基于MATLAB/GUI的汽車動力性仿真平臺設(shè)計

張新敏 侯紅賓 景忠玉 緱慶偉

摘要： 汽車動力性作為汽車重要性能之一，它對提高汽車加速性能有重要作用。為了便于對五速手動擋車型進行動力性能分析，快速有效地得到更加直觀的結(jié)果，提高實用性和通用性，基于MATLAB/GUI以五速手動擋車型為研究對象，設(shè)計了針對五速手動擋車型的汽車動力性仿真平臺，可以有效實現(xiàn)五速手動擋車型的汽車動力性分析與仿真。仿真結(jié)果合理，生動直觀高效，具備通用性和推廣性，為設(shè)計復(fù)雜的車輛仿真系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

Abstract： As one of the important performances of automobiles， automobile dynamics play an important role in improving the acceleration performance of automobiles. In order to facilitate the analysis of the dynamic performance of the five-speed manual transmission model， quickly and effectively obtain more intuitive results， and improve the practicability and versatility， based on MATLAB/GUI， the five-speed manual transmission model is the research object， and the five-speed manual transmission is designed. The vehicle dynamics simulation platform of the vehicle model can effectively realize the vehicle dynamics analysis and simulation of the five-speed manual transmission vehicle. The simulation results are reasonable， vivid， intuitive and efficient， universal and popular， and provide a basis for the design of complex vehicle simulation systems.

關(guān)鍵詞： MATLAB;汽車動力性;仿真;平臺

Key words： MATLAB;automobile power performances;simulation;platform

中圖分類號：TP3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0001-03

0 ?引言

現(xiàn)階段常見的汽車仿真技術(shù)的應(yīng)用類型主要分為兩種，一種是運用CATIA、ADAMS、SolidWorks等軟件建立汽車的虛擬樣機模型，如劉斌等人利用CATIA三維軟件探索了汽車運動仿真的建立、運動分析控制過程[1];如岑少起等人利用ADAMS軟件建立了C型車雙橫臂獨立前懸架整車操縱穩(wěn)定性仿真模型，并對后懸架鋼板彈簧模型采用中性面方法建立仿真模型[2]。另一種類型則是利用C/C++、MATLAB等編程語言進行汽車控制系統(tǒng)的仿真分析，如曹立波運用新一代計算機編程語言LabVIEW與C/C++語言，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，快速、高效地實現(xiàn)了整個汽車碰撞過程的計算機自動控制[3];肖前湖、馬超利用MATLAB多種群遺傳算法和GUI對FSAE賽車輪胎測試數(shù)據(jù)進行處理，得到了純轉(zhuǎn)彎工況下魔術(shù)公式側(cè)向力參數(shù)的辨識過程[4]。

MATLAB由美國MathWorks公司開發(fā)，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、可視化和交互式環(huán)境實現(xiàn)的一種功能強大的軟件[5-6]。動力性指標是汽車性能中最重要的性能之一。本文以五速手動擋車型為研究對象，運用MATLAB設(shè)計了一款五速手動擋車型進行了汽車動力性仿真平臺，得到了汽車發(fā)動機外特性曲線、驅(qū)動力-行駛阻力關(guān)系圖、汽車原地起步加速時間關(guān)系圖以及汽車各擋位的爬坡度曲線圖[7]。仿真結(jié)果合理，具有一定的實用性和通用性，本研究也為設(shè)計具備多功能的車輛仿真平臺提供了理論依據(jù)。

1 ?仿真平臺設(shè)計結(jié)構(gòu)

為了便于對五速手動擋車型進行動力性能仿真，快速有效地得到更加直觀的結(jié)果，提高實用性和通用性，本文利用MATLAB軟件設(shè)計了一款針對五速手動擋車型進行動力性能仿真的平臺，仿真平臺的整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

該仿真平臺根據(jù)汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩模型和汽車行駛平衡方程，建立汽車動力性模型，以五速手動擋車型相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，運用MATLAB軟件編程并設(shè)計仿真平臺，可以進行汽車動力性分析，可以實現(xiàn)汽車動力學(xué)分析的多種功能：①汽車發(fā)動機外特性曲線;②驅(qū)動力-行駛阻力關(guān)系圖;③最高車速;④汽車原地起步加速時間關(guān)系圖;⑤汽車原地起步加速時間及距離;⑥汽車五個擋位的爬坡度曲線圖;⑦汽車實際最大爬坡度。

2 ?汽車動力性能仿真主界面設(shè)計

仿真平臺主界面包含四個子功能。如圖2所示。

各操作界面中的對象主要包括：按鈕、圖形顯示區(qū)、文本框。

①按鈕：本平臺各子界面的按鈕類型主要包含計算功能、清除功能、生成圖形功能、退出功能。單擊相應(yīng)的按鈕即可實現(xiàn)對應(yīng)功能。分別通過點擊對應(yīng)的功能按鈕彈出功能界面，完成相應(yīng)的功能。②圖形顯示：用以顯示二維曲線，包括對X、Y軸的詳細說明。③文本框：若在輸入狀態(tài)，光標停止在文本框左邊界處，按照輸入要求、數(shù)據(jù)數(shù)型的要求，輸入有關(guān)信息即可。

