汽车理论课程设计.doc

江 苏 大 学

《汽车工程学Ⅱ》课程设计说明书

设计题目：汽车动力性、经济性与制动性研究

姓名：
班级：
学号：
指导教师：
日期：20xx年x月x日

目录

《汽车工程学Ⅱ》课程设计任务书 2
一、 目的和任务 2
二、 内容和要求 3
三、 参数 4
第一章 汽车动力性能计算 5
一、汽车发动机外特性计算 5
二、驱动力与行驶阻力平衡图 6
三、动力特性图 11
第二章 汽车燃油经济性计算 16
一、等速百公里油耗曲线 16
第三章 汽车制动性计算 19
一、制动效能评定 19
二、制动方向稳定性分析 22
小 结 23
参考文献 24

《汽车工程学Ⅱ》课程设计任务书

一、 目的和任务
《汽车工程学I》课程设计的目的和任务是通过该课程设计使学生学会综合运用计算机程序设计、汽车工程学理论进行汽车的动力性、燃油经济性、制动性能的计算与分析方法，掌握确定这些性能参数的依据，各性能评价指标的意义及其数值范围。

二、 内容和要求
1．要求（含工作量要求）
1) 计算部分应包括原始数据、公式来源及符号说明。
2) 符号应尽可能的与《汽车工程学》教材相一致，统一采用国际或工程单位，对同一车型的计算，单位应统一；
3) 计算数据要列入表格；
4) 作图比例应恰当；
5) 作业应整洁、字迹清晰，计算结果准确，曲线光滑，粗细均匀；图上文字按制图标准；
6) 按期完成。
2. 内容
1) 编写汽车动力性、燃油经济性、制动性能计算程序；
2) 计算汽车的驱动力、行驶阻力、动力因素、加速度、爬坡度、等速百公里油耗、附着系数利用率等参数；
3) 作出发动机外特性及使用外特性、驱动力与行驶阻力平衡图、动力特性图、爬坡图、直接档等速百分里油耗、理想、实际制动力分配曲线、附着系数利用率曲线
结合实例分析动力性和经济性、制动效能与制动稳定性的关系。
3．进度安排（学时）

项目编号
内 容
学时
要求
备注
1
汽车动力性计算
3天
必做

2
燃油经济性计算
2天
必做

3
制动性能计算
3天
必做

4
编写计算报告
2天
必做

三、 参数
表1 一汽大众捷达1.6L自动档部分参数表
名称
参数
名称
参数
发动机最低
转速
600r/min
发动机最高
转速
6500r/min
整车整备质量
1170Kg
总质量
1545Kg
车轮半径r
0.38m
传动系机械效率
0.85
滚动阻力系数f
0.015
空气阻力系数
0.4
迎风面积A
1．4291.415
主减速器传动比
7
轴距L
2.603m
汽油重度g
7
6档Tiptronic变速器传动比
Ⅰ档
Ⅱ档
Ⅲ档
Ⅳ档
Ⅴ档
Ⅵ档
4.15
2.37
1.56
1.15
0.86
0.69
质心高（满载）
0.735m
质心高（空载）
0.735m
质心到后轴距离（满载）
1.3m
质心到后轴距离（空载）
1.6m
制动力分配系数
0.68
制动器作用时间
0.25s

表2 一汽大众捷达1.6L自动档燃油经济性拟合参数表
N/(r/min)

815
1326.8
-416.46
72.379
-5.8629
0.17768
1207
1354.7
-303.98
36.657
-2.0553
0.043072
1614
1284.4
-189.75
14.524
-0.51184
0.0068164
2012
1122.9
-121.59
7.0035
-0.18517
0.0018555
2603
1141.0
-98.893
4.4763
-0.091077
0.00068906
3006
1051.2
-73.714
2.8593
-0.05138
0.00035032
3403
1233.9
-84.478
2.9788
-0.047449
0.00028230
3804
1129.7
-45.291
0.7113
-0.00075215
-0.000028568

