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汽车动力性燃油经济性虚拟实验仿真研究毕业论文

 2020-02-17 05:02  

摘 要

本文以汽车动力性和燃油经济性的各项评价指标为研究对象,以MATLAB软件为基础,通过搭建MATLAB/GUI界面,编写大量的程序,完成虚拟实验仿真平台的建立,实现人机交互的功能。共搭建了 “主界面”、“基本参数界面”、“动力性仿真界面”和“燃油经济性仿真界面”四个界面,可分别实现界面间的切换、参数的输入、各界面间数据的共享、动力性评价指标的计算以及结果的显示、动力性中具有代表性图像的绘制、燃油经济性评价指标的计算即百公里燃油消耗量的计算以及结果的显示、NEDC循环工况结构图的绘制等功能。并以某一车型的整车参数和发动机数据为依据,对仿真平台输出结果的准确性进行验证,与实际结果相比误差较小,证明仿真平台的正确性,为用户初期匹配整车参数与发动机参数的合理性提供了一定的参考价值。应用此虚拟实验仿真平台可有效降低产品的开发成本,并缩短开发周期。

关键词:MATLAB;GUI;仿真平台;汽车动力性;汽车燃油经济性

Abstract

In this article, the evaluation indicators of automobile power and fuel economy are taken as the research object. Based on the software of MATLAB, through building the interface of MATLAB/GUI, a large number of programs are compiled to complete the establishment of virtual experiment simulation platform and realize the function of human-computer interaction. Four interfaces, i.e. main interface, basic parameter interface, dynamic simulation interface and fuel economy simulation interface, have been constructed. These interfaces can realize switching between interfaces, input of parameters, sharing of data between different planes, calculation of dynamic evaluation index and display of results, drawing of representative images in dynamic performance and evaluation index of fuel economy respectively. The calculation includes the calculation of 100 kilometers fuel consumption, the display of the results, the drawing of NEDC cycle working condition structure chart and other functions. Based on the vehicle parameters and engine data of a certain type of vehicle, the accuracy of the output results of the simulation platform is verified. Compared with the actual results, the error is smaller, which proves the correctness of the simulation platform, and provides a certain reference value for users to match the rationality of vehicle parameters and engine parameters in the initial stage. The application of the simulation platform can effectively reduce the cost of product development and shorten the development cycle.

Key Words:MATLAB;GUI;Simulation platform;Vehicle power performance;Vehicle fuel efficiency

