动力匹配设计规范.docx
《动力匹配设计规范.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动力匹配设计规范.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
动力匹配设计规范
1原理及依据
1.1评价指标
1.2总成参数选择原则
2计算方法
2.1人工经验计算方法
2.2计算机辅助计算
3基础数据收集和输入
3.1动力系统总成参数
3.2车辆运行环境参数
3.3驾驶员换挡规律
4现阶段公司可用相关资源配置
5计算任务和匹配优化
5.1计算任务
5.2数据对比及匹配优化
6计算结果输出和数据分析
6.1输出格式和内容规范
6.2试验数据对比及分析
一规范适用范围
本规范规定了动力总成系统传统匹配设计方法及利用AVLCruise软件对整车动力性和燃油经济性进行计算，并对动力总成系统配置优化。
本规范适用于目前我公司所有车型。
二规范性引用文件
GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》。
代号
物理意义
单位
发动机额定功率下的转速
r/min
满载时车轮滚动半径
m
车速
km/h
汽车质量
kg
重力加速度
m/s2
汽车重力
N
迎风面积
m2
发动机最大扭矩
N·m
发动机功率
kW
汽车驱动力
N
空气阻力
N
坡度阻力
N
加速阻力
N
滚动阻力
N
阻力功率
kW
燃油消耗率
g/（kW·h）
燃油密度柴油取为0.81～0.83
kg/L
坡度
动力因数
变速器传动比
主减速器传动比
传动系机械效率
滚动阻力系数
空气阻力系数
道路附着系数
本规范中所引用的符号及意义
动力匹配设计规范
1原理及依据
1.1评价指标
1.1.1汽车动力性评价指标
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纵向外力决定的,所能达到的平均行驶速度。
从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要可由以下三个指标来评定。
1.1.1.1最高车速
最高车速Umax是指在水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，并不反映汽车实际行驶中的平均速度。
1.1.1.2加速性能
汽车的加速能力常用原地起步连续换档加速时间与最高档或次高档加速时间来表示。
原地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，加速至某一预定的距离或车速所需要的时间。
该项指标反映了汽车在各种车速下的平均动力性。
最高档或次高档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要的时间。
因为超车时汽车与被超汽车并行，容易发生安全事故，所以最高档或次高档加速能力强，行驶就更安全。
1.1.1.3爬坡性能
汽车的爬坡能力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度imax来表示的。
显然，最大爬坡度是指一档时的最大爬坡度。
有些国家用汽车在一定坡道上能达到的车速来表明其爬坡能力。
该项指标所反映的是汽车低速时的动力性。
现有的汽车动力性的评价指标只是反映了汽车本身具有的极限能力，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大。
1.1.2汽车燃油经济性评价指标
在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的能力称为汽车的燃油经济性。
汽车的燃油经济性通常用一定工况下汽车行驶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/100km，即行驶100km所消耗的燃油量。
1.1.2.1等速燃油消耗
等速行驶百公里燃油消耗量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100km的燃油消耗量。
测出每隔10km/h或20km/h速度间隔的等速百公里燃油消耗量，绘制成曲线，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。
1.1.2.2加速燃油消耗
加速燃油消耗是指用最高档从某一车速开始全油门加速行驶500m的燃油消耗量，换算成百公里油耗量。
