汽车理论课程设计
令狐文艳
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汽车理论课程设计任务书
本次计算设计以小组为单位进行，每组计算两种车型(大型车、小型车)。先进行手工计算并绘图（每个档位选取5-8个特征点），然后计算机编程（MATLAB）实现并绘图，最终打印计算说明书和程序。具体设计要求如下：
1.汽车动力性、经济性分析计算
通过查阅收集有关资料，计算分析给定型号汽车的动力性能及燃油经济性，并绘出该车型的发动机外特性曲线，驱动力——行驶阻力平衡图，动力特性图，百公里油耗曲线。根据计算结果，结合实际情况，分析该车型发动机参数和底盘性能参数匹配是否合理，并提出修改意见。
2.参数
部分车型参数不完整，请查阅相关资料或用经验公式计算
选取，并经手动计算分析后修正获得。（说明书中注明出处）
3.说明书
说明书内容包括：任务书、目录、各车型参数、参数分析、计算、图表、结论、设计总结及心得体会。
车型一：解放CA1091载货汽车
一、发动机CA6102（附表一）
Nmax=99kw(相应转速3000r/min)
Mmax=373N.m(相应转速1300r/min)
二、整车参数：
1.尺寸参数：全长L=7205mm，全宽B=2476mm，全高H=2436mm，轴距
L1=4050mm,前轮距B1=1850mm，后轮距B2=1740mm.
2.重量参数（附表二）
3.性能参数：
变速箱传动比i1=7.64，i2=4.835，i3=2.856，i4=1.895，i5=1.377，i6=1，i
倒=7.66。主减速器比i0=6.33。车轮：9.00-20。
三、使用数据：
滚动阻力系数f=0.03；
道路阻力系数：强度计算用Φ=1
性能计算用Φ=0.8
空气阻力系数：Cd=0.8；
迎风面积：A=0.78×宽×高；
最大速度：Vmax=90km/h；
最大爬坡度：28%；
传动系效率：η=0.9
表一：发动机参数
表二：重量参数
车型四：SATANA2000轿车
一、发动机2VQS（附表一）
Nmax=74kw(相应转速5200r/min)
Mmax=155N.m(相应转速3800r/min)
二、整车参数：
1.尺寸参数：全长L=4680mm，全宽B=1700mm，全高H=1423mm，轴
距L1=2656mm,前轮距B1=1414mm，后轮距B2=1422mm.
2.重量参数（附表二）
3.性能参数：
变速箱传动比i1=3.45，i2=1.94，i3=1.29，i4=0.985，i5=0.8,主减速器比
i0=4.1。车轮：195-60。
三、使用数据：
滚动阻力系数f=0.025；
空气阻力系数：Cd=0.4；
迎风面积：A=0.78X宽X高；
最大爬坡度：28%；
传动系效率：η=0.9
表二：重量参数：
目录1. 基础资料1
1.1已知参数1
1.2其他参数2
1.3发动机使用外特性拟合公式3
1.4 MATLAB介绍3
2.曲线绘制4
2.1解放CA1091载货汽车曲线绘制4
2.1.1发动机外特性曲线4
2.1.2 绘制驱动力-行驶阻力平衡图5
2.1.3 动力特性图9
2.1.4 汽车百公里油耗曲线11
2.2 SATANA2000轿车曲线绘制13
2.2.1 发动机外特性曲线13
2.2.2 驱动力-行驶阻力平衡图15
2.2.3 动力特性图17
2.2.4 百公里燃油消耗曲线20
3 分析22
3.1 解放CA1091载货汽车分析22
3.1.1 计算最高车速22
3.1.2 计算最大爬坡度22
3.1.3 燃油经济性分析22
3.2 SANATA2000轿车分析22
3.2.1 计算最高车速22
3.2.2 计算最大爬坡度23
3.2.3 燃油经济性分析23
4. 结论24
5. 心得体会25
6. 参考文献26
1 基础资料
1.1已知参数
1.1.1解放CA1091载货汽车
1.1.2 SATANA2000轿车
轴距L12656mm 前轮距B11414mm 后轮距B21422mm
变速箱传动比i1=3.45,i2=1.94
i3=1.29,i4=0.895i5=0.8
主减速器比i0 4.1
车轮195/60R14
滚动阻力系数f 0.025
空气阻力系数C d0.4
迎风面积A A=0.78*宽*高A=1.89m2
最大爬坡度28%
传动系效率0.9
表1-5 SATANA2000轿车质量参数
空载满载车重（kg）1248 1623
1.2其它参数
参数公式备注
轮胎半径(m)
(9.00-20)
0.509m GB/T 2977-2008
轮胎半径(m)
(195/60R14)
0.2948m 1425.4/2+1950.6
转速n/(r/min) 1000 1600 2200 2800 3400 3800 b(g/(kw.h)) 265 260 255 250 260 265 转速n/(r/min) 4600 5200
b(g/(kw.h)) 295 300
1.3 发动机使用外特性拟合公式[1]
=
T q:发动机转矩（N m） M m:最大转矩（N m）
M p:最大功率时相应的转矩（N m） n p:最大功率时的转速（r/min）:最大转矩时的转速（r/min） n:发动机转速（r/min）此经验公式适合绝大多数发动机，故选用其作为初始计算转矩公式。由于M m、、均已知，M p可根据公式P e=求得，此处即为M p。
1.4 matlab简介[2]
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
2曲线绘制
2.1解放CA1091载货汽车曲线绘制
2.1.1 发动机外特性曲线
2.1.1.1 简介[1]
将发动机的功率P e、转矩T tq以及燃油消耗率b与发动机曲轴转速n之间的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。如果发动机节气门全开（或高压油泵在最大供油量位置），则此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节气门部分开启（或部分供油），则称为发
动机部分负荷特性曲线。
2.1.1.2 计算
发动机CA6102转速选取10个特征点，分别为1000、1200、1300、1400、1600、1800、2000、2400、2800、3000。
根据经验公式
=
已知发动机CA6102相关参数如下：
M m=T max=373N m =1300r/min
P max=99kw =3000 r/min
由公式
P e=(Ttq*n)/9550
