【正文】 在汽車底盤測功機(jī)試驗臺上讓汽車按標(biāo)準(zhǔn)試驗訊號規(guī)定的行駛程序行駛，測量其燃油消耗和排放，而計算機(jī)模擬計算方法則是利用發(fā)動機(jī)的一些特性曲線（如外特性曲線 和萬有特性曲線）和汽車的技術(shù)參數(shù)對汽車各種典型的行駛過程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而計算在同試驗循環(huán)下的燃油消耗和排放。 實驗法相對而言比較準(zhǔn)確，但是需要一套昂貴的汽車底盤試驗設(shè)備，實驗室還要加工不同的試驗備件，耗費(fèi)較大，而且在整車設(shè)計開發(fā)的初期，也沒有樣車進(jìn)行試驗，不可能分析比較各種不同的實驗方案。 2 可以求解比較復(fù)雜而準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，過去無法求解的或需要大量時間才能求解的線性或非線性系統(tǒng)的微分方程組。所以，在計算機(jī)模擬的情況下可以采用能準(zhǔn)確描述所研究運(yùn)動的較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，這就使得計算機(jī)結(jié)果更接近實際。因而能全面 、準(zhǔn)確的預(yù)測汽車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的各種性能指標(biāo)。 5 能使汽車工程師在產(chǎn)品設(shè)計階段，能夠?qū)φ噮?shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而實現(xiàn)在一定的預(yù)期目標(biāo)下進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，這在如今激烈的市場競爭的汽車工業(yè)來 說是極為重要的，它將使產(chǎn)品的設(shè)計成功率大大提高，大幅降低汽車產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的費(fèi)用，縮短研究周期，而且也將使得所設(shè)計產(chǎn)品的性能大大提高，從而使企業(yè)在激烈的 市場競爭中立于不敗之地。目前，國外汽車公司尤其是歐美國家對這一研究課題非常關(guān)注。 國內(nèi)外動力總成匹配研究現(xiàn)狀概述 中國作為一個汽車大國，但并非是汽車強(qiáng)國，在汽車的開發(fā)研究和試驗測試方面跟國外汽車公司相比有一定的差距。技術(shù)部門的設(shè)計任務(wù)是實現(xiàn)汽車的性能，動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是其中最基本、最重要的性能。但隨著社會經(jīng)濟(jì)、汽車技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車的這些性能必須在汽車概念開發(fā)階段就確定，因此合理的汽車性能計算機(jī)仿真成為汽車工業(yè)發(fā)展的需要。完善的汽車性能計算機(jī)仿真，不僅能夠模擬汽車在任何行駛工況下的瞬時油耗、累積油耗、行駛時間和距 離等，而且可以計算分析汽車設(shè)計參數(shù)如車重、空氣阻力系數(shù)、變速器速比等對汽車性能的影響。這些計算機(jī)模擬程序與試驗相 結(jié)合，使得設(shè)計人員能夠在汽車開發(fā)階段就可以準(zhǔn)確地預(yù)測汽車的動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，并且可以快速有效地比較不同發(fā)動機(jī)與傳動系匹配時汽車的性能，從而找到最佳的匹配方案。通過計算機(jī)模擬不僅可以避免設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計階段對整車總成布置、動力與傳動系統(tǒng)選擇的盲目性，防止遺漏最優(yōu)方案的可能性，而且還大大縮短了設(shè)計周期，節(jié)省了大量的試驗費(fèi)用。 (2)給定工況模擬研究 。 (4)模擬程序的應(yīng)用研究。但是由于起步比較晚，跟國外大公司開發(fā)的模擬程序相比還存在如下主要問題 : (l)數(shù)學(xué)模型不完善 。 這些問題導(dǎo)致我國汽車工程界在設(shè)計中無法運(yùn)用有效的工具較為準(zhǔn)確地預(yù)測和優(yōu)化汽車的性能，阻礙了開發(fā)水平的提高和自主研發(fā)能力的進(jìn)步。 