輕型汽車(chē)道路行駛阻力的測(cè)量及影響因素探討

【摘要】車(chē)輛行駛安全、性能與舒適性問(wèn)題是廣大車(chē)主關(guān)注的中心問(wèn)題，尤其對(duì)輕型汽車(chē)而言，其實(shí)際道路行駛阻力在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上的精確再現(xiàn)，是車(chē)輛正常運(yùn)行的關(guān)鍵。本文在分析汽車(chē)道路行駛阻力理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了輕型汽車(chē)道路行駛阻力的測(cè)量模型，最后還研究了基于t檢驗(yàn)的輕型汽車(chē)道路行駛阻力的影響因素及相關(guān)性。

【關(guān)鍵字】輕型汽車(chē)；行駛阻力；滑行測(cè)量；t檢驗(yàn)；影響因素

為貫徹國(guó)家與交通部有關(guān)汽車(chē)運(yùn)行多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境要求、質(zhì)量與等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，輕型汽車(chē)應(yīng)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行滑行模擬，對(duì)其行駛阻力進(jìn)行測(cè)定并確定其道路載荷，最后對(duì)其經(jīng)濟(jì)性、 加速性及滑行性能等進(jìn)行綜合評(píng)定。

一、汽車(chē)道路行駛阻力及其影響因素與計(jì)算方法

汽車(chē)道路行駛阻力顧名思義，汽車(chē)在道路行使過(guò)程中，由制動(dòng)系統(tǒng)及其在外界環(huán)境影響下所形成的阻礙汽車(chē)前行的非制動(dòng)力，是研究輕型汽車(chē)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)、制動(dòng)等各項(xiàng)性能的核心。依照行駛阻力的狀態(tài)特征，可將其分為穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)行駛阻力，下面筆者對(duì)其基本原理與計(jì)算方法進(jìn)行具體分析研究[1]。

1.1 穩(wěn)定行駛阻力

穩(wěn)定行駛阻力是輕型汽車(chē)在穩(wěn)定行駛狀態(tài)下，所存在的各種阻力，主要包括車(chē)輪阻力、空氣阻力與坡度阻力等三個(gè)方面。

1.1.1 車(chē)輪阻力

車(chē)輪阻力主要是指輪胎滾動(dòng)阻力Fg與輪胎側(cè)偏阻力。其中前者包括變形、摩擦與路面阻力。變形阻力即是輪胎在滾動(dòng)時(shí)的徑向與周向變形所產(chǎn)生的阻力；摩擦阻力是指胎面與路面的摩擦，以及輪胎變形使外胎與內(nèi)胎，內(nèi)胎與墊帶之間產(chǎn)生的摩擦；路面阻力主要由不平路面阻力Fb、柔性路面阻力Fx與積水路面阻力Fs構(gòu)成，其中Fb是由路面變形和輪轍摩擦產(chǎn)生的附加滾動(dòng)阻力，F(xiàn)x取決于地面壓強(qiáng)，車(chē)輪在在積水硬路面上滾動(dòng)經(jīng)過(guò)接近、過(guò)渡與接觸三區(qū)域產(chǎn)生Fs，而不同水層厚度下排水阻力與汽車(chē)速度有關(guān)。而輪胎側(cè)偏阻力則是由車(chē)輪側(cè)向偏離所引起的阻力fQ，隨著偏離角增大而增大。

車(chē)輪阻力計(jì)算公式為FR=fR·Z，其中FR為車(chē)輪阻力，fR為車(chē)輪阻力系數(shù)（不同種類的路面fR不同），Z為車(chē)輪法向反力。影響車(chē)輪阻力的因素主要有車(chē)重（輪胎變形增大f增大），路面（隨塑性變形增大f增大），輪胎結(jié)構(gòu)，輪胎氣壓（氣壓降低，變形增大，f增大），車(chē)速（Va<50km/h，f≈c；Va>100km/h，f增大；Va<150～200km/h，HZ增大，則振動(dòng)Hz增大，輪胎周向，側(cè)向扭曲變形增大，f成倍增）。

