面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算【独家课程毕业设计含6张CAD图纸带任务书+开题报告+中期报告+答辩ppt+外文翻译】

面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算【独家课程毕业设计含6张CAD图纸带任务书+开题报告+中期报告+答辩ppt+外文翻译】面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算摘要：随着计算机仿真技术、对象建模理论以及软件工程的不断发展,使得这些技术在解决交通领域内的问题的应用方面日益广泛和深入。仿真技术为进行车辆的动力学性能仿真提供了有力的工具。    以往在研究车辆动力学模型时,多是就动力学的某部分模型或过程进行研究,并且在开发模拟程序时,多使用过程式的建模和编程方法,使得建立的模型条理不够清晰,编制的程序可读性和易维护性不高。因此,针对这种情况,木文提出用面向对象的建模和编程方法。    在本文中,首先根据面向对象的建模理论,将车辆动力学运动学系统初步划分为发动机、传动系、制动系、转向系、车轮、悬架和车身7个对象,并分别分析了各对象所包含的属性和操作。然后,在此基础上,分别建立各个郊分的数学模型,构造了一个8自由度的整车动力学模型: 该程序可以对模型进行比较、校验,并按一定的规则合成整车模型,可用来模拟车辆的运动情况,具有一定的实用价值。关键词：仿真；面向对象建模理论；车辆动力学Object oriented modeling and performance calculation of automotive powertrain systemAbstract：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  录摘要IAbstractII目录III1 概述11.1引言11.2课题的提出及研究的内容11.2.1课题的提出11.2.2本文研究的主要内容21.3课题的研究意义22 面向对象的建模理论42.1 面向对象的概念42.2 面向对象的基本特性42.3 面向对象的系统分析设计42.3.1 面向对象的系统分析42.3.2 面向对象系统建模42.4 面向对象建模技术的优点53 车辆动力学系统的对象分析及数学建模73.1 数学建模方法73.1.1 数学模型的概念73.1.2 数学建模方法73.1.3 数学建模的一般步骤83.2 车辆动力学系统概述93.3 车辆动力学系统对象的确定与分析103.3.1 车辆动力学系统的构成103.3.2 车辆动力学系统对象的确定113.4 车辆动力学对象数学模型建立174 汽车动力性计算及总体设计244.1 动力性能计算244.1.1 驱动力计算244.1.2 动力因数计算254.1.3 爬坡度的计算264.1.4 加速度倒数的计算284.2 整车总布置图295 总结31参考文献32致谢33【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】A0-总装配图.dwgA0-货车转向桥装配图.dwgA1-右转向节臂.dwgA1-左转向节臂.dwgA2-固定板.dwgA3-横拉杆.dwg图.zip外文翻译.docx面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算.doc面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算中期报告.doc面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算任务书.doc面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算开题报告.doc面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算答辩PPT.ppt 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 文文献译文 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 文文献译文 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 文文献译文 3 D n 11, a 3D) of 1D) is to D in a D to of D in a D on D : of of 外文文献译文 4 : of a : of to of a 外文文献译文 1 译文： 基于 动力传动系统库的车辆动力系统建模 a r , 要 摘要： 越来越多的现代动力系统包括机电一体化组件。