營運客車行駛阻力及燃料消耗量試驗研究＊

梁榮亮 齊士泉 謝晉中 葉開志 黃衛(wèi)兵

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.長城汽車股份有限公司；3.金華青年汽車制造有限公司）

在對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性進(jìn)行仿真計算，或利用底盤測功機(jī)實現(xiàn)汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性、制動性及排放污染物測試時，均需正確設(shè)定車輛行駛阻力。目前，基于整車道路滑行試驗，利用滑行能量變化法精確擬合車輛行駛阻力，已成為底盤測功機(jī)進(jìn)行行駛阻力參數(shù)設(shè)定及模擬道路工況的最主要依據(jù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在重型商用車燃料消耗量試驗行駛阻力設(shè)定方面，美國、日本及我國目前已經(jīng)制定完成并發(fā)布了重型商用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，但歐洲的法規(guī)尚在制定過程中，計劃于2013年底完成。

2011年8月，美國發(fā)布重型車輛及發(fā)動機(jī)燃料消耗量法規(guī)，該法規(guī)根據(jù)車輛類型和車輛質(zhì)量，要求車輛制造商分別提供滾動阻力系數(shù)和空氣阻力系數(shù)。滾動阻力系數(shù)由輪胎制造商提供給車輛制造商，空氣阻力系數(shù)由車輛制造商通過風(fēng)洞試驗、道路滑行試驗或CFD流體力學(xué)模擬獲得。

日本相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)車輛類型、最大設(shè)計總質(zhì)量和最大載質(zhì)量將載貨車、城市客車、客車和牽引車分別劃分為11、5、7和2等幾類，在每類中規(guī)定統(tǒng)一的空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)。

我國于2011年底制定完成并發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，該標(biāo)準(zhǔn)需要獲得各車型的空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)。目前我國輪胎制造商尚無法提供滾動阻力數(shù)據(jù)，還缺少專門用于測定汽車空氣阻力系數(shù)的風(fēng)洞，因此只能通過滑行試驗獲得。

2 車輛滑行動力學(xué)分析

車輛等速行駛時所受阻力滿足如下方程:

式中，F(xiàn)t為車輛行駛阻力；Fr為輪胎滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fn為傳動系阻力；Fi為坡道阻力；Fj為車輛慣性阻力。

式（1）中的 Fr、Fw、Fn均為車速的一次或二次函數(shù)[1～3]，車輛在平直路面行駛時 Fi為零，F(xiàn)j與車速無關(guān)，因此對車輛道路行駛阻力可建立如下力學(xué)方程:

式中，A為與車速無關(guān)的阻力；B為速度的一次函數(shù)項系數(shù)；C為車速的二次函數(shù)項系數(shù)。

車輛在道路滑行時變速器置于空擋，發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)，傳動系斷開，無驅(qū)動力矩輸出，此時Ft=0。

車輛以車速v開始滑行，測量車輛從v2=v+Δv（Δv≤5 km/h）減速至 v1=v-Δv 所需時間 ΔT，在此短時間范圍內(nèi)車輛滑行近似勻減速運動，在此過程中的慣性阻力Fj為:

3 重型底盤測功機(jī)力學(xué)特性及阻力設(shè)定

車輛在重型底盤測功機(jī)上運轉(zhuǎn)時從動輪被夾緊固定，僅驅(qū)動輪和測功機(jī)滾輪做相對旋轉(zhuǎn)運動，滾輪表面模擬實際路面，此時車輛相對滾輪處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此汽車在底盤測功機(jī)上變速運轉(zhuǎn)時的力平衡方程式為:

