面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算【獨(dú)家課程畢業(yè)設(shè)計(jì)含6張CAD圖紙帶任務(wù)書+開題報(bào)告+中期報(bào)告+答辯ppt+外文翻譯】

面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算

摘要：隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、對象建模理論以及軟件工程的不斷發(fā)展,使得這些技術(shù)在解決交通領(lǐng)域內(nèi)的問題的應(yīng)用方面日益廣泛和深入。仿真技術(shù)為進(jìn)行車輛的動(dòng)力學(xué)性能仿真提供了有力的工具。

    以往在研究車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí),多是就動(dòng)力學(xué)的某部分模型或過程進(jìn)行研究,并且在開發(fā)模擬程序時(shí),多使用過程式的建模和編程方法,使得建立的模型條理不夠清晰,編制的程序可讀性和易維護(hù)性不高。因此,針對這種情況,木文提出用面向?qū)ο蟮慕：途幊谭椒ā?/p>

    在本文中,首先根據(jù)面向?qū)ο蟮慕＠碚?將車輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)初步劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、懸架和車身7個(gè)對象,并分別分析了各對象所包含的屬性和操作。然后,在此基礎(chǔ)上,分別建立各個(gè)郊分的數(shù)學(xué)模型,構(gòu)造了一個(gè)8自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型: 該程序可以對模型進(jìn)行比較、校驗(yàn),并按一定的規(guī)則合成整車模型,可用來模擬車輛的運(yùn)動(dòng)情況,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：仿真；面向?qū)ο蠼＠碚摚卉囕v動(dòng)力學(xué)

Object oriented modeling and performance calculation of automotive powertrain system

Abstract：with the continuous development of computer simulation technology, object oriented modeling theory and software engineering, the application of these techniques in solving traffic problems more and more extensive. The simulation technology provides a powerful tool for the simulation of dynamic performance of the vehicle.

  In the past, dynamic model of the vehicle, much of one model or process dynamics, and in the development of a simulation program, using modeling and programming method of the model establishment of the organization is not clear, the program readability and Yi Wei support is not high. Therefore, in view of this situation, this paper puts forward modeling and object oriented programming method.

  In this paper, according to the theory of object oriented modeling, the preliminary classification of vehicle dynamics and kinematics system for engine, transmission, brake system, steering system, wheel, suspension and body of 7 objects, and analyzes the properties and operation of the contained objects. Then, on this basis, the mathematical model is established. The suburb, to construct a 8 degree of freedom vehicle dynamics model: the program can be compared to the model verification, and according to certain rules of synthetic vehicle model can be used to simulate the movement of the vehicle, has a certain practical value.

Keywords：simulation, object-oriented modeling theory, vehicle dynamics

目  錄

摘要 I

Abstract II

目錄 III

1 概述 1

1.1引言 1

1.2課題的提出及研究的內(nèi)容 1

1.2.1課題的提出 1

1.2.2本文研究的主要內(nèi)容 2

1.3課題的研究意義 2

2 面向?qū)ο蟮慕＠碚?span id="ievbyqtbdd" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 4

2.1 面向?qū)ο蟮母拍?span id="ievbyqtbdd" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 4

2.2 面向?qū)ο蟮幕咎匦?span id="ievbyqtbdd" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 4

