基于LabVIEW的汽车动力性仿真研究

开发研究　—　而　基于ＬａｂＶＩ　ＥＷ的汽车动力性仿真研究　张文广　周孙锋　司利增　（长安大学汽车学院摘陕西西安７１００６４）　要：汽车动力性是汽车最重要的基本性能之一，为快速、准确预测汽车的动力性，运用ＬａｂＶＩＥＷ　图形化编程软件，在汽车动力性数学模型基础上设计了汽车动力性仿真程序。通过对某款轿车的实例仿　真，验证了程序的准确性，从而为汽车动力性分析和汽车结构优化提供了参考借鉴。　关键词：动力性；ＬａｂＶＩＥＷ；仿真　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ＺＨＡＮＧ　Ｗ＿ｅｎ—ｇｕａｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｓｕｎ－ｆｅｎｇ，ＳＩ　Ｌｉ—ｚｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｂａｓｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｆｏｒ　ｒａｐｉｄ，ａｃｃｕｒａｔｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆｃａｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｕｓｉｎｇ　ｇｒａｐｈｉｃａｌ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　Ｃａｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｈｅ　ｓｉｔｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｃａｒ，ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ｔｈｕｓ　ｆｏｒ　ｃａｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｓｉｍ￣ａｆｉｏｎ　１、引言　ＬａｂＶＩＥＷ是美国国家仪器公司（ＮＩ）开发的一个　虚拟仪器系统开发平台，目前被广泛地应用在工业测　试、仿真、监控、信号处理等领域，其图形化的编程语　言有助于缩短开发周期。汽车动力性是汽车各种性能中　最基本、最重要的性能，其影响着汽车的加速性能、爬　坡性能，是人们选择汽车时优先考虑的因素。将　发动机转矩曲线。把发动机转矩Ｔｔｑ看成发动机转速　ｎｅ的函数【ｌＪ：　Ｔｔ　＝∑　０　＇１．．．ｋ１　式中：Ｔｔｑ——发动机的转矩（Ｎ・ｍ）　Ａｊ——拟合的各项系数（可由最ｄ＇－乘法来确定）　ｎ——发动机的转速（ｒ／ｍｉｎ）　卜多项式的阶数（一般在３，４，５中选取）　２＿２汽车动力性模型建立　汽车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由　汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的／平均行驶速　ＬａｂＶＩＥＷ应用于汽车动力性仿真，能够提高产品开发　速度和验证传动系统匹配优化效果。　２、汽车动力性数学模型　２．１发动机外特性拟合　在进行汽车动力性估算时，一般使用稳定工况时发　度，主要由三方面指标来评定，即：汽车的最高车速，　汽车的加速时间，汽车的最大爬坡度。　汽车在道路上行驶时受到滚动阻力、空气阻力、坡　动机台架试验所得到的发动机外特性中的转矩曲线进　行拟合。为方便计算，常采用多项式来描述试验得到的　度阻力以及加速阻力的影响，因此汽车行驶的总阻力为　’一１　Ｆ　Ｌ　上Ｆ　Ｉｒ￣－＋Ｆ～ｖ＋Ｆ　Ｉ　Ｆ．　开发研究　雨　面　一　式中：Ｆｔ为驱动力；Ｆｆ为滚动阻力；Ｆｗ为空气阻　力；Ｆｉ为坡度阻力；Ｆｊ为加速阻力。　