式中，F(xiàn)′t為發(fā)動機(jī)輸出驅(qū)動力；F′b為測功機(jī)制動力；F′m為測功機(jī)滾輪、慣性輪及軸系的總摩擦阻力（測功機(jī)內(nèi)阻）；F′r為車輛驅(qū)動輪與滾輪之間的滾動阻力；F′j為車輛旋轉(zhuǎn)部件的慣性力折算到驅(qū)動輪上的慣性阻力；F′J為測功機(jī)設(shè)定慣量等級后的滾輪、慣性輪及軸系產(chǎn)生的慣性阻力[4]；IR為轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)部件及加載的慣性載荷的轉(zhuǎn)動慣量；F′n為傳動系阻力。

在車輛初始工況 （車輛預(yù)熱狀況及傳動技術(shù)工況）一致的情況下，車輛在實際道路和測功機(jī)上行駛時的傳動系阻力趨于相同，由于車輛相對于測功機(jī)滾輪水平靜止，因此不產(chǎn)生空氣阻力和坡道阻力。車輛在實際道路上行駛時滾動阻力由所有與路面接觸的輪胎產(chǎn)生，而測功機(jī)上行駛時滾動阻力僅由與滾輪接觸的驅(qū)動車輪產(chǎn)生，因此測功機(jī)上輪胎滾動總阻力一定小于路面上的輪胎滾動總阻力，即F′n=Fn=0，F(xiàn)w=Fi=0，F(xiàn)′r＜Fr。

車輛在道路上的行駛阻力在底盤測功機(jī)上再現(xiàn)時由2部分力組成，即底盤測功機(jī)上的車輛損失阻力（F′m、F′r、F′j、F′J）和測功機(jī)設(shè)定阻力。 道路總行駛阻力減去車輛損失阻力即為底盤測功機(jī)需要設(shè)定的阻力，用來補(bǔ)償車輛在實際道路上所受的空氣阻力、坡度阻力、部分慣性阻力和部分滾動阻力。因此輪胎壓力偏低將增大輪胎的滾動阻力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓阻力設(shè)定值偏低；車輛驅(qū)動輪上的動態(tài)載荷越大，轉(zhuǎn)鼓的阻力設(shè)定值越低；轉(zhuǎn)鼓設(shè)定的慣量等級越大則轉(zhuǎn)鼓的設(shè)定阻力值越大[5]。

4 營運客車滑行試驗

4.1 依據(jù)GB/T 27840—2011進(jìn)行滑行試驗

GB/T 27840—2011附錄C明確規(guī)定采用滑行能量變化法進(jìn)行道路行駛阻力測定，據(jù)此對重型底盤測功機(jī)進(jìn)行阻力設(shè)定并運行C—WTVC工況進(jìn)行燃料消耗量測試。與GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（國Ⅲ、Ⅳ）》附件CC“車輛行駛阻力-道路測量方法-在底盤測功機(jī)上的模擬”相比，GB/T 27840—2011引用了GB 18352.3—2005中關(guān)于采用滑行能量變化法進(jìn)行道路行駛阻力測定及底盤測功機(jī)阻力設(shè)定的方法，但也存在如下區(qū)別。

a.GB/T27840—2011適用于最大設(shè)計總質(zhì)量大于3.5 t的 M2、M3和N類傳統(tǒng)車輛；GB18352.3—2005適用于最大設(shè)計總質(zhì)量不超過3.5t的M1、M2和N1類車輛。

b.GB/T27840—2011規(guī)定道路滑行試驗車輛處于最大設(shè)計總質(zhì)量狀態(tài)；GB 18352.3—2005規(guī)定道路滑行試驗車輛處于基準(zhǔn)質(zhì)量狀態(tài) （整備質(zhì)量+100kg）。

c.GB/T27840—2011規(guī)定道路滑行試驗適用于裝配手動變速器的車輛，裝備自動變速器車輛需通過相應(yīng)的手動變速器車輛進(jìn)行替代試驗；GB 18352.3—2005對此未做規(guī)定。

