基于輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)的道路滑行阻力試驗(yàn)

辛運(yùn)，羅澤敏，黃鵬，董幸之，熊俊西，謝杰聰

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局近日聯(lián)合發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法[1]（中國第六階段）》（以下簡稱“輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)”），公布了第六階段輕型汽車的排放要求和實(shí)施時(shí)間。其對(duì)油耗及排放的要求越來越高，而整車道路滑行阻力是影響整車油耗的主要因素。因此研究輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后對(duì)整車道路滑行阻力的影響就至關(guān)重要。

測(cè)定道路行駛阻力的方法主要有道路滑行法與風(fēng)洞法[2]，道路滑行法因其成本低、簡單易實(shí)現(xiàn)，被國內(nèi)外企業(yè)及檢測(cè)機(jī)構(gòu)普遍采用[3]，本文基于輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中的道路滑行法，對(duì)某車型道路滑行阻力進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比了其與輕型車國五標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。最后利用Matlab設(shè)計(jì)了道路滑行阻力分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析。

1 輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)道路滑行試驗(yàn)方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB18352.6—2016輕型汽車污染物排放限值及測(cè)試方法（中國第六階段）中要求，采用固定式風(fēng)速儀法進(jìn)行道路滑行阻力試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)條件

1.1.1 試驗(yàn)道路

試驗(yàn)時(shí)要求道路表面應(yīng)該是平坦、清潔、干燥的，也沒有能夠妨礙道路載荷測(cè)量的障礙物或風(fēng)障，測(cè)試道路的縱向坡度不應(yīng)超過 ±1%。

1.1.2 氣象條件

在整個(gè)試驗(yàn)期間，要求：5秒平均風(fēng)速低于5m/s，2秒峰值風(fēng)速低于8m/s，試驗(yàn)道路的橫風(fēng)小于2m/s，風(fēng)速應(yīng)在高出路面0.7m處測(cè)量；大氣溫度在 5℃-40℃以內(nèi)，滿足以上條件可進(jìn)行道路滑行阻力試驗(yàn)。最終將滑行阻力校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下（大氣壓力：100kPa，大氣溫度：293K，空氣密度：1.189kg/m3，風(fēng)速：0m/s）。

1.2 車輛準(zhǔn)備

1.2.1 車輛準(zhǔn)備及配重

輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車輛需配載為測(cè)試質(zhì)量Mav進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試質(zhì)量表示為：車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量（車輛的整備質(zhì)量+100kg）、選裝裝配質(zhì)量及代表性負(fù)荷質(zhì)量三者之和。在試驗(yàn)前后，試驗(yàn)車輛、司機(jī)和設(shè)備都需要進(jìn)行稱重，其分別表示為mav1和mav2，根據(jù)其平均值得到實(shí)際試驗(yàn)質(zhì)量mav。

1.2.2 車輛狀態(tài)確認(rèn)及磨合

試驗(yàn)前確認(rèn)車輛處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)車輛進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ズ希囼?yàn)車輛里程數(shù)至少為 10000km，但不應(yīng)超過80000km。且輪胎在實(shí)際道路上至少磨合 200km，輪胎花紋深度在100%-80%之間。

1.2.3 車輛預(yù)熱

車輛預(yù)熱前，車輛應(yīng)該在離合器斷開，或自動(dòng)擋處于空擋時(shí)，通過輕踩剎車，使車速在5-10秒內(nèi)穩(wěn)定地從80km/h降低到20km/h。預(yù)熱后車輛以118km/h的速度至少進(jìn)行20分鐘的預(yù)熱，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 道路滑行試驗(yàn)

1.3.1 通過滑行時(shí)間計(jì)算道路載荷

首先將車輛加速到比基準(zhǔn)車速vj高10km/h的車速，并維持穩(wěn)定至少1分鐘，然后將變速箱置于“空擋”位置，記錄測(cè)試車輛從滑行至的時(shí)間。在與車輛相反的方向進(jìn)行同樣的試驗(yàn)操作，記錄時(shí)間，重復(fù)i次上述試驗(yàn)，最終從其中挑選 n組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使其滿足式（3）條件。

首先根據(jù)式（1）計(jì)算基準(zhǔn)車速vj下第i次往返試驗(yàn)的調(diào)和平均值。

利用式（2）計(jì)算基準(zhǔn)車速vj下n次試驗(yàn)的調(diào)和平均值。

式中：pj表示基準(zhǔn)車速 vj下的統(tǒng)計(jì)學(xué)精度；表示標(biāo)準(zhǔn)差，其可用式（4）表示；

n表示試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)n查表1可得h的值。

表1 根據(jù)n確定系數(shù)h

基準(zhǔn)車速vj下n次往返滑行時(shí)間的算術(shù)平均值可用式（5）計(jì)算。

利用式（6）計(jì)算基準(zhǔn)車速 vj下，往返平均滑行時(shí)間的調(diào)和平均值。

根據(jù)功率法，通過式（7）計(jì)算基準(zhǔn)速度 vj下道路行駛阻力，采用最小二乘法對(duì)各基準(zhǔn)車速vj下的阻力進(jìn)行二次擬合，分別得到行駛阻力曲線的常數(shù)項(xiàng) f0、一次項(xiàng) f1、二次項(xiàng)f2。