此外，车辆动力学和舒适性的相关性对动力总成的发展具有重要意义。因此，因此，一个整体即多物理场的方法是设计过程中的动态分析的基本。所以，多学科的面向对象建模语言 仿真提供了一个理想的基础。本文介绍了基础知识和一些使用力传动系统”库建立动力系统模型的应用实例。除此之外，它包括特定任务的驱动程序模型，效率考虑因素，以及三维效果，比如陀螺现象。最后，显示一些动力传动系统应用的仿真实例的结果。 外文文献译文 2 在处理多物理场的汽车应用建模，面向对象的建模语言 广泛使用的，例如 1， 2， 3， 4 。设计这种建模语言考虑到实用性，面向复杂物理系统的构件建模，例如，系统包括机械，电气，电子，液压，热，控制，电力或面向过程的子组件（见 13 ）。免费的 言，免费的 书馆和 真工具是可以使用的，这已被用在要求苛刻的工业应用中，包括硬件在环仿真。 基于 言的“动力传动系统”库已在德国航空航天中心（ 发，参见 9， 10， 11， 12 。它可以执行范围广泛的动力传动具体问题的建模，包括自动变速器的开关策略的优化，变速箱的建模与速度和转矩相关的损失或实时模拟。该库包括易于使用和相当复杂的组件模型的完整的动力系统。通常，它不提供所有特定需求的组件。但是，所有组件的代码是透明的，可以由用户修改或扩展。 以下章节简要介绍动力传动系统库中最重要的软件包和组件（见第 2 节）。此外，在 术语不同的汽车模型库之间的互操作性是在 3部分所示。最后，动力传动系统模型的例子进行了讨论，在第 4 节。 外文文献译文 3 2. 力传动系统库 在本节中，动力传动系统库的结构，概念设计和一些其他功能将被简单地介绍。 组件 :对于基于模型化和汽车动力传动系统仿真的 准库是利用机械，电气，电子和液压元件。此外，为了便于动力传动系统的具体建模，动力传动系统库包含许多特定的组件。一些常见的组件更详细地描述如下。 特别是手动和自动变速器的离合器和飞轮模型层在动力传动系统库离合器包被实现和概述，参见下图 1 包的概述。片离合器 输入是运动离合器的接触压力。在一系列自由轮和层流离合器连接，“ 件可以使用，例如，行星齿轮组。 动力传动系统轴包包括必须开发的一维或多元素的传动系统和传输模型的轴组件。除了普通的刚性轴外，关键部件是柔性轴，它通过轴的扭转来建模。在其最简单的形式的柔性轴是由一个联合线性旋转弹簧阻尼器连接的两个转动惯量组成的。此轴可以用来模拟低频效应，如通常发生在 2 和 10 赫兹范围之间的移动 此外，绕行轴可以很容易地调整，以模拟更高的频率的影响，因为它包含可变数量的均匀分布在这个元素的弹性和惯性元件。 使用安装系统包来设计通常在汽车底盘悬挂动力传动系统的车辆。在 x， y和 z 方向上产生反作用力，但这些力允许动力传动系统的自由旋转。线性和非线性特性都是适用的。 对于一齿轮组或差动齿轮的建模，基本齿轮组件（包括齿轮包）是可用的；例如“ “ 两组件使任何类型的行星齿轮箱可以被构建。大多数的齿轮元件的转矩相关损耗，以及啮合损耗（轮齿接触损耗）被考虑在内。图 2 所示，弗罗姆型行星齿轮的损失用 使用这些基本损耗元件构造的 行星齿轮箱的整体传动比和效率可以用图 3所示的例子来计算。假如每个齿轮的齿数和每个网格的效率是已知的，可以计算外文文献译文 4 出整体齿轮效率。 用不旋转得齿轮轴静态模型来确定这个值是不可能的。这是因为轮齿之间的摩擦将处于卡住状态，然后按照轴加速度为零的要求计算隐式摩擦力矩。这是正确描述所提出的有损模型。 图 1：动力总成库的一些组件包概述。 顺时针方向从顶部依次为轴、齿轮、离合器、安装系统。 外文文献译文 5 图 2：一个使用改进 件的弗罗姆型行星齿轮损失对象图 图 3：确定一个行星齿轮箱的法兰 A 和 B 之间 的传动比和传动效率测试模型的对象图 I 面向对象的汽车动力传动系统模型库建立与性能计算 摘要： 随着计算机仿真技术、对象建模理论以及软件工程的不断发展 ,使得这些技术在解决交通领域内的问题的应用方面日益广泛和深入。仿真技术为进行车辆的动力学性能仿真提供了有力的工具。 以往在研究车辆动力学模型时 ,多是就动力学的某部分模型或过程进行研究 ,并且在开发模拟程序时 ,多使用过程式的建模和编程方法 ,使得建立的模型条理不够清晰 ,编制的程序可读性和易维护性不高。因此 ,针对这种情况 ,木文提出用面向对象的建模和编程方法。 在 本文 中 ,首先根据面向对象的建模理论 ,将车辆动力学运动学系统初步划分为发动机、传动系、制动系、转向系、车轮、悬架和车身 7 个对象 ,并分别分析了各对象所包含的属性和操作。然后 ,在此基础上 ,分别建立各个郊分的数学模型 ,构造了一个 8 自由度的整车动力学模型 : 该程序可以对模型 进行比较、校验 ,并按一定的规则合成整车模型 ,可用来模拟车辆的运动情况 ,具有一定的实用价值。 