d.GB/T27840—2011要求根據(jù)車輛道路滑行阻力進(jìn)行重型底盤測功機(jī)阻力設(shè)定，并要求試驗車輛在測功機(jī)上運行C—WTVC工況進(jìn)行排放污染物測試，采用碳平衡法計算燃料消耗量；GB18352.3—2005則要求試驗車輛在測功機(jī)上運行NEDC工況。2種工況運行循環(huán)特征對比如圖1和圖2所示，均覆蓋市區(qū)、市郊公路及高速運行工況，但針對不同的車輛類型在具體運行車速上存在差異。

e.在進(jìn)行道路行駛阻力及阻力功率基準(zhǔn)狀態(tài)校正時，GB/T27840—2011規(guī)定全部測定車速范圍內(nèi)的總運行阻力（滾動阻力+空氣阻力）可根據(jù)經(jīng)驗公式獲取，并結(jié)合試驗環(huán)境溫度、氣壓對全部測定車速范圍內(nèi)的行駛阻力及阻力功率進(jìn)行基準(zhǔn)狀態(tài)校正；而 GB18352.3—2005 僅規(guī)定 20、40、60、80、100、120 km/h等6個車速點的經(jīng)驗校正系數(shù)。

4.2 試驗車輛及試驗環(huán)境

選取一輛長12m的豪華旅游客車作為試驗樣車，根據(jù)交通部客車評定等級方法，該車屬于大型高級營運客車（圖3），樣車技術(shù)參數(shù)如表1所列。選用交通部通縣汽車試驗場長直線進(jìn)行道路滑行試驗，路面鋪裝質(zhì)量滿足GB/T12534—1990要求。試驗車輛處于滿載狀態(tài)，發(fā)動機(jī)自帶不可調(diào)式最高車速限制系統(tǒng)，滑行測定車速范圍為90～15km/h,試驗環(huán)境溫度為36℃，大氣壓力為100.5kPa，風(fēng)速為0.6m/s，環(huán)境濕度為37%。

表1 試驗樣車技術(shù)參數(shù)

4.3 滑行數(shù)據(jù)采集方案

通縣汽車試驗場長直線全長為2.3 km，試驗樣車載質(zhì)量大，行駛慣性大，加速能力偏弱，致使?fàn)奚荛L的距離到達(dá)規(guī)定滑行測試車速，無法單次完成覆蓋測定車速范圍內(nèi)的滑行試驗，因此采用單向分段滑行。為保證滑行曲線覆蓋測定速度范圍且未因分段滑行造成階躍波動，滑行分段點處應(yīng)有大于5 km/h的數(shù)據(jù)重疊。該試驗樣車按照正、反2個方向在同一測試路段依次進(jìn)行 95～80 km/h、90～70 km/h、80～50 km/h、60～30 km/h、40～10 km/h 共 10 次分段滑行，作為1次完整的滑行試驗測試循環(huán)。為滿足統(tǒng)計精確度要求，試驗次數(shù)應(yīng)盡可能增加至8次。對于因側(cè)向風(fēng)、側(cè)向力、路面狀況或其它交通狀況等臨時干預(yù)造成的滑行數(shù)據(jù)偏離應(yīng)予以剔除。

4.4 統(tǒng)計精確度要求

測量車輛從v+Δv減速至v-Δv時往返平均時間Ti，滿足統(tǒng)計精確度要求的試驗次數(shù)n后計算出n次平均時間，統(tǒng)計精確度p為:

在30～70 km/h范圍內(nèi)統(tǒng)計的精確度p不應(yīng)大于4%，在其它速度范圍內(nèi)不應(yīng)大于5%，若統(tǒng)計精確度在有限次數(shù)內(nèi)不能滿足要求可增加試驗次數(shù)n至15次。

該滑行試驗道路狀況及試驗環(huán)境狀況較理想，8次滑行試驗（每次分為單、反2個方向進(jìn)行，每個單向方向分5段滑行）滿足統(tǒng)計精確度要求，如圖4所示。圖4中直線為GB/T 27840—2011規(guī)定的測定車速范圍內(nèi)的統(tǒng)計精確度限值。由圖4可看出，累計6次滑行時，除30 km/h和70 km/h的p值超出限值外，其它車速處的p值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；增加試驗次數(shù)至8次時，已完全滿足標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計精確度要求。