2.3 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析設(shè)計(jì) 4

2.3.1 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析 4

2.3.2 面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 4

2.4 面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn) 5

3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 7

3.1 數(shù)學(xué)建模方法 7

3.1.1 數(shù)學(xué)模型的概念 7

3.1.2 數(shù)學(xué)建模方法 7

3.1.3 數(shù)學(xué)建模的一般步驟 8

3.2 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)概述 9

3.3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定與分析 10

3.3.1 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 10

3.3.2 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定 11

3.4 車輛動(dòng)力學(xué)對象數(shù)學(xué)模型建立 17

4 汽車動(dòng)力性計(jì)算及總體設(shè)計(jì) 24

4.1 動(dòng)力性能計(jì)算 24

4.1.1 驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 24

4.1.2 動(dòng)力因數(shù)計(jì)算 25

4.1.3 爬坡度的計(jì)算 26

4.1.4 加速度倒數(shù)的計(jì)算 28

4.2 整車總布置圖 29

5 總結(jié) 31

參考文獻(xiàn) 32

致謝 33

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A0-總裝配圖.dwg

A0-貨車轉(zhuǎn)向橋裝配圖.dwg

A1-右轉(zhuǎn)向節(jié)臂.dwg

A1-左轉(zhuǎn)向節(jié)臂.dwg

A2-固定板.dwg

A3-橫拉桿.dwg

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面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算 姓名： 班級學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算 1、課題研究的目的和意義 2、面向?qū)ο蟮慕＠碚? 3、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 4、汽車動(dòng)力性計(jì)算及總體設(shè)計(jì) 1、課題研究的目的和意義 （ 1）汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的好壞影響著整車動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性（先進(jìn)的功能技術(shù)） （ 2）模型庫的建立方便汽車再研發(fā)時(shí)做參考 （ 3）面向?qū)ο蟮慕＠碚摰氖褂茫▽?shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的模塊化建模） 2、面向?qū)ο蟮慕＠碚? （ 1）面向?qū)ο蟾拍? （ 2）面向?qū)ο蟮幕咎匦? （ 3）面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 （ 1）面向?qū)ο蟾拍? 對象：數(shù)據(jù)集及其操作的封裝體 面向?qū)ο螅赫w是由不同的相互聯(lián)系的對象組成的系統(tǒng) 面向?qū)ο蠓椒ǎ夯诳陀^世界的對象模型化的軟件開發(fā)方法 （ 2）面向?qū)ο蟮幕咎匦? 包括對象、類、消息、封裝、繼承和多態(tài)。 類：具有共同屬性和操作的多個(gè)對象的相似特性的統(tǒng)一抽象的描述體 消息：實(shí)現(xiàn)對象間的通信和請求任務(wù)的操作 繼承：描述對象上下層之間的獨(dú)特關(guān)系 封裝：有效地實(shí)現(xiàn)信息的隱藏 多態(tài)性：同一個(gè)消息為不同對象接受時(shí)產(chǎn)生不同的行為 （ 3）面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 ? （ 1）對象模型：描述系統(tǒng)內(nèi)部對象結(jié)構(gòu)，包括對象本身的定義、對象的屬性、對象的運(yùn)算、以及對象與其他對象之間的關(guān)系。 ? （ 2）動(dòng)態(tài)模型：描述系統(tǒng)與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)行為，表現(xiàn)出來的是對象彼此之間經(jīng)過交互作用后，隨時(shí)間而改變的不同運(yùn)算順序。 ? （ 3）功能模型：描述與值的變化有關(guān)的系統(tǒng)屬性：功能、映射、約束以及功能依賴條件等。 3、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 （ 1）數(shù)學(xué)建模方法 （ 2）車輛動(dòng)力系統(tǒng)面向?qū)ο蟮慕? （ 1）數(shù)學(xué)建模方法 兩種數(shù)學(xué)模型定義 三類數(shù)學(xué)建模方法 七步數(shù)學(xué)建模步驟 （ 2）車輛動(dòng)力系統(tǒng)面向?qū)ο蟮慕? 確立車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象為 :發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、車輪、懸架和車身。 就各個(gè)對象介紹它們的屬性及相關(guān)的行為操作，然后分別建立各個(gè)對象的數(shù)學(xué)模型 4 汽車動(dòng)力性計(jì)算及總體設(shè)計(jì) （ 1）動(dòng)力性能計(jì)算 （ 2） 整車總布置圖 面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算 姓名： 班級學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算 1、課題研究的目的和意義 2、面向?qū)ο蟮慕＠碚? 3、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 4、汽車動(dòng)力性計(jì)算及總體設(shè)計(jì) 1、課題研究的目的和意義 （ 1）汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的好壞影響著整車動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性（先進(jìn)的功能技術(shù)） （ 2）模型庫的建立方便汽車再研發(fā)時(shí)做參考 （ 3）面向?qū)ο蟮慕＠碚摰氖褂茫▽?shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的模塊化建模） 2、面向?qū)ο蟮慕＠碚? （ 1）面向?qū)ο蟾拍? （ 2）面向?qū)ο蟮幕咎匦? （ 3）面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 （ 1）面向?qū)ο蟾拍? 對象：數(shù)據(jù)集及其操作的封裝體 面向?qū)ο螅赫w是由不同的相互聯(lián)系的對象組成的系統(tǒng) 面向?qū)ο蠓椒ǎ夯诳陀^世界的對象模型化的軟件開發(fā)方法 （ 2）面向?qū)ο蟮幕咎匦? 包括對象、類、消息、封裝、繼承和多態(tài)。 類：具有共同屬性和操作的多個(gè)對象的相似特性的統(tǒng)一抽象的描述體 消息：實(shí)現(xiàn)對象間的通信和請求任務(wù)的操作 繼承：描述對象上下層之間的獨(dú)特關(guān)系 封裝：有效地實(shí)現(xiàn)信息的隱藏 多態(tài)性：同一個(gè)消息為不同對象接受時(shí)產(chǎn)生不同的行為 （ 3）面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 ? （ 1）對象模型：描述系統(tǒng)內(nèi)部對象結(jié)構(gòu)，包括對象本身的定義、對象的屬性、對象的運(yùn)算、以及對象與其他對象之間的關(guān)系。 ? （ 2）動(dòng)態(tài)模型：描述系統(tǒng)與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)行為，表現(xiàn)出來的是對象彼此之間經(jīng)過交互作用后，隨時(shí)間而改變的不同運(yùn)算順序。 ? （ 3）功能模型：描述與值的變化有關(guān)的系統(tǒng)屬性：功能、映射、約束以及功能依賴條件等。 3、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 （ 1）數(shù)學(xué)建模方法 （ 2）車輛動(dòng)力系統(tǒng)面向?qū)ο蟮慕? （ 1）數(shù)學(xué)建模方法 兩種數(shù)學(xué)模型定義 三類數(shù)學(xué)建模方法 七步數(shù)學(xué)建模步驟 （ 2）車輛動(dòng)力系統(tǒng)面向?qū)ο蟮慕? 確立車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象為 :發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、車輪、懸架和車身。 就各個(gè)對象介紹它們的屬性及相關(guān)的行為操作，然后分別建立各個(gè)對象的數(shù)學(xué)模型 4 汽車動(dòng)力性計(jì)算及總體設(shè)計(jì) （ 1）動(dòng)力性能計(jì)算 （ 2） 整車總布置圖 a r ,is a is in an of it D as of be of is e. g. [1, 2, 3, 4]. is to of or 13]). in 1. of is e. g. [1, 2, 3, 4]. is to of or 文文獻(xiàn)譯文 1 13]). in on a at 9, 10, 11, 12]. It is of a of of of or to to As a of it of is be or by a to of ). In in of is . of . 