对重型汽车而言，在最高档满载时加速度非常小，行驶500m的速度增加量很小，目前重型汽车很少采用这一指标来评价汽车的经济性。
1.1.2.3多工况燃油消耗
等速行驶工况没有全面的反映汽车的实际运行状况，是车辆行驶的一个理想状态，而车辆在实际使用过程中总会或多或少加速、减速等工况，如在市区行驶时，会频繁的出现加速、减速、怠速停车等行驶工况。
因此各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况，模拟汽车实际运行工况，并以其百公里燃油消耗量来评定相应性工况的燃油经济性。
许多国家对循环工况都进行了大量的研究，如欧洲的ECE循环，英国的NEDC循环，美国的UDDS循环，日本的JPN10DDS循环等。
我国也制定了货车的路上行驶循环工况：
六工况行驶循环，用这些循环工况测出的燃油消耗量即为多工况燃油消耗量。
这是评价汽车燃料经济性的一个实用方法。
六工况循环是模拟干线公路行驶工况，适用于载货汽车（总质量在3500kg以上）和除了城市客车以外的其他类型客车的燃料消耗测定。
考虑加速性的差异，对总质量在14000kg以下和总质量大于14000kg的汽车，六工况的定义也不相同，表1-1是总质量大于14000kg的汽车的六工况的定义（比较适用于我公司）。
表1-1六工况试验循环
工况序号
运转状态
（km/h）
行程
（m）
累计行程（m）
时间
（s）
加速度
（m/s2）
变速器档位
1
25
50
50
7.2
—
最高档
2
25～40
200
250
21.9
0.19
最高档
3
40
240
490
21.6
—
最高档
4
40～50
240
730
19.2
0.14
最高档
5
50
240
970
17.3
—
最高档
6
50～25
200
1170
19.3
-0.36
最高档
这里我们以SX4185NM351牵引车列车为例，对满载的重型汽车能否实现六工况循环进行简单分析。
该车型发动机为WP10.290，发动机的最大扭矩为1160N.m；变速器为9JS119，最高档为直接档；驱动桥主减速比为4.8（我公司常用）；列车满载总质量为50t，其直接档的最大加速为0.08，次高档的最大加速度也仅为0.13，都小于工况中所要求达到的加速度，由此可见，重型汽车满载时无法实现六工况。
另外，对高速公路行驶的重型汽车而言，六工况也不能够反映出车辆的实际使用工况，高速公路的繁忙程度不至于使汽车频繁的处于加速状态，而且车辆通常能以较高的速度行驶，70km/h应是其最常用的速度，因此，在分析公路运输车辆（如牵引车列车）的多工况燃油消耗时，定义了一个简单的复合工况，即由起步连续换档加速到70km/h，再以70km/h匀速行驶一段时间，将这两部分的燃油消耗相加，即可认为近似得出了牵引车实际行驶工况的燃油消耗，而对于工程车辆，由于其运行工况复杂，无法自定义一个接近其实际运行工况的路谱，现阶段只能采用调整滚动阻力系数来简单对比动力系统性能趋势，若要模拟出车辆实际运行状况，需要采集实地路谱。
1.2总成参数选择原则
1.2.1.发动机功率选择
设计中通常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。
最高车速虽然仅是动力性能的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。
这是因为最高车速越高，要求的发动机功率越大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好。
给出了期望的最高车速，选择的发动机功率应大体等于，但不小于以最高车速行驶时阻力功率之和，即
（1-1）
在给定
、
、
、
、
之值后，便能求出应有功率的数值。
在实际工作中，还利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有功率。
汽车比功率是单位汽车总质量具有的发动机功率，比功率的常用单位为kW/t，可由下式表示：
（1-2）
我国GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》规定：
三轮汽车、低速货车及拖拉机运输机组的比功率不应小于4.0kW/t，除无轨电车外的其它机动车的比功率不允许小于5.0kW/t。
1.2.2传动系最小与最大传动比的选择
汽车大多时间以最高档行驶，即用最小传动比的档位行驶。
因此最小传动比的选定很重要。
传动系的总传动比是传动系中各部件传动比的乘积，即
（1-3）
式中，
为变速器的传动比；
为主减速器的传动比；这里不考虑分动器和副变速器。
设最高车速为
，当主减速器的选择使得阻力功率曲线正好与发动机功率曲线交在其最大功率点上。
