汽车理论实习报告--甲壳虫

机械与车辆学院

《汽车理论实习》实习报告

之

2014款甲壳虫1.4TSI豪华版

姓名 学号 项目 成绩 指导老师 实习时间 动力性 2014.06.15-2014.06.19 经济性 制动性 稳定性

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目录

一． 车型…………………………………………………………………………… 3 二． 燃油经济性分析…………………………………………………………… … 4 1、等速行驶百公里燃油消耗量计算………………………………………………… 4 2、等加速行驶百公里燃油消耗量计算……………………………………………… 6 3、等减速行驶百公里燃油消耗量计算……………………………………………… 8 三．汽车动力性分析…………………………………………………………………… 8 1、发动机使用外特性 ……………………………………………………………… 9 2、驱动力图………………………………………………………………………………10 3、功率平衡图……………………………………………………………………………11 4、汽车行驶加速度图……………………………………………………………………12 四.汽车制动性分析……………………………………………………………… … 13 1、结构参数表……………………………………………………………………………13 2、理想前后器制动力……………………………………………………………………14 3、前后制动曲线…………………………………………………………………………16 五．操作稳定性分析…………………………………………………………………… 17 1、横摆角速度增益图……………………………………………………………………19

3、总结……………………………………………………………………………………20

2、瞬态响应图……………………………………………………………………………20附：汽车迎风面积精准计算方法…………………………………………………… …21

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1车型

2014款甲壳虫1.4TSI豪华版

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甲壳虫参数 长度（mm)：4278 宽度（mm）：1808 高度（mm）：1486 轴距（mm）：2537 最高车速Up=208km/h 最小离地间隙（mm）：130 整备质量（kg）：1222 风阻系数CD：0.33 迎风面积（m²）:2.17 发动机型号：EA111 最大功率：118KW（160Ps） 4500-6200rpm 最大扭矩：240N·m 1500-4500rpm 轮胎型号：215/55 R17 半径：334mm

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二 甲壳虫燃油经济性分析

说明：本数据采用“六工况燃料测试循环”（货车用）实验方法进行估算，再折合成算数平均百公里耗油量测定值。计算中重力加速度取9.8m/s；汽油密度ρg取7.0N/L

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六工况循环参数表如下

工况 I II III IV V VI 行程时间累计行程(m) (s) (m) 125 11.3 125 175 250 250 250 300 14.0 18.0 16.3 15.0 21.6 300 550 800 1050 1350 车速 加速度(m/s2) (km/h) 40 等速 40～50 50 50～60 60 60～40 0.2 等速 0.17 等速 -0.26

1、等速行驶工况燃油消耗量计算

计算等速百公里油耗应假设汽车在良好平直无风的路面上行驶，则计算过程如

pebQ(ml/s), 下：t367.1g其中

pe (Pf+Pw)1GfCDA13(uaua)(kw)ηT360021.153600ηT

行驶阻力为FFfFwGfCDA2ua21.15

发动机转速

nuaigi00.377r(r/min)。

2uaGfua)，取试验路面为良好沥青（水而PfFfua，又对于轿车：ff0(13600194002Guauaf（）泥）路面，则f0=0.014，则Pf（kw）,其中ua为（km/h）,另外01360019400 4

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3CDAuaPWFWua，根据所得车型数据及对应车速，取T=0.92，列表计算相应功

76140率如下：

工况 I III V 车速(km/h) 40 50 60 滚阻系数 f 0.015 0.015 0.015 行驶阻力(N) 233.865` 264.375 301.665 输出功率 2.83 4.00 5.47 对应于不同车速ua(km/h)，发动机的转速为nuaigi00.377r(r/min)， 结合上述功率，

对发动机万有特性曲线图进行插值估算，得车辆等速行驶时的相应燃油消耗率b列表如下：

工I IIV 车40 50 60 速发动757.7 4641.3 3125.9 机速输出功率燃油消耗率(g/kW·h) 2.83 832.06 4.00 5.47 739.71 642.10 则，三个等速工况的单位时间燃油消耗量QtPeb(mL/s)及燃油消耗量

367.1gQQtt（ml）,列表如下：

工况 I IIV 间 11.18.15.(g/kW·h)832.06 739.71 642.10 (mL/s) 0.92 1.15 1.37 (mL) 10.12 20.72 20.50 时燃油消耗率 单位时间燃料消耗量 燃油消耗量 等速百公里耗油则算