假如汽车在良好平直路面上行驶，则汽车只受滚动　阻力和空气阻力的影响，即Ｆｉ＝Ｆｊ＝０。此时汽车的行驶　方程为：　＋　．一　＝ａｒｃｍｎ———＝—一Ｆｔ－（Ｆｆ＋Ｆｗ］　　．　即　珏　相应的汽车最大爬坡度ｉ　：ｔａｎⅡｍ　。　３、汽车动力性仿真软件的设计　动力性仿真软件是基于ＬａｂⅥＥＷ语言，采用模块　化设计编程的。前面板用来输入参数与显示程序运行结　式中：ｉｇ为变速器传动比；ｉ０为主减速器传动比；　果，输入的参数有整车参数、发动机参数和传动系参数　Ｔ１ｔ为传动系效率；ｒ为车轮半径（ｍ）；Ｇ为整车重力（Ｎ）；　等，待参数输入后，数值将在后台程序框图中以数据流　　ｆ为滚动阻力系数；ＣＤ为空气阻力系数；Ａ为汽车迎　的方式运行。软件仿真流程如图ｌ所示。风面积（ｍ２）；ｕａ为无风时汽车车速（ｋｍ／ｈ）。　２．２．１行驶车速　汽车在行驶过程中，各挡位驱动力对应的车速为　ｕ　＝０．３７７　一　】呈】０　根据汽车行驶方程，汽车在水平良好路面上行驶，　行驶阻力Ｆｆ＋Ｆｗ与驱动力Ｆｔ相平衡时得到的稳定车速　即为最高车速，在数学上表现为驱动力与阻力两条曲线　的交点所对应的车速。　２．２．２加速能力　图１　汽车动力性仿真流程　汽车的加速能力可用在水平良好路面上行驶时能　在参数设置中不仅包括参数的输入，还包含对数据　产生的加速度来评价，但加速度数值不易测量，多用加　的存储以及初始化过程。在参数输入过程中如果输入数　速时间来表征加速能力，由行驶方程可得　值为零或者输入数值不符合规定，将会弹出警告对话　ｄＬ工　一１．　ｄｔ　’５ｍ［Ｆｔ一（Ｆｆ＋Ｆ　ｖ］］　６：ｌｌ＋　＋　框，以提醒使用者检查并重新输入，防止计算出错误结　果。　式中：　‘　眦。，１ｗ为车轮转动惯量　４、仿真实例　（　・ｍ２）；Ｉｆ为飞轮转动惯量（　・ｍ２）。　本文以某款轿车为对象进行计算仿真，整车参数如　当汽车由车速ｕｌ加速到较高车速ｕ２时，其加速时　表１所示。　间可由下式求得　ｒｔ　ｒｕ：１　ｔ＝』ｄｔ＝』Ｊ　一ｄｕ　ｏ　Ｊｕ　ａ　表１某轿车主要参数　飞轮转　动魄量　积Ａ　汽车总　车轮　质量　半径　车轮转　动惯量　迎风面　滚动　空气阻　传动系　阻力　力系数　效　ｔ　即加速时间可由计算机进行积分计算求出。　２．２－３最大爬坡度　ｍ（　）　ｒ（ｍ）　ｌ１７７　Ｏ．２８　（　・ｍ２）　１．６　（　・ｍ２）　Ｏ．１６　（ｍ２）　系数ｆ　ＣＤ　２　Ｏ．０ｌ５　Ｏ．４　０．９１２　为了降低程序的复杂性发动机外特性参数在ｅｘｃｌｅ　汽车的爬坡能力是指汽车在良好路面上克服　ｍｉｎ为步　Ｆｆ＋Ｆｗ后的全部驱动力用来（等速）克服坡度阻力时能　中拟合。首先，将发动机外特性数据以５００ｒ／一ｎ　爬上的坡度，所以ｄｔ一　。因此　长，将转速——转矩数据在ＸＹ散点图中进行绘图，然　后选择添加趋势线，在此处选择拟合阶数为三次，即　Ｆｔ＝Ｆｔ一（Ｆｆ＋Ｆ　ｖ）　瓣躺　堑壅Ｄｅ　窒ｖｅｌｏ　ｐｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　在良好平直路面上行驶时，汽车驱动力～部分用来　克服滚动阻力与空气阻力，其余全部用来加速，利用这　Ｔｌ　＝ａｏ＋ａｌｎ＋ａ２ｎ２＋ａ３ｎ３，从而得到转矩多项式的四个系数　４．２加速能力与爬坡能力的仿真　ａ０、ａｌ、ａ２、ａ３　ｏ　４．１驱动力——行驶阻力平衡图的绘制　驱动力能够直观表现各个挡位下的动力性能，由于　部分剩余驱动力即可求得最大加速度。由于车轮、飞轮　变速器各挡位的速度范围不同，驱动力所对应的速度范　等部件是旋转的，在加速度的计算中需要旋转质量系数　围有所差异。程序中各个挡位的速度范围通过发动机的　。对汽车整备质量进行修正。如图４所示，为加速度倒　最小转速和最大稳定转速来确定。车速采样点取值从最　数的仿真计算程序。加速能力常用加速时间进评价，此　小转速以１ｒ／ａｒｉｎ为步长逐渐增至最大转速，这样每个　时需要对加速度倒数进行积分以获得由ｕ１加速到ｕ２　挡位的驱动力曲线由上百个点来拟合，确保了仿真结果　的加速时间。