汽車動(dòng)力學(xué)性能的計(jì)算機(jī)仿真探究

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【摘要】每一批汽車在投入市場(chǎng)前，必須對(duì)所有車輛的動(dòng)力性能進(jìn)行檢測(cè)，這是對(duì)汽車用戶用車安全的負(fù)責(zé)，也是制造商制造工作的職業(yè)道德。和汽車車檢系統(tǒng)一樣，目前針對(duì)汽車動(dòng)力性能的檢測(cè)，主要以計(jì)算機(jī)仿真模擬檢測(cè)方式最為先進(jìn)。本文以汽車動(dòng)力性能的概念介紹入手，解釋了汽車動(dòng)力性能計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，提出優(yōu)勢(shì)和展望。希望能對(duì)相關(guān)人員有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】汽車動(dòng)力學(xué)；計(jì)算機(jī)仿真；研究

引言

汽車本身就是一種動(dòng)力工具。一輛汽車的好壞，更多取決于該車的動(dòng)力性。檢測(cè)汽車的動(dòng)力性，不可能將車開(kāi)上公路檢測(cè)，同一批出廠的汽車數(shù)量也不允許使用這種檢測(cè)方式。早在20世紀(jì)50年代，西方先進(jìn)國(guó)家就發(fā)明了汽車動(dòng)力性能仿真檢測(cè)模型，70年代借助工程學(xué)的知識(shí)，提出了系統(tǒng)的檢測(cè)方法論。但是傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，必須要等到一批汽車生產(chǎn)出來(lái)后，才能選用實(shí)體樣本檢測(cè)。簡(jiǎn)而言之，就是抽查。實(shí)際上還是采用使用汽車的檢測(cè)辦法，只不過(guò)檢測(cè)地點(diǎn)是在汽車建造工廠內(nèi)部而不是實(shí)際行駛公路。新型的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，并不需要等到汽車實(shí)體制造出來(lái)才能進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)，是在建立了特定的檢測(cè)程序基礎(chǔ)上，通過(guò)錄入汽車各種組件的具體數(shù)值，在電腦上建立汽車模型。然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓一堆數(shù)據(jù)組成的虛擬的“數(shù)字車”，在同樣是電腦模擬出的虛擬行駛環(huán)境下，完成動(dòng)力系統(tǒng)的檢測(cè)，其實(shí)質(zhì)就是一種計(jì)算機(jī)模擬程序。檢測(cè)工作的重點(diǎn)是計(jì)算機(jī)虛擬檢測(cè)環(huán)境的建構(gòu)。

1汽車動(dòng)力性能的內(nèi)容

汽車動(dòng)能簡(jiǎn)而言之就是汽車作為動(dòng)力工具的使用效果，也是判斷一輛汽車市值的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。汽車動(dòng)力性能組成內(nèi)容如下：1.1最高車速最高車速，是在水平地面行駛的狀態(tài)下，汽車能達(dá)到的行駛速度的最大值。該數(shù)值僅僅代表了汽車的行駛極限，并不能說(shuō)明汽車本身的質(zhì)量好壞。因?yàn)槲覀儗?shí)際的生活場(chǎng)景，并不是電影《速度與激情》中描繪的頻頻飆車，汽車的最高車速一般是用不到的。1.2加速性能加速性能，一般按照歐美國(guó)家的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)。汽車的加速性能，和汽車加速行駛的距離以及行駛耗時(shí)有關(guān)，一般情況下，同樣的加速距離，所用時(shí)間越短，說(shuō)明汽車的加速性能更好。但是因?yàn)閷?shí)際使用中汽車的加速情況復(fù)雜多變，所以汽車加速性能的檢測(cè)分為多種形式。油門(mén)全開(kāi)時(shí)的加速情況以及油門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下的加速情況是不同的，并且汽車的行駛速度處于何種檔位也會(huì)對(duì)加速效果產(chǎn)生影響。1.3爬坡性能爬坡性能也是汽車動(dòng)能的檢測(cè)內(nèi)容之一。在汽車承載力處于飽和狀態(tài)的情況下，測(cè)試汽車能行駛過(guò)去的最大坡度。此時(shí)汽車的行駛速度一般以一檔為標(biāo)準(zhǔn)。和汽車的加速性能一樣，爬坡性能也和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，汽車輪胎的摩擦度以及駕駛員自身的駕駛技術(shù)有關(guān)，所以檢測(cè)程序較為復(fù)雜。上述三種性能是汽車動(dòng)力性能主要的檢測(cè)項(xiàng)目。但是檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并不一定，隨汽車品牌、用途、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、汽車車身質(zhì)量變化而改變具體參考標(biāo)準(zhǔn)。例如軍用越野車，其對(duì)于爬坡性能的要求特別高，但是對(duì)于加速性能，就會(huì)相對(duì)低一點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)能夠在汽車模型設(shè)計(jì)出來(lái)之后就進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)不合格可以繼續(xù)修改。避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方式中，會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)了一批汽車但是由于檢測(cè)不合格造成資源浪費(fèi)的情況。

