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完整版中级轿车动力系统匹配研究毕业设计论文
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摘要
动力性和燃油经济性是评价一辆汽车性能好坏的两个重要指标。
而汽车燃油经济性和动力性的好坏取决于其动力系统合理匹配的程度。
因此在汽车设计中,如何选取汽车发动机和传动系的参数以获取最佳动力性和经济性,以保证各部分的最佳匹配,是各汽车厂家非常关心的问题。
因此，动力源和传动系的匹配问题,就成了汽车设计中最为基本和最为重要的问题。
本文以中级轿车为研究对象，系统阐述了国内国外关于汽车动力系统匹配研究的现状及发展趋势，目前采用的部分行业标准和相关法规体系。
选定了行星变速器的结构，对其参数进行了数值计算。
建立了发动机、液力变矩器、变速器动力性模型，进行数值计算，计算汽车动力性和燃油经济性相关技术指标。
并利用MATLAB进行动力性分析编程，分析整车动力性匹配。
关键词：
汽车动力系统；动力性；经济性；合理匹配；研究
Abstract
Tractiveperformanceandfueleconomyaretwoimportantindicatorsofevaluatingtheperformanceofthevehicle.Andvehiclefueleconomyandtractiveperformanceforabettervehicledependsonthedegreeofmatching.Therefore,inautomotivedesign,systemparametersinordertoobtainthebestpowerandeconomytoensurethebestmatchingbetweenthatallparts,isthecarmanufacturersareveryconcernedabouttheissue.So,thematchingproblembetweenpowersourceandpowertrainsystem,.
Thispaper,basedontheresearchobjectofmid-levelcars,expoundsthepowertrainsystemmatchingstatusofresearchanddevelopmenttrendsatconstruction.Thedynamicmodeloftheengine,torqueconverter,transmissionisestablished,andmakethenumericalcalculationofvehicledynamicsandfueleconomyindexesrelatedtechnology.AndmakeuseofMATLABtoprogramdynamicanalysis,analyzetheentirevehicledynamicmatching.
Keywords：
vehiclepowertrainsystem；tractiveperformance；fueleconomy；reasonablematching；Research
第1章绪论1
1.1前言1
1.2课题研究的目的和意义1
1.3国内外发展概况及趋势3
1.3.1国内研究概况3
1.3.2国外研究状况4
1.3.3研究发展趋势5
1.4本论文主要工作5
第2章汽车动力性经济性评价6
2.1动力性评价6
2.2燃油经济性评价7
2.3动力性、燃油经济性综合评价7
第3章中级轿车传动系的结构及其参数计算8
3.1液力变矩器的结构及其工作原理8
3.2行星变速器机构的选择9
3.3行星变速器机构的参数计算12
第4章中级轿车的动力性匹配研究15
4.1技术参数15
4.2发动机的特性15
4.2.1发动机的外特性15
4.2.2发动机的万有特性16
4.2.3发动机的转速特性17
4.3液力变矩器特性17
4.3.1泵轮力矩系数17
4.3.2泵轮力矩18
4.3.3发动机和液力变矩器工作点19
4.3.4变矩系数20
4.3.5涡轮力矩20
4.4动力性计算21
4.4.1各档驱动力和行驶阻力21
4.4.2加速时间22
第5章界面编制25
5.1编制方法25
5.2输出结果26
第6章结论29
致谢30
参考文献31
附录33
附录A程序清单33
附录B翻译资料50
第1章绪论
1.1前言
人类在经济、政治、文化和军事活动中，总会有人的出行和物的运输环节。
随社会的发展，出行与运输的范围越来越广，频率越来越高，节奏越来越快。
所以人类对出行和运输所用的工具特别重视，不断地开发新品种。
我国的汽车工业也迅速发展，从上世纪50年代第一辆国产汽车下线以来，经过了50多年的发展，己经成为我国的支柱产业。
随着改革开放的深入和社会发展的广泛需求，我国的汽车保有量逐年上升，并已成为社会活动中难以离开的必需品。