第一章 汽车动力性能计算

一、汽车发动机外特性计算
假设新捷达1.6L自动档汽车的EA211系列发动机转矩（N.m）与转速n关系如下：
（1-1）
功率 (KW) （1-2）
运用matlab编程：
n=600:100:6500;
Ttq=0.000005*(n-3800).^2+155;
Pe=Ttq.*n/9550;
max_where1=find(Ttq==max(Ttq));
max_where2=find(Pe==max(Pe));
plot(n,Ttq,n,Pe,'--')
xlabel('n/(r/min)')
legend('Ttq','Pe')
title('捷达1.6L自动汽车发动机外特性图')
disp(['最大值Ttq=' num2str(max_where1) '对应n=' num2str(n(max_where1))])
disp(['最大值Pe=' num2str(max_where2) '对应n=' num2str(n(max_where2))])

作图如下：

图1-1 捷达1.6LEA211系列发动机外特性图

由图1-1得知，在n=3800r/min时，该发动机具有最大输出转矩=155N.m；在n=6000r/min时，该发动机具有最大输出功率=81KW，当转速继续增加时，功率下降。

二、驱动力与行驶阻力平衡图
1.驱动力计算
（1-3）

（1-4）
运用matlab编程：
n=600:100:6500;
Ttq=-0.000005*(n-3800).^2+155;
ig1=4.15; ig2=2.37; ig3=1.56; ig4=1.15; ig5=0.86; ig6=0.69;
i0=7; nt =0.85;r=0.38;
Ft1=ig1* i0*nt /r *Ttq;
Ft2=ig2* i0*nt /r *Ttq;
Ft3=ig3* i0*nt /r *Ttq;
Ft4=ig4* i0*nt /r *Ttq;
Ft5=ig5* i0*nt /r *Ttq;
Ft6=ig6* i0*nt /r *Ttq;
ua1=0.337*r*n/i0/ig1;
ua2=0.337*r*n/i0/ig2;
ua3=0.337*r*n/i0/ig3;
ua4=0.337*r*n/i0/ig4;
ua5=0.337*r*n/i0/ig5;
ua6=0.337*r*n/i0/ig6;
plot(ua1,Ft1,'-')
hold on
plot(ua2,Ft2,'o')
hold on
plot(ua3,Ft3,'+')
hold on
plot(ua4,Ft4,':')
hold on
plot(ua5,Ft5,'--')
hold on
plot(ua6,Ft6,'-.')
xlabel('ua/(km/h)')
legend('Ft1', 'Ft2', 'Ft3', 'Ft4', 'Ft5', 'Ft6')
title('捷达1.6L自动汽车驱动力图')

作图如下：
图1-2 捷达1.6L自动档汽车驱动力图

2.行驶阻力计算
行驶阻力 （1-5）
式中，G、f与、A均已知，所以。
3.驱动力与行驶阻力平衡图
运用matlab编程：
n=600:100:6500;
Ttq=-0.000005*(n-3800).^2+155
ig1=4.15; ig2=2.37; ig3=1.56; ig4=1.15; ig5=0.86; ig6=0.69;
i0=7; nt =0.85;r=0.38;f=0.015;m=1545;G=m*9.8;
CD=0.4;A=1.429*1.415;
Ft1=ig1* i0*nt /r *Ttq;
Ft2=ig2* i0*nt /r *Ttq;
Ft3=ig3* i0*nt /r *Ttq;
Ft4=ig4* i0*nt /r *Ttq;
Ft5=ig5* i0*nt /r *Ttq;
Ft6=ig6* i0*nt /r *Ttq;
ua1=0.337*r*n/i0/ig1;
ua2=0.337*r*n/i0/ig2;
ua3=0.337*r*n/i0/ig3;
ua4=0.337*r*n/i0/ig4;
ua5=0.337*r*n/i0/ig5;
ua6=0.337*r*n/i0/ig6;
ua=linspace(0,180,100);
Ff=G*f;
Fw=CD*A*ua.^2/21.15;
F=Ff+Fw;
plot(ua1,Ft1,'-')
hold on
plot(ua2,Ft2,'o')
hold on
plot(ua3,Ft3,'+')
hold on
plot(ua4,Ft4,':')
hold on
plot(ua5,Ft5,'--')
hold on
plot(ua6,Ft6,'-.')
hold on
plot(ua,F,'-')
xlabel('ua/(km/h)')
legend('Ft1', 'Ft2', 'Ft3', 'Ft4', 'Ft5', 'Ft6', 'F')
title('捷达1.6L自动汽车驱动力--行驶阻力图')
作图如下：
图1-3 捷达1.6L自动档汽车驱动力与行驶阻力平衡图

