某汽车杯节能车行驶策略及油耗的计算.docx

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1、某汽车杯节能车行驶策略及油耗的计算5.1 行驶策略问题的分析5.1.1 赛道及行驶策略的初步分析图5. 1为本次比赛的赛道示意图，图上示意的TIT7为弯道， 长度由表5. 1能够得出。本次节能车比赛总长11.2km,圈数为4圈。 从节能大赛的经验中能够明白本设计第四章中所假设的理想环境，即 全程匀速行驶是最不经济的，也是各个车队基本不可能使用的形式策 略。那么比赛中，赛车就必定是遵循着加速一滑行一加速的过程。而 一旦使用这样的行驶策略，就务必遵循一个基本的逻辑基础。就是尽 量使赛车在直道的时候完成加速，在进入弯道之前就熄火开始滑行, 把速度降到一定的安全范围内，之后（这里的安全范围指的是使赛车

2、 在过弯的时候不至于翻车或者者侧滑的速度范围）再过弯。但是由图5.1能够看出有大小七个弯道，每个弯道的曲率半径都 不一样，那么就能够大胆的假设，在曲率半径较小的弯道过弯时赛车 车速应该较低，而在过曲率半径较大的弯道时则能够适当的采取较高 的车速。图5.1壳牌节能大赛的赛道示意图表5.1赛道各个弯道长度部分TlT2T3T4T5T6T7长度(M)72.937. 0347.936. 6268.8177.431.55.1. 2赛道的细分从表5. 1中能够得出，弯道的总长度为：T = Tl + T2 + T3 + T4 + T5 T6 T7=72.9 + 37 + 347.9 + 36.6 + 268.

3、8 + 177.4 + 31.5 = 972.1n而又由于官方只给出了赛道的总长与各个弯道的长度，因此要想 求出各个直道的长度就务必以赛道总长L减去弯道总长T,如下式计 算：S=L-T=972.1 = 1827.9m11.2 X IO3在节能车精确的行驶策略的确定过程中，明白每一段弯道与每一 段直道的长度才能给加速与滑行的距离与时间提供一个基本的根据, 因此还需要计算出各个直线段的长度。根据示意图，将直线段的部分等比例划分成17个部分，令其表示为k,即：17k = S= 1827.9m故：通过认真观察能够看出，尽管T3段长度为347. 9m,但是其中T2 段弯道出来后的一段几乎能够近似当作直道

4、，要明白这样一段直道在 比赛中是完全能够用来加速的，假如不能好好利用那么必定会造成赛 车驶出T3弯道的时候速度过低甚至于假如不在T3弯道内加速就不能 驶出弯道的窘境，这是非常浪费燃料的。因此本设计将T2至T3急弯 中间这段弯道也近似当作直道来设计计算，根据比例原则能够得出此 段为：b = 2k = 2 107.5 = 215Tn同理在T5至T6段中间也有这样一段能够近似当作直道的一段长 度，根据比例原则得出此段：e = 0.5k = 0.5 107.5 = 53.75m至此已经将赛道划分成为T7至Tl之间的直道a=10k, T2至T3之间的直道b=2k, T3至T4之间的直道c=4k, T4至

5、T5之间的直道 d=2k, T5至T6之间的直道e=0.5k, T6至T7之间的直道f=lk与弯 道Tl、T2、T3、T4、T5、T6与T7。长度及比例见图5. 2。图5.2赛道的细分示意图5.1. 3安全车速的选择在本节的开头处，本设计大胆假设当赛车在曲率半径较小的弯道 过弯时赛车车速应该较低，而在过曲率半径较大的弯道时则能够适当 的采取较高的车速。在询问了历届的本田杯节能赛车的带队老师后，得到了当赛车以 时速20kmh入弯时是比较安全的结论，由于本次设计的赛车与本田 杯不论从整车质量还是重量的分布都与节能车非常相似，因此这样的 结论是适用与本设计的。当然由于本设计在前面提出的赛车过曲率半径

6、较大的弯道时能够适当的采取较高的车速的原则，在过T5这种弯道时则能够根据情 况适当的提高入弯速度。由于本文的计算顺序是赛车由a段开始，T7 的弯道曲率半径较小,故先假定赛车进入弯道T7时的时速为20kmho 5. L 4计算原则在这个章节的设计计算中，由于赛车在过弯的时候其车轮运动方 向不垂直其轴线，如今滚动阻力将增加，但是由于赛道的曲率半径是 未知的，并不能根据式4.9精确的计算出滚动阻力Ff,故本设计在计 算赛车过弯的滚动阻力时将不考虑车轮的侧偏。同时由于主办方并未提供赛道的坡度情况，且由于比赛类型为节 能车，大多数的参赛队伍的赛车底盘是比较低的，因此能够较合理的 将坡道阻力也假设为零。5

7、.1.5整体阻力的简化计算滑动耗能指的是赛车在滑行过程中赛车的各轴承的摩擦耗能与 转向装置转向时的能量损耗的总与。由于这部分的能耗非常复杂且与 赛车的安装与调教程度都有关系，因此滑动耗能是不能通过数学上的 建模来计算出来。但是为了使本设计的计算结果尽量的接近于现实情况，这部分又 是不得不考虑的，在询问了多届的带队老师之后终于得到了比较可信 的数据，即当赛车从35kmh滑行到20kmh能够滑行接近250m,这 部分能量的损耗能够当作全部用来平衡滚动阻力与滑动时赛车的内 能损耗。故下面的计算中能够把赛车的滑行时候的滚动阻力与赛车内 部的摩擦阻力当作一个合力Fl来计算，即：E = m(v V2) =