Qtpeb(ml/s)367.1g

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2．等加速行驶工况燃油消耗量的计算：

测试中的 II、IV 工况同属这一工况，归为一类计算。将整个等加速过程分隔成10个区间，以速度每增加1km/h为一区间，则每个区间长度（即车辆行驶速度每增加1km/h所需时间）为t1，对于II、IV 工况，分别为t1.389s，tIV1.634s：每个du3.6daQtPb367.1g（ml）:此时

区间的起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量为

P1T(PfPwPa)(kw),其中Pf,Pw计算方法与等速工况相同，Pa为车辆克服加速阻

力所消耗功率，计算如下：

Pamuadu3600dt2（kw）,其中112ig，对于轿车取1=0.06，2=0.04，则

Pamuadu2(1.060.04ig)；结合车型数据，对应车速及对应加速度，取T=0.92，3600dt列表计算相应功率，根据不同车速，发动机转速，对发动机万有特性图进行插值估算，得车辆等加速行驶时的相应燃油消耗率b列表如下： 工况 Ⅱ 0.2 加速度 车速(km/h) 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 工况 加速度 0.17 车速(km/h) 50 51 52 53

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转速(r/min) 4788,0 4907.7 5027.4 5147.1 5266.8 5386.5 5506.2 5625.2 5745.6 5865.3 转速(r/min) 3485.0 3554.7 3624.4 3694.1 输出功率(kw) 25.0 25.7 26.3 27.0 27.7 28.3 29.0 29.7 30.3 31.0 输出功率(kw) 26.3 26.9 27.5 28.0 燃油消耗率(g/kw.h) 264 256 248 240 232 224 215 207 198 188 燃油消耗率(g/kw.h) 179 169 158 148 汽车理论实习报告

Ⅳ 0.17 54 55 56 57 58 59 3763.8 3833.5 3903.2 3972.9 4042.6 4112.3 28.6 29.2 29.8 30.4 31.0 31.6 137 126 115 102 90 78

91则两个等加速阶段的燃油消耗量QaQt0Qt9tQtit，列表计算如下

2i1工况 车速（Km/h） 单位时间燃料消耗量(ml/s) 区间时(s) 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 1.47 1.28 1.27 1.16 1.02 0.87 0.72 0.53 0.38 0.18 1.27 1.17 1.07 0.94 0.81 0.67 0.52 0.40 0.27 0.15 1.634 1.389 燃料消耗量(ml) Ⅱ 13.48 Ⅳ 13.04 3.等减速行驶工况燃油消耗量的计算

测试中的Ⅵ工况为等减速工况。

等减速时，发动机属于强制怠速工况，其油耗量为正常怠速油耗，查得甲壳虫的正常怠速油耗为0.6ml/s，又减速工况持续时间为21.16，则减速过程的燃油消耗量12.70ml/s.

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三、甲壳虫汽车动力性分析

设甲壳虫的最高挡传动比i0.75次高挡位直接挡i1

76up0.377最高车速

rnpigio，代入数据得主减速器传动比

i04.62

当主减速器比确定时，确定最大传动比时，主要考虑三方面的因素，即最大爬坡

度、附着条件和汽车最低稳定车速。

汽车爬坡度车速低，可不计空气阻力，汽车的最大驱动力应能克服最大爬坡度，为：FtmaxFfFimax即：

应满足

Ttqmaxig1ionTrGfcosamaxGsinamax

I挡传动比iig1g1G(fcosamaxsinamax)rTtqmaxionT

轿车应具有爬上30%以上坡道的能力，

取甲壳虫的最大爬坡度为36%，即a=19.8度。取f=0.015，代入ig1得=4.47

通常，汽车变速器各挡的传动比大体上是按等比级数分配的，因此计算得下 表：

挡位 1档 2档 3档 4档 5档 6档 7挡 i0 ig 4.47 3.36 2.53 1.9 1.42 1 0.75 4.62 20.65 15.52 11.69 8.78 6.56 4.85 3.47 igi0

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1 甲壳虫发动机使用外特性图

已知发动机的最大功率Pemax和最大功率时发动机的转速np,发动机功率Pe可估算为：

nn2n3Pe118[()()]580058005800 peTtq9549*n

式中,C1、C2为发动机类型系数：汽油机C1=C2=1； n为发动机转速(r／min)；由式子选取8个不同转速带入上式分别求出发动机功率和转矩。如下表

转速(r／min) 1000 2000 3000 4000 5000 5800 功率(KW) 23.25 49.91 76.7 99.12 113 118 转矩（N*m） 222.01 238.34 244.17 236.62 215.80 194.22 备注 最低稳定转速点 最高转矩点 最高功率点 根据以上数据条件作甲壳虫发动机的使用外特性曲线，如下图