2. n be of 13] is to of in in in is to 文文獻(xiàn)譯文 2 in a a be e. g. to as or is of a to be In of by a be to as in 0 be to as it a of he to in x, y z to a or a in e. g. of to be of as as An is a is of a be . of on of of be It be to a is be in is by 文文獻(xiàn)譯文 3 D n [11], a 3D) of 1D) is to D in a D to of D in a D on D : of of 外文文獻(xiàn)譯文 4 : of a : of to of a 外文文獻(xiàn)譯文 1 譯文： 基于 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)庫的車輛動(dòng)力系統(tǒng)建模 a r , 要 摘要： 越來越多的現(xiàn)代動(dòng)力系統(tǒng)包括機(jī)電一體化組件。此外，車輛動(dòng)力學(xué)和舒適性的相關(guān)性對動(dòng)力總成的發(fā)展具有重要意義。因此，因此，一個(gè)整體即多物理場的方法是設(shè)計(jì)過程中的動(dòng)態(tài)分析的基本。所以，多學(xué)科的面向?qū)ο蠼ＵZ言 仿真提供了一個(gè)理想的基礎(chǔ)。本文介紹了基礎(chǔ)知識和一些使用力傳動(dòng)系統(tǒng)”庫建立動(dòng)力系統(tǒng)模型的應(yīng)用實(shí)例。除此之外，它包括特定任務(wù)的驅(qū)動(dòng)程序模型，效率考慮因素，以及三維效果，比如陀螺現(xiàn)象。最后，顯示一些動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的仿真實(shí)例的結(jié)果。 外文文獻(xiàn)譯文 2 在處理多物理場的汽車應(yīng)用建模，面向?qū)ο蟮慕ＵZ言 廣泛使用的，例如 [ 1， 2， 3， 4 ]。設(shè)計(jì)這種建模語言考慮到實(shí)用性，面向復(fù)雜物理系統(tǒng)的構(gòu)件建模，例如，系統(tǒng)包括機(jī)械，電氣，電子，液壓，熱，控制，電力或面向過程的子組件（見 [ 13 ]）。免費(fèi)的 言，免費(fèi)的 書館和 真工具是可以使用的，這已被用在要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用中，包括硬件在環(huán)仿真。 基于 言的“動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)”庫已在德國航空航天中心（ 發(fā)，參見 [ 9， 10， 11， 12 ]。它可以執(zhí)行范圍廣泛的動(dòng)力傳動(dòng)具體問題的建模，包括自動(dòng)變速器的開關(guān)策略的優(yōu)化，變速箱的建模與速度和轉(zhuǎn)矩相關(guān)的損失或?qū)崟r(shí)模擬。該庫包括易于使用和相當(dāng)復(fù)雜的組件模型的完整的動(dòng)力系統(tǒng)。通常，它不提供所有特定需求的組件。但是，所有組件的代碼是透明的，可以由用戶修改或擴(kuò)展。 以下章節(jié)簡要介紹動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)庫中最重要的軟件包和組件（見第 2 節(jié)）。此外，在 術(shù)語不同的汽車模型庫之間的互操作性是在 3部分所示。最后，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型的例子進(jìn)行了討論，在第 4 節(jié)。 外文文獻(xiàn)譯文 3 2. 力傳動(dòng)系統(tǒng)庫 在本節(jié)中，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)庫的結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計(jì)和一些其他功能將被簡單地介紹。 組件 :對于基于模型化和汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的 準(zhǔn)庫是利用機(jī)械，電氣，電子和液壓元件。此外，為了便于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的具體建模，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)庫包含許多特定的組件。一些常見的組件更詳細(xì)地描述如下。 特別是手動(dòng)和自動(dòng)變速器的離合器和飛輪模型層在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)庫離合器包被實(shí)現(xiàn)和概述，參見下圖 1 包的概述。片離合器 輸入是運(yùn)動(dòng)離合器的接觸壓力。在一系列自由輪和層流離合器連接，“ 件可以使用，例如，行星齒輪組。 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軸包包括必須開發(fā)的一維或多元素的傳動(dòng)系統(tǒng)和傳輸模型的軸組件。除了普通的剛性軸外，關(guān)鍵部件是柔性軸，它通過軸的扭轉(zhuǎn)來建模。在其最簡單的形式的柔性軸是由一個(gè)聯(lián)合線性旋轉(zhuǎn)彈簧阻尼器連接的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組成的。此軸可以用來模擬低頻效應(yīng)，如通常發(fā)生在 2 和 10 赫茲范圍之間的移動(dòng) 此外，繞行軸可以很容易地調(diào)整，以模擬更高的頻率的影響，因?yàn)樗勺償?shù)量的均勻分布在這個(gè)元素的彈性和慣性元件。 使用安裝系統(tǒng)包來設(shè)計(jì)通常在汽車底盤懸掛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的車輛。在 x， y和 z 方向上產(chǎn)生反作用力，但這些力允許動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的自由旋轉(zhuǎn)。線性和非線性特性都是適用的。 對于一齒輪組或差動(dòng)齒輪的建模，基本齒輪組件（包括齒輪包）是可用的；例如“ “ 兩組件使任何類型的行星齒輪箱可以被構(gòu)建。大多數(shù)的齒輪元件的轉(zhuǎn)矩相關(guān)損耗，以及嚙合損耗（輪齒接觸損耗）被考慮在內(nèi)。圖 2 所示，弗羅姆型行星齒輪的損失用 使用這些基本損耗元件構(gòu)造的 行星齒輪箱的整體傳動(dòng)比和效率可以用圖 3所示的例子來計(jì)算。假如每個(gè)齒輪的齒數(shù)和每個(gè)網(wǎng)格的效率是已知的，可以計(jì)算外文文獻(xiàn)譯文 4 出整體齒輪效率。 用不旋轉(zhuǎn)得齒輪軸靜態(tài)模型來確定這個(gè)值是不可能的。這是因?yàn)檩嘄X之間的摩擦將處于卡住狀態(tài)，然后按照軸加速度為零的要求計(jì)算隱式摩擦力矩。這是正確描述所提出的有損模型。 圖 1：動(dòng)力總成庫的一些組件包概述。 順時(shí)針方向從頂部依次為軸、齒輪、離合器、安裝系統(tǒng)。 外文文獻(xiàn)譯文 5 圖 2：一個(gè)使用改進(jìn) 件的弗羅姆型行星齒輪損失對象圖 圖 3：確定一個(gè)行星齒輪箱的法蘭 A 和 B 之間 的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率測試模型的對象圖 I 面向?qū)ο蟮钠噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型庫建立與性能計(jì)算 摘要： 隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、對象建模理論以及軟件工程的不斷發(fā)展 ,使得這些技術(shù)在解決交通領(lǐng)域內(nèi)的問題的應(yīng)用方面日益廣泛和深入。仿真技術(shù)為進(jìn)行車輛的動(dòng)力學(xué)性能仿真提供了有力的工具。 以往在研究車輛動(dòng)力學(xué)模型時(shí) ,多是就動(dòng)力學(xué)的某部分模型或過程進(jìn)行研究 ,并且在開發(fā)模擬程序時(shí) ,多使用過程式的建模和編程方法 ,使得建立的模型條理不夠清晰 ,編制的程序可讀性和易維護(hù)性不高。因此 ,針對這種情況 ,木文提出用面向?qū)ο蟮慕：途幊谭椒ā? 在 本文 中 ,首先根據(jù)面向?qū)ο蟮慕＠碚?,將車輛動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)初步劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、懸架和車身 7 個(gè)對象 ,并分別分析了各對象所包含的屬性和操作。然后 ,在此基礎(chǔ)上 ,分別建立各個(gè)郊分的數(shù)學(xué)模型 ,構(gòu)造了一個(gè) 8 自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型 : 該程序可以對模型 進(jìn)行比較、校驗(yàn) ,并按一定的規(guī)則合成整車模型 ,可用來模擬車輛的運(yùn)動(dòng)情況 ,具有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 仿真；面向?qū)ο蠼＠碚摚卉囕v動(dòng)力學(xué) of of of in a of of In of of or in of a of of is i is in of In to of of of on is to a 8 of be to to of be to of a 錄 摘要 .................................................................... I .............................................................. 錄 .................................................................. 