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3主要研究内容 3

第2章 汽车动力性分析 4

2.1汽车动力性评价指标 4

2.2发动机外特性 5

2.3传动系统 5

2.3.1 含有离合器的传动系统 6

2.3.2 含有液力变矩器的传动系统 7

2.4 汽车动力学模型 8

2.4.1 驱动力 8

2.4.2 行驶阻力 8

2.4.3 汽车行驶方程 10

2.5汽车动力性试验 11

2.5.1最高车速试验 11

2.5.2加速试验 11

2.5.3坡度试验 12

2.6汽车动力性模拟计算 13

2.6.1最高车速的计算 13

2.6.2加速时间的计算 14

2.6.3最大爬坡度的计算 15

第3章 汽车燃油经济性 16

3.1汽车燃油经济性评价指标 16

3.2发动机负荷特性 17

3.3发动机万有特性 18

3.4汽车燃油经济性模拟计算 19

3.4.1等速行驶工况燃油消耗量的计算 19

3.4.2等加速行驶工况燃油消耗量的计算 20

3.4.3等减速行驶工况燃油消耗量的计算 21

3.4.4怠速停车时的燃油消耗量 21

3.4.5整个循环工况的百公里燃油消耗量 21

第4章 MATLAB/GUI简介 23

4.1 MATLAB软件介绍 23

4.2 MATLAB/GUI界面设计介绍 24

第5章 虚拟仿真平台交互界面的设计 26

5.1 主界面 26

5.2 基本参数界面 27

5.3 动力性仿真界面 30

5.3.1 发动机外特性曲线 32

5.3.2 汽车驱动力-行驶阻力平衡图 34

5.3.3 汽车功率平衡图 35

5.3.4 动力性评价指标 36

5.3.5 仿真结果显示 37

5.3.6 仿真结果分析 40

5.4 燃油经济性仿真界面 41

5.4.1 NEDC循环工况图 42

5.4.2 油耗计算 43

5.4.3 计算结果分析 46

第6章 总结与展望 47

6.1 总结 47

6.2 不足与展望 48

参考文献 49

致 谢 52

第1章 绪论

1.1选题意义

汽车的动力性和燃油经济性是汽车最根本和最重要的使用性能。随着消费者的收入不断提高,生活质量不断得到改善,汽车消费观念不断提升,人们对汽车的动力性和燃油经济性的关注也上升到了一个更高的水平。近几年,我国的汽车销量势头未减,销量稳定增长,汽车保有量稳定上升。据2019年年初统计,2018年我国汽车保有量比2017年增长了百分之十左右,各项数量指标都再创新高。这些在产、在售、在使用中的汽车绝大部分还都是消耗汽油、柴油、天然气的传统能源汽车。这些汽车的技术相对成熟,使用方便,价格适中,性能优良,给我们的日常出行带来了极大的便利。然而与此同时,大量石化能源的消耗以及大量污染物的排放也给人们的生活带来了很多负面影响[1]。伴随着石油资源逐渐稀缺,价格持续上涨,新的燃油法规也对汽车的碳排放不断地加严,为了提高企业的运行效率,降低企业的运营成本,汽车的动力性和燃油经济性备受企业以及用户们的密切关注。汽车动力性和燃油经济性虚拟实验仿真研究也就成为了一种重要的研究手段。汽车企业多通过建模和仿真的手段,来研发传动系统、动力总成、整车布置等,为新产品的开发提供了一条全新思路。动力性、燃油经济性虚拟实验仿真研究是项目开发过程中必不可少的一个环节,通过仿真分析,支持动力总成选型,可以初步评估动力性经济性是否满足预期指标,与市场竞品车对比是否具备足够的竞争力,从而降低项目开发风险,同时通过仿真分析,省去了传统设计生产实体零部件的加工时间和原材料的成本,可以缩短项目的开发周期及减少试验验证的费用。能够在确保汽车动力性的前提下,尽可能获得更低地燃油经济性指标,同时又能降低排放的污染。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

与国外相比,国内汽车工业的发展相对较晚。因此在汽车的整体设计上,对汽车动力性和燃油经济性的仿真实验平台的研究也起步较晚,缺乏自主研发的仿真软件。仿真研究多以使用国外开发的软件为主,并逐渐尝试采用更加贴合汽车实际情况的仿真软件。截止目前,整车厂对于汽车动力性、经济性仿真分析软件的使用略有不同,国内企业主要采用的软件有AVL-Cruise、GT-Drive及偏向能量流分析的AMESim软件,也有部分公司采用Matlab软件进行二次开发,形成公司内部使用的分析工具。

AVL-Cruise软件在国内汽车企业应用较为广泛,该软件易于掌握,常用动力性、燃油经济性仿真分析工况作为模板已在自带模型体现,使用者通过稍微修改参数即可进行粗略仿真。

GT-Drive软件在国外公司应用较为普遍,该软件入门使用稍难,自带模型仿真工况单一,需采用专家模式创建,但建模灵活度较高,可对模型参数进行变量定义并进行DOE分析,且有丰富的控制模块进行逻辑控制。

AMESim软件国内企业应用较少,该软件更侧重于进行能量管理分析,软件的特点在于需对冷却系统进行单独建模,并作为子系统与整车交互数据,输出仿真结果。

Matlab主要应用于控制模块逻辑的编写,系统内没有集成好的整车各功能模块(发动机,变速箱,整车等),所以想要单独建立完成地动力性、经济性仿真模型较为复杂,该软件更多应用于特殊功能模块的逻辑控制并与其他软件进行联合运行仿真。

现在国内针对汽车动力性和燃油经济性的仿真研究很多,仿真的思路多样,如直接建立数学模型进行仿真,或是利用回归模型进行仿真。仿真方法既有采用较准确的前向仿真,也有采用速度更快的后向仿真。

1.2.2国外研究现状

早在20世纪的50年代和60年代,欧洲和美国的发达国家就开始分析和研究车辆动力和燃油经济性的数学模型,并进行模拟软件的开发和设计。国外的研究专家多采用整车动力学特性为研究的方向,采用各类仿真软件,且主要为其负责公司自主开发研制的。强力的仿真软件平台主要包括美国MSC公司的Carsim,奥地利AVL公司的Cruise,美国MDI公司的Admas和美国MathWorks公司的Matlab等,并在仿真平台的开发方面强调软件具备模块化设计特点,可实现联合仿真,以适应日益复杂的汽车研发工作。

早在1972年,美国的通用汽车公司首先开发了一款程序,可以完成对汽车各项性能的预测。这个程序可以模拟在不同的工况下,汽车相关参数的变化对汽车性能的影响。随着科技的高速发展,IT的行业不断渗透,在样车制造初期,这些仿真程序就得到广泛地应用,能够帮助汽车企业准确地对汽车性能进行预测,例如动力性指标和燃油消耗量。通过利用仿真程序的方法,可以为汽车企业大大地节省试验测试时所需的高额经费,也为汽车的设计缩短了周期。

