基于MATLAB的貨車動力性能的分析實驗

1、基于MATLAB的貨車動力性能的分析實驗1、 實驗?zāi)康募耙?.1 實驗?zāi)康?. 了解MATLAB的基本知識，熟悉相關(guān)的操作；2. 能夠熟練運用其中的一些方法來解決和專業(yè)有關(guān)的基本問題。1.2 實驗要求1. 掌握MATLAB數(shù)值計算、程序設(shè)計以及二維繪圖的基本操作方法；2. 以輕型貨車為例，通過獨立的編程實驗確定汽車的動力性能；3. 以4擋和5擋兩種變速器的對比、2擋和4擋兩種起步擋位的對比來分析變速器傳動比和起步擋位的變化對汽車的動力性能的影響。2、 背景介紹數(shù)值計算指有效使用數(shù)字計算機(jī)求數(shù)學(xué)問題近似解的方法與過程，主要研究如何利用計算機(jī)更好的解決各種數(shù)學(xué)問題。MATLAB軟件具有出色的數(shù)值

2、計算能力，在世界上同類軟件中占據(jù)主導(dǎo)地位，它的數(shù)值計算功能主要包括：變量和數(shù)值；矩陣和數(shù)組；多項式計算；數(shù)據(jù)分析等四個方面的內(nèi)容。MATLAB 語言簡潔緊湊，使用方便靈活，其語法規(guī)則與人的思維和書寫習(xí)慣相近，方面操作。且程序書寫形式自由，利用其豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了很多不必要的編程工作。另外，它的語法限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計自由度大。此外，MATLAB 還有著非常強(qiáng)大的繪圖功能。作為一個功能強(qiáng)大的工具軟件，MATLAB 提供了大量的二維、三維圖形函數(shù)。由于系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和豐富的矩陣運算，所以在圖形處理方面既方便又高效。在此背景下，像確定汽

3、車動力性能這樣不是很復(fù)雜的數(shù)值計算和二維圖形處理問題，運用MATLAB來進(jìn)行解決是綽綽有余的。3、 基本實驗內(nèi)容3.1 實驗原理汽車的動力性系指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)到的平均行駛速度。從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點出發(fā)，汽車的動力性主要由三方面的指標(biāo)來評定，即：1） 汽車的最高速度umax，指在水平良好的路面（混凝土或瀝青）上汽車能達(dá)到的最高行駛速度；2） 汽車的加速時間t，表示汽車的加速能力，常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明汽車的加速能力；3） 汽車的最大爬坡度imax，指滿載（或某一載質(zhì)量）時汽車在良好路面上的最大爬坡度，表征汽車的上坡能力

4、。動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能，作為高效率的運輸工具，汽車的運輸效率之高低很大程度上取決于汽車的動力性。確定汽車的動力性能即確定上述三項動力性指標(biāo)。通常將汽車行駛方程式用圖解法來進(jìn)行分析汽車行駛時的受力情況和平衡關(guān)系，作出汽車驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，并以它來確定汽車的動力性能。根據(jù)汽車?yán)碚摰闹R，汽車的行駛方程式為：Ft=F=Ff+Fw+Fi+Fj （1） 式中，F(xiàn)t為驅(qū)動力，F(xiàn)為行駛阻力之和。， （2） Ttq為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，ig為變速器傳動比，i0為主減速器傳動比，T為傳動系機(jī)械效率，r為車輪半徑；滾動阻力Ff=W·f， （3）W為車輪負(fù)荷（等于汽車重力），f為滾動阻

5、力系數(shù)； 空氣阻力， （4）CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，ua為汽車行駛速度，；（5）坡度阻力Fi=Gi， （6）G為汽車的重力，i為道路坡度；加速阻力， （7）為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)， （8）m為汽車質(zhì)量，為行駛加速度。（1）由此便可得出驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，圖中含有各擋的驅(qū)動力，又有疊加后的行駛阻力曲線，可以很輕松地找到驅(qū)動力曲線和行駛阻力曲線的交點，即為最高車速umax。其中，坡度阻力和加速阻力不疊加在內(nèi)。（2）汽車的加速能力由它從最低穩(wěn)定速度加速到一定距離或80%umax所需的時間來評價，由汽車?yán)碚撝R，可通過繪制汽車的行駛加速度倒數(shù)曲線用MATLAB編程求得。分析1擋或2擋起步