关键词： 仿真；面向对象建模理论；车辆动力学 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 录 摘要 . I . 录 . 概述 . 1 言 . 1 题的提出及研究的内容 . 1 题的提出 . 1 文研究的主要内容 . 2 题的研究意义 . 2 2 面向对象的建模理论 . 4 向对象的概念 . 4 向对象的基本特性 . 4 向对象的系统分析设计 . 4 向对象的系统分析 . 4 向对象系统建模 . 4 向对象建模技术的优点 . 5 3 车辆动力学系统的对象分析及数学建模 . 7 学建模方法 . 7 学模型的概念 . 7 学建模方法 . 7 学建模的一般步骤 . 8 辆动力学系统概述 . 9 辆动力学系统对象的确定与分析 . 10 辆动力学系统的构成 . 10 辆动力学系统对象的确定 . 11 辆动力学对象数学模型建立 . 17 汽车 动力性计算 及总体设计 . 24 力性能计算 . 24 动力计算 . 24 力因数计算 . 25 坡度的计算 . 26 速度倒数的计算 . 28 车总布置图 . 29 5 总结 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 1 1 概述 自从人类进入汽车时代以来 ,汽车的保有量一直不断增加 ,由于交通设施状况不完善和交通管理水平较低 ,导致之通事故的不断增加 ,交通环境的污染加剧 ,日益影响人们的生活和工乍环境。另一方面 ,不论是在驾驶员培训还是在汽车新技术的试验方面 济性差 ,而且不能取得较好的效果。 科学技术的不断发展为寻求解决以上问题提供新的手段 ,汽车新技术的开发和应用 ,诸如 :各种汽车主动控制技术 球定位 )系统、 抱控制系统 /防滑控制系统 )、主动悬架技术等的应用 ,不断的提高车辆的安全性能。交通管理技术和水平的提高 ,也在不断的改善交通状况。 特别是近年来 ,计算机技术、实时图形图象处理技术、仿真技术的发展 ,为我们开展车辆、交通仿真技术研究提供了有力的帮助。利用仿真技术 ,可以方便的进行车辆模型的选择和模拟环境的设定 ,再现性好 , 为车辆性能研究和解决道路交通问题提供便利的条件 ,车辆的动 力学性能是基础 ,因此有着重要的研究意义。 以往在进行车辆的动力学性能仿真研究时 ,多是就动力学模型的某一部分模型进行研究 ,如离合器、轮胎、发动机等模型 ,或就车辆的某种过程或性能一加速性、制动性或平顺性等进行建模及仿真研究件 ,而且往往是对所研究的部分建立比较精细的模型 ,而对其它相关部分则较多的使用简化模型 ,不能充分的反映实际清况 ,尽管在车辆驾驶模拟器中 ,研究的是基于整车的动力学模型 ,但是漠型间的框架界限不清楚 ,并且在开发仿真程序时 ,一直采用的是过程式建模方法 ,相应开发的仿真软件具有很强的专用化的特点 ,它使得开发者和用户为仿真需求的每一处微小的改变都需要 对软件进行改写或重新开发。这不汉耗费了大量的人力、物力、财力 ,而且最终产品一遇到人的需求变化就束手无策 ,软件的生命周期极短。 为改变结构化建模的弊端 ,几十年来在软件工程领域进行了大量的研究 ,提出了许多解决方案 ,模块化软件构造范式是其中影响较为深远的一个分支。模块化建模的基本思想是将问题域“分而治之”。在过程式软件中 ,由于数据和澡作是显式分离的 ,因而可以方 2 便地把对各种数据执行相同操作的子过程如函数和子程字集中加以整理 ,并作为基不的功能模块。这种基于功能分解的分治方法是目前模块化建模的主流 ,这里称之为过 程式模块化或狭义模块化建模。 过程式模块化建模可以分解问题域 ,但不能有效降低模块间的相互依存和联系程度 ,随着软件规模的不断扩大 ,模块间的调用和依赖关系总量急剧增长 ,对软件的任何改动所必须调整的联系总量亦随之增长 ,从而大大降低了软件的扩展裕量和可维护能力。理论和实践表明 ,过程式模块化建模仍难以适应仿真研究的需求。 面向对象的仿真建模在理论上突破了传统建模方法的观念 ,是当前仿真建模领域最为流行的研究方向 ,它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型 ,模型的对象通常表示实际系统中相应的实体 ,从而弥补了模型和实际系统之间的差距 ,而且它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的自然思维方式极为一致 ,因而增强了仿真研究的直观性和易理解性 ,而且面向对象的方法具有内在的可扩充性和可重用性 ,为仿真大规模的复杂系统提供了方便的手段。 因此 ,在本课题中 ,我们寻求使用面向对象的建模方法建立车辆动力学系统对象的数学模型并开 发仿真程序。 1、车辆动力学系统的面向对象分析 通过认真学习面向对象的建模理论的原理、方法、步骤 ,运用该方法对车辆动力学系统进行系统分析 ,确定构成系统的对象及其属性 ,并定义对象的操作、功能及与其他对象的接口。 