概述 ................................................................ 1 言 .................................................................. 1 題的提出及研究的內(nèi)容 ................................................ 1 題的提出 .......................................................... 1 文研究的主要內(nèi)容 .................................................. 2 題的研究意義 ........................................................ 2 2 面向?qū)ο蟮慕＠碚? .................................................... 4 向?qū)ο蟮母拍? ....................................................... 4 向?qū)ο蟮幕咎匦? ................................................... 4 向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析設(shè)計(jì) ............................................... 4 向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析 ................................................. 4 向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 ................................................... 4 向?qū)ο蠼＜夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn) ............................................... 5 3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 .................................... 7 學(xué)建模方法 ......................................................... 7 學(xué)模型的概念 ..................................................... 7 學(xué)建模方法 ....................................................... 7 學(xué)建模的一般步驟 ................................................. 8 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)概述 ................................................... 9 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定與分析 ...................................... 10 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 .............................................. 10 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定 .......................................... 11 輛動(dòng)力學(xué)對象數(shù)學(xué)模型建立 .......................................... 17 汽車 動(dòng)力性計(jì)算 及總體設(shè)計(jì) ............................................. 24 力性能計(jì)算 ........................................................ 24 動(dòng)力計(jì)算 ........................................................ 24 力因數(shù)計(jì)算 ...................................................... 25 坡度的計(jì)算 ...................................................... 26 速度倒數(shù)的計(jì)算 .................................................. 28 車總布置圖 ........................................................ 29 5 總結(jié) ................................................................. 31 參考文獻(xiàn) ............................................................... 32 致謝 ................................................................... 33 1 1 概述 自從人類進(jìn)入汽車時(shí)代以來 ,汽車的保有量一直不斷增加 ,由于交通設(shè)施狀況不完善和交通管理水平較低 ,導(dǎo)致之通事故的不斷增加 ,交通環(huán)境的污染加劇 ,日益影響人們的生活和工乍環(huán)境。另一方面 ,不論是在駕駛員培訓(xùn)還是在汽車新技術(shù)的試驗(yàn)方面 濟(jì)性差 ,而且不能取得較好的效果。 科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展為尋求解決以上問題提供新的手段 ,汽車新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用 ,諸如 :各種汽車主動(dòng)控制技術(shù) 球定位 )系統(tǒng)、 抱控制系統(tǒng) /防滑控制系統(tǒng) )、主動(dòng)懸架技術(shù)等的應(yīng)用 ,不斷的提高車輛的安全性能。交通管理技術(shù)和水平的提高 ,也在不斷的改善交通狀況。 特別是近年來 ,計(jì)算機(jī)技術(shù)、實(shí)時(shí)圖形圖象處理技術(shù)、仿真技術(shù)的發(fā)展 ,為我們開展車輛、交通仿真技術(shù)研究提供了有力的幫助。利用仿真技術(shù) ,可以方便的進(jìn)行車輛模型的選擇和模擬環(huán)境的設(shè)定 ,再現(xiàn)性好 , 為車輛性能研究和解決道路交通問題提供便利的條件 ,車輛的動(dòng) 力學(xué)性能是基礎(chǔ) ,因此有著重要的研究意義。 以往在進(jìn)行車輛的動(dòng)力學(xué)性能仿真研究時(shí) ,多是就動(dòng)力學(xué)模型的某一部分模型進(jìn)行研究 ,如離合器、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等模型 ,或就車輛的某種過程或性能一加速性、制動(dòng)性或平順性等進(jìn)行建模及仿真研究件 ,而且往往是對所研究的部分建立比較精細(xì)的模型 ,而對其它相關(guān)部分則較多的使用簡化模型 ,不能充分的反映實(shí)際清況 ,盡管在車輛駕駛模擬器中 ,研究的是基于整車的動(dòng)力學(xué)模型 ,但是漠型間的框架界限不清楚 ,并且在開發(fā)仿真程序時(shí) ,一直采用的是過程式建模方法 ,相應(yīng)開發(fā)的仿真軟件具有很強(qiáng)的專用化的特點(diǎn) ,它使得開發(fā)者和用戶為仿真需求的每一處微小的改變都需要 對軟件進(jìn)行改寫或重新開發(fā)。這不漢耗費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力 ,而且最終產(chǎn)品一遇到人的需求變化就束手無策 ,軟件的生命周期極短。 為改變結(jié)構(gòu)化建模的弊端 ,幾十年來在軟件工程領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究 ,提出了許多解決方案 ,模塊化軟件構(gòu)造范式是其中影響較為深遠(yuǎn)的一個(gè)分支。模塊化建模的基本思想是將問題域“分而治之”。在過程式軟件中 ,由于數(shù)據(jù)和澡作是顯式分離的 ,因而可以方 2 便地把對各種數(shù)據(jù)執(zhí)行相同操作的子過程如函數(shù)和子程字集中加以整理 ,并作為基不的功能模塊。這種基于功能分解的分治方法是目前模塊化建模的主流 ,這里稱之為過 程式模塊化或狹義模塊化建模。 過程式模塊化建?？梢苑纸鈫栴}域 ,但不能有效降低模塊間的相互依存和聯(lián)系程度 ,隨著軟件規(guī)模的不斷擴(kuò)大 ,模塊間的調(diào)用和依賴關(guān)系總量急劇增長 ,對軟件的任何改動(dòng)所必須調(diào)整的聯(lián)系總量亦隨之增長 ,從而大大降低了軟件的擴(kuò)展裕量和可維護(hù)能力。理論和實(shí)踐表明 ,過程式模塊化建模仍難以適應(yīng)仿真研究的需求。 面向?qū)ο蟮姆抡娼Ｔ诶碚撋贤黄屏藗鹘y(tǒng)建模方法的觀念 ,是當(dāng)前仿真建模領(lǐng)域最為流行的研究方向 ,它根據(jù)組成系統(tǒng)的對象及其相互作用關(guān)系來構(gòu)造仿真模型 ,模型的對象通常表示實(shí)際系統(tǒng)中相應(yīng)的實(shí)體 ,從而彌補(bǔ)了模型和實(shí)際系統(tǒng)之間的差距 ,而且它分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的觀點(diǎn)與人們認(rèn)識客觀世界的自然思維方式極為一致 ,因而增強(qiáng)了仿真研究的直觀性和易理解性 ,而且面向?qū)ο蟮姆椒ň哂袃?nèi)在的可擴(kuò)充性和可重用性 ,為仿真大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)提供了方便的手段。 