1.1.2 空氣阻力

空氣阻力是汽車(chē)在直線行駛時(shí)，由空氣作用力在行駛方向上的所產(chǎn)生的分力，主要由壓差阻力（車(chē)外形狀、形狀阻力），誘導(dǎo)阻力（空氣升力在水平方向投影），表面阻力（空氣粘度），內(nèi)部阻力（流經(jīng)散熱器，發(fā)動(dòng)機(jī)，車(chē)箱的阻力），與干擾阻力。其中，壓差和誘導(dǎo)阻力占空氣阻力的50%～90%，內(nèi)部阻力占2%～11%，而表面阻力占3%～30%。空氣對(duì)輕型汽車(chē)的阻力的影響因素主要有車(chē)速、表面、車(chē)型與車(chē)身形狀等，其計(jì)算方法為認(rèn)為空氣阻力作用在風(fēng)壓中心進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，，式中CW為空氣阻力系數(shù)，A為汽車(chē)在行駛方向的投影，V為相對(duì)速度。

1.1.3 坡度阻力

坡度阻力即為汽車(chē)重力沿坡道的分力，記作Fi，且Fi=Gsinα≈Gtanα=Gi，式中：G為汽車(chē)重力，α為坡度角，i為坡度。

1.2 動(dòng)態(tài)行駛阻力

動(dòng)態(tài)行駛阻力即為車(chē)速變化時(shí)所產(chǎn)生的了慣性力，也包括旋轉(zhuǎn)質(zhì)量引起的慣性力矩。主要應(yīng)從平移質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的加速與減速兩方面去分析。前者是指車(chē)輛加速時(shí)，出現(xiàn)的平移加速力，式中 為汽車(chē)加速度，加速時(shí)其值大于0，減速時(shí)其值小于0。后者是指車(chē)輛加速時(shí)，車(chē)上旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，引起了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的加速阻力，式中I指折算到驅(qū)動(dòng)輪上的全部旋轉(zhuǎn)部件與車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，指車(chē)輪的角加速度，rd指車(chē)輪動(dòng)態(tài)半徑。必須考慮的旋轉(zhuǎn)部件情況。而動(dòng)態(tài)行駛阻力Fj即為以上兩者之和。

二、輕型汽車(chē)道路行駛阻力的滑行測(cè)量法模型

基于以上對(duì)于行駛阻力的基本計(jì)算與原理研究，下一步應(yīng)選取合適的測(cè)量方法，構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)量模型來(lái)測(cè)量其行駛阻力，這里筆者應(yīng)用了滑行法，其基本測(cè)量原理與計(jì)算公式。汽車(chē)在水平道路上行駛的動(dòng)力平衡方程：Ft=Fg+Fw+Fj，而在汽車(chē)滑行狀態(tài)下的動(dòng)力方程式為O=Fg+Fw+Fj，只需測(cè)出汽車(chē)滑行時(shí)的減速度，測(cè)定汽車(chē)行駛時(shí)來(lái)自地面的“Fg+Fw”。

輕型汽車(chē)道路脫檔減速滑行測(cè)量試驗(yàn)將Ft=av2+bv+c作為目標(biāo)函數(shù)模型，通過(guò)測(cè)定樣車(chē)在不同車(chē)速下的滑行時(shí)間，通過(guò)計(jì)算與擬合阻力方程，確定abc[2]。

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)主要由三個(gè)方面要求：一是道路要求干燥、清潔、平直、表面堅(jiān)硬且足夠長(zhǎng)，坡度必須恒定在±0.1%范圍內(nèi)，且不得超過(guò)1.5%；二是試驗(yàn)時(shí)空氣密度與基準(zhǔn)狀態(tài)（P=100kPa，T=293.2K）相差不得超過(guò)±7.5%；三是平均風(fēng)速必須小于3m/s，最大風(fēng)速小于5m/s。此外，試驗(yàn)道路的側(cè)向風(fēng)速分量必須小于2m/s，風(fēng)速應(yīng)在高出路面0.7m處測(cè)量。