如图５所示为二挡加速时间与速度关系计　的准确性。各挡位的驱动力以及阻力计算程序如图２。　算程序，程序忽略了离合器的打滑过程。　Ｉｌ…　一　…；・　＿　＿－—－＿＿—ｌ＿　＿—＿＿１－●　　：Ｉ｝ｌ　氍　戳　器　　“　曙。ｔ　　ｈ　鲁　图．　　＿蠢　■　譬翟　…　？　。一　　！《　　ｉ团匡　ｌ煎匿翻　ｋ－　————　｛ｊ　’ｇｌ　—警　图２汽车各挡位驱动力与行驶阻力计算程序　图　．　首先将整车参数（质量、迎风面积、空气阻力系数）、　轮胎参数（半径）、传动系参数（主传动比、各档传动　比、传动效率）、发动机参数（最低转速、最高转速）、　发动机外特性拟合参数（ａＯ、ａｌ、ａ２、ａ３）以及滚动阻　力系数等输入【２］，然后点击运行按钮，即可输出汽车动　力性曲线，如图３所示。　图４加速度倒数计算程序　图５二挡加速时间与速度曲线计算程序　在ＬａｂＶＩＥＷ前面板中输入车轮转动惯量、飞轮转　图３驱动力——行驶阻力平衡图　动惯量等参数，然后选择加速度倒数按钮即可得到加速　ｈ加速到８０ｋｍ／ｈ　程序运行得出的各个挡位对应范围的驱动力值、行　度倒数曲线。二挡加速时间是以３０ｋｍ／驶阻力值均以数组的形式存储，通过对驱动力数组和速　为例进行仿真的，速度范围可以根据需要在前面板中输　度数组中的数据拟合得到驱动力——速度图，同样对行　入，运行后即可得到加速时问——速度曲线。如图６　驶阻力与速度数组数据拟合得到行驶阻力——速度图，　所示，为加速度倒数曲线与二挡加速时问一一速度曲　两者结合构成驱动力——行驶阻力平衡图。在ＸＹ图中　线。由仿真结果可以看出，此款轿车的各挡加速度倒数　可以创建游标，通过游标的移动可以得到各个速度下所　曲线没有交点，这时的换挡时刻应在加速行驶至发动机　对应的驱动力与行驶阻力数值。　转速达到最高转速时换入高挡位。　开发研究　面　讨　表２仿真结果与实验结果　＼　＼类型　最高车速　在Ⅱ挡由＼　（ｋｍ／ｈ）　到８０ｋｍ／ｈ的时间（３０ｋｍ／ｈ加速　最大爬坡　ｓ）　度（％）　＼　仿真结果　１９１　２２．４１　５４．４１　试验结果　１８３　２１．９２　５、结论　图６各挡加速度倒数曲线与二挡加速时间——速度曲线　由驱动力——行驶阻力平衡图可以看出，Ｉ挡时的　在汽车动力性数学模型的基础上，使用ＬａｂＶＩＥＷ　后备驱动力最大，因此汽车的最大爬坡度ｉｍａｘ利用Ｉ　软件开发了汽车动力性的计算机仿真程序，该程序具有　挡驱动力与行驶阻力来计算，在计算过程中使用数组最　良好的人机交互界面，并且操作简单，功能全面。通过　大值与最小值Ⅵ来提取最大剩余驱动力。计算程序如　对某款轿车进行仿真，验证了软件运行结果的准确性。　图７。　因此，在使用过程中可以通过改变汽车系统参数来验证　对汽车动力性的影响，提高了汽车产品开发的效率，降　霉　馨　。　低了开发成本，具有较高的实用性。　图７最大爬坡度计算　参考文献　程序运行得到的最大爬坡度为５４．４１％，远远超出　［１］颜伏伍，胡峰，田韶鹏等．汽车动力性仿真与灵敏度分析［Ｊ］．　了实际道路要求的爬坡能力，这是因为轿车低挡驱动力　汽车工程师，２０１０（２）：２６．　．　是用来获得良好加速能力的。　［２】赵亚男，赵福堂，刘碧荣．汽车动力性计算机仿真［Ｊ］．北京交通　４．３仿真结果分析　大学学报．２００８，１２：３４．　如表２所示，通过仿真结果与试验结果对比，得出　［３］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．　的数据基本相符，可见ＬａｂＶＩＥＷ软件仿真具有较高的　［４］Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｔｒａｖｉｓ，Ｊｉｍ　Ｋｒｉｎｇ．Ｌａｂｖｉｅｗ大学实用教程［Ｍ］．乔瑞萍，　准确度。　译．北京：电子工业出版社，２００８．