因此 ,在本課題中 ,我們尋求使用面向?qū)ο蟮慕７椒ń④囕v動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的數(shù)學(xué)模型并開 發(fā)仿真程序。 1、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的面向?qū)ο蠓治? 通過認(rèn)真學(xué)習(xí)面向?qū)ο蟮慕＠碚摰脑?、方法、步驟 ,運(yùn)用該方法對車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析 ,確定構(gòu)成系統(tǒng)的對象及其屬性 ,并定義對象的操作、功能及與其他對象的接口。 2、車輛動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立 由于車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng) ,因此 ,在建立各部分的模型時(shí) ,準(zhǔn)確、清楚的界定各模型的屬性及操作是面向?qū)ο蟮年P(guān)鍵 ,并且通過抽象、簡化 ,建立比較符合模型實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,為比較真實(shí)的模擬車輛動(dòng)力運(yùn)動(dòng)學(xué)提供 基礎(chǔ)。 充分運(yùn)用面向?qū)ο蟮念?、封裝、繼承等特點(diǎn) ,使車輛動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)模塊化建模 ,并且由于面間對象的方法使各部分模型都隱藏了自身的屬性和操作 ,只是通過接口和其他部分相關(guān)聯(lián) ,增強(qiáng)了程序代碼的可重用性和易維護(hù)性 ,可縮短程序的開發(fā)周期。 3 可以為將來建立更加精細(xì)的車輛動(dòng)力學(xué)模型提供基礎(chǔ) ,可以隨時(shí)擴(kuò)充各部分的子模型而不需要對其他部分做大的變動(dòng)。 包含各對象的模型 ,可以根據(jù)要求選定各部分模型 ,實(shí)現(xiàn) 模型的組合和各種工況下的模擬 ,為研究車輛的性能提供了一個(gè)方便的可視化操作平臺。 使得分析有了定量的標(biāo)準(zhǔn)。 4 2 面向?qū)ο蟮慕＠碚? 向?qū)ο蟮母拍? 對象 [1]即指一個(gè)數(shù)據(jù)（屬性）集和它的行為（操作 [2]）的封裝整體，面向?qū)ο笾傅氖腔趯ο蟆Ｃ嫦驅(qū)ο笫请S著計(jì)算機(jī)發(fā)展而新興的一個(gè)富含科技感的概念詞，如果從面向?qū)ο蟮慕嵌瘸霭l(fā)看世界，那么世界就是由各式各樣的并發(fā)的對象組成。 向?qū)ο蟮幕咎匦? 面向?qū)ο蟮奶匦园▽ο蟆㈩?、消息、封裝、繼承以及多態(tài)。 1) 對象：數(shù)據(jù)（屬性）集和它的行為（操作）的封裝整體 [1]。 2) 類： 值得是 對象的屬性描述。 3) 消息：面向?qū)ο蟮膶ο笾g的聯(lián)系和互通。 4) 繼承性：對象的不同抽象之間存在類的層次，進(jìn)而形成繼承關(guān)系。 5) 封裝性：指面向?qū)ο蟮男畔㈦[藏特性。 6) 多態(tài)性：在消息一致的前提下，對象不同可導(dǎo)致行為不同。 向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析設(shè)計(jì) 向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析 使用面向?qū)ο罄碚摲治龅暮诵氖鞘紫茸R別研究的系統(tǒng)中的對象，然后判斷他們之間存在的聯(lián) 系，最后把系統(tǒng)分解為可用消息聯(lián)系起來的對象。分析過程如下： 1) 確定系統(tǒng)的對象 ,抽象分類。由大到小地劃分類，合理選擇主題（最大的類）。 2) 確定各個(gè)對象的結(jié)構(gòu)。分析原則 :從一般結(jié)構(gòu)到特殊結(jié)鉤 ,定類之間的繼承關(guān)系；從整體結(jié)構(gòu)到部分結(jié)構(gòu) ,定對象之間的相互組成關(guān)系。 3) 建立各個(gè)對象相互關(guān)系 ,定義各個(gè)對象連接。 4) 對 通信關(guān)系和協(xié)議形式 進(jìn)行明確 。 向?qū)ο笙到y(tǒng)建模 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)建模包括三個(gè)方面： 1. 對象模型 對象模型 [3]是面向?qū)ο蠼＠碚摰暮诵?，它指對象的定義、屬性、以及對象的聯(lián)系 ,方便對系統(tǒng)的深層次分析。 2. 動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型呈現(xiàn)的狀態(tài)圖表對象類所允許的狀態(tài)和事件序列。 5 3. 功能模型 功能模型 [3]描述的是功能及功能依賴條件 的 屬性，功能模型對何時(shí)去實(shí)現(xiàn)功能和如何實(shí)現(xiàn)此功能沒有設(shè)定。數(shù)據(jù)流程圖顯示了從輸入一直到輸出的各個(gè)步驟的轉(zhuǎn)化過程，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系在數(shù)據(jù)流程圖上一目了然。 三種模型都分別描述了系統(tǒng)的單個(gè)方面，但這幾個(gè)方面之間是有著相互的聯(lián)系的。動(dòng)態(tài)模型 [4]決策實(shí)質(zhì)上對象的控制結(jié)構(gòu)就是由它所描述的。功能模型約束了對象的數(shù)值，描述了操作（對象模型中）和動(dòng)作喚醒（動(dòng)態(tài)模型中）功用。 向?qū)ο蠼＜夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn) 面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)把系統(tǒng)分為了許多對象，每個(gè)對象有著相互的聯(lián)系，可以讓技術(shù)人員通過電腦進(jìn)行各個(gè)部分對象的仿真和分析。對象的建模比系統(tǒng)的建模難度大幅度降低，綜合面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下： 1. 可理解性 這個(gè)建模方法的成功不管對技術(shù)人員還是使用者看來都一目了然，系統(tǒng)中的模型都是現(xiàn)實(shí)實(shí)物的仿真，對象的模型幾乎和實(shí)際對象一致，技術(shù)人員利用圖像界面和仿真模型進(jìn)行交互大大地增加了可理解性能。 2. 可重用和可擴(kuò)充性 建立的模型可以保存好以防再用，一個(gè)對象的多個(gè)模型不斷積累可以建立模型庫，模型庫可以作為建立新模型的重用構(gòu)件，創(chuàng)建的新的對象模型可以加入對象同類的類庫，或者修改現(xiàn)在已經(jīng)有的類，建立新的類庫等等。 面向?qū)ο蟮慕７椒ò严到y(tǒng)分為不同的對象相當(dāng)于整體的模塊化，修改一個(gè)模塊不會(huì)影響到其他模塊的功能和信息。 4. 面向?qū)ο蠼１阌谂c人工智能結(jié)合 面向?qū)ο蟮姆抡婺Ｐ桶藢ο蟮墓δ苁欠庋b的 ,這個(gè)功能可以是智能的也可以是非智能的 ,所以對象功能可以智能或者非智能，智能使對象擁有自我更新的功能，這就使得仿真與人工智 能巧妙地結(jié)合在了一起。 5. 并行處理功能 6 面向?qū)ο蟮慕７椒▽Σ煌瑢ο筮M(jìn)行了分別的仿真，所以對象的模型是獨(dú)立的，獨(dú)立的程序運(yùn)行處理不同的對象，這樣就可以產(chǎn)生并聯(lián)幾個(gè)對象同時(shí)執(zhí)行仿真的效果，不但提高了效率而且是的仿真更加的透徹和具體。 7 3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的對象分析及數(shù)學(xué)建模 學(xué)建模方法 一般地，模型是為了展示原型的整體功能或者某部分的具體特性而抽象出來的替代品，它反映的性質(zhì)往往是原型的固有的、本質(zhì)屬性，抽象的過程是復(fù)雜多變的，合理的抽象過程是最佳建模的先提和關(guān)鍵。 學(xué)模型的概念 數(shù)學(xué)模型顧名思義，就是用數(shù)學(xué)的表達(dá)方式來建立實(shí)際生活中可見的模型，數(shù)學(xué)建模的定義廣泛，比較主流的有以下兩種： 1、數(shù)學(xué)模型指的是把某現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)物的特征、數(shù)量以及固有屬性等用數(shù)學(xué)語言表達(dá)，通過數(shù)學(xué)語句構(gòu)件的數(shù)學(xué)符號系統(tǒng)。通常又?jǐn)?shù)學(xué)模型按廣義和狹義兩種方式解釋。廣義解釋是用世界上所有客觀存在的可見的事物為原型，進(jìn)行一級抽象或者是進(jìn)行多級抽象所得到的數(shù)學(xué)因式、數(shù)學(xué)公式已經(jīng)微分方程等等都屬于做數(shù)學(xué)建模。俠義解釋是只有一些與數(shù)學(xué)密切相關(guān)的，并且可以反映特定的事物的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)符號系統(tǒng)才可以佳作是數(shù)學(xué)模型。 2、數(shù)學(xué)大師 學(xué)模型是世界萬物抽象簡化后的以數(shù)學(xué)語言表述的數(shù)學(xué)問題的集體，它不僅僅是原型復(fù)制和抽象，應(yīng)用數(shù)學(xué)公式和符號等賦予了客觀事物某種特定的目的來更好地顯示其固有屬性。 學(xué)建模方法 常見的數(shù)學(xué)建模方法包括三種： 1. 機(jī)理建模法 此方法結(jié)合已有知識體系，通過對客觀事物的認(rèn)識和了解，做出基本假設(shè)和分析，應(yīng)用數(shù)學(xué)的邏輯推理公式和演繹推導(dǎo)思維，建立描述系統(tǒng)各個(gè)部分的邏輯概念理論以及基于對象的數(shù)學(xué)表示公式，把此公式當(dāng)作數(shù)學(xué)建模的開端，進(jìn)行進(jìn)一步的邏輯推理和數(shù)學(xué)計(jì)算即可 獲得所需的事物的數(shù)學(xué)模型。 2. 