得发动机EQ6100-1最大功率时的转矩：
M p=T pemax==N m=315.15N m
利用经验公式可得各相应转速下的发动机转矩:
利用P e=,求出相应转速的发动机功率:
表2-1 发动机CA6102外特性曲线
转速n/(r/min) 1000 1200 1300 1400 1600 1800 Ttq(N.m) 368.86 370.12 373 366.12 352.29 347.81 Pe(kw) 38.62 46.51 50.77 53.67 59.02 65.56
转速n/(r/min) 2000 2400 2800 3000
Ttq(N.m) 342.32 332.25 319.44 308.45
Pe(kw) 71.69 83.5 93.66 96.9
2.1.1.3 程序编制
n=1000:10:3000;
Ttq=373-(57.85.*((1300-n).^2))/((1700).^2);
Pe=Ttq.*n/9550;
xlabel('n/(r/min)'),ylabel('Pe/(kw)');
text(2600,95,'Pe');
text(1800,90,'Ttq');
hold on;
plotyy(n,Pe,n,Ttq);
hold on;
2.1.1.4 绘图
图2-1 发动机CA6102外特性曲线图
2.1.2 驱动力行驶阻力平衡图 2.1.2.1 简介[1]
一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线F t -u a
来全面表示汽车的驱动力，称为汽车的驱动力图。在驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图，并以它来确定汽车的动力性。由于驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的，因此它是使用各档位时在一定车速下汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中，发动机常在节气门部分开启下工作，相应的驱动力要比它小。 2.1.2.2 计算
由公式r i i T F t g tq t η0=
，
377
.0i i rn
u g a
=可计算出各挡位、各转速
所对应的F t 和U a ，其中：T tq 由表 可查得，i 0=6.33，η=0.9，r=0.509m 。
计算所得数据如下表2-2：
表2-2 解放CA1091载货汽车驱动力图
转速n/(r/min)
Ⅰ档 Ⅱ档
Ⅲ档
ua/(km/h) Ft/N ua/(km/h) Ft/N ua/(km/h) Ft/N 1000
3.97 31541.57 6.27 19961.19 10.61 11790.93 1200
4.76 31649.32 7.52 20029.38 12.74 11831.21 1300
5.16 31895.59 8.15 20185.23 13.80 11923.27 1400 5.56 31307.27 8.78 19812.91 14.86 11703.35 1600
6.35 30124.66 10.03 19064.49
16.98 11261.26
根据公式Wf F f =，
15.212
a
d W Au C F =
可以计算出u a 所对应的f F +W F ，其中:
计算分析动力性时，我国规定的载质量为满载，由已知参数知，G = 94450N ， C d = 0.8，A = 4.7 m 2，f = 0.03。
取U a =10，20，30，40，50，60，70，80，90 （km/h ） 计算所得数据如下表2-3
2.1.2.3 程序编制
Ua1=3:1:12;
Ft1=(373-57.85.*(1300-6.33.*7.64.*Ua1/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*7.64.*0.9/0.509; plot(Ua1,Ft1);
text(12,30000,'I'); hold on ; Ua2=6:1:19;
Ft2=(373-57.85.*(1300-6.33.*4.835.*Ua2/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*4.835.*0.9/0.509; plot(Ua2,Ft2);
text(15,20000,'II');
hold on;
Ua3=10:1:32;
Ft3=(373-57.85.*(1300-
6.33.*2.856.*Ua3/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*2.856.*0.9/0.509; plot(Ua3,Ft3);
text(25,13000,'III');
hold on;
Ua4=16:1:48;
Ft4=(373-57.85.*(1300-
6.33.*1.895.*Ua4/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.895.*0.9/0.509; plot(Ua4,Ft4);
text(40,8000,'IV');
hold on;
Ua5=22:1:66;
Ft5=(373-57.85.*(1300-
6.33.*1.37
7.*Ua5/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.377.*0.9/0.509; plot(Ua5,Ft5);
text(60,6000,'V');
hold on;
Ua6=30:1:91;
Ft6=(373-57.85.*(1300-
6.33.*1.*Ua6/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.*0.9/0.509;
plot(Ua6,Ft6);
text(90,5000,'VI');
hold on;
Ua7=0:1:91;
G=94450;
f=0.03;
Cd=0.8;
A=4.7;
F=G.*f+Cd.*A.*Ua7.^2/21.15;
plot(Ua7,F);
text(60,2000,'Ft+Fw');
xlabel('Ua/(km/h)'),ylabel('Ft/N');
hold on;
2.1.2.4 绘图
图2-2 驱动力-行驶阻力平衡图
2.1.3 动力特性图 2.1.