2、车辆动力学数学模型的建立 由于车辆动力学系统是个复杂的非线性系统 ,因此 ,在建立各部分的模型时 ,准确、清楚的界定各模型的属性及操作是面向对象的关键 ,并且通过抽象、简化 ,建立比较符合模型实际系统的数学模型 ,为比较真实的模拟车辆动力运动学提供 基础。 充分运用面向对象的类、封装、继承等特点 ,使车辆动力学模型实现模块化建模 ,并且由于面间对象的方法使各部分模型都隐藏了自身的属性和操作 ,只是通过接口和其他部分相关联 ,增强了程序代码的可重用性和易维护性 ,可缩短程序的开发周期。 3 可以为将来建立更加精细的车辆动力学模型提供基础 ,可以随时扩充各部分的子模型而不需要对其他部分做大的变动。 包含各对象的模型 ,可以根据要求选定各部分模型 ,实现 模型的组合和各种工况下的模拟 ,为研究车辆的性能提供了一个方便的可视化操作平台。 使得分析有了定量的标准。 4 2 面向对象的建模理论 向对象的概念 对象 1即指一个数据（属性）集和它的行为（操作 2）的封装整体，面向对象指的是基于对象。面向对象是随着计算机发展而新兴的一个富含科技感的概念词，如果从面向对象的角度出发看世界，那么世界就是由各式各样的并发的对象组成。 向对象的基本特性 面向对象的特性包括对象、类、消息、封装、继承以及多态。 1) 对象：数据（属性）集和它的行为（操作）的封装整体 1。 2) 类： 值得是 对象的属性描述。 3) 消息：面向对象的对象之间的联系和互通。 4) 继承性：对象的不同抽象之间存在类的层次，进而形成继承关系。 5) 封装性：指面向对象的信息隐藏特性。 6) 多态性：在消息一致的前提下，对象不同可导致行为不同。 向对象的系统分析设计 向对象的系统分析 使用面向对象理论分析的核心是首先识别研究的系统中的对象，然后判断他们之间存在的联 系，最后把系统分解为可用消息联系起来的对象。分析过程如下： 1) 确定系统的对象 ,抽象分类。由大到小地划分类，合理选择主题（最大的类）。 2) 确定各个对象的结构。分析原则 :从一般结构到特殊结钩 ,定类之间的继承关系；从整体结构到部分结构 ,定对象之间的相互组成关系。 3) 建立各个对象相互关系 ,定义各个对象连接。 4) 对 通信关系和协议形式 进行明确 。 向对象系统建模 面向对象的系统建模包括三个方面： 1. 对象模型 对象模型 3是面向对象建模理论的核心，它指对象的定义、属性、以及对象的联系 ,方便对系统的深层次分析。 2. 动态模型 动态模型呈现的状态图表对象类所允许的状态和事件序列。 5 3. 功能模型 功能模型 3描述的是功能及功能依赖条件 的 属性，功能模型对何时去实现功能和如何实现此功能没有设定。数据流程图显示了从输入一直到输出的各个步骤的转化过程，数据之间的联系在数据流程图上一目了然。 三种模型都分别描述了系统的单个方面，但这几个方面之间是有着相互的联系的。动态模型 4决策实质上对象的控制结构就是由它所描述的。功能模型约束了对象的数值，描述了操作（对象模型中）和动作唤醒（动态模型中）功用。 向对象建模技术的优点 面向对象的建模技术把系统分为了许多对象，每个对象有着相互的联系，可以让技术人员通过电脑进行各个部分对象的仿真和分析。对象的建模比系统的建模难度大幅度降低，综合面向对象的建模技术的优点如下： 1. 可理解性 这个建模方法的成功不管对技术人员还是使用者看来都一目了然，系统中的模型都是现实实物的仿真，对象的模型几乎和实际对象一致，技术人员利用图像界面和仿真模型进行交互大大地增加了可理解性能。 2. 可重用和可扩充性 建立的模型可以保存好以防再用，一个对象的多个模型不断积累可以建立模型库，模型库可以作为建立新模型的重用构件，创建的新的对象模型可以加入对象同类的类库，或者修改现在已经有的类，建立新的类库等等。 面向对象的建模方法把系统分为不同的对象相当于整体的模块化，修改一个模块不会影响到其他模块的功能和信息。 4. 面向对象建模便于与人工智能结合 面向对象的仿真模型包括了对象的功能是封装的 ,这个功能可以是智能的也可以是非智能的 ,所以对象功能可以智能或者非智能，智能使对象拥有自我更新的功能，这就使得仿真与人工智 能巧妙地结合在了一起。 5. 并行处理功能 6 面向对象的建模方法对不同对象进行了分别的仿真，所以对象的模型是独立的，独立的程序运行处理不同的对象，这样就可以产生并联几个对象同时执行仿真的效果，不但提高了效率而且是的仿真更加的透彻和具体。 7 3 车辆动力学系统的对象分析及数学建模 学建模方法 一般地，模型是为了展示原型的整体功能或者某部分的具体特性而抽象出来的替代品，它反映的性质往往是原型的固有的、本质属性，抽象的过程是复杂多变的，合理的抽象过程是最佳建模的先提和关键。 学模型的概念 数学模型顾名思义，就是用数学的表达方式来建立实际生活中可见的模型，数学建模的定义广泛，比较主流的有以下两种： 1、数学模型指的是把某现实生活中的实物的特征、数量以及固有属性等用数学语言表达，通过数学语句构件的数学符号系统。