之后的五至十年,欧洲和美国的发达国家就主要通过改变变速器的各档位传动比以及驱动桥主减速的传动比,来实现燃油经济性的提高,但与此同时降低了汽车的动力性能,为此开始探寻更好的改善方法。80年代初期,为了满足消费者提出的高动力性能、高燃油经济性能的要求,负责动力传动系统设计的工程师们通过减小汽车尺寸和发动机排量的方法达到此目的。80年代后期,伴随着IT行业的迅速发展,使得电子控制元件在汽车中的使用不断增多,发动机可在不同的行驶工况下选择最佳的运行工况,对能量的利用率更高[2][3][4]

例如 P. Srinivasan 等人,他们建立了基于AVL-Cruise平台的整车模型和动力总成模型,并通过与实际车辆的详细比较验证了模型的准确性。仿真模拟的主要内容包括加速性能,操纵稳定性,燃油经济性和排放。最终比较的结果表明每个参数的误差小于5%,这证明了 Cruise 平台的仿真可以为产品设计提供可靠的参考。Adit Joshi 等人,以福特 2017 款蒙迪欧混合动力版为车辆平台,使用Carsim-Simulink联合仿真构建控制系统,并在每个子引擎的循环中运行硬件仿真。模拟中包含的硬件组件主要包括ECM(发动机控制模块),HCU(混合动力控制模块),GSM(换挡模块),ABS(防抱死制动系统),EPAS(电子助力转向)等。此示例展示了仿真平台提供安全稳定测试环境的卓越能力。

1.3主要研究内容

本文的研究内容主要有:

(1)研究完成汽车动力性、燃油经济性虚拟实验仿真平台,可以进行汽车加速时间、最大爬坡度、最高车速、等速百公里油耗和循环工况百公里油耗等实验的虚拟仿真。

(2)通过仿真计算,分析汽车整车参数、动力传动系统参数等对汽车动力性评价指标、燃油经济性评价指标的影响。

第2章 汽车动力性分析

汽车的动力性,概括来讲,就是汽车在平直、无坑洼的路面上沿直线运行时,由汽车前进方向所受到外力决定的,在行驶过程中达到的平均行驶车速。汽车是一种非常便捷、具有很高运输效率的交通工具之一,然而汽车的动力性直接决定了其运输效率的能力。因此,汽车的动力性是评价汽车各项性能中最关键的一项。

2.1汽车动力性评价指标

为了得到更高的平均行驶车速,以这一目的为出发点,可以将汽车的动力性主要分为如下的三个平键指标,即

1)最高车速:

指的是汽车在平直、无坑洼的路面上行驶,以全油门加速行驶至车速无法再增加时的稳定车速,即能达到的最高行驶车速。

2)加速时间:

加速时间通常可分为两大类,一是原地起步加速时间,指的是汽车在起步时,用一档或二档来完成,并在加速的过程中,采取最佳的换挡时机逐步换至最高的档位,以实现最大的加速能力,最终行驶到某一特定距离或者某一特定车速所经过的时间;二是超车加速时间,指的是汽车在行驶时,用最高档位或者次高档位来完成,从某一较低的行驶车速全油门加速至某一规定的较高车速所经过的时间。一般的测试方法为有两种,一是以规定的距离为标准,我国采用400m为测量单位,记录全力加速至此距离时的秒数;二是以规定车速为标准,我国采用96km/h为测量单位,记录全力加速至此车速时的秒数。两种方式均为秒数越小,代表着动力性能越强。

3)汽车的最大爬坡度:

是指汽车在道路平整、无坑洼的路面上,满载乘客、货物或者承载一定的质量时所能行驶的最大坡度。由于变速器一档的传动比最大,与主减速器共同作用的减速增距能力最强,所能提供的驱动力也最大,最大爬坡度通常也指的是汽车一档行驶所能爬的最大坡度。轿车本身的质量相对货车小很多,也通常多行驶在良好的路面上,追求高的车速,其动力也较为强劲,所以一般对爬坡能力没有太大的要求,大部分的坡度均可以翻越。货车的行驶工况较为多样,路面情况也较为复杂,自身的质量也相对较重,因此对货车的爬坡能力提出了一定的要求,一般在30%即16.7°左右。越野车的行驶条件更为苛刻,常行驶在坑洼、泥泞、山丘等复杂工况中,所以对于它所能达到的爬坡度要求更高,通常最大爬坡度可达60%即31°左右。

2.2发动机外特性

发动机的外特性,是指在发动机节气门开度最大并保持不变的情况下,发动机的各项性能指标随转速变化的规律。这些性能指标大概包括发动机的输出功率、输出轴的输出转矩以及燃油消耗率。发动机的外特性数据大多情况下是在台架试验上测得的。若节气门的开度未在最大开度时,或在标定的开度以下,则称作发动机部分负荷特性。

在动力性和燃油经济性的仿真中使用到的一般是发动机外特性曲线,即当节气门开度位于标定位置时。稳定工况下的发动机外特性曲线呈开口向下的抛物线状且是转速的一元函数。通常采用多项式拟合的方式来绘制,多项式系数一般通过最小二乘法确定[5][6][7]。拟合曲线具有如下形式:

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