3.1 简介[1]
将汽车行驶方程两边除以汽车重力并整理如下:
F t =F f +F i +F w +F j
=Ψ+
令
为汽车的动力因数并以符号D 表示，则汽车在各档下的动力因数
与车速的关系曲线称为动力特性图[1]。 2.1.3.2 计算
汽车动力因数D=
F w 为不同车速下的空气阻力，根据
15.212
a
d W Au C F
可以计算得出，其中各
挡位对应的的U a 可由表 得到，C d = 0.8，A = 4.7m 2,各挡对应的的Ft 也可由表 得到。
计算所得数据如下表2-4: 2.1.3.3 程序编制
Ua1=3:1:12;
Ft1=((373-57.85.*(1300-6.33.*7.64.*Ua1/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*7.64.*0.9/0.509-0.8.*4.7.*Ua1.^2/21.15)/94450;
plot(Ua1,Ft1);
text(12,0.32,'I');
hold on;
Ua2=6:1:19;
Ft2=((373-57.85.*(1300-6.33.*4.835.*Ua2/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*4.835.*0.9/0.509-0.8.*4.7.*Ua2.^2/21.15)/94450;
plot(Ua2,Ft2);
text(18,0.2,'II');
hold on;
Ua3=10:1:32;
Ft3=((373-57.85.*(1300-6.33.*2.856.*Ua3/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*2.856.*0.9/0.509-0.8.*4.7.*Ua3.^2/21.15)/94450;
plot(Ua3,Ft3);
text(28,0.13,'III');
Ua4=16:1:48;
Ft4=((373-57.85.*(1300-6.33.*1.895.*Ua4/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.895.*0.9/0.509-0.8.*4.7.*Ua4.^2/21.15)/94450;
plot(Ua4,Ft4);
text(40,0.08,'IV');
hold on;
Ua5=22:1:66;
Ft5=((373-57.85.*(1300-6.33.*1.377.*Ua5/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.377.*0.9/0.509-0.8.*4.7.*Ua5.^2/21.15)/94450;
plot(Ua5,Ft5);
text(60,0.06,'V');
hold on;
Ua6=30:1:91;
Ft6=((373-57.85.*(1300-6.33.*1.*Ua6/0.191893).^2/(1700).^2).*6.33.*1.*0.9/0.509-
0.8.*4.7.*Ua6.^2/21.15)/94450;
plot(Ua6,Ft6);
text(70,0.04,'VI');
hold on;
Ua7=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90];
f=[0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03];
plot(Ua7,f);
hold on;
xlabel('Ua/(km/h)'),ylabel('D')
2.1.