2仿真軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)檢測(cè)汽車動(dòng)力性能的仿真系統(tǒng)，主要借助M語(yǔ)言和Simulink模塊建立。利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，加入一定的檢測(cè)程序代碼，設(shè)計(jì)出實(shí)用的仿真系統(tǒng)。

2.1檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容

仿真系統(tǒng)包括四部分。①輸入汽車各種參數(shù)，從而建立一個(gè)仿真的電子汽車模型的部分。②計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)定的具體的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，檢測(cè)單元包括最高車速，加速項(xiàng)目以及爬坡性能三個(gè)單元，根據(jù)不同的車型不同的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值會(huì)做相應(yīng)改變。③汽車行駛環(huán)境的模擬部分，包括發(fā)動(dòng)，加速，爬坡三種具體的行駛動(dòng)態(tài)的承載環(huán)境，這種環(huán)境能夠代表汽車在具體行駛中會(huì)遇到的實(shí)地環(huán)境，即“虛擬行駛環(huán)境”。④針對(duì)模擬汽車在模擬環(huán)境中行駛狀態(tài)的分析部分，這個(gè)部分借助于強(qiáng)大的算法結(jié)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)最主要設(shè)計(jì)復(fù)雜度最高的部分。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和要求

仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則有以下幾點(diǎn)。①高度還原汽車實(shí)地行駛環(huán)境，“虛擬環(huán)境”之所以具有真實(shí)行駛環(huán)境的代表性，就是因?yàn)槠渑c真實(shí)的行駛環(huán)境在坡度、風(fēng)速、地表等方面相差無(wú)幾，是對(duì)真實(shí)環(huán)境“鏡子”式的反映。②在具體單元中，應(yīng)當(dāng)涵蓋多種行駛可能，例如，實(shí)際使用中汽車的加速情況復(fù)雜多變，油門(mén)全開(kāi)時(shí)的加速情況以及油門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下的加速情況是不同的，并且汽車的行駛速度處于何種檔位也會(huì)對(duì)加速效果產(chǎn)生影響。所以汽車加速性能檢測(cè)單元，應(yīng)當(dāng)具體細(xì)分為不同的加速情況。將行駛中可能出現(xiàn)的各種情況，全面反映到計(jì)算機(jī)仿真模型系統(tǒng)中，才能使檢測(cè)結(jié)果更加接近實(shí)地操作結(jié)果，更具說(shuō)服力。③檢測(cè)人員，必須具備良好的職業(yè)道德，能夠認(rèn)真細(xì)致地完成檢測(cè)工作。目前的汽車行業(yè)發(fā)展的如火如荼，一批汽車的生產(chǎn)量會(huì)多達(dá)萬(wàn)輛，如果生產(chǎn)前的檢測(cè)結(jié)果有失誤，那么造成的資源浪費(fèi)會(huì)是傳統(tǒng)檢測(cè)失誤的數(shù)萬(wàn)倍。并且動(dòng)力性能不過(guò)關(guān)的汽車流入市場(chǎng)后，產(chǎn)生的危害是不可估計(jì)的。汽車動(dòng)力性能計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)，雖然比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)先進(jìn)，但是也背負(fù)了更多的風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任。