本論文的主要工作有： (l)詳細(xì)分析了發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型建立的方法。并開發(fā)了基于圖像識別技術(shù)的發(fā)動機(jī)萬有特性圖片數(shù)據(jù)化軟件，能較輕松的建立發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以減輕開發(fā)人員得工作量。 (3)對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析，提出重型商用車基于實際運(yùn)行工況的傳動系參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合整車生產(chǎn)廠家的配套企業(yè)的實際情況，以主減速比為連續(xù)變量，車輪半徑為離散變量，是的優(yōu)化結(jié)果可以得到最快應(yīng)用。 (5)目前重型商用車的萬向 傳動軸多是分段傳動，本文結(jié)合實際車型，在考慮汽車實際行駛的情況下對汽車的萬向傳動裝置進(jìn)行優(yōu)化布置，使得車輛在行駛過程中的當(dāng)量夾角最小，從而改善重型商用車行駛時萬向傳動的噪聲和振動。對于已知試驗數(shù)據(jù)的發(fā)動機(jī)，可以采用數(shù)值計算的方法 (主要是插值和擬合 )來建立發(fā)動機(jī)的模型，但是插值和擬合的方法均有很多種，需要從中選出最合適的建模方法，使得汽車性能仿真計算的結(jié)果滿 足精度要求．同時對于生產(chǎn)廠家來說，往往只能得到發(fā)動機(jī)特性的曲線圖形，無法得到發(fā)動機(jī)的實驗數(shù)據(jù)，因此就需要我們將發(fā)動機(jī)圖形數(shù)字化，但人工數(shù)字化費(fèi)時費(fèi)力，而且準(zhǔn)確度不高，為此我們開發(fā)了一套萬有特性曲線圖計算機(jī)數(shù)字化程序。 發(fā)動機(jī)建模方法的選擇 發(fā)動機(jī)使用外特性建模 對于已知實驗數(shù)據(jù)的發(fā)動機(jī)，其使用外特性可以看作為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，可以采用一元插值或者曲線擬合的方法建立模型。 由于發(fā)動機(jī)外特性是一元函數(shù)，因此我們的建模方法可以選擇一元插值或者曲線擬合，下面將介紹幾種常用的數(shù)值計算方法。而當(dāng)插值點 t 靠近 n 個結(jié)點的兩端時，選取的結(jié)點數(shù)將有可能少于 8 個． 發(fā)動機(jī)萬有特性建模 由于發(fā)動機(jī)的萬有特性是二元函數(shù)，因此我們的建模方法可以選擇二元插值或者曲面擬合，二元插值本文選擇了二元全區(qū)間插值。 二元全區(qū)間插值 給定矩形域上 n m 個結(jié)點 ( )(i=0， 1， 2，．．．， n1。 設(shè)給定矩形域上 n 個結(jié)點在各個方向上的坐標(biāo)分別為 , 相應(yīng)的函數(shù)為 ， i=0,1,2 ,n1。 最小二乘法曲面擬合 采用曲面擬合的方法求取模型的參數(shù)，實際上是個線性回歸問題。 回歸模型寫成矩陣形式： EAGZ ??? 其中 G 為 kN 階矩陣， Z 和 E 均為 1?N 列向量。 ])(/)([= ∑∑==Nl llNt ll ZZZZC ?????? 其中 ∑1=1=Z Nl lZN為總體的均值。如已知某發(fā)動機(jī)參 數(shù)如表 24： 轉(zhuǎn)速 1000 1500 2021 2500 3000 3500 3800 4000 扭矩 表 24 轉(zhuǎn)速與扭矩數(shù)值原始數(shù)據(jù)表 采用最小二乘法對其擬合，擬合階數(shù)為 6，得到的結(jié)果如圖 21 所示： 圖 21 擬合得到的發(fā)動機(jī)外特性曲線 結(jié)果完全可以滿足計算需要的精度。 若有足夠的已知點，二元全區(qū)間插值的計算精度可以保證，但是考慮到計算的方便性和編制程序的簡便，建議選用最 d乘法曲面擬合的方法．需要注意的是，一般選用 3 階模型，否則擬合精度不能保證，作者自己編制程序?qū)δ嘲l(fā)動機(jī)的萬有特性進(jìn)行擬合，數(shù)學(xué)模型階數(shù)為 3，得到比較滿意的結(jié)果，擬合精度為 96． 8％，結(jié)果如圖 2． 2 所示： 圖 擬合得到的發(fā)動機(jī)萬有特性 2． 1． 