由图1-3可知，六档时汽车最高车速168.88km/h。
4.加速度计算
由汽车行驶方程式（设=0）得，，所以加速度 （1-6）
（1-7）
所以加速时间 （1-8）
其中，、为加速前后的速度。

三、动力特性图
1.动力因数计算
动力因数 （1-9）
运用matlab编程：
n=600:100:6500;
Ttq=-0.000005*(n-3800).^2+155;
ig1=4.15; ig2=2.37; ig3=1.56; ig4=1.15; ig5=0.86; ig6=0.69;
i0=7; nt =0.85;r=0.38; m=1545;G=m*9.8;
CD=0.4;A=1.429*1.415;
Ft1=ig1* i0*nt /r *Ttq;
Ft2=ig2* i0*nt /r *Ttq;
Ft3=ig3* i0*nt /r *Ttq;
Ft4=ig4* i0*nt /r *Ttq;
Ft5=ig5* i0*nt /r *Ttq;
Ft6=ig6* i0*nt /r *Ttq;
ua1=0.337*r*n/i0/ig1;
ua2=0.337*r*n/i0/ig2;
ua3=0.337*r*n/i0/ig3;
ua4=0.337*r*n/i0/ig4;
ua5=0.337*r*n/i0/ig5;
ua6=0.337*r*n/i0/ig6;
Fw1=CD*A*ua1.^2/21.15;
Fw2=CD*A*ua2.^2/21.15;
Fw3=CD*A*ua3.^2/21.15;
Fw4=CD*A*ua4.^2/21.15;
Fw5=CD*A*ua5.^2/21.15;
Fw6=CD*A*ua6.^2/21.15;
D1=(Ft1-Fw1)/G;
D2=(Ft2-Fw2)/G;
D3=(Ft3-Fw3)/G;
D4=(Ft4-Fw4)/G;
D5=(Ft5-Fw5)/G;
D6=(Ft6-Fw6)/G;
ua=linspace(0,180,100);
Fw=CD*A*ua.^2/21.15;
f=Fw/G;
plot(ua1,D1)
hold on
plot(ua2,D2)
hold on
plot(ua3,D3)
hold on
plot(ua4,D4)
hold on
plot(ua5,D5)
hold on
plot(ua6,D6)
hold on
plot(ua,f)
xlabel('ua/(km/h)')
title('捷达1.6L自动汽车动力特性图')
text(26,0.65, 'D1')
text(40,0.35, 'D2')
text(60,0.25, 'D3')
text(80,0.19, 'D4')
text(70,0.12, 'D5')
text(80,0.08, 'D6')
text(170,0.09, 'f')