在汽车运输成本中，燃料消耗占20%—30%，随着国民经济的进步和交通运输的发展，特别是当今能源供给日趋紧张，如何使汽车节能降耗，发挥出最佳社会效益，成为一个急需解决的现实问题。
另外，随着我国的富强，人们生活水平的提高，人们对汽车的动力性及舒适性也提出了更高的要求。
汽车的动力性和燃油经济性是汽车最重要的技术指标，虽然现代汽车技术的发展使汽车的动力性和燃油经济性都达到了前所未有的高水准，但是二者之间仍存在一个合理匹配问题。
要想使汽车的动力性好，就应该使汽车能有足够高车速及较强的牵引力，而要想使汽车的燃油经济性好，除了让发动机的燃油消耗率最小，还要求在实际行驶工况时，发动机总是处于燃料消耗率最小的经济区域内。
对于某一特定的车辆，当汽车总重、重量分配、轮胎等己确定的情况下要做到这一点，主要依靠发动机与传动系的合理匹配，即合理选择发动机与传动系统各参数使之发挥最佳动力性和燃油经济性。
国内外汽车界在这方面做了大量的工作，对动力性匹配的研究日益完善。
随着计算机技术的飞速发展，计算机模拟在动力系统匹配计算中的作用也越来越突出。
本课题对汽车的动力性、燃油经济性进行综合匹配研究，为今后的动力性匹配研究提供理论借鉴。
1.2课题研究的目的和意义
评价一辆汽车的性能有很多技术指标，如衡量汽车动力性的指标:
最高车速、爬坡性能和加速性能等，衡量燃油经济性的指标:
汽车在标准试验循环下的百公里油耗等。
但是这些指标都不足以全面衡量一辆汽车的好坏，汽车集动力性与燃油经济性为一体，同时很多指标又互相制约，所以任何割裂开的技术指标仅仅是反映汽车的某一方面，而不是整体性能指标。
只有将这些评价发动机和传动系的各自指标结合到一起，才能反映出整车的总体性能。
即使一台发动机具有良好的性能，如果没有与之合理匹配的传动系，也不可能充分发挥其最佳性能。
合理的动力系统匹配才能实现更好的动力性和燃油积极性。
在汽车的实际设计过程中，动力传动系的匹配状况并不能令人满意。
这主要是由两个方面的原因造成的。
其一，由于传统的测试手段和计算工具的限制，汽车动力系统的匹配一直都采用定性分析和简单的定量计算，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设计，其设计流程如图1所示。
图1.1传统汽车设计流程
设计人员在进行动力传动系匹配时一直都采用定性分析和简单的定量计算。
靠大量积累的试验数据和反复测试的结果来设计，难以对多种方案进行计算比较。
这样做所造成的后果往往是，一个部件性能的改进完全有可能由于另一部件的匹配不当而造成整体性能未获得应有的效果。
有统计表明，目前国内汽车发动机使用工况多数远离其最佳经济区和最佳排放区，未能实现动力传动系的最佳匹配，在发动机的整个持续工作期向内其平均效率仅为11—18%，而汽车发动机的最佳效率值对于四冲程汽油机而言可达35%以上。
其二，即使采用上述方法对动力系统进行了简单的“匹配”，对车辆的动力性、燃油经济性和排放性能的评价也只能在进行实车道路试验或底盘试验之后方可实施。
这样做不但周期长、重复性差、成本高，而且在产品设计阶段使得整车及各总成方案的确定、结构参数的选取及传动系与发动机的匹配等都具有一定的盲目性，从而造成人力、财力和物力的浪费。
更严重的，甚至会导致整车设计的失败。
由此看来，如果在整车总体布置设计时不能科学地、合理地、明确地提出发动机总成、传动系总成及车辆零部件的技术性能指标，就会使得设计结果往往远离产品设计要求。
为了避免技术开发和技术决策的盲目性，提高汽车设计质量，缩短研制周期，更合理地确定发动机，传动系及各总成零部件性能指标，在设计阶段就应当采用系统工程的观点来研究整车性能，对整车性能进行技术评价、技术分析和技术决策。
目前为实现汽车动力系统的最佳匹配，在保证汽车的动力性的前提下，减少燃料的消耗，提高燃油经济性已成为世界瞩目的热门研究课题之一，也是提高汽车整车性能的主要技术挑战。
汽车工业发达的国家在这方面竞相开展研究工作；现今我国汽车工业也有了空前发展。
因此，开展汽车动力系统匹配研究，缩小与世界先进技术水平的差距，提高国内企业核心技术的竞争力，已成为我国汽车工业发展的当务之急。
1.3国内外发展概况及趋势
1.3.1国内研究概况
我国在汽车动力传动系的匹配和模拟计算方面的研究起步较晚.进入八十年代后，长春汽车研究所、吉林大学、清华大学和江苏理工大学等单位陆续开展了一些工作，取得了一定的成果。
长春汽车研究所开发的汽车动力性和燃料经济性通用模拟程序，能够考察影响汽车基本性能的各个参数，消除随机因素（如司机、车辆、天气等）的影响。
清华大学开发的动力性、燃料经济性的计算机模拟程序，较多地借鉴了国外的一些经验模型，由发动机特性、传动系效率、轮胎行使特性、离合器接合分离过程以及发动机万有特性关系简练而合理地阐述了汽车动力系统的基本工作过程。
目前，国内汽车界主要是围绕以下几个方面进行工作的:
（1）仅对传动系中的某个参数（如主减速比）进行优化设计。
在保证车辆动力性能的基础上，使燃油经济性最佳，具有一定的实用性。
