14汽车总体设计及及整车性能仿真与系统匹配

1、 汽车总体设计整车性能仿真与系统匹配动力性能仿真计算计算目的 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.已知参数如表所示表 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二挡三挡四挡五挡主减速器传动比满载质量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滚动阻力系数公式拟和发动机形式AFE电喷发动机滚动半径(195/60R1485H)a 设计载荷确定： 该车型设计载荷根据

2、德国标准DIN 70020规定：在空车重量（整备质量）的基础上加上座位载荷。5座位轿车前面加2人、后排加1人，也称为半载作为设计载荷, 重量假定为68kg加上随身物品7kg，重心对于不可调整座位在R点（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）=1295kgb 迎风面积： 根据迎风面积计算公式：A=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=*1710mm*1427mm=c 传动效率： 根据该轿车的具体传动系统形式，传动系统的传动效率大体可

3、以由变速器传动效率，单级主减速器传动效率，万向节传动效率组成。具体计算为：95%（变速器）乘96%（单级主减速器）乘98%（万向节）=%，同时考虑到，一般情况下采用有级变速器的轿车的传动系统效率在90%到92%之间，对上述计算结果进行圆整，对传动系统效率取为90%d 滚动阻力系数： 滚动阻力系数采用推荐拟和公式进行计算：，其中：取为（良好水泥或者沥青路面），为车速km/h。转矩发动机转速n/min 发动机外特性曲线转矩发动机转速n/min转矩发动机转速n/minAJR发动机 ii AFE发动机转矩发动机转速n/min图 发动机外特性曲线基本理论概述 汽车动力性能计算主要依据汽车驱动力和行驶阻力

4、之间的平衡关系:（） 表 各种受力名称_驱动力，_滚动阻力，_空气阻力，_坡道阻力，_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：，N （）其中：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.：变速器各个挡位的传动比：主减速器传动比：传动系统各个挡位情况下的传动效率：车轮的滚动半径,单位m滚动阻力：，N （）其中：是汽车计算载荷情况下的质量,单位：kg：重力加速度,单位：m/s2：汽车滚动阻力系数：道路坡角, 单位：rad空气阻力：,N （）其中：空气阻力系数

5、，：迎风面积, 单位：m2：车速,单位是km/h坡道阻力：，N （）其中：计算载荷情况下汽车的质量,单位：kg：重力加速度, 单位：m/s2：道路坡角, 单位：rad加速阻力：，N （）其中：旋转质量换算系数，根据估算公式确定，在轿车中和取值范围在到之间，我们取平均数值=:计算载荷情况下汽车的质量, 单位：kg:汽车行驶加速度, 单位：m/s2 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：， （）其中：车速,单位是km/h：发动机转速，单位是rpm：主减速器传动比：传动系统各个挡位情况下的传动效率：车轮的滚动半径, 单位：m 根据上述公式我们就可以方便的确定

6、出汽车的驱动力行驶阻力平衡曲线，求出驱动力和行驶阻力的交点即为最高车速。动力因数图动力因数定义公式： （）其中各个参数的含义同前面的说明。利用公式（）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（）的基础上，如果我们在公式两端乘以车辆速度，经过整理就可以得到功率平衡计算公式（单位是kW）： （）其中：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（）我们就可以计算出汽车行驶功率平衡曲线。爬坡度曲线由于计算爬坡度时，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（）我们可以得到如下公式代入公式（），（）我们就

7、可以得到如下公式：如果我们代入公式 以及公式（），经过整理那么我们就可以得到： （）然后根据公式进行转换，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（），（）我们可以得到如下公式：所以时间然后我们采用龙贝格数值积分计算方法对上面的公式进行积分就可以得到所需要的加速时间曲线。计算分析根据上述已知条件以及相关的计算理论，得到如下计算结果。该车型的计算实例驱动力行驶阻力平衡图图 汽车驱动力与行驶阻力平衡图动力因数图图 汽车动力特性图功率平衡图图 汽车功率平衡图加速度曲线图 汽车加速度曲线图爬坡度曲线图 汽车爬