8、 F1- L (5. 1)式中:AE 能量损耗，J;m 一整车质量，kg；V1 赛车初始速度，km/h;V2 赛车终止速度，km/h；Fl 阻力合力，N；L -行驶距离，m；得出：0.5 120 X (9.72 - 5.62) = F1 250得：F1 = 15N5. 2 T7段行驶策略与油耗确定由于T7段较短只有3L5,此段能够采取滑行的行驶策略，如 今赛车所受的力为滚动阻力，空气阻力与赛车内部的摩擦阻力，即为 上面算出的Fi。根据能量守恒，由式5.1得出：0.5 120 X (5.62 -谱7) = 15 31.5计算得：4.8mv7 = = 17 Akm/h由上可得，T7段的行驶策略为驾

9、驶员松开油门让赛车滑行，油 耗为0,出弯速度为17.4kh,也即为赛车进入a段的初始速度。5.3 a段行驶策略与油耗5. 3.1 a段行驶策略的分析由于本次比赛推荐的平均时速为30kmh,在这样的时速下赛车 能够在规定时间内完成比赛，而赛车在过弯的滑行过程中速度必定是 低于这个值的，因此要想在规定的时间内完成比赛赛车就务必利用好 直道。换言之就是在直道上的时速要在30kmh之上，且应该使速度 保持在这样的相对高速范围。根据常识可知，赛车采取速度维持在变动比较小的范围内的情况 下相对与速度变化大的情况下是比较省油的。因此本设计初步将直道 的速度范围操纵在3035kmh,这样比较有利于节约比赛时间

10、且较 省油。5. 3.2对高速范围的论证分析前面将高速范围操纵在3035kmh,低速操纵在20kmho但是 存的问题就是假如速度过低，赛车将不能在比赛规定的23分钟内完 成比赛，这势必将造成无法挽回的缺失。因此对高速范围的论证就显 得特别重要。假设直道使用高速策略，那么平均速度约为：v1 + V2 30 + 3532.5km平直=由于b原先当作弯道而之前已经将其算为直道，则直道总长为L1 = S b = 1827.9 + 215 = 2042.9m弯道总长：L2 = T-b = 972.1 - 215 = 757.1m弯道速度安全范围为2015kmh,故平均速度：20 + 1517.5kmP平

11、弯= =- =4.86ns故直道时间：L1t1 = -j- = 2042 9 = 226.89sU平直弯道时间:L2t2 = f- = 757.1 4.86 = 155.78sU平弯每圈限制时间：凄制=彘=23 X 60+ 4 = 345s比较G，t2的和与t限制的大小：t1 + t2 = 226.89 155.78 = 382.67s t限制=345s故得出初步选择的高速范围是不能满足比赛对时间的限制的，因 此还需将高速范围提高，论证方法与上面类似。通过几次对比选择，确定了高速的范围为3642kmh是能够完 成比赛的，且时间利用的刚刚好，这与第四章中得出的结论在规定时 间内速度越低越省油是吻

12、合的。计算结果如下：假设直道使用高速策略，那么平均速度约为：v1 + V2 36 + 42 39kmV 平直=- = -2- = -h- = l84ms弯道速度安全范围为2015kmh,故平均速度：20 + 1517.5kmP 平弯= =元=4.86ms故直道时间：L1t1 = -l- = 2042 10.84 = 188.3sU平直弯道时间：L2t2 = -L- = 757.1 4.86 = 155.78s平弯每圈限制时间:t忌t限制=海 = 23 60 4 = 345s比较t:七2的和与t限制的大小：t1 + t2 = 188.3 + 155.78 = 344.1s t限制=345s因此高

13、速范围是合理的。5. 3.3 a段刚开始的行驶策略的确定赛车刚由T7驶出时时速为17.4kmh,速度较低，因此需要踩下 油门加速。本台发动机的最大功率为3. 5kw,因此在后面的计算中功率的值 都应该低于或者者等于3. 5kw,否则就不合理。先假设如今加速度为a=2.5ms2,根据力的平衡：Fa合=F1 + maal = 15 + 120 X 2.5 = 315/V由功率平衡原理可知，节能车行驶过程中，发动机发出的功率始 终等于机械传动缺失功率与全部运动阻力所消耗的功率。即：Pe =竺之(5.)2)式中：Pe 发动机功率，kW；ua 赛车时速，m/s2； 一发动机效率。在赛车加速的过程中，式中

14、的Pe是有极限的，必是变化的，因此在保持加速度不变的情况下是有与加速度对应的最大稳固速度的。即：p8.9mval = 3.5 IOOO 0.8 315 = 32kmhFa 合 1s因此赛车从17. 4kmh加速到32kmh的行驶距离为：_ v2Sal = T = (8.92 - 4.82) (2 2.5) = Ilm2%从如今开始赛车的加速度将下降,但是当速度达到最大值42kmh, 即IL 6ms时加速度的值也是需要计算的，即：Fa合 1 = 35 X 1000 X 0.8 11.6 = 241.4/V%则如今加速度为：Qamin = = (241.4 - 15) 120 = 1.89ms2由于这个过程加速度是不断变化的，是一个相对复杂的过程，为 了简化这个模型，本设计将这一段路程的加速度近似等于一个定值， 也就是将这一段路程设计为匀变速直线运动，计算过程如下：aa2 = Qal .Qmm =(2.5 + 1.89) 2 = 2.2ms2v2 _ v2Sa2 =(11.672 - 8.92) (2 2.2) = 13m2%2两段加速过程的时间计算如下：Va V7 ,、tal =-=(8.9 - 4.8) 2.5 = 1.6s%ta2 = 一 . = (11.67 - 8.9) 2.2 = 1.3s口2ta 总 I = Ji += 16