6、加速行駛至70km/h的加速時間。（3）當(dāng)汽車達(dá)到最大爬坡度時，此時imax=tan，為I擋時的最大爬坡度， 。 （9）3.2 實驗數(shù)據(jù)輕型貨車的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：汽油發(fā)動機(jī)使用外特性的Ttq-n曲線的擬合公式為（n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速）：（10）發(fā)動機(jī)的最低轉(zhuǎn)速nmin=600r/min，最高轉(zhuǎn)速nmax=4000r/min貨車裝載質(zhì)量2000kg，整車整備質(zhì)量1800kg，總質(zhì)量3880kg，車輪半徑0.367m，傳動系機(jī)械效率T=0.85，滾動阻力系數(shù)f=0.013，空氣阻力系數(shù)×迎風(fēng)面積CDA=2.77m2，主減速器傳動比i0=5.83，飛輪轉(zhuǎn)動慣量If=0.218kg·m2，

7、二前輪轉(zhuǎn)動慣量Iw1=1.798kg·m2,四后輪轉(zhuǎn)動慣量Iw2=3.598kg·m2，變速器傳動比i0數(shù)據(jù)見下表：1擋2擋3擋4擋5擋4擋變速器6.093.091.711.005擋變速器5.562.7691.6441.000.7933.3 實驗步驟1. 裝用5擋變速器，確定貨車的動力性能。根據(jù)MATLAB的數(shù)值計算規(guī)則，運用plot函數(shù)，列寫程序以得到驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖。其中貨車總質(zhì)量m、車輪半徑r等常值變量可以直接用輔值語句寫出，需要注意的是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（令轉(zhuǎn)速數(shù)值的變化步長為5r/min）和變速器傳動比需要用矩陣的形式列出，各擋驅(qū)動力、行駛阻力、加速度等均可由上述各

8、式推導(dǎo)得出，則有：Ft1=Tq*ig(1)*i0*nT/r; %1擋驅(qū)動力曲線方程，往后各擋以此類推ua1=0.377*r*n/ig(1)/i0; %1擋加速度，往后各擋以此類推ua=0:5:120; %確定加速度變化范圍，取變化步長為5Fz=Ff+Fw; %行駛阻力plot(ua1,Ft1,ua2,Ft2,ua3,Ft3,ua4,Ft4,ua5,Ft5,ua,Fz); %繪圖（1）汽車最大速度點可以在獲得曲線圖后用x,y=ginput(1);語句直接選取，也可以通過循環(huán)語句編程獲得。（2）汽車最大爬坡度根據(jù)式（9）直接計算出1擋時的坡度即可。（3）汽車的加速時間通過順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)語句

9、編程求出。2. 改變參數(shù)，觀察動力性能的變化情況。（1） 根據(jù)步驟1，很快能夠得出裝用4擋變速器的貨車的動力性能評價指標(biāo)，對比其與裝用5擋變速器的不同，進(jìn)行討論分析。（2） 以裝用5擋變速器為例，調(diào)整變速器的起步擋位，本次實驗選取2擋和4擋兩個擋位作為低擋起步和高擋起步的研究對象，分析不同起步擋位對汽車加速時間的影響。4、 實驗結(jié)果和分析1. 兩種擋位的貨車動力性能對比分析 圖（1）5擋變速器平衡圖 圖（2） 4擋變速器平衡圖 圖（3） 5擋變速器運行結(jié)果 圖（4） 4擋變速器運行結(jié)果 圖（5） 5擋變速器加速度倒數(shù)曲線 圖（6） 4擋變速器加速度倒數(shù)曲線由圖（1）、圖（2）的對比圖可以看出，

10、擋位數(shù)的多少對車輛的驅(qū)動力和行駛阻力并沒有特別大的影響，兩者在驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖中的對應(yīng)曲線變化都十分接近。當(dāng)采用5擋變速器時，驅(qū)動力和行駛阻力曲線的交點很明顯，進(jìn)而得出最高車速，而采用4擋變速器時，兩者沒有交點，無法直觀得到貨車的最高車速，因此在運行結(jié)果中裝用4擋變速器的貨車無法得出最高時速的數(shù)值。從圖（3）、（4）來看，5擋的最大爬坡度比4擋的大4%，也就是說擋位數(shù)越多，貨車的上坡能力越好，但爬坡能力也不宜過大，否則會影響汽車行駛的加速性能。由圖（5）、（6）共同表明，I擋的加速度是最大的，而高檔位時的加速度要小些，又I擋與II擋沒有交點，所以應(yīng)該在I擋位加速行駛至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)