8、坡度曲线图时间速度曲线图 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 计算结果项目计算数值公布数值汽车最高车速h165km/h0到100km/h加速时间最高档30km/h加速通过400m时间原地起步加速通过400m时间最高档最大动力因数最大爬坡度%从上面的计算结果我们可以看出，试验数值同计算数值之间的误差基本控制在5%工程误差范围之内,汽车的动力性能计算和仿真结果是正确的,可以进行整车匹配设计。 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。等

9、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： 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 ）其中：发动机功率，单位:kW：传动系统各个挡位情况下的传动效率：是汽车计算载荷情况下的质量, 单位：kg。：重力加速度, 单位：m/s2：汽车滚动阻力系数：道路坡角, 单位：rad：空气阻力系数：迎风面积,单位：m2：车速,单位:km/h然后根据公式， （） 来确定最高挡位情况下发动机转速和车速之间的关系以获得对应不同车速的发动机转速。

10、其中：车速,单位:km/h：发动机转速，单位:rpm：主减速器传动比：传动系统各个挡位情况下的传动效率：车轮的运动半径, 单位：m 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计算获得燃油消耗率，然后根据公式： （）计算得出等速百公里油耗。其中：等速百公里油耗，单位：L：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：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功率，迎风阻力功率（加速阻力和坡路阻力为零）, 单位：kW：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：

11、Km/h ：燃油密度, 单位：kg/m2:重力加速度, 单位：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，汽车运行工况的具体规定参见图。图 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（），（）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时间油耗：（单位：L/s） ）其中：等速百公里油耗，单位：L：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

12、获得,单位：g/kW/h：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功率，迎风阻力功率（加速阻力和坡路阻力为零）,单位：kW：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:重力加速度, 单位：m/s-2然后根据公式：（单位：L）计算这段恒速阶段时间内的油耗。其中：行驶时间，单位:s同时这段时间内的行使距离为：/（单位：m）其中为行驶速度，单位:km/h。b加速工况根据动力性能计算说明书，我们可以知道汽车在行驶过程中的功率表达方式为： （）其中：发动机工作功率，单位：kW：传动系统各个挡位情况下

13、的传动效率：是汽车计算载荷情况下的质量，单位：kg。：重力加速度，单位：m/s2：汽车滚动阻力系数：道路坡角单位：rad：空气阻力系数，：迎风面积，单位：m2：车速,单位：km/h：旋转质量换算系数，根据估算公式确定，在轿车中和 取值范围在到之间，我们取平均数值=:计算载荷情况下汽车的质量, 单位：kg:汽车行驶加速度, 单位：m/s2 然后确定不同挡位情况下发动机转速和车速之间的关系以获得对应不同车速的发动机转速。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计算获得燃油消耗率。那么我们可以根据公式：, L/s （）确定单位时间内的燃油消耗量。我们把加速阶段内的燃油消耗量用

14、积分公式表达成为： ,L 其中：，为加速开始和截止时间，单位s。 如果这段计算期间开始速度为(单位：km/h)，截止速度为(单位：km/h)，那么这段时间内的行驶距离为: （单位：m）c减速工况 因为减速工况下，汽车油门松开并且轻微制动，那么这段时间内的油耗为怠速油耗消耗率与减速时间的乘积。其中：怠速油耗消耗率，单位：L/s;:减速时间，单位s。 如果这段计算期间开始速度为(单位：km/h)，截止速度为(单位：km/h)，那么这段时间内的行驶距离为: （单位：m）d怠速停车公况如果怠速停车时间为(单位：s),那么燃油消耗量（单位：L）为：其中：怠速油耗消耗率，单位：L/s;：时间,单位：s 综