2.2 試驗(yàn)儀器與車(chē)輛要求

一方面準(zhǔn)備好測(cè)量車(chē)速與滑行時(shí)間的道路測(cè)試儀器，以及監(jiān)測(cè)溫度、風(fēng)速與氣壓的氣象監(jiān)測(cè)儀；另一方面準(zhǔn)備的樣本車(chē)輛要求至少磨合3000km，輪胎花紋深度至少為原始深度的50%[3]。

2.3 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

在試驗(yàn)開(kāi)始前，要提前對(duì)車(chē)輛進(jìn)行預(yù)熱，如以80km/h預(yù)熱車(chē)輛至少需半小時(shí)，同時(shí)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。正式進(jìn)行滑行試驗(yàn)時(shí)，先關(guān)閉車(chē)窗與通風(fēng)口，并將樣本車(chē)加速至高出試驗(yàn)最高速10km/h的速度值，再將變速器置于空擋后采取t1秒間隔來(lái)測(cè)量并記錄實(shí)時(shí)車(chē)速（由v+Δv減速至v-Δv）、風(fēng)速及風(fēng)向；在沿相反方向作同樣的滑行試驗(yàn)，并記錄滑行時(shí)間t2。將以上試驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)往返，取得統(tǒng)計(jì)精度小于2%的加權(quán)平均滑行時(shí)間。計(jì)算車(chē)速為v時(shí)行駛阻力。進(jìn)而在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中將行駛阻力逐步校正至基準(zhǔn)狀態(tài)值，最后有個(gè)速度點(diǎn)的阻力校正值確定阻力曲線，并進(jìn)行回歸分析以確定a，b.c。

三、基于t檢驗(yàn)的輕型汽車(chē)道路行駛阻力的影響因素研究

在上述理論研究與測(cè)量模型的基礎(chǔ)上，確定車(chē)輛滑行運(yùn)動(dòng)微分方程為：Ff+Fw+Fj=0，再根據(jù)力平衡方程描述為。

這里可通過(guò)一元回歸分析法確定輕型汽車(chē)道路行駛空氣阻力與滾動(dòng)阻力，注意滑行試驗(yàn)中，當(dāng)車(chē)輛處于高速狀態(tài)時(shí)，空氣阻力會(huì)急劇上升，可忽略滾動(dòng)阻力系數(shù)的變化，即其值可作為定值。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件，如輪胎，風(fēng)速、道路坡度以及環(huán)境溫度等做多組滑行測(cè)量試驗(yàn)，再將各項(xiàng)觀測(cè)值進(jìn)行加權(quán)平均和線性回歸分析。在正態(tài)偏離的方程中用根據(jù)已知的觀測(cè)值本身得到方差來(lái)代替總體樣本方差得到t分布[4]。再以t 分布統(tǒng)計(jì)量與0的偏差來(lái)檢驗(yàn)回歸系數(shù)以及校正系數(shù)的可信度，確定行駛阻力的主要影響因素及其相關(guān)性，結(jié)論表明：道路、輪胎、風(fēng)速和環(huán)境溫度是影響車(chē)輛道路滑行時(shí)間和道路行駛阻力的主要因素。

結(jié)語(yǔ)

輕型汽車(chē)道路行駛阻力的測(cè)量應(yīng)基于其基本計(jì)算算法與理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行滑行試驗(yàn)確定其用于底盤(pán)測(cè)功機(jī)的設(shè)定值，利用t檢驗(yàn)可使得其測(cè)試值與影響因素相關(guān)性分析更為準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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[3] GB 18352.3—2005附件CC：32-33.

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