3.4 绘图
图2-3 解放CA1091载货汽车动力特性图
2.1.4 百公里油耗曲线
2.1.4.1 简介[1]
汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一
定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷（我国标准规定轿车为半载、货车为满载）下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。
2.1.4.2 计算
利用公式Q s= 和P e=(P f+P w)=()计算，其中:汽油机ρg范围为6.69-7.15N/L,由于CA6102为汽油机，故取ρg=7N/L。
计算所得数据如下表:
转速n/(r/min) 1000 1200 1300 1400 1600
ua/(km/h)(ⅴ档) 30.31 36.38 39.41 42.44 48.5
功率Pe/kw 28.04 34.46 37.82 41.31 48.67
b(g/(kw.h)) 315.5 306.79 306.12 305.9 305.51
Qs/(L/100km) 40.87 40.70 41.15 41.70 42.94
转速n/(r/min) 1800 2000 2400 2800 3000
ua/(km/h)(ⅴ档) 54.57 60.63 72.76 84.88 90.94
功率Pe/kw 56.64 65.25 84.77 107.79 120.80
b(g/(kw.h)) 303.04 306.34 311.65 322.34 308.45
Qs/(L/100km) 44.05 46.18 50.85 57.33 57.38
2.1.4.3 程序编制
X=[30.31 36.38 39.41 42.44 48.50 54.57 60.63 72.76 84.88 90.94];
Y=[40.87 40.70 41.15 41.70 42.94 44.05 46.18 50.85 57.33 57.38];
plot(X,Y);
xlabel('Ua/(km/h)'),ylabel('Qs/(L/100km)')
hold on;
2.1.4.4 绘图
图2-4 解放CA1091载货汽车百公里油耗图2.2 SATANA2000曲线绘制
2.2.1发动机外特性曲线
2.2.1.1 简介[1]
将发动机的功率P
e 、转矩T
tq
以及燃油消耗率b与发动机曲轴转速n之间
的函数关系以曲线表示，则此曲线称为发动机转速特性曲线或简称为发动机特性曲线。如果发动机节气门全开（或高压油泵在最大供油量位置），则此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节气门部分开启（或部分供油），则称为发动机部分负荷特性曲线。
2.2.1.2 计算
发动机2VQS转速选取8个特征点，分别为1000、1600、2200、2800、3400、3800、4600、5200。
根据经验公式
=
已知发动机2VQS相关参数如下：
M m=T max=155N m =3800r/min
P max=74kw =5200r/min
由公式
P e=(Ttq*n)/9550
发动机2VQS最大功率时的转矩：
M p=T pemax==N m=135.9N m
利用经验公式可得各相应转速下的发动机转矩:
利用P e=,求出相应转速的发动机功率:
转速n/(r/min) 1000 1600 2200 2800 3400 3800 转矩Ttq/(N.m) 78.60 107.83 130.05 145.26 153.44 155.00 功率Pe/kw 8.23 18.07 29.96 42.59 54.63 61.68 转速n/(r/min) 4600 5200
转矩Ttq/(N.m) 148.76 135.90
功率Pe/kw 71.66 74.00
2.2.1.3 程序编制
n=1000:10:5200;
Ttq=155-(19.1.*((3800-n).^2))/((1400).^2);
Pe=Ttq.*n/9550;
xlabel('n/(r/min)'),ylabel('Pe/(kw)');
text(3000,45,'Pe');
text(1800,65,'Ttq')
hold on;
plotyy(n,Pe,n,Ttq)
2.2.1.4 绘图
图2-5发动机2VQS 外特性曲线图
2.2.2 驱动力行驶阻力平衡图 2.2.2.1 简介[1]
一般用根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数关系曲线F t -u a
来全面表示汽车的驱动力，称为汽车的驱动力图。在驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也算出并画上，作出汽车驱动力-行驶阻力平衡图，并以它来确定汽车的动力性。由于驱动力图中的驱动力是根据发动机外特性求得的，因此它是使用各档位时在一定车速下汽车能发出的驱动力的极值。实际行驶中，发动机常在节气门部分开启下工作，相应的驱动力要比它小。 2.2.2.2 计算
由公式r i i T F t g tq t η0=
，
377
.0i i rn
u g a
=可计算出各挡位、各转速
所对应的F t 和U a ，其中：T tq 由表 可查得，i 0=4.1，η=0.9，r=0.2948m 。
计算所得数据如下表:
表2-7 SATANA2000轿车驱动力图 转速n/(r/min)
Ⅰ档 Ⅱ档
Ⅲ档
根据公式Wf F f =，
15.212
a
d W Au C F =
可以计算出u a 所对应的f F +W F ，其中:
计算分析动力性时，我国规定的载质量为满载，由已知参数知，G = 16230N ， C d = 0.4，A = 1.89m 2，f = 0.025。
取U a =20，40，60，80，100，120，140，160，180（km/h ） 计算所得数据如下表:
2.2.2.3 程序编制
Ua1=7:1:41;
Ft1=(155-19.1.*(3800-3.45.*4.1.*Ua1/0.1111396).^2/(1400).^2).*3.45.*4.1.*0.9/0.2948; plot(Ua1,Ft1); text(50,6000,'I'); hold on ;
Ua2=13:1:73;
Ft2=(155-19.1.*(3800-1.94.*4.1.*Ua2/0.1111396).^2/(1400).^2).*1.94.*4.1.*0.9/0.2948; plot(Ua2,Ft2); text(70,3800,'II'); hold on ;
Ua3=21:1:110;
Ft3=(155-19.1.*(3800-1.29.*4.1.*Ua3/0.1111396).^2/(1400).^2).*1.29.*4.1.*0.9/0.2948;