言 3 1g t - d r i v e 软件介绍 3 1 1 应用领域 g t - d r i v e 软件是美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司开发的集成化c a e 软件包 g t - s u i t e 的一个模块，是一款通用的车辆和传动系统仿真软件，它提供了丰富的 整车系统仿真计算的模型。 动力传动系统模型 有离合器、液力变矩器、变速箱、制动器、分动箱、差速器、轮胎，自动变 速箱、有级和无级变速箱，马达、发电机、蓄电池、燃料电池等。 发动机模型 发动机模型有：以m a p 图的形式表示发动机的性能的模型、平均值发动机模 型、完整的g t - p o w e r 气缸模型。 基于控制的模型 有驾驶员模型、换挡策略控制及c v t 控制、a b s 及牵引力控制、液力变矩器 锁止控制、混合动力控制策略、动态循环智能提前控制、发动机切油、恢复和起 动控制等。 这些模块为建立整车模拟计算模型提供了便利，可以建立传统动力车辆、电 动混合动力车辆、纯电动车辆、燃料电池车辆的模型，对车辆的整车性能进行分 析。g t - d r i v e 主要应用领域如下： 发动机+ 变速箱+ 车辆驱动系统选型和匹配； 车辆性能预测； 循环驾驶工况仿真计算，包括燃油经济性和排放； 驱动系统部件模