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2甲壳虫驱动力-行驶阻力平衡图

根据甲壳虫轮胎规格 215/55 R17，转换成半径r=215*55%+17*25.4/2=0.334m，选取合适的传动效率,根据甲壳虫是7挡自动双离合变速器，取传动效率ηT =92%

pu0.377驱动力Ft转矩Ttq9549e行驶车速aigiorn

Ttq表示发动机转矩，ig表示变速器传动比，io主减速器传动比。水平路面上，滚动阻力Ff=Gf。轿车轮胎的滚动阻力系数可估算：f=f0(1+ Ua2/19400)。假设在良好沥青或混凝土路面上行驶，取f0=0.014空气阻力：FwCdAua

21.15由此可得行驶阻力F函数:F= 179.63*(1+x^2/19400)+0.0339*x^2; 根据上述公式整理可得：Ft2471.1ig15.66uaig0.099uaig2232TtqigionTrn

根据上式的公式计算得各个挡位的公式，依据公式可得Matlab的程序代码。

驱动力与行驶阻力平衡图的程序如下：

x=0:0.02:240;

f= 179.63*(1+x.^2/19400)+0.0339*x.^2; Ua1=6:0.02:50;

Ft1=11045.82+312.90*x1-8.84*x1.^2; Ua2=8:0.02:60;

Ft2=8302.89+176.80*x2-3.76*x2.^2; Ua3=10:0.02:80;

Ft3=6251.89+100.24*x3-1.60*x3.^2; Ua4=15:0.02:100;

Ft4=4695.09+56.53*x4-0.68*x4.^2; Ua5=20:0.02:150;

Ft5=3508.96+31.58*x5-0.28*x5.^2; Ua6=25:0.02:200;

Ft =2471.1+15.66*x6-0.099*x6.^2; Ua7=40:0.02:220;

Ft7=1853.33+8.81*x7-0.042*x7.^2;

plot(x,f,Ua1, Ft1,Ua2, Ft2,Ua3, Ft3,Ua4, Ft4,Ua5, Ft5, Ua6, Ft6, Ua7, Ft7)

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3甲壳虫功率平衡图

根据功率和速度的关系式：ua0.377ii

go

代入相关数据整理可得Pe的函数：

rnPe0.747uaig0.00473uaig0.00003uaig输入各档的传动比，可得各挡的函数。

2233

此可得甲壳虫的功率平衡图的Matlab 程序代码如下： x=0:1:240;

f= 0.054*x+0.00001*x.^3; x1=20:0.02:45;

y1=3.34*x1+0.095*x1.^2-0.00268*x1.^3; x2=23:0.02:55;

y2=2.51*x2+0.0534*x2.^2-0.00114*x2.^3; x3=25:0.02:75;

y3=1.89*x3+0.030*x3.^2-0.000486*x3.^3; x4=28:0.02:100;

y4=1.42*x4+0.017*x4.^2-0.000206*x4.^3; x5=32:0.02:135;

y5=1.06*x5+0.0095*x5.^2-0.000086*x5.^3; x6=36:0.02:180;

y6=0.747*x6+0.00473*x6.^2-0.00003*x6.^3; x7=40:0.02:220;

y7=0.56*x7+0.00266*x7.^2-0.000013*x7.^3; plot(x,f,x1,y1,x2,y2,x3,y3, x4,y4,x5,y5,x6,y6,x7,y7) 根据上述的程序代码得甲壳虫的功率平衡图