實(shí)驗(yàn)建模法 這個(gè)方法需要我們對系統(tǒng)的進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得出大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過觀察和對比實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，總結(jié)其中的規(guī)律，結(jié)合數(shù)學(xué)公式歸納出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近的表述模型，通常 8 把輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)建立某種聯(lián)系，用數(shù)學(xué)公式來表示，這種通過先實(shí)驗(yàn)再觀察最后得出數(shù)學(xué)關(guān)系的建模方法叫做實(shí)驗(yàn)建模法。 3. 混合建模法 綜上兩種建模方法混合使用的建模方法叫做混合建模法。通過對上述機(jī)理建模法了解可知，機(jī)理建模法實(shí)用于系統(tǒng)內(nèi)部比較明確的，以前以及有了明確的參數(shù)和功用的穩(wěn)定的系統(tǒng)。比如一般的電路系統(tǒng)，我們可 以測出來其中的電阻，電容等參數(shù)，我們可以根據(jù)歐姆定律計(jì)算電流等等這些都偏向使用機(jī)理建模法。而對于一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且我們不了解的系統(tǒng)，我們只能使用實(shí)驗(yàn)的方法通過觀察大量數(shù)據(jù)得出數(shù)學(xué)模型。如果一個(gè)系統(tǒng)的部分是符合前者要求，部分符合后者所述，那么我們就使用混合的建模方法更加合理。 學(xué)建模的一般步驟 因?yàn)橄到y(tǒng)不是一層不變的，我們的建模目的也不是唯一的，所以建模的方法和思路也是改變的。但是大致的建模步驟是不變的，如圖 圖 學(xué)建模的基本步驟 1. 模型準(zhǔn)備 分析系統(tǒng)主要問題，搞明白建模背景、目的以及所滿足的要求，掌握所需要建模系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，明確建模使用方法等。 9 2. 模型假設(shè) 結(jié)合系統(tǒng)的固有屬性和特點(diǎn)，在不影響研究目的的前提下，抓住系統(tǒng)的主要問題，然后關(guān)鍵是用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)語言來表達(dá)，做到數(shù)學(xué)表達(dá)式的簡單化，做到數(shù)學(xué)表達(dá)式對問題描述的均勻合理化。 3. 模型構(gòu)成 根據(jù)上述的假設(shè)，推理和演繹進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，用數(shù)學(xué)語言寫出系統(tǒng)所涉及的主要問題。例如用常量和變量來表示系統(tǒng)的已經(jīng)知道的系統(tǒng)的固有量（常量）和設(shè)定的輸入量（變量），用大于號或者小于號表示邏輯關(guān)系的大小等。 4. 模型求解 模型求解的關(guān)鍵是分析清楚模型所屬類型和選擇合理的解方程的方法，常見的方法有解方程、邏輯運(yùn)算、數(shù)值計(jì)算，以及特殊的計(jì)算機(jī)編程求解等花樣百出的數(shù)學(xué)求解法。 5. 模型分析 方程求解結(jié)束后并不意味著數(shù)學(xué)模型以及成功完成，對最后的結(jié)構(gòu)分析也很重要，例如有些系統(tǒng)建模時(shí)就有問題，所以求非所需，求解結(jié)果對實(shí)際問題沒有任何意義。還有要根據(jù)所選問題分析各個(gè)變量之間的內(nèi)在關(guān)系，得出重要結(jié)論。 6. 模型檢驗(yàn) 所得的模型需要進(jìn)行用最開始的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，如果輸入數(shù)據(jù)后的出了預(yù)期的效果，說明數(shù)學(xué)建模是成功，如果出現(xiàn)誤差就是需要對假設(shè)和數(shù)學(xué)語言進(jìn)行補(bǔ)充和修正，如果檢驗(yàn)結(jié)果與預(yù)算結(jié)果大相徑庭，那說明建模徹底失敗，需要重新從頭假設(shè)，作實(shí)驗(yàn)，用數(shù)學(xué)公式表述等等直到一切實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)都符合了建模預(yù)算才算是完成了數(shù)學(xué)建模。 6 模型應(yīng)用 把所建立的數(shù)學(xué)模型合理應(yīng)用到所需要的位置。 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)概述 在汽車上，談到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，是我們不由地想到了汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、制動(dòng)系這些與動(dòng)力有關(guān)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的的協(xié)調(diào)配 合工作確保了汽車的起步、加減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、直線行駛等功能。我們知道發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生動(dòng)力，通過傳動(dòng)系將動(dòng)力輸出，傳動(dòng)系將動(dòng)力傳輸?shù)捷喬ィ?qū)動(dòng)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而使得汽車起步和行駛，如果遇到彎道時(shí)司機(jī)操作方向盤轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向力矩通過轉(zhuǎn)向系傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向輪胎，如果遇到不平路面需要降低速度以確保安全平穩(wěn)通過時(shí)，司機(jī)踩下制動(dòng)踏板，此時(shí)制動(dòng)系便起了作用。圖 汽車行駛示意圖。 10 圖 車行駛示意圖 把汽車動(dòng)力系統(tǒng)作為一個(gè)研究系統(tǒng)進(jìn)行建模，把動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)分解為發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、制動(dòng)系等部分，每個(gè)部分列出來很多方程 [7]，這樣研究就過于復(fù)雜了，所以我們需要抓住主要矛盾，把需要研究的問題的本質(zhì)通過抽象化來建模，這樣就可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于汽車動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模。 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定與分析 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成 汽車動(dòng)力系統(tǒng) 是一個(gè)很大的 系統(tǒng) ， 為了仿真和建模的方便性，分解為 若干部分 進(jìn)行建模和仿真，根據(jù)動(dòng)力的傳輸過程分類，我們把汽車動(dòng)力系統(tǒng)分發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、制動(dòng)系、車輪、懸架和車身七個(gè)部分 [8]，見圖 11 圖 車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對象的確定 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車動(dòng)力的源泉，是汽車所有功能實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。司機(jī)上車后扭動(dòng)點(diǎn)火鑰匙，起步機(jī)工作帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí) 火活塞點(diǎn)火，點(diǎn)燃?xì)飧變?nèi)的可燃混合氣體，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，加油門汽車駕駛行駛，踏下離合器踏板，切斷動(dòng)力輸出，進(jìn)行換擋或者減少，所以把發(fā)動(dòng)機(jī)看作動(dòng)力系統(tǒng)的對象時(shí)，輸入時(shí)點(diǎn)火開關(guān)和油門是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輸入控制量，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輸出量。圖 發(fā)動(dòng)機(jī)對象圖。 圖 動(dòng)機(jī)對象圖 12 示踩下油門踏板距離與踏板最大行程之比； 示系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩；示系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩； 示汽車車輪轉(zhuǎn)速折算到離合器從動(dòng)盤的速度； 示離合器所傳輸?shù)姆€(wěn)定扭矩。 2. 傳動(dòng)系 傳動(dòng)系統(tǒng)（有汽車離合器 、 汽車的主減速器以及汽車驅(qū)動(dòng)軸 等 ）的作用不言而喻，顧名思義就是為了汽車動(dòng)力的傳輸，把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳輸?shù)狡嚨尿?qū)動(dòng)車輪。汽車的動(dòng)力的傳輸具體過程很復(fù)雜，大致過程是發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳輸?shù)絺鲃?dòng)系的離合器主動(dòng)部分 [9]，離合器的從動(dòng)部分接受離合器主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，持續(xù)將動(dòng)力傳輸?shù)街鳒p速器，主減速器的作用主要是用減小速度的方式來增大扭矩（減少增扭），動(dòng)力通過主減少器后繼續(xù)向汽車的半軸和差速器傳動(dòng)。