4 結(jié)論 通過綜合比較多種發(fā)動機(jī)建模方法和實例分析，我們認(rèn)為運(yùn)用最小二乘法建立的發(fā)動 機(jī)特性數(shù)學(xué)模型既有較高的擬合精度，而且計算方便，為車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真計算奠定了良好的基礎(chǔ)。在已有發(fā)動機(jī)萬有特性圖的情況下，過去使用的方法是：汽車總體設(shè)計師或性能分析工程師按照圖形上的坐標(biāo)，用直尺測量、估算數(shù)值后用筆記錄下來，然后再手工輸入到計算機(jī) 中形成數(shù)據(jù)文件，這種方法不但費(fèi)時、費(fèi)力，測取的數(shù)據(jù)誤差大，數(shù)據(jù)錄入可能還存在差錯，效率很低。本方法的數(shù)字化原理為：將萬有特性曲線圖放大，然后用鼠標(biāo)沿著等油耗線點擊讀取數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)圖形學(xué)原理轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，將計算機(jī)界面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為萬有特性坐標(biāo)系坐標(biāo)，方法如下： 我們將萬有特性曲線的圖片讀入計算機(jī)，在用戶坐標(biāo)系中，制定一矩形區(qū)域以顯示圖形， 設(shè)該區(qū)域的左邊界為 ，右邊界 ，上邊界 ， 下邊界 ，同時，我們設(shè)萬有特性特性曲線圖片的坐標(biāo)為：左邊界為 ， 右 邊界 ，上邊界 ，下邊界 ，顯示區(qū)域的上邊界線段的長 變換成萬有特性坐標(biāo)系下的長度為 ，設(shè)其比例變換因子為 ，則可得 對計算機(jī)屏幕內(nèi)任一 x 坐標(biāo) ( )變換為萬有特性坐標(biāo)系下水平方向 sx 坐標(biāo) ( )，由上面知有， (式 219) (式 220) 同樣，經(jīng)變換后屏幕的左邊界線段的長 變換成萬有特性坐標(biāo)系下 的長度為 。 數(shù)字化程序的開發(fā) 數(shù)字化程序是在 windows 操作系統(tǒng)下運(yùn)用 開發(fā)的，運(yùn)用 強(qiáng)大的圖形處理功能輕易的實現(xiàn)程序的算法，具體的過程 ： 1 將萬有特性曲線圖片讀入計算機(jī)，務(wù)必保證圖片的清晰及端正。并輸入其在萬有特 性下的坐標(biāo)值，分別為 ),( 00 yx ， ),( 0yxx ， ),( 0 yyx ，而這些點在屏幕上的坐標(biāo)為 ),( 39。0 yx ， ),( 39。 yxx ， ),( 39。0 yyx ，這樣我們就能得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換因子 1k ， 2k 。 4 在計算機(jī)內(nèi)部經(jīng)過數(shù)值計算處理，得到發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并且利用圖形處理功能繪制出該模型的曲線圖程序流程圖如圖 24 所示： 開始 打開萬有特性曲線圖形 選擇坐標(biāo)原點并輸入數(shù)據(jù)，采集坐標(biāo)軸上任意點 確定開始采集 開始采集圖形 等待命令 輸入要采集的等油耗線的數(shù)值 采集該油耗線上的各點 是否采集完畢 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 顯示計算結(jié)果 否 是 是 否 結(jié)束 圖 24 發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖片數(shù)字化程序流程圖 實例應(yīng)用 圖 25 為某一重型商用車發(fā)動機(jī)的數(shù)字化前的曲線圖，該發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)如下： 額 定 扭 矩（ N m/1550r/min 額 定 功 率（ kW） 235kW/2200r/min 怠 速（ r/min） 600177。 h） ≤198 吸 氣 型 式 增壓中冷 缸 徑 /行 程（ mm） 126/130 排 量（ L） 我們運(yùn)用自己編寫的程序?qū)υ摪l(fā)動機(jī)萬有特性圖片進(jìn)行處理，結(jié)果如下： a．發(fā)動機(jī)外特性的數(shù)學(xué)模型為： 5544332210 ?