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4 甲壳虫的行驶加速度曲线图

加速时间由汽车行驶方程式得a2ddut1mFFtfFw，又

112ig，取10.06,20.04，则1.060.04ig，代入之前驱动力、行

驶阻力的式子，主减速器传动比、半径、汽车质量等相关数据，联立可得加速度a的函数：

2du2232a2471.1ig15.66uaig0.099uaig179.6250.0339uadt最后代入各挡的传动比和速度，可得该挡位下该速度的加速度。

根据加速度的函数可得甲壳虫的行驶加速度Matlab程序代码如下：

x1=1:0.02:15;

y1=(10866.192+70.0*x1-8.81*x1.^2)/2271.97; x2=3:0.02:28;

y2=(8123.27+52.62*x2-3.72*x2.^2)/1847.16; x3=5:0.02:43;

y3=(6072.26+39.62*x3-1.57*x3.^2)/1608.196; x4=7:0.02:68;

y4=(4515.47+29.75*x4-0.645*x4.^2)/1471.78; x5=9:0.02:75;

y5=(3329.48+22.24*x5-0.3174*x5.^2)/1393.88; x6=15:0.02:160;

y6=(2291.48+15.66*x6-0.0651*x6.^2)/1344.2; x7=20:0.02:210;

y7=(1673.7+11.75*x7-0.00786*x7.^2)/1322.82; plot(x1,y1,x2,y2,x3,y3, x4,y4,x5,y5,x6,y6,x7,y7)

输入上述的程序可得甲壳虫的行驶加速度曲线

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四．汽车制动性分析

查得相关参数，用表列出，举例如下 1.甲壳虫结构参数表 载荷 质量m/kg 质心高hg/mm 轴距L/mm 质心至前轴距离a/mm 制动力分配系数β 1265 1262 空1222 500 2537 1272 载 满1572 560 2537 1275 载 2.（1）理想的前、后轮制动器制动力分配曲线： 前、后制动器制动力F1、F2的关系曲线，其前、后车轮同时抱死的条件：

FF12GFF12G

F1FZ1

F2FZ2FF12FF1Z1Z2

将代入得

GFZ1L(bhg)Z2gFFG

bhFG FL(ah)Fah21g2g整理消去得：

1GF22[hgb24hgLGF1(Gbh2F1)]

g上式即为前、后车轮同时抱死时前、后制动器制动力的关系曲线，简称I曲线。

将m、hg、b、L代入上式得：

空载：F20.5*[11975.6/0.5*(1.6+0.000423*Fμ1)0.5-（15149.134+2 Fμ1）] （2）实际前、后制动器制动力分配线，简称线：

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由F,其中F为总制动器制动力，FFF11F2,即：

FF121，得F21F1。将=0.70代入得：

F20.43 Fμ1

作出线与I曲线图:

>> f1=0:1000:10000;

>> f2=10533*((1.39+0.000510*f1).^0.5)-(12440+f1); >> f3=0.43*f1;

>> plot(f1,f2,f1,f3,);

I曲线与线

由图可知线与I曲线满载的交点对应值为：

F28.5KN F13.6KN ,因为F1F2G，可得：此时的

=0.85

称为同步附着系数0，其说明前、后制动器制动力为固定比值

的汽车，只有在同步附着系数的路面上制动时才能使前、后车轮同时抱死。

分析线与I曲线在不同a. 当

值路面上的制动过程：

<0时，线位于I曲线下方，制动时总是前轮先抱死，这是一

种稳定工况，但失去转向能力。

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b. 当

>00时，线位于I曲线上方，制动时总是后轮先抱死，因而容

易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性。

当

=时，汽车在制动时，前、后轮将同时抱死，此时的制动减速度为



0g，是一种稳定工况，但失去转向能力。 3.前、后制动效率曲线：

FXbi（1）利用附着系数的定义为： iFZi

式中，FXbi对应于制动强度z ，汽车第i 轴产生的地面制动力；FZi为制动强度z时，地面对第i 轴的法向反力；i为第i 轴对应于制动强度z的利用附着系数。

duzg，设汽车前轮刚要抱死或前、后轮同时刚要抱死时产生的减速度dt则：

FXb1z 1FZ1(bzhg)LFXb2(1)z后轴的利用附着系数 r 1FZ2(azhg)L前轴的利用附着系数 f把,L,a,hg等数值带入，可得：

空载：Φf=FXb1/FZ1=βzL/(b+zhg)=0.7z/(0.4986+0.1972z)，

Φr= FXb2/FZ2=(1-β)zL/(a-zhg)=0.3z/(1.5013-0.197z)

满载：Φf=FXb1/FZ1=βzL/(b+zhg)=0.7z/(0.4974+0.22z)，

Φr= FXb2/FZ2=(1-β)zL/(a-zhg)=0.3z/(0.5025-0.22z)

由上可得前、后制动效率曲线图： >> z=0:0.01:1;