4.5 行駛阻力、阻力功率及阻力系數(shù)計算

依據(jù)式（5）及標(biāo)準(zhǔn) GB/T 27840—2011，車輛道路等速行駛阻力F及阻力功率P分別為:

根據(jù)經(jīng)驗公式，利用環(huán)境溫度、氣壓和總運行阻力（滾動阻力與空氣阻力之和）求解校正系數(shù)K，并將F和D校正至基準(zhǔn)狀態(tài):

表2 車輛行駛阻力及阻力功率

式中，RR為輪胎滾動阻力；RW為空氣阻力；RT為總運行阻力；KR為滾動阻力的溫度校正系數(shù)，取0.006/℃；t為道路試驗時環(huán)境溫度；t0為基準(zhǔn)狀態(tài)環(huán)境溫度，取20℃；d為試驗條件下空氣密度。

對累計的8次原始滑行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計分析，并根據(jù)上述條件將行駛阻力、阻力功率、滾動阻力、空氣阻力校正至基準(zhǔn)狀態(tài)，校正前、后的各變量變化如表2所列。

圖5為校正前、后F和P變化曲線。由圖5可看出，校正后F和P均比校正前增加，并且增幅比例隨車速的降低而逐漸增大，當(dāng)車速從90 km/h降至15 km/h，增幅從7.27%逐漸上升至10.39%。利用最小二乘法優(yōu)化擬合得到的行駛阻力是車速的一元二次函數(shù)，而行駛阻力功率則是車速的截距為零的一元三次函數(shù)，即從試驗角度驗證了車輛滑行動力學(xué)理論分析（式（5））的準(zhǔn)確性。

校正后行駛阻力公式中的A=601.34，B=7.203，C=0.162。由于車輛滑行過程中滾動阻力和傳動系阻力均與車速呈線性關(guān)系，常數(shù)項和一次項系數(shù)相互重疊，同時隨車速的提升，滾動阻力與車速的二次函數(shù)關(guān)系也越明顯，所以據(jù)此無法計算獲得滾動阻力系數(shù)、傳動系阻力系數(shù)及空氣阻力系數(shù)。

將試驗環(huán)境下的車輛滾動阻力及空氣阻力按式（15）校正至基準(zhǔn)狀態(tài)，如圖7所示。按最小二乘法進(jìn)行線性擬合的相關(guān)性系數(shù)為100%，滾動阻力為試驗車速的帶常數(shù)項的一次函數(shù)，空氣阻力為試驗車速的二次函數(shù)，校正后行駛阻力公式中A=805.44，B=4.5015，C=0.3157。

式中，f0為滾動阻力系數(shù)常數(shù)項；f1為滾動阻力系數(shù)與車速的一次項系數(shù)；CD為車輛空氣阻力系數(shù)；A迎為車輛的迎風(fēng)面積；v為車輛行駛速度；G為試驗車重。

由式（16）～式（18）可計算獲得滾動阻力系數(shù)常數(shù)項f0=0.004566，車速的一次項系數(shù)f1=0.0000255，即滾動阻力系數(shù)f為:

同時計算獲取空氣阻力系數(shù)CD=0.689，對標(biāo)準(zhǔn)GB/T27840—2011規(guī)定的客車空氣阻力系數(shù)CD的推薦值為0.65是一種驗證修正。

由車輛空氣動力學(xué)理論可知:

5 不同工況下燃料消耗量對比分析

目前，汽車檢測機(jī)構(gòu)針對道路營運公告車輛開展的燃料消耗量測試方法及限值主要依據(jù)為工信部發(fā)布實施的 GB/T 27840—2011、QC/T 924—2011 《重型商用車輛燃料消耗量限值（第1階段）》以及交通部發(fā)布實施的JT 711—2008《營運客車燃料消耗量限值及測試方法》、JT 719—2008《營運貨車燃料消耗量限值及測試方法》等，并依托《公告》管理平臺實施重型營運車輛的燃料消耗量管理。