+?+?+?+?+= nananananaaT q （式 228） 式中： 30 = ea 11 = ea 22 = ea 63 = ea 94 = ea 145 = ea N 表示發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速（ r/min）， qT 為轉(zhuǎn)速為 n 時扭矩（ N b. 發(fā)動機(jī)萬有特性的數(shù)學(xué)模型為： 39423210 ?+??+?+?+?+= TbTnbnbTbnbbg e ? （式 229） 其中： 20 = eb 21 = eb 12 = eb 53 = eb 54 = eb 45 = eb 96 = eb 87 = eb 88 = eb 79 = eb n 表示發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r／ min)， T 為扭矩 (N． m)． eg 表示燃油效率 (g/kW數(shù)字化程序處理后的圖片如圖2． 6 所示． 圖 25 數(shù)字化前萬有特性曲線的圖片 圖 26 數(shù)字化后萬有特性曲線的圖片 本章小結(jié) 本章重點討論了如何準(zhǔn)確、快速的建立發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。而基本評價分指標(biāo)如圖 3． 1 所示。對此，本章首先詳細(xì)分析了汽車 動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的計算機(jī)仿真計算，并確定了基于重型商用車實際行駛工況的傳動系匹配評價指標(biāo)，建立了重型商用車快速匹配的數(shù)學(xué)模型，并分析了其傳動系參數(shù)的快速匹配流程． 整車性能的計算機(jī)仿真模擬計算 整車的性能計算是最終確定汽車動力傳動系匹配評價體系的基礎(chǔ)，由于我們在第二章中詳細(xì)討論了發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立方法，以此本節(jié)的重點放在換檔規(guī)律的處理、動力性及經(jīng)濟(jì)性的仿真計算． 汽車換檔模型 機(jī)械變速器是否需要換檔，取決于駕駛員對汽車行駛條件以及對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的判斷。通常情況下，換檔規(guī)律有三種模式： (1)．最佳動力性換檔規(guī)律 (2)．最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律 (3)．按試驗規(guī)定的運(yùn)行模式進(jìn)行換檔。由于最佳動力性研究的是油門全開度 的性能，因此是一個單參數(shù) (車速 )換檔問題，只需確定檔點車速即可．通常以相鄰檔位穩(wěn)態(tài)牽引力相等的交點，即 )1+(=)( iFiF tt (i 表示所選擋位 )所對應(yīng)得車速作為換擋速度。 (2)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于其最高轉(zhuǎn)速時，由低檔換入高檔． (3)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速介于其最大和最小轉(zhuǎn)速之間時，若高檔加速度大于低檔加速度，應(yīng)由低擋換入高檔。 (2)當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于其最高轉(zhuǎn)速時，由低擋換入高檔。 按試驗規(guī)范規(guī)定的運(yùn)行模式 不同的汽車試驗規(guī)范對汽車的換擋過程有不同的規(guī)定，因此在計算試驗規(guī)范工況下的經(jīng)濟(jì)性，必須按照試驗規(guī)范的規(guī)定來進(jìn)行。 式中： 滾動阻力系數(shù)。 最高車速的計算 汽車最高車速是指在良好水平路面上汽車所能達(dá)到的最高速度 ，根據(jù)汽車驅(qū)動力．行駛阻力平衡圖，發(fā)動機(jī)驅(qū)動力 (直接檔或最高檔 )與汽車行駛阻力曲線相交點處的車速，便是汽車最高車速。 變速箱置于 k 檔。 =)( IRnkv pp 0m = I Rnv eB 計算此時汽車的行駛阻力． mgfFf = （其中 f 為滾動阻力系數(shù)） )(=2 kAvCF pDw （其中 為車速為迎風(fēng)面積；為空氣阻力系數(shù)； )(A kvC pD ）