15、合上述计算，对等速，等减速，怠速组成循环工况的等效百公里油耗为：（单位：L）其中：为各个阶段燃油消耗量的总和（单位：L）。：为各个阶段行驶路程总和（单位：m）。 输入参数表 输入参数参数名称某微型汽车发动机形式456Q总重1450kg空气阻力系数传动效率90%迎风面积主减速器传动比变速器5挡1挡2挡3挡4挡5挡滚动阻力系数燃油密度cm3车轮半径怠速燃油消耗率s计算实例结果多工况油耗表工况油耗10工况某微型车4挡等速百公里油耗图某微型车4挡等速百公里油耗 某微型车5挡等速百公里油耗图某微型车5挡等速百公里油耗 操纵稳定性仿真和系统优化(1) 计算目的 汽车操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程

16、度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个重要性能，根据操纵稳定性涉及的具体内容需仿真计算包括如下几个方面的内容：时域计算、频域计算、瞬态响应计算、稳态响应计算、角输入响应计算、力输入响应计算等内容。角阶跃输入响应a原理如图，我们采用三自由度汽车模型，也就是航向角、车身侧倾角、重心处侧偏角来描述汽车的运动。根据围绕Z轴，X轴的力矩平衡以及沿Y轴的受力平衡列出微分方程，然后进行求解。图 三自由度模型b方程推导坐标系统 依据上图以汽车静止时重心铅垂线与侧倾轴线的交点为坐标原点，以汽车纵向水平轴线取为X轴线，前进方向为正方向，过原点与X轴垂直方向向上为Z轴，与X，Z轴线垂直方向为Y轴线,坐标系统符合右手

17、法则。 在将前轮转向角（转向盘转角）看做已知输入时，汽车的运动状态可以用三个广义坐标来表示：航向角、重心侧偏角和车身侧倾角。按右手定则，、的正向与Z轴一致。正向与X轴正向一致。 轮胎在侧向力作用下产生侧偏角1（前轮）与2（后轮），它们由侧向力、与相应轮胎的特性所决定。在既定侧偏角方向的情况下，、以与Y轴相反的方向为正。符号说明 如果单位不进行特殊说明均采用国际单位制。：整车质量（kg）：悬架上质量(kg):轴距(m)：重心到前后轴的距离(m) ：整车绕垂直轴线的转动惯量 ：悬架上质量绕通过悬挂质量重心的X轴的转动惯量 ：悬架上质量绕通过悬挂质量重心的X，Z的轴惯性积 ：前轮单侧侧偏刚度(N/r

18、ad) ：后轮单侧侧偏刚度(N/rad):前轮回正力矩系数rad):后轮回正力矩系数rad)：前轮侧倾转向系数：后轮侧倾转向系数：前侧倾角刚度rad)：后侧倾角刚度rad)：前侧倾角阻尼rad/s)：后侧倾角阻尼rad/s):侧倾力臂(m)，悬挂上质量重心到侧倾中心的垂直距离 ：汽车航向角(rad) ：悬架上质量与悬架下质量之间相对侧倾角(rad) ：重心处速度与绝对坐标之间的夹角(rad):横摆角速度(rad/s):侧倾角速度(rad/s):重心处侧偏角(rad):前轮有效侧偏角(rad):后轮有效侧偏角(rad):名义前轮转角(rad):车速(m/s):前轮侧向力(N):后轮侧向力(N)(

19、c) 方程推导过程 在上述坐标系统中，坐标原点O的绝对加速度在Y轴方向的投影为：在不太大的范围内，故 悬架上质量重心的横向绝对加速度在Y轴上的投影为 按达朗贝尔原理，可列出如下三个平衡方程：绕Z轴力矩平衡式: 沿Y轴力平衡式： 即 绕X轴力矩平衡式： 其中是悬架上质量绕车身重心的纵轴的转动惯量，顾及，得 由于 及几何关系： 得 其中 为了便于上机运算，可令四维向量 为系统的状态变量 那么我们就可以把上述微分方程改写成为状态变量X的一阶微分方程 其中 利用上述方程就可以进行汽车角输入操纵稳定性能仿真计算。(d)计算结果参考标准美国试验安全车操纵稳定性性能要求极其试验方法汽车操纵稳定性指标限值和评