若当发动机最大功率时的车速称为
，则有
。
过去，多数汽车将最小传动比选择得使
，或
稍小于
。
近年来，为了提高燃油经济性，出现了减小最小传动比的趋势，即令
稍大于
（即变速箱有超速挡）。
确定最大传动比时，要考虑三方面的问题：
最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。
对于普通汽车来说，传动系最大传动比
是变速器Ⅰ档传动比
与主减速器传动比
的乘积。
当
已知时，确定传动系最大传动比也就是确定变速器Ⅰ档传动比。
汽车爬大坡时车速很低，可以忽略空气阻力，汽车的最大驱动力应为
（1-4）
或
（1-5）
即
（1-6）
最大传动比确定后，还应计算驱动轮的附着率，检查附着条件是否满足上坡或加速的要求。
必要时，只能从汽车总体布置和结构入手，改善汽车的附着能力。
1.2.3主减速器传动比的确定
在动力装置其他参数不变的情况下，若要选定最佳主减速器传动比，可根据燃油经济性与动力性的计算，绘制燃油经济性—加速时间曲线。
纵坐标为加速时间，横坐标为循环工况的燃油经济性。
计算出不同主减速器比
取不同值时的曲线，当
值较大时，加速时间较短但燃油经济性下降；当
值较小时，加速时间延长但燃油经济性改善。
选择中间的某一个值，则可以兼顾动力性与燃油经济性。
若以动力性为目标，则可选用较大的
值；若以燃油经济性为主要目标，可选较小的
值。
燃油经济性—加速时间曲线通常大体上呈C形，所以又称之为C曲线。
1.2.4变速器与主减速器传动比的确定
在不改变发动机的条件下，可利用C曲线从数种变速器中选出合适的变速器及主减速器传动比。
确定变速器和主减速器比时，可以绘制不同变速器的燃油经济性—加速时间曲线，根据设计的主要目标选用其中的一个，并根据其C曲线确定主传动比。
2计算方法
2.1人工经验计算方法
2.1.1最高车速计算：
发动机最高转速和传动系决定的最高车速：
（2-1）
按功率平衡决定的最高车速:
汽车在平直路面匀速行驶时的阻力功率为：
故功率平衡方程可简化为：
（2-2）
由公式（2-1）和公式（2-2）计算结果可分析，若公式（2-1）计算车速大于公式（2-2）计算车速，则说明整车在最高车速工况下无后备功率；若公式（2-1）计算车速小于公式（2-2）计算车速，则说明整车在最高车速工况下有后备功率，故其实际最高车速取二者之中较小者。
2.1.2最大爬坡度计算
地面附着性能允许的最大爬坡度：
汽车行驶方程式：
汽车以最低档稳定速度爬坡时
，即
；
同时爬坡时行驶速度不大，可近似认为空气阻力
，
所以汽车行驶方程式简化为：
按车辆在坡道上的附着条件可知：
即
然后再根据
换算成最大爬坡度
（2-3）
轮胎与路面的附.附着系数。
表2-1附着系数
路面
轮胎
类型
状态
高压轮胎
越野轮胎
沥青、混凝土路面
干燥
0.50～0.70
0.70～0.80
潮湿
0.35～0.45
0.50～0.60
污染
0.25～0.45
0.25～0.45
碎石路面
干燥
0.50～0.60
0.60～0.70
潮湿
0.30～0.40
0.40～0.55
土路
干燥
0.40～0.50
0.50～0.60
湿润
0.20～0.40
0.35～0.50
泥泞
0.15～0.25
0.20～0.30
动力性能允许的最大爬坡度：
动力因数为：
（2-4）
爬坡时Fw可忽略不计。
D
max为
档的动力因数即：
（2-5）
档时最大爬坡度按下式计算：
（2-6）
用
代入整理可得：
（2-7）
然后根据
，求出最大爬坡度。
由公式（2-3）和公式（2-7）计算结果可分析，若公式（2-3）计算最大爬坡度大于公式（2-7）计算最大爬坡度，则说明整车最大爬坡度受限于整车动力性能；若公式（2-3）计算最大爬坡度小于公式（2-7）计算最大爬坡度，则说明整车最大爬坡度受限于整车附着性能，故其实际最大爬坡度取二者之中较小者。
2.1.3根据发动机台架试验得到的万有特性图与汽车功率平衡图，对汽车的燃油经济性进行估算。
根据万有特性曲线可以确定发动机在一定转速
发出一定功率
时的燃油消耗率
。
计算时，将发动机转速
按汽车行驶时的最高档转换成行驶车速，并画在横坐标上，同时计算出等速行驶时汽车阻力功率
，这就是发动机发出的功率。
根据等速
及阻力功率
，可在发动机万有特性图上利用插值法确定相应的燃油消耗率
。
从而计算出以该车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量
（单位为mL/s）为
（2-8）
整个等速过程行经S（m）行程的燃油消耗量
（单位为mL）为
（2-9）
折算成等速百公里燃油消耗量
（单位为L/100km）为