11、速時換入II擋，但擋位數(shù)量幾乎沒有對汽車的加速性能產(chǎn)生影響。2. 不同擋位起步對貨車動力性能影響的對比分析 圖（7） 2擋起步加速時間曲線 圖（8） 4擋起步加速時間曲線 圖（9） 2擋起步運行結(jié)果 圖（10） 4擋起步運行結(jié)果根據(jù)圖（7）、（8）（9）、（10）可知，低速擋起步的加速時間曲線的斜率明顯大于高速擋，且同樣加速到70km/h，2擋原地起步只需25s，4擋原地起步需要65s，多了不止一倍的時間，這說明了，汽車具有快的起步速度并不代表具有更好的加速能力，這是因為低擋位時汽車的加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速擋。5、 源程序清單由于裝用4擋變速器的源程序只需在5擋的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單修改即可獲得，因此這

12、里只列出了裝用5擋變速器的源程序清單。m(1)=1800;%整車整備質(zhì)量（單位：kg）；m(2)=2000;%裝載質(zhì)量（單位：kg）；m(3)=3880;%總質(zhì)量（單位：kg）；g=9.8;%重力加速度（單位：N/kg）；r=0.367;%車輪半徑（單位：m）；nT=0.85;%傳動系機(jī)械效率；f=0.013;%滾動阻力系數(shù)；CDA=2.77;%空氣阻力系數(shù)*迎風(fēng)面積CDA（單位：m2）；io=5.83;%主減速器傳動比；If=0.218;%飛輪轉(zhuǎn)動慣量(單位：kg·m2)；Iw1=1.798;%二前輪轉(zhuǎn)動慣量(單位：kg·m2)；Iw2=3.598;%四后輪轉(zhuǎn)動慣量(單位

13、：kg·m2)；ig=5.56 2.769 1.644 1.00 0.793;%5檔變速器的各檔傳動比；L=3.2;%軸距（單位：m）；a=1.947;%質(zhì)心至前軸距離（滿載）(單位：m)；hg=0.9;%質(zhì)心高（滿載）(單位：m)；nmin=600;nmax=4000;%轉(zhuǎn)速的最小值和最大值（單位：r/min）； %(1)繪制汽車驅(qū)動力與行駛阻力平衡圖n=linspace(600,4000);%發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，最低600r/min,最高4000r/min；Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000).2+40.874*(n/1000).3-3.8

14、445*(n/1000).4;%發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系；Ft1=ig(1,1)*Tq*io*nT/r;%各檔的驅(qū)動力公式；Ft2=ig(1,2)*Tq*io*nT/r;Ft3=ig(1,3)*Tq*io*nT/r;Ft4=ig(1,4)*Tq*io*nT/r;Ft5=ig(1,5)*Tq*io*nT/r;ua1=0.377*(r/io)*n/ig(1,1);%各檔的速度公式；ua2=0.377*(r/io)*n/ig(1,2);ua3=0.377*(r/io)*n/ig(1,3);ua4=0.377*(r/io)*n/ig(1,4);ua5=0.377*(r/io)*n/ig(1,5);F1=

15、m(3)*g*f+(CDA/21.15)*ua1.2;%行駛阻力F2=m(3)*g*f+(CDA/21.15)*ua2.2;F3=m(3)*g*f+(CDA/21.15)*ua3.2;F4=m(3)*g*f+(CDA/21.15)*ua4.2;F5=m(3)*g*f+(CDA/21.15)*ua5.2;subplot(1,2,1)plot(ua1',ua2',ua3',ua4',ua5',Ft1',Ft2',Ft3',Ft4',Ft5');%繪圖；hold on plot(ua1',ua2',ua3

16、',ua4',ua5',F1',F2',F3',F4',F5');%繪圖；xlabel('ua/(km/h)');ylabel('F/N');%坐標(biāo)的含義；axis(0 120 0 15000);%坐標(biāo)范圍；gridtitle('汽車驅(qū)動力與行駛阻力平衡圖');%圖形的含義；legend('Ft1','Ft2','Ft3','Ft4','Ft5','Ff+Fw');%曲線的含義；%gtex

17、t（1檔）手動選取位置 %（2）求汽車最高車速、最大爬坡度；%求最高車速：即5檔時，驅(qū)動力與行駛阻力平衡時；x,y=ginput(1);disp('汽車最高時速=');disp(x);disp('km/h')手動選點Ft5_F5 = diff(Ft5-F5)>=0);id = find(Ft5_F5);cross_num = length(id);%穿越次數(shù)xcross = ;ycross = ;if isempty(id) fenmu = F5(id)-F5(id+1)+Ft5(id+1)-Ft5(id); xcross = (ua5(id+1).*(F