通常又数学模型按广义和狭义两种方式解释。广义解释是用世界上所有客观存在的可见的事物为原型，进行一级抽象或者是进行多级抽象所得到的数学因式、数学公式已经微分方程等等都属于做数学建模。侠义解释是只有一些与数学密切相关的，并且可以反映特定的事物的系统的数学符号系统才可以佳作是数学模型。 2、数学大师 学模型是世界万物抽象简化后的以数学语言表述的数学问题的集体，它不仅仅是原型复制和抽象，应用数学公式和符号等赋予了客观事物某种特定的目的来更好地显示其固有属性。 学建模方法 常见的数学建模方法包括三种： 1. 机理建模法 此方法结合已有知识体系，通过对客观事物的认识和了解，做出基本假设和分析，应用数学的逻辑推理公式和演绎推导思维，建立描述系统各个部分的逻辑概念理论以及基于对象的数学表示公式，把此公式当作数学建模的开端，进行进一步的逻辑推理和数学计算即可 获得所需的事物的数学模型。 2. 实验建模法 这个方法需要我们对系统的进行多次实验，得出大量的实验结果，通过观察和对比实验结构，总结其中的规律，结合数学公式归纳出与实验结果最接近的表述模型，通常 8 把输入数据、输出数据建立某种联系，用数学公式来表示，这种通过先实验再观察最后得出数学关系的建模方法叫做实验建模法。 3. 混合建模法 综上两种建模方法混合使用的建模方法叫做混合建模法。通过对上述机理建模法了解可知，机理建模法实用于系统内部比较明确的，以前以及有了明确的参数和功用的稳定的系统。比如一般的电路系统，我们可 以测出来其中的电阻，电容等参数，我们可以根据欧姆定律计算电流等等这些都偏向使用机理建模法。而对于一些内部结构复杂，而且我们不了解的系统，我们只能使用实验的方法通过观察大量数据得出数学模型。如果一个系统的部分是符合前者要求，部分符合后者所述，那么我们就使用混合的建模方法更加合理。 学建模的一般步骤 因为系统不是一层不变的，我们的建模目的也不是唯一的，所以建模的方法和思路也是改变的。但是大致的建模步骤是不变的，如图 图 学建模的基本步骤 1. 模型准备 分析系统主要问题，搞明白建模背景、目的以及所满足的要求，掌握所需要建模系统的基本特点，明确建模使用方法等。 9 2. 模型假设 结合系统的固有属性和特点，在不影响研究目的的前提下，抓住系统的主要问题，然后关键是用恰当的数学语言来表达，做到数学表达式的简单化，做到数学表达式对问题描述的均匀合理化。 3. 模型构成 根据上述的假设，推理和演绎进行数学分析，用数学语言写出系统所涉及的主要问题。例如用常量和变量来表示系统的已经知道的系统的固有量（常量）和设定的输入量（变量），用大于号或者小于号表示逻辑关系的大小等。 4. 模型求解 模型求解的关键是分析清楚模型所属类型和选择合理的解方程的方法，常见的方法有解方程、逻辑运算、数值计算，以及特殊的计算机编程求解等花样百出的数学求解法。 5. 模型分析 方程求解结束后并不意味着数学模型以及成功完成，对最后的结构分析也很重要，例如有些系统建模时就有问题，所以求非所需，求解结果对实际问题没有任何意义。还有要根据所选问题分析各个变量之间的内在关系，得出重要结论。 6. 模型检验 所得的模型需要进行用最开始的假设进行验证，如果输入数据后的出了预期的效果，说明数学建模是成功，如果出现误差就是需要对假设和数学语言进行补充和修正，如果检验结果与预算结果大相径庭，那说明建模彻底失败，需要重新从头假设，作实验，用数学公式表述等等直到一切实验结构都符合了建模预算才算是完成了数学建模。 6 模型应用 把所建立的数学模型合理应用到所需要的位置。 辆动力学系统概述 在汽车上，谈到动力传动系统，是我们不由地想到了汽车的发动机、传动系、转向系、车轮、制动系这些与动力有关的系统，这些系统的的协调配 合工作确保了汽车的起步、加减速、转向、制动、直线行驶等功能。我们知道发动机负责产生动力，通过传动系将动力输出，传动系将动力传输到轮胎，驱动轮胎的转动进而使得汽车起步和行驶，如果遇到弯道时司机操作方向盘转向，转向力矩通过转向系传输到转向轮胎，如果遇到不平路面需要降低速度以确保安全平稳通过时，司机踩下制动踏板，此时制动系便起了作用。图 汽车行驶示意图。 10 图 车行驶示意图 把汽车动力系统作为一个研究系统进行建模，把动力传动系统分解为发动机、传动系、转向系、车轮、制动系等部分，每个部分列出来很多方程 7，这样研究就过于复杂了，所以我们需要抓住主要矛盾，把需要研究的问题的本质通过抽象化来建模，这样就可以实现关于汽车动力系统的数学建模。 辆动力学系统对象的确定与分析 辆动力学系统的构成 汽车动力系统 是一个很大的 系统 ， 为了仿真和建模的方便性，分解为 若干部分 进行建模和仿真，根据动力的传输过程分类，我们把汽车动力系统分发动机、传动系、转向系、车轮、制动系、车轮、悬架和车身七个部分 8，见图 11 图 车动力学系统主要结构图 辆动力学系统对象的确定 汽车发动机是汽车动力的源泉，是汽车所有功能实现的前提和基础。