20、价方法GB/T13047-91c仿真计算输入参数列表如表表 输入参数参数名称参考设计车型1整车质量（设计载荷）1250kg簧载质量（设计载荷）1121kg轴距2548mm整车重心至前轴距离整车重心至后轴距离整车绕Z轴转动惯量2139kg*m2悬架上质量绕X轴转动惯量455kg*m2悬架上质量绕XY轴惯性积0前轮侧偏刚度(单轮)23147N/rad后轮侧偏刚度(单轮)38318N/rad前轮回正力矩系数0后轮回正力矩系数0前侧倾转向系数后侧倾转向系数0前侧倾角刚度47785N/rad后侧倾角刚度57525N/rad前侧倾角阻尼2311N/rad/s后侧倾角阻尼2212N/rad/s侧倾力臂仿真计

21、算条件 车速v=40，80，110k角阶跃输入,并且使汽车的侧向加速度位于之间。(c) 仿真计算结果车速V=40km/h时的操纵稳定性计算结果如图 所示:图 横摆角速度曲线(车速V=40km/h)图 横摆角速度曲线(车速V=80km/h)图 横摆角速度曲线(车速V=120km/h)(d)结果统计与分析 上面三个图就是在不同车速度情况下，某型轿车(以下简称车型1)作为新设计(以下简称为车型2)的近似参考车型, 汽车角阶跃输入响应曲线，对应的稳定时间也变长，在高速情况下这种趋势更加明显数据具体统计如下表：表 瞬态响应计算结果 指标速度超调量反映时间稳定时间车型1车型2车型1车型2车型1车型2V=4

22、0km/h%SV=80km/h%V=110km/h39%46%从上面表格中的数据基本上可以看出各项指标变化不大，并且都位于美国安全实验车横摆瞬态响应满意区域之内。力阶跃输入响应方程推导(a)符号说明除了上述角输入运动方程输入的参数之外，还包括如下参数：前轮回正力臂。包括主销后倾距与轮胎拖距（m）：转向盘转动惯量（）：两前轮绕主销的转动惯量（）：转向盘自由时抵抗前轮转角的刚性（rad）：转向盘自由时前轮绕主销转动的当量阻力系数（rad/s）:转向柱与Z轴的夹角（rad）:转向系总传动比:转向盘上的驾驶员输入力矩（）(b)坐标系统 如下图所指示，考虑汽车以一定的车速V作等速行驶，略去汽车的垂直振动

23、和轮胎挠度的变化，略去空气动力对横向力与力矩的影响，研究驾驶员给转向盘以力指令输入时汽车的操纵运动。与分析角输入运动类似，取一套固定于汽车的相对坐标系统,以整车的重心铅垂线与侧倾轴（前后侧倾中心的连线）的交点为原点，以汽车的纵向水平轴为X轴。以过原点与X轴垂直的方向为Y轴（以汽车的左侧方向为正向），过原点的铅垂轴为Z轴。这样的坐标取法符合右手定则。在水平平面上的所有角度（前轮转角、侧偏角、方位角等）及对应的角速度与角加速度均取逆时针方向为正（亦符合右手定则而与Z轴正向一致。车速向量的增量与Y轴的正向一致并成角）。在将驾驶员给转向盘的力矩T看作已知输入时，则汽车的运动状态可用四个广义坐标来近似表

24、示：方位角（航向角），重心侧偏角，车身侧倾角与转向盘转角（或参考转向角）。按右手定则，、均以与Z轴方向一致为正向。角以与X轴方向一致为正向。侧向力的方向由所假定的前后偏离角的方向确定。因此以与Y轴方向相反为正向。(c)方程推导过程 在上述坐标系统中，坐标原点O的绝对加速度在Y轴方向的投影为： 其中，是绝对速度在X轴方向的投影，考虑不大的情况， ，故 悬架上质量重心的横向绝对加速度在Y轴上的投影为； 按达郎贝尔原理,绕Z轴力矩平衡式： 沿Y轴力平衡式： 绕X轴力矩平衡式： 其中，是悬架上质量绕过车身重心的纵轴的转动惯量，顾及，得 绕主销的力矩平衡式： 另外，由几何关系： 以及轮胎特性： 可以得到