（2-10）
采用定性分析和简单的定量计算，这样的分析无可避免的带有一定的盲目性，且计算量大而复杂。
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，因此使得最终的匹配方案通常不够理想。
随着计算机的广泛应用,计算机模拟计算已成为汽车总体方案设计的有力工具。
而采用计算机模拟计算有很多优点,它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；采用计算机模拟还可以求解较复杂而精确的数学模型,从而使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,有助于设计人员很快的找到更优的设计方案和参数。
2.2计算机辅助计算（Cruise）
目前我公司进行动力总成系统优化匹配的计算机辅助工具为AVLCruise软件。
Cruise软件是奥地利AVL公司开发的用于研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件，是快速、便捷、高效的车辆动力学仿真工具。
该软件真实再现了车辆的传动系模型，可用于车辆开发过程中的动力传动系的匹配、车辆性能预测等等。
利用Cruise软件进行模拟计算包括四个步骤：
建立车辆模型、输入各总成模型数据、定制所需计算任务和查看计算结果。
2.2.1建立车辆模型
我们以4×2牵引车为例，分析汽车结构和功能，使用Cruise软件建立整车仿真模型。
4×2牵引车是由牵引头和半挂车（至少5轴）组成，牵引车的布置形式为发动机前置单桥后轮驱动，机械变速器，驾驶室只控制加速踏板、离合器和制动器踏板，半挂车按三根轴考虑。
根据结构和布置形式的分析，选用模型库中的汽车模块（Vehicle）、半挂车模块（Trailer）、发动机模块（Engine）、机械式摩擦离合器模块（Clutch）、机械手动变速器模块（GearBox）、单级减速器模块（SingleRatioTransmission，作为主减速器）、差速器模块（Differential）、驾驶室模块（Cockpit）以及车轮（Wheel）和制动器模块（Brake）。
将这些模块从车辆建模组件库中按图2-1所示拖入建模窗口。
图2-14×2牵引车模型的构建
当各子系统模型选定之后，应根据汽车配置方案和部件连接关系建立模型的物理连接，该步骤相对简单，只需用connect连接功能建立物理连接，如图
2-2所示。
传动系各部件之间有直接的物理连接关系，车轮和制动器之间也有物理连接关系，但驾驶室与动力传动系和制动系之间没有物理连接，在仿真过程中，它们之间是通过信号连接来传递信息的。
图2-2模型的物理连接
信号连接是汽车建模过程中最关键内容之一，也有较大难度。
要想正确建立汽车各子模型之间的信号连接关系，必须对汽车系统内部件之间的连接和控制关系、信息传递关系以及汽车动力学有深入的理解。
如该牵引车列车模型，驾驶室（Cockpit）需要的转速信号来自于变速器（GearBox）的当前档位；同样，制动器（Brake）需要的制动压力、摩擦离合器（Clutch）需要的期望的结合程度、发动机（Engine）需要的负荷信号和起动开关（StartSwitch）信号以及变速器（GearBox）需要的期望档位信号都来自于驾驶室（Cockpit）。
双击建模窗口下方的彩色线条打开数据总线，如图2-3所示，各子模型之间的连接关系见表2-2。
图2-3数据总线
表2-2数据总线的链接信息
component…requires
inputinformation…from
component…delivering
outputinformation
Break
BreakPressure
Cockpit
BreakPressure
Clutch
DesiredClutchRelease
Cockpit
DesiredClutchRelease
Cockpit
Speed
Engine
EngineSpeed
Cockpit
OperationControl0
Engine
OperationControl
Cockpit
GearIndicator
GearBox
CurrentGear
Engine
LoadSignal
Cockpit
LoadSignal
Engine
StartSwitch
Cockpit
StartSwitch
GearBox
DesiredGear
Cockpit
DesiredGear
Monitor
Input0
Engine
EngineSpeed
在数据总线连接时，需要注意：