司机上车后扭动点火钥匙，起步机工作带动发动机的飞轮转动 时 火活塞点火，点燃气缸内的可燃混合气体，发动机正常工作，加油门汽车驾驶行驶，踏下离合器踏板，切断动力输出，进行换挡或者减少，所以把发动机看作动力系统的对象时，输入时点火开关和油门是整个发动机系统的输入控制量，转矩和转速时发动机系统的输出量。图 发动机对象图。 图 动机对象图 12 示踩下油门踏板距离与踏板最大行程之比； 示系统的输出转矩；示系统的输入转矩； 示汽车车轮转速折算到离合器从动盘的速度； 示离合器所传输的稳定扭矩。 2. 传动系 传动系统（有汽车离合器 、 汽车的主减速器以及汽车驱动轴 等 ）的作用不言而喻，顾名思义就是为了汽车动力的传输，把发动机输出的转矩和转速传输到汽车的驱动车轮。汽车的动力的传输具体过程很复杂，大致过程是发动机将动力传输到传动系的离合器主动部分 9，离合器的从动部分接受离合器主动部分的转矩和转速，持续将动力传输到主减速器，主减速器的作用主要是用减小速度的方式来增大扭矩（减少增扭），动力通过主减少器后继续向汽车的半轴和差速器传动。图 传动系的对象图。 图 动系的对象图 示离合器踏板的行程； 示变数器输出的扭矩； 示主减速器输出的扭矩； 示车轮的速度； 示车轮的速度折算在离合器从动部分的速度。 3. 转向系 转向系的作用是实时地控制前轮的转动转角，在汽车行驶过程中进行对车的方向进行实时的调节和控制。司机转动方向盘，转矩输出通过转向传动系到达转向器 ,转向器控制车辆转一定的角度。汽车车轮有回正力矩，所以转向系工作时有少许的变形，这就需要考虑转向力矩输入多少才能达到最佳的转向角。图 a）是转信息对象图；图 b）是转向系功能模型图。 13 图 a） 转信息对象图 图 b） 转向系功能模型图 4. 制动系 现在的制动系主要有制动踏板、制动缸和制动器三个部分组成。司机在驾驶过程中如果想实现减速或者停车时踏下制动踏板，制动主缸将液压油通过管路传输，液压油推动车轮边上的制动液压缸，制动液压缸开始工作压制汽车车轮的刹车盘，制动力的大小直接受液压缸压力控制，实质是由司机所踏下的制动踏板的距离所决定，司机放开制动踏板时，各个部分复位工作，总的来说制动系制动也是一个十分复杂的过程，我们这里忽略弹簧、减震设备等因素，从本质上研究输入踏板时的力与制动系输出的制动力矩的关系。图 制动系的对象图 。 14 图 动系的 对象图 示制动踏板的距离； 别表示前左、右轮和后左、右轮的制动力。 5. 车轮 车轮承载在汽车的全部质量，汽车在行驶时不但承受着整车的压力而且还承受着地面反作用给汽车的驱动力、制动力、侧滑力、回正力矩等等，上述相关的力都可以用数学语言与汽车的基本参数（滑移率、侧偏角、侧倾角、垂直载荷等）想联系起来。关于汽车轮胎的特性一般从驱动、制动和转向时三个方面考虑，其中驱动考察驱动力和角加速度，制动时考虑制动力、制动角减速度等，图 车轮的对象图。 图 轮的对 象图 15 6. 悬架 悬架位于车身和地盘之间，是汽车减震的主要部分，悬架一般分为减震器和钢板弹簧，可以吸收车轮和车身的振动和波动，增加驾驶员乘坐的舒适性，因为悬架的固有频率和阻尼比都是固定的，所以可以计算出汽车行驶时的纵向力、侧向力、侧倾力矩等。图 3.9(a)是悬架的对象图， 图 悬架对象的功能模型图 图 架的对象图 7. 车身 车身主要的作用是保证驾驶员的能在固定位置合理并且安全地操作汽车行驶，它包括了座椅、车灯、雨刷器、控制面板等等所有的外观和内部可见的饰品，他的基本属性包括所有的质量参数和尺寸参数 。 图 车身对象图。 16 图 身对象图 8. 对象模块之间的关系 车辆动力学系统是一个大的系统，包括了以上所述的各个小的系统，各对象有着各自的属性、方法和操作并且相互联系，联系如图 示。 17 图 力 传递 系统 内部关系图 辆动力学对象数学模型建立 上节我们对汽车的动力系统的各个对象的初步模型进行了分析，本节进行数学建模。 1. 发动机模型 18 我们通常用外特性（输出特性）曲线来衡量发动机的性能好坏，使用实验方法采集大量数据，用三次多项式拟合发动机的转矩和转速关系见下公式： 332210 a （ 其中， i=0 3)表示转矩和转速的拟合系数，通常 )( 0La f ； 示发动机的转速； 示发动机的静态转矩。 我们用线性插值法 10来模拟油门从一个稳态到另一个稳态的输出扭矩特性曲线： L g m a m （ g 其中， 示怠速时的输出扭矩； 示最大输出转矩； 0L 表示油门最大行程； 示油门最小行程。 起步时，飞轮角加速度公式为： 22 （ 其中， 示飞轮的转动惯量； 示发动机内部阻力矩，而且 )( ； 示离合器传递的力矩。 通常， 于等于 ，离合器的主动部分和从动部分完全结合，没有相对运动，车轮正常行驶。