>> k1=0.7.*z./(0.4986+0.197.*z); >> k2=0.3.*z./(0.5013-0.197.*z); >> m1=0.7.*z./(0.4974+0.220.*z); >> m2=0.3.*z./(0.5025-0.220.*z); >> plot(z,k1,z,k2,z,m1,z,m2)

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由上图可知，满载时的同步附着系数为0.91，即无任何车轮抱死所要求的路面附着系数为0.91。在后轮先抱死。

<0的路面上，前轮先抱死；在

>0的路面上，

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五、操作稳定性

参数名称 总质量 绕Oz轴转动惯量 轴距 质心至前轴距离 质心至后轴距离 前轮总侧偏刚度 后轮总测偏刚度 符号 m 量纲 kg kg.m2 m m m N/rad N/rad 参数值 1222 1966.31 2.537 1.275 1.265 -20160 -49640 Iz L a b K1 K2 其中：

质心至前轴的距离和至后轴的距离在大众汽车网站不能查到，只能参照教材书上的其他同类车型进行估算，当质心到前轴的距离假若较小，稳定性因数 K 会变大，影响汽车的稳定性；相反，稳定性因数 K 会变大。

质心到后轴的距离假若较小，那么稳定性因数 K 会变小，汽车稳定性变差；相反，汽车稳定性变好；甲壳虫轮胎使用了马牌轮胎，轮胎尺寸为215/55R17，轮胎接地面宽，侧偏刚度较高。以百分数表示的轮胎断面高H与轮胎断面宽B之比，即H/B称为扁平率。扁平率为55%得到较高的侧偏刚度。通过对其他车型的侧偏刚度比较，估算出甲壳虫车轮的侧偏刚度，前后轮的侧偏刚度估算误差不超过百分之十，结果具有一定的真实性，此外，绕Z轴的转动惯量通过经验公式 计算出来的，数值过大，会导致阻尼比偏小，汽车操纵稳定性变差，反之亦然。误差控制在百分之十以内，故上述的取值，在以下分析中可取。

试求：

1）稳定性系数K、特征车速uch 2）稳态横摆角速度增益曲线

r－ua s3）静态储备系数S.M.,侧向加速度为0.4g时的前、后轮侧偏角绝对值之差a1-a2

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4）车速u=30m/s时，瞬间响应的横摆角速度波动的固有频率ωo 、阻尼比、反应时间与峰值反应时间。 解：

1)稳定性系数：

mab12221.2721.265=0.00028s2/m2

 K=2=24964050160Lk2k12.537 特征车速 uch=1/K3.6=215km/h 2)稳态横摆角速度增益

u/Lr=s1Ku2

画横摆角速度增益图： 根据公式

u/Lr描点： =

s1Ku2X（km/h） 0 30 60 Y（s-1） 0 4.29 3.01 再用matlab软件画出图形（如下） >>x=0:0.5:200;

>>y=x./((9.1332+0.000197*x^2); >>Plot(x,y)

90 2.17 120 1.67 150 1.36

3）静态储备系数S.M.=

k2a496401.272=0.01

2.537k1k2L501604964018

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当侧向加速度为0.11g时，

得12KayL0.000280.119.82.5370.000765rad 4）车速u=30m/s时，

L2k1k2mu(ak1bk2)c2u ①固有频率ωo=,muIzm其中，

C=1955×30×（-1.288×40137+1.395×45840）

2.68424013745840+=1.16109

30

m,muIZ1222301966.317.2107得 ωoc2.82rad/s ,mh20m,②阻尼比ζ=其中

hm(a2k1b2k2)Iz(k1k2)1222(1.2722501601.265249640)1966.31(5016049640)

=0.3924109

0.3924109得ζ==0.96 722.827.210③反应时间其中

 1210.962-ψ=arctan=arctan

mua1222301.272o2.820.96Lk22.53749640=0.823.rad

0122.7110.982=0.564

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汽车理论实习报告

1.459s arctan④峰值反应时间其中，

o

12arctanarctanoo120.278s

 得0.2780.3890.667s 所以根据公式

（rt）rmua222mua01）[1[()1]etsin(t)] s002Lk2Lk2(1)0用matlab画出瞬态响应图形如下：

3.总结

通过对甲壳虫1.4T操纵稳定性的分析，从稳态响应、前轮角阶跃输入下的瞬态响

应两个方面进行分析，通过matlab 软件进行稳态响应仿真，从图像上直观的表现出甲壳虫1.4T的操纵稳定性。

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汽车理论实习报告

迎风面积 2.17m^2

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