作图如下：
图1-4 捷达1.6L自动档汽车动力特性图

2.最大爬坡度计算
设=0，则
因为很小，，
所以 （1-10）
将带入（1-10）式，整理得
（1-11）
最大爬坡度 （1-12）
3.爬坡图
由汽车行驶方程式（=0）得
（1-13）
即
所以， （1-14）
运用matlab编程：
n=600:100:6500;
Ttq=-0.000005*(n-3800).^2+155;
ig1=4.15; ig2=2.37; ig3=1.56; ig4=1.15; ig5=0.86; ig6=0.69;
i0=7; nt =0.85;r=0.38;f=0.015;m=1545;G=m*9.8;
CD=0.4;A=1.429*1.415;
Ft1=ig1* i0*nt /r *Ttq;
Ft2=ig2* i0*nt /r *Ttq;
Ft3=ig3* i0*nt /r *Ttq;
Ft4=ig4* i0*nt /r *Ttq;
Ft5=ig5* i0*nt /r *Ttq;
Ft6=ig6* i0*nt /r *Ttq;
ua1=0.337*r*n/i0/ig1;
ua2=0.337*r*n/i0/ig2;
ua3=0.337*r*n/i0/ig3;
ua4=0.337*r*n/i0/ig4;
ua5=0.337*r*n/i0/ig5;
ua6=0.337*r*n/i0/ig6;
Fw1=CD*A*ua1.^2/21.15;
Fw2=CD*A*ua2.^2/21.15;
Fw3=CD*A*ua3.^2/21.15;
Fw4=CD*A*ua4.^2/21.15;
Fw5=CD*A*ua5.^2/21.15;
Fw6=CD*A*ua6.^2/21.15;
Ff=G*f;
F1=Ff+Fw1;
F2=Ff+Fw2;
F3=Ff+Fw3;
F4=Ff+Fw4;
F5=Ff+Fw5;
F6=Ff+Fw6;
i1=tan(asin((Ft1-F1)/G));
i2=tan(asin((Ft2-F2)/G));
i3=tan(asin((Ft3-F3)/G));
i4=tan(asin((Ft4-F4)/G));
i5=tan(asin((Ft5-F5)/G));
i6=tan(asin((Ft6-F6)/G));
plot(ua1,i1)
hold on
plot(ua2,i2)
hold on
plot(ua3,i3)
hold on
plot(ua4,i4)
hold on
plot(ua5,i5)
hold on
plot(ua6,i6)
xlabel('ua/(km/h)')
ylabel('i')
title('捷达1.6L自动汽车爬坡图')
text(27,0.65, 'i1')
text(40,0.39, 'i2')
text(60,0.25, 'i3')
text(80,0.19, 'i4')
text(70,0.12, 'i5')
text(80,0.08, 'i6')

作图如下：
图1-5 捷达1.6L自动档汽车爬坡图

由图1-5可知，汽车最大爬坡度为Ⅰ档时的最大爬坡度，0.853，所以。

第二章 汽车燃油经济性计算

一、等速百公里油耗曲线
根据表2，可拟合出发动机在一定转速n，发出一定功率的燃油消耗率b的表达式中各个系数：
b=b(Pe)
= （2-1）
功率 （2-2）
则汽车等速百公里油耗Qs为：
（2-3）
运用matlab编程：
n=600:100:6500;  
m=1545;g=9.8;  
G=m*g;  
ig=[4.15  2.37  1.56  1.15  0.86 0.69];  
nT=0.85;r=0.38;f=0.015;CD=0.3;A=1.429*1.415;i0=7;pg=7.0;  
n0=[815 1207 1614 2012 2603 3006 3403 3804];  
B00=[1326.8 1354.7 1284.4 1122.9 1141.0 1051.2 1233.9 112.7];  
B10=[-416.46 -303.98 -189.75 -121.59 -98.893 -73.714 -84.478 -45.291];  
B20=[72.379 36.657 14.524 7.0035 4.4763 2.8593 2.9788 0.71113];  
B30=[-5.8629 -2.0553 -0.51184 -0.18517 -0.091077 -0.05138 -0.047449 -0.00075215];  
B40=[0.17768 0.043072 0.0068164 0.0018555 0.00068906 0.00035032 0.00028230 -0.000038568];  
B0=spline(n0,B00,n); 
B1=spline(n0,B10,n);  
B2=spline(n0,B20,n);  
B3=spline(n0,B30,n);  
B4=spline(n0,B40,n); 
Ff=G*f;  
ua5=0.377*r*n./ig(5)/i0;
ua6=0.377*r*n./ig(6)/i0;   
Fz5=Ff+CD*A*(ua5.^2)/21.15;
Fz6=Ff+CD*A*(ua6.^2)/21.15;  
Pe5=Fz5.*ua5/(nT*3.6*1000);    
Pe6=Fz5.*ua5/(nT*3.6*1000);  
for i=1:60 
    b5(i)=B0(i)+B1(i).*Pe5(i)B2(i).*Pe5(i).^2+B3(i).*Pe5(i).^3+B4(i).*Pe5(i).^4; 
    b6(i)=B0(i)+B1(i).*Pe6(i)+B2(i).*Pe6(i).^2+B3(i).*Pe6(i).^3+B4(i).*Pe6(i).^4;  
end 
Q5=Pe5.*b5./(1.02*ua5*pg); 
Q6=Pe6.*b6./(1.02*ua6*pg);  
plot(ua5,Q5,ua6,Q6);  
axis([0 120 0 20]);  
title('捷达1.6L自动汽车最高档与次高档等速百公里油耗曲线');  
xlabel('ua/(km/h)')
ylabel('Qs/(L/100km)')
text(80,13, '5')
text(100,10, '6')
作图如下：
图1-6 捷达1.6L自动档汽车最高档与次高档等速百公里油耗曲线