圖 傳動(dòng)系的對象圖。 圖 動(dòng)系的對象圖 示離合器踏板的行程； 示變數(shù)器輸出的扭矩； 示主減速器輸出的扭矩； 示車輪的速度； 示車輪的速度折算在離合器從動(dòng)部分的速度。 3. 轉(zhuǎn)向系 轉(zhuǎn)向系的作用是實(shí)時(shí)地控制前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，在汽車行駛過程中進(jìn)行對車的方向進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)和控制。司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)矩輸出通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系到達(dá)轉(zhuǎn)向器 ,轉(zhuǎn)向器控制車輛轉(zhuǎn)一定的角度。汽車車輪有回正力矩，所以轉(zhuǎn)向系工作時(shí)有少許的變形，這就需要考慮轉(zhuǎn)向力矩輸入多少才能達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)向角。圖 a）是轉(zhuǎn)信息對象圖；圖 b）是轉(zhuǎn)向系功能模型圖。 13 圖 a） 轉(zhuǎn)信息對象圖 圖 b） 轉(zhuǎn)向系功能模型圖 4. 制動(dòng)系 現(xiàn)在的制動(dòng)系主要有制動(dòng)踏板、制動(dòng)缸和制動(dòng)器三個(gè)部分組成。司機(jī)在駕駛過程中如果想實(shí)現(xiàn)減速或者停車時(shí)踏下制動(dòng)踏板，制動(dòng)主缸將液壓油通過管路傳輸，液壓油推動(dòng)車輪邊上的制動(dòng)液壓缸，制動(dòng)液壓缸開始工作壓制汽車車輪的剎車盤，制動(dòng)力的大小直接受液壓缸壓力控制，實(shí)質(zhì)是由司機(jī)所踏下的制動(dòng)踏板的距離所決定，司機(jī)放開制動(dòng)踏板時(shí)，各個(gè)部分復(fù)位工作，總的來說制動(dòng)系制動(dòng)也是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，我們這里忽略彈簧、減震設(shè)備等因素，從本質(zhì)上研究輸入踏板時(shí)的力與制動(dòng)系輸出的制動(dòng)力矩的關(guān)系。圖 制動(dòng)系的對象圖 。 14 圖 動(dòng)系的 對象圖 示制動(dòng)踏板的距離； 別表示前左、右輪和后左、右輪的制動(dòng)力。 5. 車輪 車輪承載在汽車的全部質(zhì)量，汽車在行駛時(shí)不但承受著整車的壓力而且還承受著地面反作用給汽車的驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、側(cè)滑力、回正力矩等等，上述相關(guān)的力都可以用數(shù)學(xué)語言與汽車的基本參數(shù)（滑移率、側(cè)偏角、側(cè)傾角、垂直載荷等）想聯(lián)系起來。關(guān)于汽車輪胎的特性一般從驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)三個(gè)方面考慮，其中驅(qū)動(dòng)考察驅(qū)動(dòng)力和角加速度，制動(dòng)時(shí)考慮制動(dòng)力、制動(dòng)角減速度等，圖 車輪的對象圖。 圖 輪的對 象圖 15 6. 懸架 懸架位于車身和地盤之間，是汽車減震的主要部分，懸架一般分為減震器和鋼板彈簧，可以吸收車輪和車身的振動(dòng)和波動(dòng)，增加駕駛員乘坐的舒適性，因?yàn)閼壹艿墓逃蓄l率和阻尼比都是固定的，所以可以計(jì)算出汽車行駛時(shí)的縱向力、側(cè)向力、側(cè)傾力矩等。圖 3.9(a)是懸架的對象圖， 圖 懸架對象的功能模型圖 圖 架的對象圖 7. 車身 車身主要的作用是保證駕駛員的能在固定位置合理并且安全地操作汽車行駛，它包括了座椅、車燈、雨刷器、控制面板等等所有的外觀和內(nèi)部可見的飾品，他的基本屬性包括所有的質(zhì)量參數(shù)和尺寸參數(shù) 。 圖 車身對象圖。 16 圖 身對象圖 8. 對象模塊之間的關(guān)系 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)大的系統(tǒng)，包括了以上所述的各個(gè)小的系統(tǒng)，各對象有著各自的屬性、方法和操作并且相互聯(lián)系，聯(lián)系如圖 示。 17 圖 力 傳遞 系統(tǒng) 內(nèi)部關(guān)系圖 輛動(dòng)力學(xué)對象數(shù)學(xué)模型建立 上節(jié)我們對汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)對象的初步模型進(jìn)行了分析，本節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。 1. 發(fā)動(dòng)機(jī)模型 18 我們通常用外特性（輸出特性）曲線來衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的性能好壞，使用實(shí)驗(yàn)方法采集大量數(shù)據(jù)，用三次多項(xiàng)式擬合發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系見下公式： 332210 a???? （ 其中， i=0～ 3)表示轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的擬合系數(shù)，通常 )( 0La f ； 示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； 示發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。 我們用線性插值法 [10]來模擬油門從一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的輸出扭矩特性曲線： L g m a m ?（ g ? 其中， 示怠速時(shí)的輸出扭矩； 示最大輸出轉(zhuǎn)矩； 0L 表示油門最大行程； 示油門最小行程。 起步時(shí)，飛輪角加速度公式為： ??22 （ 其中， 示飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 示發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻力矩，而且 )( ； 示離合器傳遞的力矩。 通常， 于等于 ，離合器的主動(dòng)部分和從動(dòng)部分完全結(jié)合，沒有相對運(yùn)動(dòng)，車輪正常行駛。反之從動(dòng)部分速度小于發(fā)動(dòng)機(jī)的最小速度 ，離合器處去半結(jié)合狀態(tài)，車輛甚至無法正常行駛。 2. 傳動(dòng)系模型 離合器：目前市面上大多數(shù)汽車上都使用離合器，離合器主要負(fù)責(zé)動(dòng)力的隨時(shí)的切斷和結(jié)合。 關(guān)系如下： 19 圖 板行程和傳遞力矩的關(guān)系 m ax M ??表示離合器踏板在原位置， 等時(shí)離合器從動(dòng)部分和主動(dòng)部分開始分離， 3. 制動(dòng)系模型 汽車能夠安全穩(wěn)定的行駛，不但需要發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)地輸出動(dòng)力而且要求實(shí)時(shí)地制動(dòng)，實(shí)時(shí)合理的制動(dòng)才能保證汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。我們需要研究的制動(dòng)系模型研究的是司機(jī)踩下制動(dòng)踏板的行程與產(chǎn)生制動(dòng)力之間的關(guān)系。由于實(shí)際制定實(shí)驗(yàn)中，影響制動(dòng)力的因素復(fù)雜，制動(dòng)力測量誤差較大，所以通常用數(shù)學(xué)方法擬 合出制動(dòng)力和制動(dòng)踏板行程之間的關(guān)系如下： T m （ 20 i =1～ 2）表示前后制動(dòng)器制動(dòng)力矩； i =1～ 2）表示前后制動(dòng)器的制動(dòng)力矩 的最大值 ； 示制動(dòng)踏板行程； 示制動(dòng)踏板位移最大值。制動(dòng)過程中制動(dòng)力隨時(shí)間變化如下： ??????t （ 因?yàn)槠囍苿?dòng)時(shí)重心前移，所以設(shè)置前后的制動(dòng)力分配應(yīng)該是前輪大后輪小，前后制動(dòng)力比值記為 β（制動(dòng)力分配系數(shù)）： 21111 ?????? （ 21 ??? ?（ 21 ?（ 其中 1 2先后制動(dòng)力； 1 2先后制動(dòng)力矩； 汽車制動(dòng)力； 汽車制動(dòng)力矩。綜上可得： F )1(2 ???（ T )1(2 ???（ 4. 轉(zhuǎn)向系模型 轉(zhuǎn)向系的模型分為線性模型和二階模型。 （ 1）線性轉(zhuǎn)向系的數(shù)學(xué)模型如下： 其中 θ 表示轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過角度； 示轉(zhuǎn)向所有機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比 示轉(zhuǎn)向系桿側(cè)口所作用的力矩 [11]； 示轉(zhuǎn)向系剛度。 將轉(zhuǎn)向系抽象為理想狀態(tài)（完全剛性）時(shí)： ?? ，但是此時(shí)方向盤容易受到轉(zhuǎn)向前輪帶來的路面跳動(dòng)照成轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定，為此我們引進(jìn)二階轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型 （ 2）二階轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)模型如下： ?? ?????? ????? ( （ 21 其中 ???? 示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； θ 表示有效轉(zhuǎn)角；δ表示轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角； 示轉(zhuǎn)向所有機(jī)構(gòu)總的傳動(dòng)比； 示轉(zhuǎn)向系的剛度系數(shù)； 示轉(zhuǎn)向角速度阻力系數(shù)。 