5.1 燃料消耗量測試方法比較

兩部委發(fā)布的燃料消耗量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的燃料消耗量測試方法有如下3種。

5.1.1 重型底盤測功機(jī)試驗

首先依據(jù)GB/T27840—2011進(jìn)行道路滑行試驗，基于滑行能量變化法獲得道路行駛阻力及阻力系數(shù)，據(jù)此對底盤測功機(jī)進(jìn)行阻力參數(shù)設(shè)定并在重型底盤測功機(jī)上運行C—WTVC工況，測量車輛污染物排放并依據(jù)碳平衡法及車輛特征里程的加權(quán)系數(shù)修正獲得車輛基準(zhǔn)狀態(tài)下的綜合燃料消耗量。

5.1.2 模擬計算法

依據(jù)GB/T27840—2011，以發(fā)動機(jī)萬有特性試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將整車、變速器、輪胎等關(guān)鍵參數(shù)輸入軟件模擬程序，模擬車輛在C—WTVC工況下的運行狀態(tài)。根據(jù)發(fā)動機(jī)臺架試驗燃油經(jīng)濟(jì)性曲線，并依據(jù)碳平衡法及車輛特征里程的加權(quán)系數(shù)修正獲得車輛的綜合燃料消耗量，簡便快捷。該計算方法根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性MAP數(shù)據(jù)及整車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，理論虛擬計算整車在特定工況下的燃料消耗量，其數(shù)據(jù)可作為參考值，但不能因此確定該車燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)條件值。

5.1.3 等速行駛?cè)剂舷牧吭囼?/p>

依據(jù) JT711—2008和 JT 719—2008，在試驗環(huán)境、車輛狀況、路面狀況滿足道路試驗要求的前提下，車輛按規(guī)定要求配載并安裝燃料消耗量測試設(shè)備，使用次高擋和最高擋，按規(guī)定車速勻速行駛，獲取不同速度點的燃料消耗量，根據(jù)環(huán)境溫度、氣壓、燃油密度及不同速度點的加權(quán)系數(shù)，修正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的綜合燃料消耗量。該試驗方法依據(jù)整車道路試驗，運行工況與實際營運車輛道路運輸工況吻合度較高，能夠真實反映營運車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，但受試驗環(huán)境、路面狀況等因素制約，其統(tǒng)計精確度、重復(fù)性、一致性較差。

5.2 不同測試方法的結(jié)果比較

針對試驗樣車分別進(jìn)行上述3種方法的燃料消耗量測試，試驗結(jié)果經(jīng)重復(fù)性檢驗后滿足第95百分位分布的標(biāo)準(zhǔn)差R與重復(fù)性次數(shù)n的關(guān)系，試驗結(jié)果對比見表3，等速行駛法燃料消耗量與車速的關(guān)系如圖8所示。