25、如下方程：令六维矢量 为系统状态变量，则上述运动方程式可写成状态变量x的一阶微分方程： 式中： 利用上述方程就可以进行力输入仿真计算。b仿真计算(a)参数输入表在原有三自由度汽车模型输入数据的基础上，还需要输入数据如下表表输入数据参数名称车型1车型2前轮回正力臂转向盘转动惯量*m2*m2前轮绕主销转动惯量*m2*m2转向刚度294N/rad294N/rad转向阻尼00转向柱与Z轴夹角69度56度转向系统传动比(b) 仿真计算结果车速v=40，80km/h力阶跃输入并且侧向加速度之间图为速度V=40km/h的横摆角速度图速度V=40km/h的横摆角速度图为速度V=80km/h的横摆角速度:图为速

26、度V=80km/h的横摆角速度 从上面的计算结果我们可以看出新车相对与原某一车型的超调量和稳定时间都有所加大，有关力阶越输入响应的评价和分析内容，我们将通过如下各个项目的计算来体现。回正能力计算 计算的方法是首先让汽车保持等速圆周运动，然后把加载到方向盘上的作用力突然撤掉，所以这种计算的汽车运动实际上力阶跃输入，因此计算采用4自由度汽车方向盘力输入模型，汽车初始状态保持侧向加速度为等速圆周运动。方向盘力输入模型如下：t(s)时间t(s)时间T 方向盘输入力矩图力阶跃输入计算结果如下： 汽车运动状态为侧向加速度，车速40km/h, 如图。图 为车速40km/h的横摆角速度汽车运动状态为侧向加速度

27、，车速80km/h,如图所示。图 为车速80km/h的横摆角速度 从上面的计算结果我们可以得到如下结论：新的某汽车相对上面某车型的算例而言回正能力有所下降，当时幅度不大，主要表现在回正横摆角速度幅度的收敛速度以及过度时间长度上，尤其是高速时这种表现更加明显。尽管如此，仍然满足美国国家安全性的操纵稳定性能要求及其试验方法的规定,松开方向盘之后2s，在车速40km/h的情况下横摆角速度应该等于零，在车速等于80km/h的情况下不超过4o/s撒手稳定性仿真试验 撒手稳定性仿真实际上是力脉冲试验，仿真计算时汽车的运行状态是汽车以恒定的车速行驶，突然给方向盘施加一个力矩输入，然后猛然撒手，其输入为一个力

28、脉冲，具体表示如下图。方向盘力输入力矩T（方向盘力输入力矩T（）时间T（s）T004s04s图 方向盘力输入曲线汽车运动状态为侧向加速度，车速40km/h, 如图。图 为车速40km/h的横摆角速度 汽车运动状态为侧向加速度。频率响应 汽车操纵稳定性能频率响应是指方向盘在正弦输入的情况下，频率从时，汽车横摆角速度与方向盘转角输入之间的关系。对于计算模型而言可以等效为横摆角速度与前轮转角之间的关系。对于操纵稳定性的频域特性要求如下： 应有足够宽的通频带，以保证有必要的反应速度和高频反应，但是通频带太宽也会增大对扰动的反应。通常规定幅频特性降至稳态增益（=0处的增益）的70%处的频率为频带宽度。 在有效通频带内，幅频特性宜平坦，不宜有明显的选择性（谐振峰），以免反应有过大的幅值失真。最大增益与稳态增益的比值越大，说明系统的阻尼越小，超调量越大，过渡时间越长。 相频特性要求在有效通频带内相位超前和滞后都尽量小，通常在车速低时出现相位滞后，在车速高时出现相位超前，这两种相位失真都会造成反应的误差。 我们采用前面使用的汽车3自由度模型进行计算，计算结果如下：图 两种车型的幅频特性曲线图 两种车型的相频特性曲线相关的计算数据总结如下表：表 计算结果f=0增益共振频率共振时增幅比