由图1-6可知，在同一道路条件与车速下，五档时等速百公里油耗比六档时高；汽车在中低等车速时燃油消耗量较低，高速时随车速增加燃油消耗量迅速加大。

第三章 汽车制动性计算

一、制动效能评定
1.制动距离s及制动减速度
在不同路面上，地面制动力为

故汽车能达到的减速度（m/）为

设制动器作用时间，其中=0.05s，=0.2s。
则制动距离s为
（3-1）
其中，为起始制动速度。
2.理想、实际前后制动器制动力分配曲线
理想的前后制动器制动力分配曲线（即I曲线）是指前后车轮同时抱死时前后轮制动器制动力的关系曲线。
根据《汽车理论》中式（4-10）可知：
（3-2）
实际的前后制动器制动力分配曲线（即曲线）中，前后轮制动器制动力具有固定比值：
（3-3）
运用matlab编程：
Fu1=0:100:10000;
m1=1545;m2=1170;g=9.8;hg1=0.735; hg2=0.835;b1=1.3;b2=16;L=2.603;b=0.68;
G1=m1*g;G2=m2*g;
Fu21=((sqrt(b1^2+4*hg1*L*Fu1/G1))*G1/hg1-(G1*b1/hg1+2*Fu1))/2;
Fu22=((sqrt(b2^2+4*hg2*L*Fu1/G2))*G2/hg2-(G2*b2/hg2+2*Fu1))/2;
Fu23=(1-b)*Fu1/b;
plot(Fu1,Fu21,Fu1,Fu22,Fu1,Fu23)
xlabel('Fu1/kN')
ylabel('Fu2/kN')
text(6000,1500, 'I曲线空载')
text(3000,2500, 'I曲线满载')
text(8000,4500, 'B曲线')
title('捷达1.6L自动汽车理想、实际前后制动器制动力分配曲线');
作图如下：
图1-7 捷达1.6L自动档汽车理想、实际前后制动器制动力分配曲线

同步附着系数为
（3-4）
当时，曲线位于I曲线下方，制动时总是前轮先抱死；当时，曲线位于I曲线上方，制动时总是后轮先抱死；当时，制动时总是前、后轮同时抱死。
3.利用附着系数
利用附着系数为

其中，为对应于制动强度z，汽车第i轴产生的地面制动力；为对应于制动强度z，地面对第i轴的法向反力；为第i轴对应于制动强度z的利用附着系数。
前轴的利用附着系数为
（3-5）
后轴的利用附着系数为
（3-6）
运用matlab编程：
z=0:0.01:1;
b=0.68;L=2.603;
b1=1.3;a1=L-b1;b2=1.6;a2=L-b2;
hg1=0.735;hg2=0.835;
qf1=b*z*L./(b1+z*hg1);
qf2=b*z*L./(b2+z*hg2);
qr1=(1-b)*z*L./(a1-z*hg1);
qr2=(1-b)*z*L./(a2-z*hg2);
q=z;
plot(z,qf1, '-',z,qf2, '--',z,qr1, '-.',z,qr2, ':',z,q)
xlabel('制动强度z')
ylabel('利用附着系数')
legend('qf1', 'qf2', 'qr1', 'qr2', 'q')
title('捷达1.6L自动汽车利用附着系数曲线');
axis([0 1 0 2]);  