（2）对传动系中的变速器参数及主减速比进行优化，目标函数是燃油经济性或动力性指标。
（3）对传动系中变速器参数及主减速比进行优化，目标函数是动力性和燃油经济性的加权统一。
以往，国内在动力系统的设计过程中，在确定传动系的基础上，基本上是被动地选择发动机或者在确定发动机的基础上，仅以发动机的动力性、经济性指标为依据，在整个汽车运行工况范围内未达到整体的最优化，而且，也没有考虑到排放的要求。
随着对匹配问题研究的深入，在车辆动力性燃油经济性模拟计算中，逐步引入了离合器接合规律模型、最佳换档规律模型、变速器效率模型以及主减速器效率模型等，使得整车动力性、燃油经济性的数值模拟精度有所提高，其成果逐步变得具有实用价值。
总的来说，国内外对于动力系统匹配模拟计算的研究虽己取得了一定的进展，但还有许多问题没有完全解决，尤其是对于汽车动态行驶过程在相当大的程度上还是在依靠经验进行处理。
1.3.2国外研究状况
从六十年代中期至七十年代以来，有关动力系统的模拟一直处于建模和模拟软件开发的水平上。
八十年代初，随着计算机技术的进步，仿真模拟技术得到了飞速发展，在车辆设计中的应用越来越广泛。
Waters等人将汽车行驶工况处理成一个稳态的过程，通过计算获得汽车性能与车速之间的一系列对应关系，该方法准确且占用机时少，但难以确定不同行使工况对整车性能的影响;Hong等人则从汽车运动方程入手，建立系统的数学模型，运用典型行驶工况进行求解，他们成功地解决了各个行使工况的权重问题，但编写的程序不能反映模拟路径中传动参数的变化情况;Smith开发了一套商用车的模拟计算程序，在程序中，他集成了以上两种方法，详细描述了模拟路径中性能参数的状况，但计算量巨大，而且还存在由于异常试验数据以及换档点、汽车极限工况区微分方程的不连续性导致的不稳定问题。
这一时期最具代表性的软件是美国通用汽车公司开发的汽车动力性与经
济性的GPSIM，此软件可以模拟计算:
1
（1）全节气门开度时，从起动到96.56km，StataicTexth和曲线图标到界面空间，可得到如下图形。
图5.3图形界面功能选择
2点击功能按钮，填入相应文字。
然后将编好的MATLAB程序考入，再按执行键运行，即可输出结果。
5.2输出结果
点击液力变矩器按钮，将输出如下结果：
图5.4点击液力变矩器按钮输出图像
点击发动机和变矩器工作点按钮，将输出如下结果：
图5.5点击发动机和变矩器工作点按钮输出图像
点击驱动力曲线按钮，将输出如下结果：
图5.6点击驱动力曲线按钮输出图像
点击加速度倒数曲线按钮，将输出如下结果：
图5.7点击加速度倒数曲线按钮输出图像
第6章结论
本文以中级轿车为研究对象，开展动力系统匹配研究。
阐述了国内国外中级轿车动力系统匹配研究的诸多成果和相关法规体系，并重点介绍了几种常用的评价指标。
建立了发动机的数学模型，分析了发动机的外特性和万有特性。
研究了液力变矩器特性及发动机与液力变矩器的工作点，找到了发动机和液力变矩器共同工作的区域，便于找出最佳的动力性和燃油经济性。
对行星变速机构进行了配齿计算，确定了各行星排的参数。
根据汽车理论建立了各档驱动力，行使阻力和加速时间的数学模型，对其进行了动力学分析。
并基于上述建立的数学模型，利用MATLAB程序对其进行了计算和拟合曲线，编制了界面操作程序。
研究结果表明：
发动机与液力变矩器在相同的扭矩和转速时，才能稳定工作实现最佳的动力性经济性;在行驶过程中，档位越高驱动力越小，速度越大驱动力越小；不同的整车质量影响加速度，整车质量增大加速度减小，加速时间增大。
本文也存在诸多缺点，由于中级轿车各类性能指标很多，使用工况复杂，模拟计算和拟合曲线时往往采用了一些理想化状态，对有的参数进行了定量设计，同时也忽略了部分可能会对动力性匹配有影响的次要参数。
由于时间有限和本人专业水平有限，本文的研究还需要进一步改进和完善。
在对中级轿车建模时，有些使用了经验模型，与实际情况有差别，为了使模拟结果更加接近实际情况，应进一步细化模型。
致谢
论文是在XXX教授的悉心指导和帮助下完成的。
从论文选题到课题进行的每一个环节，都倾注了导师的心血。
导师严谨治学的态度、诲人不倦的品格、一丝不苟和无私奉献的精神使我深受启迪，终身受益。
同时在其它方面也得到了导师的关心和帮助。
在此谨向导师表示衷心的感谢和崇高的敬意!
另外，我还要感谢所有关心，帮助过我的老师，同学以及朋友们，没有他们的关心、支持与帮助，我不可能如此顺利的完成我的论文，在此，一并向他们表示最诚挚的谢意!
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附录
附录A程序清单
发动机转矩
n=800:
42:
5000
Te=-0.000006.*（n-2500）.^2+150
plot（n,Te）
xlabel（'n（rpm）'）
ylabel（'Te（N.m）'）
title（'发动机转数特性曲线'）
gridon
axissquare
泵轮力矩系数
Id1=0:
0.01:
0.5
Dp1=-0.8.*（Id1-0.5）.^2+2.5