3 ?汽車動力性能仿真子界面功能設(shè)計

3.1 發(fā)動機外特性分析子界面

汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB軟件進行編程生成.m文件，利用GUI設(shè)計界面功能，如圖3所示。輸入不同發(fā)動機參數(shù)，可以實現(xiàn)不同車型的發(fā)動機外特性仿真與分析，并在曲線顯示區(qū)域輸出發(fā)動機外特性曲線。

輸入?yún)?shù)分別為汽車質(zhì)量（kg）、發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩（NM）。其中發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）為間隔相等的一組1×9的數(shù)列。功能按鈕“生成曲線”，點擊即可生成發(fā)動機外特性曲線，并顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“清除”，點擊即可清除曲線。

3.2 最高車速子界面

根據(jù)汽車行駛方程，利用MATLAB軟件進行編程生成.m文件，利用GUI設(shè)計界面功能，如圖4所示。輸入不同汽車基本參數(shù)及行駛參數(shù)，可以實現(xiàn)不同車型的最高車速仿真，并在曲線顯示區(qū)域輸出最高車速及驅(qū)動力行駛阻力平衡圖。

輸入?yún)?shù)分別為汽車質(zhì)量（kg）、汽車輪胎直徑（m）、五個前進擋位傳動比、主減速器傳動比、傳動系效率、輪胎阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、每擋最低轉(zhuǎn)速（r/min）、每擋最高轉(zhuǎn)速（r/min）。功能按鈕“求最高車速”，點擊即可求得該車型的最高車速，并顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖”，點擊即可顯示該曲線，顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“行駛阻力”，點擊即可顯示該曲線，顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“清除數(shù)據(jù)”，點擊即可清除顯示區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)和曲線。

3.3 加速時間子界面

根據(jù)汽車行駛方程，利用MATLAB軟件進行編程生成.m文件，利用GUI設(shè)計界面功能，如圖5所示。輸入不同汽車基本參數(shù)及行駛參數(shù)，可以實現(xiàn)不同車型的原地起步連續(xù)換擋時間和原地起步連續(xù)換擋距離的仿真，并輸出汽車原地起步加速時間關(guān)系圖。

輸入?yún)?shù)分別為汽車質(zhì)量（kg）、汽車輪胎直徑（m）、每擋最低轉(zhuǎn)速（r/min）、每擋最高轉(zhuǎn)速（r/min）、五個前進擋位傳動比、主減速器傳動比、傳動系效率、輪胎阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、最高車速（km/h）。功能按鈕“生成原地加速時間”，點擊即可求得該車型的原地起步連續(xù)加速時間和原地起步連續(xù)換擋距離，并顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“清除曲線”，點擊即可清除顯示區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)和曲線。

3.4 爬坡度子界面

根據(jù)汽車行駛方程，利用MATLAB軟件進行編程生成.m文件，利用GUI設(shè)計界面功能，如圖6所示。輸入不同汽車基本參數(shù)及行駛參數(shù)，實現(xiàn)不同車型的各擋位爬坡度仿真，并輸出各擋位爬坡度圖，還可以根據(jù)實際地面附著系數(shù)進行判斷，輸出實際爬坡度。

輸入?yún)?shù)分別為汽車質(zhì)量（kg）、汽車輪胎直徑（m）、五個前進擋位傳動比、主減速器傳動比、傳動系效率、輪胎阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積、每擋最低轉(zhuǎn)速（r/min）、每擋最高轉(zhuǎn)速（r/min）。功能按鈕“生成各擋位爬坡度圖”，點擊即可求得該車型的各擋位爬坡度圖，并顯示在相應(yīng)區(qū)域;功能按鈕“清除圖形”，點擊即可清除顯示區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)和曲線。

4 ?結(jié)論

以五擋手動擋車型的物理參數(shù)及性能參數(shù)為依據(jù)，利用MATLAB軟件設(shè)計了一款針對五速手動擋車型的汽車動力性能仿真平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性和動力性能各指標進行分析與仿真等功能，仿真過程高效，仿真結(jié)果直觀明了、高效便捷，對分析汽車的其他性能具有一定可借鑒和可推廣性，也為設(shè)計復(fù)雜功能的汽車虛擬仿真系統(tǒng)提供了一定依據(jù)。

參考文獻：

[1]劉斌，劉軼婭，韓亞平.CATIA運動仿真在汽車設(shè)計中的應(yīng)用[J].上海汽車，2006（7）：32-34，43.

[2]岑少起，潘筱，秦東晨.ADAMS在汽車操縱穩(wěn)定性仿真中的應(yīng)用研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2006，27（3）：55-58.

[3]曹立波.汽車前碰撞安全性的試驗與仿真技術(shù)研究[D].湖南大學(xué)，103-109.

[4]肖前湖，馬超.基于MATLAB遺傳算法和GUI的FSAE輪胎魔術(shù)公式辨識[J].2021中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2021?（10）：139-144.

[5]張璘，馬巖，張輝.基于Matlab的智能網(wǎng)聯(lián)汽車導(dǎo)航定位仿真[J].時代汽車，2021（22）：14-15.

[6]李曉鋒.基于MATLAB的鋰離子電池SOC相關(guān)參數(shù)辨識[J].電工材料，2021（05）：25-28，34.

[7]張新敏，李卓，吳海洋.MATLAB環(huán)境下的汽車動力性能分析[J].汽車維護與修理，2021（12）：72-75.