5. 輪胎模型 （ 1）縱向力模型 理想路面，附著力與車輪反作用力關(guān)系如下： ????? （ 1u 和 2u 表示前后輪附著系數(shù)。 u 值確定方法如下： ?????? ??210 （ ? ?m a ? （ 其中 1n 、 2n 、 1K 、 2K 由 實(shí)驗(yàn)獲得， Q 計(jì)算公式如下： ? ???? ?? ?? 其中 s 表示滑移率，制動(dòng)時(shí) %100???? V 驅(qū)動(dòng)時(shí) %????? （ 2）側(cè)向力模型 側(cè)偏力與側(cè)偏角 [12]成線性關(guān)系： ?（ 示車輪側(cè)偏剛度，（ i =1、 2 表示前后輪）； i? 表示車輪側(cè)偏角，（ i =1、 2表示前后輪）。 6. 懸架模型 仿真時(shí)這些非線性因素經(jīng)常忽略，看作沒有剛度和阻尼的剛體，這樣就可以從垂直、縱向和側(cè)向三個(gè)方面列方程： 縱向力傳遞函數(shù) ),( ? （ 側(cè)向力傳遞函數(shù) ),( ? （ 22 垂直力傳遞函數(shù) ),( ? （ 其中 i =1、 2 表示前后懸架 ； 示車身作用于懸架的縱向、側(cè)向以及垂直力； 、 、 表示懸架的縱向、側(cè)向以及垂直特性相關(guān)系數(shù)。 7. 車身模型 車身上的非線性元件很多，為了簡化分析，同理忽略非線性因素，從 x 軸、 y 軸、 汽車的原定和汽車質(zhì)心重合，沿著三個(gè)坐標(biāo)軸方向分解車身所受的力和力矩，得到車身在三個(gè)方向的加速度和角加速度，建立三個(gè)方向的數(shù)學(xué)模型，三個(gè)自由度的受力模型如圖 示。 圖 車三自由度模型圖 加速度在 x、 y 軸分解： rx ?（ 23 ry ?（ 沿著 x、 y 軸運(yùn)動(dòng)微分方程： ?????? ?21（ ?? 21 co s ?（ 其中 m 表示汽車質(zhì)量； ? 表示檔位質(zhì)量換算因子； 1 2示前后車輪作用于車身的側(cè)傾力； ? 表示前輪轉(zhuǎn)向角； 空氣阻力； 坡度阻力； 滾動(dòng)阻力。 ?? （ 其中， 空氣助力系數(shù)， A 為迎風(fēng)面積。 )???? t （ 其中， ? 為道路坡度。 f ??? （ 其中， f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)。 24 4 汽車 動(dòng)力性計(jì)算 及總體設(shè)計(jì) 前面我們使用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒘似噭?dòng)力傳遞系統(tǒng)的模型庫，下面以 解放車 為例進(jìn)行汽車的動(dòng)力性能計(jì)算。 根據(jù)汽車行駛方程式： ???（ 式中， 汽車驅(qū)動(dòng)力， N 滾動(dòng)阻力， N 空氣阻力， N 加速阻力， N 坡度阻力， N 力性能計(jì)算 動(dòng)力計(jì)算 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳至驅(qū)動(dòng)輪上后，會(huì)使地面產(chǎn)生對驅(qū)動(dòng)輪的反作用力為汽車的驅(qū)動(dòng)力。其計(jì)算過程如式 算出驅(qū)動(dòng)力之后，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和汽車行駛車速之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式 出中參數(shù)含義同前，即可得到各個(gè)檔位在每一種傳動(dòng)方案下的au— 額定功率 66au— 額定功率 70au— 0（ 0 ii （ 其中， 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩， Nm 變速器各檔的的傳動(dòng)比，其中 f 為 1, 2, 3, 4， 5； n —— 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/察圖 圖 以看出額定功率為 70發(fā)動(dòng)機(jī)在三種方案下的驅(qū)動(dòng)力較大。然后再看三種不同傳動(dòng)比，在額定功率 66發(fā)動(dòng)機(jī)下，方案三較方案一二的驅(qū)動(dòng)力大；對于額定功率為 70發(fā)動(dòng)機(jī)，在各檔位一定車速下方案三對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力較大，車速增加之后，三種方案驅(qū)動(dòng)力差別不大。 25 圖 額定功率 66圖 額定功率 70力因數(shù)計(jì)算 分析各個(gè)方案下的動(dòng)力性時(shí)，汽車的動(dòng)力因數(shù) D 也很重要，動(dòng)力因數(shù)主要用來衡量汽車的驅(qū)動(dòng)能力。動(dòng)力因數(shù)為總驅(qū)動(dòng)力減空氣阻力之后的剩余驅(qū)動(dòng)力與汽車總重之比。 26 其值越大，汽車的加速性能、爬坡性能和克服道路阻力的能力就越強(qiáng)。動(dòng)力因數(shù)的計(jì)算表達(dá)式如式 合式 算 D,然后做出每種傳動(dòng)方案在各檔位下的車速與動(dòng)力因數(shù)的關(guān)系曲線圖 （ ? （ 圖 定功率 66圖 定功率 70由圖 圖 以看出方案三的動(dòng)力性較好，并且每一種傳動(dòng)方案在一檔時(shí)的動(dòng)力因數(shù)都達(dá)到 上。發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率越高，汽車在加速過程中越容易實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)力性。 坡度的計(jì)算 汽車爬坡度是指汽車行駛在良好的路面上，克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后的余力全部 27 用來克服坡度阻力時(shí)能爬上的坡度，在這里就不考慮加速阻力，它表示汽車的爬坡能力。爬坡度的計(jì)算公式如式 相關(guān)參數(shù)帶入即可計(jì)算出爬坡度，然后再做出不同傳動(dòng)方案的速度與爬坡度曲線圖 ? ?G a r c s i n ???（ ? （ f （ 式中， ? —— 坡面與水平面的夾角 i—— 爬坡度 圖 額定功率 66圖 額定功率 70從圖 以看出在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為 66，方案一的最大爬坡度不能達(dá)到 28 30%，其他方案下的爬坡度均符合要求。方案三在兩種不同發(fā)動(dòng)機(jī)下對應(yīng)的最大爬坡度最大，額定功率為 66發(fā)動(dòng)機(jī)在方案三下最大爬坡度達(dá)到 33%，額定功率 70發(fā)動(dòng)機(jī)在方案三下最大爬坡度達(dá)到 速度倒數(shù)的計(jì)算 汽車在路面上行駛時(shí)，會(huì)遇到各種不同的工況和路況，然后需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速和加速。用汽車在水平良好路面上行駛時(shí)產(chǎn)生的加速度來評價(jià)汽車的加速能力。在實(shí)際中常用加速時(shí)間來表示加速能力。加速時(shí)間可以通過速度對加速度的積分或圖解積分來求，因此我們可以根據(jù)式（ 算出加速度倒數(shù)，然后做出加速度倒數(shù)曲線圖 線下兩個(gè)速度區(qū)間內(nèi)的面積就是通過此速度區(qū)間的加速時(shí)間。 ? ?? - （ 式中， a—— 汽車的加速度， m/ ? —— 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù) 通過加速度倒數(shù)曲線，很容易看出加速時(shí)間即為速度 1u 加速到 2u 與曲線所圍區(qū)域的面積。通過圖 圖 們可以看出三種方案在一檔和二檔時(shí)加速能力沒有明顯差別，隨著檔位數(shù)的增加，加速能力的差別就越來越明顯，方案一的加速能力最低，方案三加速能力最強(qiáng)。通過圖并不能看出加速時(shí)間，后來就通過程序計(jì)算出原地起步加速至行駛車速 70km/h 和 90Km/h 的時(shí)間，通過數(shù)據(jù)就可以得到結(jié)果。 圖 定功率 66 29 圖 定功率 70車總布置圖 解放 號貨車 作為一老款的貨運(yùn)汽車，我們依靠原始尺寸參數(shù)，著重進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的三維布局設(shè)計(jì)，針對上文提到的 發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、車輪、制動(dòng)系、車輪、懸架和車身 這七大部分進(jìn)行布局 。 如圖 圖 車三維模型圖 根據(jù)三維模型圖生成的工程圖如圖 示，從整車總布置圖中很直觀的看出整車的基本尺寸參數(shù)，整車的外形尺寸：長（ 5995寬（ 2095高（ 2280車廂尺寸為：長（ 4150寬（ 1880高（ 390整車的前輪距為 140030 前懸為 1100懸為 1595距為 3300些參數(shù) 都與 解放 號貨車 的原始參數(shù)一致。 圖 車總布置工程圖 31 5 總結(jié) 通過這一階段的學(xué)習(xí)和研究，我初步完成了汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)面對對象建模和動(dòng)力性能計(jì)算，其中完成的工作歸納為如下幾點(diǎn)： 論上論證了把這種方法應(yīng)用在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)上的重要性。 成了車輛動(dòng)力系統(tǒng)的建模。 放 號貨車 為例，完成了汽車動(dòng)力性能的計(jì)算和總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 論文中也有很多的缺陷，如需要進(jìn)一步完善建模，把握對象最核心的屬性，把面向?qū)ο蟮慕７椒☉?yīng)用細(xì)化等等。在后面的工作當(dāng)中，我會(huì)努力完善。 32 參 考 文 獻(xiàn) [1] 郭孔輝 ,劉青 汽車工程， 1998 年（ . 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