Id2=0.5:
0.01:
1
Dp2=-7.*（Id2-0.5）.^2+2.5
Dp3（:
1:
50）=Dp1（:
1:
50）
Dp3（:
51:
101）=Dp2（:
1:
51）
Id3（:
1:
50）=Id1（:
1:
50）
Id3（:
51:
101）=Id2（:
1:
51）
plot（Id3,Dp3）
title（'泵轮力矩系数曲线'）
gridon
axissquare
变矩系数
Ud1=0:
0.01:
0.85
Cp1=-Ud1.*（2.4-1）.0.85+2.4
Ud2=0.85:
0.01:
1
Cp2=1
Cp3（:
1:
85）=Cp1（:
1:
85）
Cp3（:
86:
101）=Cp2（:
:
1）
Ud3（:
1:
85）=Ud1（:
1:
85）
Ud3（:
86:
101）=Ud2（:
:
1）
plot（Ud3,Cp3）
title（'变矩系数曲线'）
gridon
axissquare
液力变矩器特性
N11=[2671:
90.5:
4481]
Cp001=2.4000;Cp006=2.3176;Cp011=2.2353;Cp016=2.1529;
Cp021=2.0706;Cp026=1.9882;Cp031=1.9059;Cp036=1.8235;
Cp041=1.7412;Cp046=1.6588;Cp051=1.5765;Cp056=1.4941;
Cp061=1.4118;Cp066=1.3294;Cp071=1.2471;Cp076=1.1647;
Cp081=1.0824;Cp086=1.0000;Cp091=1.0000;Cp096=1.0000;
Cp101=1.0000;
Tt001=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp001;
Tt006=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp006;
Tt011=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp011;
Tt016=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp016;
Tt021=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp021;
Tt026=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp026;
Tt031=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp031;
Tt036=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp036;
Tt041=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp041;
Tt046=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp046;
Tt051=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp051;
Tt056=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp056;
Tt061=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp061;
Tt066=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp066;
Tt071=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp071;
Tt076=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp076;
Tt081=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp081;
Tt086=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp086;
Tt091=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp091;
Tt096=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp096;
Tt101=（（-0.000006）.*（N）.^2+150）.*Cp101;
plot（
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