18、5(id)-Ft5(id)+ua5(id).*(Ft5(id+1)-F5(id+1)./fenmu; ycross = (Ft5(id+1).*F5(id)-Ft5(id).*F5(id+1)./fenmu;endplot(xcross, ycross, 'ko')%vpa(xcross' ycross',10)提高精度;disp('汽車最高時速=');disp(xcross);%結(jié)果顯示:最高車速為99.0828km/h,驅(qū)動力為1780.0992N;%最大爬坡度b=asin(max(Ft1-F1)/(m(3)*g);i=tan(b);disp

19、('汽車最大爬坡度=');disp(i);%結(jié)果顯示i = 0.3522,最大爬坡度為35.22%； %繪制汽車行駛加速度倒數(shù)曲線,求汽車用2檔起步加速行駛至70km/h的加速時間；%繪制汽車行駛加速度倒數(shù)曲線：R1=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*ig(1,1)2*io2*nT)/(m(3)*r2);%汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；for i=1:5 R(i)=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*(ig(i)2*io2*nT)/(m(3)*r2) endR2=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*ig(1,2)2*io2*nT)/(m

20、(3)*r2);R3=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*ig(1,3)2*io2*nT)/(m(3)*r2);R4=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*ig(1,4)2*io2*nT)/(m(3)*r2);R5=1+(Iw1+Iw2)/(m(3)*r2)+(If*ig(1,5)2*io2*nT)/(m(3)*r2);aa1=(Ft1-F1)/(R1*m(3);%各檔的加速度a；aa2=(Ft2-F2)/(R2*m(3);aa3=(Ft3-F3)/(R3*m(3);aa4=(Ft4-F4)/(R4*m(3);aa5=(Ft5-F5)/(R5*m(3);a1=1.

21、/aa1;%各檔的加速度倒數(shù)1/a；a2=1./aa2;a3=1./aa3;a4=1./aa4;a5=1./aa5;subplot(1,2,2)plot(ua1',ua2',ua3',ua4',ua5',a1',a2',a3',a4',a5')xlabel('汽車的加速度倒數(shù)曲線');ylabel('1/a');%坐標(biāo)的含義；axis(0 120 0 14);%坐標(biāo)范圍；gridtitle('汽車行駛加速度倒數(shù)曲線');%圖形的含義；legend('1/a1&

22、#39;,'1/a2','1/a3','1/a4','1/a5');%曲線的含義； %求汽車用2檔起步加速行駛至70km/h的加速時間曲線；clearnT=0.85;r=0.367;f=0.013;CDA=2.77;i0=5.83;If=0.218;Iw1=1.798;Iw2=3.598;L=3.2;a=1.947;hg=0.9;m=3880;g=9.8; G=m*g; ig=5.56 2.769 1.644 1.00 0.793; nmin=600;nmax=4000;u1=0.377*r*nmin./ig/i0; u2=0.3

23、77*r*nmax./ig/i0; deta=0*ig; for i=1:5deta(i)=1+(Iw1+Iw2)/(m*r2)+(If*(ig(i)2*i02*nT)/(m*r2); endua=6:0.01:99;N=length(ua);n=0;Tq=0;Ft=0;inv_a=0*ua;delta=0*ua; Ff=G*f;Fw=CDA*ua.2/21.15; for i=1:N k=i;if ua(i)<=u2(2)n=ua(i)*(ig(2)*i0/r)/0.377;Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000)2+40.874*(n/10

24、00)3-3.8445*(n/1000)4;Ft=Tq*ig(2)*i0*nT/r;inv_a(i)=(deta(2)*m)/(Ft-Ff-Fw(i);delta(i)=0.01*inv_a(i)/3.6; elseif ua(i)<=u2(3)n=ua(i)*(ig(3)*i0/r)/0.377;Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000)2+40.874*(n/1000)3-3.8445*(n/1000)4;Ft=Tq*ig(3)*i0*nT/r;inv_a(i)=(deta(3)*m)/(Ft-Ff-Fw(i); delta(i)=0.01*inv_a(i)/3.6;elseif ua(i)<=u2(4)n=ua(i)*(ig(4)*i0/r)/0.377;Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000)2+40.874*(n/1000)3-3.8445*(n/1000)4;Ft=Tq*ig(4)*i0*nT/r;inv_a(i)=(deta(4)*m)/(Ft-Ff-Fw(i);delta(i)=0.01*inv_a(i)/3.6; elsen=ua(i)*(ig(5)*i0/r)/0.377;Tq=-19.313+295.27*(n/1000)-165.44*(n/1000)