反之从动部分速度小于发动机的最小速度 ，离合器处去半结合状态，车辆甚至无法正常行驶。 2. 传动系模型 离合器：目前市面上大多数汽车上都使用离合器，离合器主要负责动力的随时的切断和结合。 关系如下： 19 图 板行程和传递力矩的关系 m ax M 表示离合器踏板在原位置， 等时离合器从动部分和主动部分开始分离， 3. 制动系模型 汽车能够安全稳定的行驶，不但需要发动机能持续地输出动力而且要求实时地制动，实时合理的制动才能保证汽车行驶的稳定性和安全性。我们需要研究的制动系模型研究的是司机踩下制动踏板的行程与产生制动力之间的关系。由于实际制定实验中，影响制动力的因素复杂，制动力测量误差较大，所以通常用数学方法拟 合出制动力和制动踏板行程之间的关系如下： T m （ 20 i =1 2）表示前后制动器制动力矩； i =1 2）表示前后制动器的制动力矩 的最大值 ； 示制动踏板行程； 示制动踏板位移最大值。制动过程中制动力随时间变化如下： t （ 因为汽车制动时重心前移，所以设置前后的制动力分配应该是前轮大后轮小，前后制动力比值记为 （制动力分配系数）： 21111 （ 21 （ 21 （ 其中 1 2先后制动力； 1 2先后制动力矩； 汽车制动力； 汽车制动力矩。综上可得： F )1(2 （ T )1(2 （ 4. 转向系模型 转向系的模型分为线性模型和二阶模型。 （ 1）线性转向系的数学模型如下： 其中 表示转向盘转过角度； 示转向所有机构的传动比 示转向系杆侧口所作用的力矩 11； 示转向系刚度。 将转向系抽象为理想状态（完全刚性）时： ，但是此时方向盘容易受到转向前轮带来的路面跳动照成转向不稳定，为此我们引进二阶转向数学模型 （ 2）二阶转向数学模型如下： ( （ 21 其中 示转动惯量； 表示有效转角；表示转向轮转角； 示转向所有机构总的传动比； 示转向系的刚度系数； 示转向角速度阻力系数。 5. 轮胎模型 （ 1）纵向力模型 理想路面，附着力与车轮反作用力关系如下： （ 1u 和 2u 表示前后轮附着系数。 u 值确定方法如下： 210 （ m a （ 其中 1n 、 2n 、 1K 、 2K 由 实验获得， Q 计算公式如下： 其中 s 表示滑移率，制动时 %100 V 驱动时 % （ 2）侧向力模型 侧偏力与侧偏角 12成线性关系： （ 示车轮侧偏刚度，（ i =1、 2 表示前后轮）； i 表示车轮侧偏角，（ i =1、 2表示前后轮）。 6. 悬架模型 仿真时这些非线性因素经常忽略，看作没有刚度和阻尼的刚体，这样就可以从垂直、纵向和侧向三个方面列方程： 纵向力传递函数 ),( （ 侧向力传递函数 ),( （ 22 垂直力传递函数 ),( （ 其中 i =1、 2 表示前后悬架 ； 示车身作用于悬架的纵向、侧向以及垂直力； 、 、 表示悬架的纵向、侧向以及垂直特性相关系数。 7. 车身模型 车身上的非线性元件很多，为了简化分析，同理忽略非线性因素，从 x 轴、 y 轴、 汽车的原定和汽车质心重合，沿着三个坐标轴方向分解车身所受的力和力矩，得到车身在三个方向的加速度和角加速度，建立三个方向的数学模型，三个自由度的受力模型如图 示。 图 车三自由度模型图 加速度在 x、 y 轴分解： rx （ 23 ry （ 沿着 x、 y 轴运动微分方程： 21（ 21 co s （ 其中 m 表示汽车质量； 表示档位质量换算因子； 1 2示前后车轮作用于车身的侧倾力； 表示前轮转向角； 空气阻力； 坡度阻力； 滚动阻力。 （ 其中， 空气助力系数， A 为迎风面积。 ) t （ 其中， 为道路坡度。 f （ 其中， f 为滚动阻力系数。 24 4 汽车 动力性计算 及总体设计 前面我们使用面向对象的方法建立了汽车动力传递系统的模型库，下面以 解放车 为例进行汽车的动力性能计算。 根据汽车行驶方程式： （ 式中， 汽车驱动力， N 滚动阻力， N 空气阻力， N 加速阻力， N 坡度阻力， N 力性能计算 动力计算 汽车发动机产生的转矩传至驱动轮上后，会使地面产生对驱动轮的反作用力为汽车的驱动力。其计算过程如式 算出驱动力之后，再根据发动机转速和汽车行驶车速之间的转换关系式 出中参数含义同前，即可得到各个档位在每一种传动方案下的au 额定功率 66au 额定功率 70au 0（ 0 ii （ 其中， 发动机扭矩， Nm 变速器各档的的传动比，其中 f 为 1, 2, 3, 4， 5； n 发动机转速， r/察图 图 以看出额定功率为 70发动机在三种方案下的驱动力较大。然后再看三种不同传动比，在额定功率 66发动机下，方案三较方案一二的驱动力大；对于额定功率为 70发动机，在各档位一定车速下方案三对应的驱动力较大，车速增加之后，三种方案驱动力差别不大。 25 图 额定功率 66图 额定功率 70力因数计算 分析各个方案下的动力性时，汽车的动力因数 D 也很重要，动力因数主要用来衡量汽车的驱动能力。