3汽車動(dòng)力性能計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

（1）計(jì)算機(jī)新型的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，并不需要等到汽車實(shí)體制造出來(lái)才能進(jìn)行檢測(cè)，這是計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車動(dòng)力性能檢測(cè)方式的最大區(qū)別也是最大優(yōu)勢(shì)。對(duì)汽車模型的檢測(cè)，由于借助了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)檢測(cè)算法，檢測(cè)人員只需要在檢測(cè)程序中輸入汽車各部分組件的具體數(shù)值即可，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)計(jì)算出該款汽車在不同路況下的動(dòng)力性能的表現(xiàn)。省去了傳統(tǒng)檢測(cè)中人力手動(dòng)模擬各種路況的麻煩，節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間的同時(shí)，也避免了傳統(tǒng)檢測(cè)有可能出現(xiàn)的人身安全問(wèn)題。（2）節(jié)約汽車制造資源。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，必須要等到一批汽車生產(chǎn)出來(lái)后，才能選用實(shí)體樣本檢測(cè)。生產(chǎn)汽車檢測(cè)樣本肯定不會(huì)只生產(chǎn)一輛，如果實(shí)體汽車檢測(cè)樣本合格，那么等待這批汽車樣品的只能是廢物回收的命運(yùn)。汽車組件可以被回收，但是生產(chǎn)汽車檢測(cè)樣品所花費(fèi)的人力物力財(cái)力，卻是白白浪費(fèi)。（3）在電子信息技術(shù)發(fā)展的大社會(huì)背景下，人力必然要被機(jī)器取代。信息化、智能化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展不可更改的方向。建立汽車動(dòng)能計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，只是機(jī)器取代人力的滾滾浪潮中一朵小小的浪花。

4對(duì)汽車動(dòng)能計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的展望

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，依然是借助于龐大的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的一種特殊程序，難以全面再現(xiàn)實(shí)際生活中的汽車行駛過(guò)程，所以并不能百分百代表汽車實(shí)際使用過(guò)程中的動(dòng)力性能。筆者對(duì)此提出幾點(diǎn)展望，希望能對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員有所啟發(fā)。（1）完善現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)，加入更多的模擬行駛場(chǎng)景，并在具體場(chǎng)景中對(duì)坡度，馬力、地表形態(tài)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油效率等具體指標(biāo)拆分組合，建立強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。（2）將動(dòng)能仿真系統(tǒng)和汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，在每一輛汽車的制造中，就加入計(jì)算機(jī)動(dòng)能仿真系統(tǒng)。設(shè)想一個(gè)場(chǎng)景，野外行駛中，駕駛?cè)瞬淮_定汽車能否順利通過(guò)眼前的高坡，在冒險(xiǎn)和人身安全之間猶豫時(shí)，可以啟動(dòng)計(jì)算機(jī)動(dòng)能仿真系統(tǒng)，在汽車顯示儀上實(shí)時(shí)模擬出爬坡的場(chǎng)景。從而使司機(jī)對(duì)接下來(lái)的具體行駛情況有所了解，提前做好應(yīng)對(duì)措施。

5結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)并沒(méi)有成熟的自我研發(fā)的汽車動(dòng)力性能計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)。希望中國(guó)該行業(yè)的技術(shù)人員能夠?qū)W習(xí)西方先進(jìn)技術(shù)，嚴(yán)格按照汽車動(dòng)力性能檢測(cè)要求，研發(fā)出中國(guó)的更安全的汽車動(dòng)能計(jì)算機(jī)仿真檢測(cè)系統(tǒng)。

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作者:鄭文超 單位:襄陽(yáng)汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院