inputinformation…from中显示为蓝色的项目为必须连接的项目，发动机（Engine）模块中的负荷信号（LoadSignal）虽然显示为黑色，但也必须进行连接。
2.2.2输入各总成模型数据
模型数据的输入有以下几种方式：
手动输入数据；从已有模型中调入数据；拷贝与粘贴方式输入输出数据。
手动输入数据：
双击建模窗口中的每一个组件，都会弹出一个窗口，根据需要输入每个组件的相关数据即可。
从已有模型中调入数据：
例如从已有整车模型中调入发动机数据如图2-4。
图2-4从已有模型中调入发动机数据
拷贝与粘贴方式输入输出数据：
数据可以通过拷贝与粘贴方式输入输出，这可以在Cruise内部进行，也可以与其它软件进行，比如Excel之间传输数据。
2.2.3定制所需计算任务
建模和参数输入完成之后，利用检查功能（check）来检查模型是否正确，数据输入是否完整，如果通过检查，便可进行仿真。
在仿真计算之前，要定制仿真任务。
根据需要计算的内容，建立相应的文件夹，在每个文件夹下添加相应的计算任务，如图2-5。
图2-5添加计算任务
计算任务的定义包括：
计算模式、道路环境，驾驶员，测量点的定义，换档规律等等。
2.2.4查看计算结果
在结果管理器messages文件夹中可以查看所定制的各计算任务的详细计算结果，也可以在各计算任务的文件夹中查看图形文件。
例如：
配置WP10.290发动机、9JS119变速器和4.8速比后桥的德龙S35牵引车，总质量50T的计算结果如图2-6～图2-20。
图2-6各档最高车速
图2-7各档最大爬坡度
图2-8各档最大加速度
图2-91档起步连续换档加速时间
图2-10直接档超车加速时间
图2-11各档最大牵引力
图2-12各档等速燃油消耗
图2-13自定义工况燃油消耗
图2-14各档最大爬坡度
图2-15各档最大加速度
图2-16各档等速燃油消耗
图2-17汽车功率平衡图
图2-18自定义工况发动机工作点分布
图2-19自定义工况驱动时间分布
图2-20自定义工况油耗分布
3基础数据收集和输入
3.1动力系统总成参数
3.1.1整车相关参数（外廓尺寸，轴距，载荷等）
在车辆模型中需要输入的主要参数包括：
轴距、车辆质心位置、整备质量、列车总质量、迎风面积、空气阻力系数和轮胎压力。
3.1.2发动机相关参数（外特性及万有特性数据、排量等）
在发动机模型中需要输入发动机各种性能参数，包括排量、最高转速、怠速转速、外特性数据和万有特性数据等（由发动机厂家提供）。
另外还需要输入各附件消耗功率。
常用发动机型号及参数详见表4-1。
3.1.3变速器相关参数（档位、速比、效率等）
在变速器模型中需要输入各档位速比和传动效率。
常用变速器型号及各档速比见表4-2。
3.1.4驱动桥相关参数（速比、效率等）
在驱动桥模型中需要输入后桥速比和传动效率。
常用车桥速比及传动效率见表4-3。
3.1.5其他部件相关参数（离合器、差速器、制动器、轮胎等）
在其他部件模型中需要输入转动惯量（车辆旋转部件）、离合器最大传递扭矩、制动器有效摩擦半径、摩擦效率、轮胎滚动半径和滚动阻力系数等。
国家标准GB9744-1997中规定了不同型号的轮胎的一些主要尺寸，具体数据见表3-1。
表3-1常用轮胎的主要尺寸（R——子午胎）
轮胎型号
断面宽度（mm）
自由直径（mm）
负荷下静半径（mm）
公路花纹
越野花纹
11.00-20
293
1085
1105
517
12.00-20
315
1125
1145
536
11.00R20
293
1085
1095
507
12.00R20
315
1125
1135
526
3.2车辆运行环境参数（滚阻、风阻或滑行试验数据、坡阻等）
3.2.1轮胎滚动阻力系数
滚动阻力是车轮在地面上滚动时产生的阻力，主要由以下各种阻力组成：
（1）轮胎沿路面滚动时，轮胎变形所引起的阻力；
（2）路面变形所引起的阻力；
（3）路面不平整所引起的冲击阻力；
（4）轮毂轴承的摩擦阻力。
滚动阻力系数可由滑行试验确定。
表3-2为汽车在一些路面上，以中、低速行驶时滚动阻力系数的值。
表3-2各种路面上的滚动阻力系数
路面类型
滚动阻力系数f
路面类型
滚动阻力系数f
良好的沥青或混凝土路面
0.010～0.018
雨后压紧土路
0.050～0.150
一般的沥青或混凝土路面
0.018～0.020
泥泞土路
0.100～0.250
碎石路面
0.020～0.025
干砂路面
0.100～0.300
良好的卵石路面
0.025～0.030
湿砂路面
0.060～0.150
坑洼的卵石路面
0.035～0.050
结冰路面
0.015～0.030
干燥压紧土路
0.025～0.035
压紧雪道
0.030～0
升级会员 