动力因数为总驱动力减空气阻力之后的剩余驱动力与汽车总重之比。 26 其值越大，汽车的加速性能、爬坡性能和克服道路阻力的能力就越强。动力因数的计算表达式如式 合式 算 D,然后做出每种传动方案在各档位下的车速与动力因数的关系曲线图 （ （ 图 定功率 66图 定功率 70由图 图 以看出方案三的动力性较好，并且每一种传动方案在一档时的动力因数都达到 上。发动机的额定功率越高，汽车在加速过程中越容易实现最大动力性。 坡度的计算 汽车爬坡度是指汽车行驶在良好的路面上，克服滚动阻力和空气阻力后的余力全部 27 用来克服坡度阻力时能爬上的坡度，在这里就不考虑加速阻力，它表示汽车的爬坡能力。爬坡度的计算公式如式 相关参数带入即可计算出爬坡度，然后再做出不同传动方案的速度与爬坡度曲线图 G a r c s i n （ （ f （ 式中， 坡面与水平面的夹角 i 爬坡度 图 额定功率 66图 额定功率 70从图 以看出在发动机额定功率为 66，方案一的最大爬坡度不能达到 28 30%，其他方案下的爬坡度均符合要求。方案三在两种不同发动机下对应的最大爬坡度最大，额定功率为 66发动机在方案三下最大爬坡度达到 33%，额定功率 70发动机在方案三下最大爬坡度达到 速度倒数的计算 汽车在路面上行驶时，会遇到各种不同的工况和路况，然后需要进行适当的减速和加速。用汽车在水平良好路面上行驶时产生的加速度来评价汽车的加速能力。在实际中常用加速时间来表示加速能力。加速时间可以通过速度对加速度的积分或图解积分来求，因此我们可以根据式（ 算出加速度倒数，然后做出加速度倒数曲线图 线下两个速度区间内的面积就是通过此速度区间的加速时间。 - （ 式中， a 汽车的加速度， m/ 旋转质量换算系数 通过加速度倒数曲线，很容易看出加速时间即为速度 1u 加速到 2u 与曲线所围区域的面积。通过图 图 们可以看出三种方案在一档和二档时加速能力没有明显差别，随着档位数的增加，加速能力的差别就越来越明显，方案一的加速能力最低，方案三加速能力最强。通过图并不能看出加速时间，后来就通过程序计算出原地起步加速至行驶车速 70km/h 和 90Km/h 的时间，通过数据就可以得到结果。 图 定功率 66 29 图 定功率 70车总布置图 解放 号货车 作为一老款的货运汽车，我们依靠原始尺寸参数，着重进行动力传动系统的三维布局设计，针对上文提到的 发动机、传动系、转向系、车轮、制动系、车轮、悬架和车身 这七大部分进行布局 。 如图 图 车三维模型图 根据三维模型图生成的工程图如图 示，从整车总布置图中很直观的看出整车的基本尺寸参数，整车的外形尺寸：长（ 5995宽（ 2095高（ 2280车厢尺寸为：长（ 4150宽（ 1880高（ 390整车的前轮距为 140030 前悬为 1100悬为 1595距为 3300些参数 都与 解放 号货车 的原始参数一致。 图 车总布置工程图 31 5 总结 通过这一阶段的学习和研究，我初步完成了汽车动力传动系统面对对象建模和动力性能计算，其中完成的工作归纳为如下几点： 论上论证了把这种方法应用在汽车动力传动系统上的重要性。 成了车辆动力系统的建模。 放 号货车 为例，完成了汽车动力性能的计算和总体的优化设计。 论文中也有很多的缺陷，如需要进一步完善建模，把握对象最核心的属性，把面向对象的建模方法应用细化等等。在后面的工作当中，我会努力完善。 32 参 考 文 献 1 郭孔辉 ,刘青 汽车工程， 1998 年（ . 2 崔胜民 ,余群 动工况下的轮胎侧偏特性理论模型 1995 年 3 月 (3 周云山 ,裘熙定 ,下红岩 ,杨志华 模与仿真 1998 年 (4 田万仓等 中国公路学报 ,1994,5 周继铭 ,田万吕 林工业大学学报， 1929 年弟 9 期 . 6 熊坚 汽车技长 ,1995 年第 3 期 7 李玉岭 ,潘伍朝 ,朱吴 系统仿真学报 ,1995 午 5 月 8 姚革 ,郭孔辉 汽车技术 ,1997 年 9 侯瑞芬 ,曹正清 中国农业大学学报 ,2000,5(2):26 一 29. 10 谢志武 ,陈德来 ,翁史烈 综述与展望 11 吴炜坦 北京 :清华人学出版社 ,2000. 12 定海等 北京 :清华大学出 版社 ,2001. 13 杨正甫 北京 :清华大学出版社 ,2001. 14 美 赵晓玲 ,叶大军 ,堂亚尔译 向对象设计基础 ,北京 :人民邮电出版社 ,2001. 15 任顶华 ,周超骏 计算机辅助工程 ,1997 年 l 月 (16 孙显营 ,熊坚 ,杨汤 昆明理工大学学报 ,2001 年 10 月 ,增刊 . 17 李洪濡 ,冯月领 ,冯振声 系统仿 真学报 9 月 . 18 冯惠军等 系统仿真学报 9 月 . 19 惠大舒 ,李裕山 ,陈宗基 北京肮空肮大人学学报 ,1999 年 6 月 (