作图如下：
图1-8 捷达1.6L自动档汽车利用附着系数曲线

二、制动方向稳定性分析
（1）当时，前轮先抱死拖滑，汽车处于稳定状态，但丧失转向能力，只能沿直线向前行驶（或减速停车）；
（2）当时，后轮先抱死拖滑，容易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性；

（3）当时，前后轮同时抱死，也是一种稳定工况，但也失去转向能力。

小 结

1.动力性与燃油经济性
（1）在相同路面条件和相同车速时，选用高档位时，燃油经济性较好，可在最高档时达到汽车最高车速；选用低档位时，燃油经济性变差，但驱动力增加，加速性能好，加速时间短。
（2）在相同路面条件和选用相同档位时，中低速时，燃油经济性较好，最大爬坡度较大；高速时，随着车速的增加，燃油消耗量迅速加大，爬坡度也下降。
（3）通过改善汽车结构，可降低空气阻力，进而对汽车动力性及燃油经济性均有利。
（4）通过选用大排量发动机，可有效提高汽车的动力性，但由于发动机体积增加使汽车质量增加，使燃油经济性变差。
2.制动效能与制动稳定性
（1）若制动时后轮先抱死拖滑且车速超过一定数值时，制动减速度越小，制动距离、制动时间越长，后轴侧滑越剧烈，制动时的方向稳定性越差。
（2）一般前轮制动器选择制动效能稳定性较好的盘式制动器，制动时，若因温度升高而产生热衰退现象时，后轮失去制动力而前轮仍有足够的制动力，汽车可以基本上维持直线行驶，具有较好的制动方向稳定性。
3.心得体会
在这次课程设计中，我们以一汽大众新捷达1.6L自动舒适型汽车的动力性、燃油经济性及制动性的分析。在此过程中，我遇到了很多问题，主要包括以下几个方面。
（1）车型参数的收集。在我的计算中，需要的很多数据都是关键技术数据，或者需要实验测量，从参考书及网上是无法获得的。所以我只能根据现有的数据，以及其他车型的现有公式推出。比如发动机转矩与转速的关系，在网上可以查到最高转矩及对应转速、最高功率及对应转速、最高车速，以及朗逸1.6L汽车发动机转矩与转速的关系式。因为这两种车型均为轿车，关系式形式相似，我大胆猜测捷达车型的转矩与转速关系也为抛物线，最终得出了其关系式。当然，在这个推理过程中，可能会有很大的误差，但是我学会了分析汽车动力性的方法。在以后的工作中，有了足够的经验积累，我就可以准确的分析每一款车型的动力性、经济性及制动性。
（2）程序的编写。在这次课程设计中，通过对汽车外特性、等速百公里油耗等曲线的绘制、程序的编写，使我对Matlab基本功能的运用由生硬变得熟练，现在已经可以独立完成简单程序的编写。Matlab的语言与C语言相比，简单很多，也很实用，所以在以后的工作中我要对Matlab进行深入的学习。
（3）对公式的理解。以往分析动力性等性能时，只是简单地记公式，并没有深刻的理解，很多参数的意义并不熟悉。在这次课程设计中，第一次亲自选取参数值、计算、分析，将笼统的理论学习与亲身实践联系起来，理解更是深入了很多。
参考文献

[1] 余志生. 汽车理论[M]. 第5版. 机械工业出版社, 2009.
[2] 王望予. 汽车设计[M]. 第4版. 机械工业出版社, 2004.
[3] 王国权, 龚国庆. 汽车设计课程设计指导书[M]. 机械工业出版社, 2009.

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