由表3可知，該試驗樣車采用3種測試方法獲得的燃料消耗量均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值要求，而且均有充足的富裕率?；诨阅芰孔兓ǐ@得行駛阻力系數(shù)后分別進(jìn)行測功機(jī)燃料消耗量測試與軟件程序模擬計算，2種測試方法均采用C—WTVC變速運行工況，獲得的燃料消耗量均滿足標(biāo)準(zhǔn)QC/T 924—2011《重型商用車輛燃料消耗量限值（第1階段）》規(guī)定的26.0 L/100 km的限值要求，模擬計算法獲得的燃料消耗量比進(jìn)行測功機(jī)獲得燃料消耗量低2.3%，原因是后者模擬C—WTVC運行工況時對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩及根據(jù)扭矩富裕率而選擇的換擋時機(jī)比在測功機(jī)上實際運行C—WTVC工況理想。而采用等速行駛法獲得的燃料消耗量為20.35 L/100 km，低于標(biāo)準(zhǔn)JT711—2008《營運客車燃料消耗量限值及測試方法》中規(guī)定的24.4 L/100 km的限值要求。JT711—2008中規(guī)定的測定車速及加權(quán)系數(shù)貼合營運客車的實際運行狀況，營運車輛載質(zhì)量大、慣性大，在中、低車速范圍內(nèi)頻繁變換車速工況行駛時燃油經(jīng)濟(jì)性及尾氣排放最惡劣，而一旦上升至高車速采用高擋位維持高速運行，發(fā)動機(jī)負(fù)荷率得到充分利用，同時車輛本身強(qiáng)大的慣性力對車輛的變速產(chǎn)生很強(qiáng)的抑制性，從而致使燃油經(jīng)濟(jì)性極為理想，但若用此種方法作為考核營運車輛全天候、多工況運行的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則有失客觀性和準(zhǔn)確性。此進(jìn)行底盤測功機(jī)阻力設(shè)定，極大提高后續(xù)轉(zhuǎn)鼓模擬試驗的精確度及高效性。

表3 3種測試方法試驗結(jié)果對比

交通部、工信部發(fā)布的燃料消耗量測試方法在試驗方法、試驗程序、運行工況、修正運算等方面存在很大的差異,而且重型商用車輛產(chǎn)品種類、使用條件和技術(shù)狀態(tài)遠(yuǎn)比輕型汽車復(fù)雜，國際范圍普遍認(rèn)為建立科學(xué)合理、客觀統(tǒng)一的重型商用車輛燃料消耗量評價和管理體系推進(jìn)難度較大。

重型營運車輛道路滑行試驗、發(fā)動機(jī)臺架試驗以及燃料消耗量模擬計算程序的完善是影響限值標(biāo)準(zhǔn)制定與輛燃料消耗量評價和管理體系的重要因素。

6 結(jié)束語

目前，各商用車企業(yè)圍繞GB/T27840—2011的發(fā)布實施開展重型商用車輛的道路滑行試驗，各檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)協(xié)調(diào)配合、統(tǒng)籌合作，立足于整車道路試驗檢測能力，根據(jù)整車類型、外廓尺寸、輪胎規(guī)格型號及負(fù)荷指數(shù)、整備質(zhì)量、載重負(fù)荷、地面溫度、路面鋪裝質(zhì)量等可控因素進(jìn)行組合排列，選取能夠覆蓋上述可控變量的有限車輛進(jìn)行道路滑行試驗，基于滑行能量變化法對在不同狀況下的不同車輛進(jìn)行行駛阻力擬合并逆向求解其滑行阻力系數(shù)，最終形成涵蓋上述所有可控變量的滑行阻力設(shè)定公式和匹配系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫；對于特定車型僅提供上述變量參數(shù)即可獲得其特定狀態(tài)下的行駛阻力經(jīng)驗公式并據(jù)

1 The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space.Stepwise Coastdown Methodology for Mea?suring Tire Rolling Resistance.SAE J2452,1996.

2 The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space.Road Load Measurement and Dynamometer Simulation Using Coastdown Techniques.SAE J1263,1996.

3 Kazutaka Yokota,Eisei Higuchi and Masashi Kitagawa.Es?timation of Tire Temperature Distribution andRolling Resis?tance under Running ConditionsIncluding Environmental Factors.SAE 2012-01-0796.

4 Saurabh K.Singh,Narayan D.Jadhav,Prashant Vishe and K.Gopalakrishna.Methodology for Measurement of Inherent Driveline Frictional Force for a Vehicle in Coasting Mode.SAE 2009-01-0416.

5 馬杰,周華,陸紅雨,等.底盤測功機(jī)阻力設(shè)定對汽車尾氣排放的影響.汽車工程，2006（9）.