式中：mav表示試驗(yàn)前后的平均試驗(yàn)質(zhì)量；mr為車輛的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，mr=（基準(zhǔn)質(zhì)量+25kg）*0.03。

1.3.2 基準(zhǔn)狀態(tài)的校正

輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定需將式（7）校正至基準(zhǔn)狀態(tài)，根據(jù)式（8）計(jì)算空氣阻力校正因子K2。

式中：T、P分別表示試驗(yàn)過程中的平均大氣溫度與大氣壓力。

根據(jù)式（9）計(jì)算風(fēng)速修正系數(shù)w2。

式中：vw表示風(fēng)速，且當(dāng)時(shí)，w2=0。

根據(jù)式（10）計(jì)算測(cè)試質(zhì)量修正因子

式中：TMH表示試驗(yàn)車輛的測(cè)試質(zhì)量。

利用公式（11）得到基準(zhǔn)狀態(tài)下的道路滑行阻力曲線。

2 實(shí)例分析

2.1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

以某在研車型為試驗(yàn)車，在車輛狀態(tài)及氣象條件等滿足試驗(yàn)要求條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛的基本信息如表 2所示。

表2 試驗(yàn)車輛的基本信息

2.2 試驗(yàn)場(chǎng)地與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備名稱和參數(shù)，如表3所示。試驗(yàn)場(chǎng)地為襄陽東風(fēng)汽車試驗(yàn)場(chǎng)的性能試驗(yàn)道路（長直線）。

表3 試驗(yàn)設(shè)備名稱和參數(shù)

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理

滑行試驗(yàn)的起始車速為135km/h，結(jié)束車速為15km/h。在實(shí)際試驗(yàn)中，車輛滑行開始的最高車速需≥145km/h，滑行結(jié)束的最低車速≤10km/h。受試驗(yàn)場(chǎng)地長度限制，滑行試驗(yàn)分三段進(jìn)行，重復(fù)8次試驗(yàn)，記錄滑行時(shí)間，如表4所示。

表4 滑行試驗(yàn)時(shí)間

表5 減速時(shí)間

根據(jù)式（7）式，計(jì)算不同車速下的道路行駛阻力F測(cè)量，如表6所示，行駛阻力曲線的系數(shù)：。

表6 道路行駛阻力

利用式（8）～（10）分別計(jì)算測(cè)試質(zhì)量修正因子K1=-1.1026，空氣阻力校正因子 K2=0.9815，風(fēng)速修正因子w2=0，其中滾動(dòng)滾動(dòng)阻力修正因子K0=0.0086。

根據(jù)式（11）計(jì)算基準(zhǔn)狀態(tài)下的道路行駛阻力曲線：

3 國六與國五排放標(biāo)準(zhǔn)行駛阻力對(duì)比

與輕型車國五標(biāo)準(zhǔn)相比[4]，輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試車輛的試驗(yàn)質(zhì)量、車輛磨合里程、輪胎條件、基準(zhǔn)車速、車輛預(yù)熱等作出更嚴(yán)格的要求；在數(shù)據(jù)處理上提出利用往返滑行時(shí)間的調(diào)和平均值代替算術(shù)平均值；在試驗(yàn)結(jié)果上引入空氣阻力校正因子、滾動(dòng)阻力修正因子、風(fēng)速修正因子、測(cè)試質(zhì)量修正因子等四個(gè)修正因子，將道路行駛阻力校正至基準(zhǔn)狀態(tài)。

取同一臺(tái)車在氣象條件與車輛狀態(tài)接近的條件下，按照輕型車國五標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行道路滑行阻力試驗(yàn)，獲取基準(zhǔn)車速120～20km/h時(shí)的道路行駛阻力曲線：

對(duì)比輕型車國五與國六標(biāo)準(zhǔn)道路行駛阻力曲線如圖1所示。

圖1 阻力曲線對(duì)比

對(duì)比兩種標(biāo)準(zhǔn)下的行駛阻力可知：輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)下的道路行駛阻力比國五標(biāo)準(zhǔn)下平均大40N，且高速段行駛阻力差異尤為明顯。

4 設(shè)計(jì)軟件介紹

在工程應(yīng)用中為便于計(jì)算分析道路行駛阻力，利用Matlab設(shè)計(jì)GUI程序界面[5]。實(shí)現(xiàn)對(duì)道路行駛阻力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分析，程序主界面如圖2所示。

圖2 程序主界面

4.1 輸入車輛信息與試驗(yàn)條件

打開道路行駛阻力分析軟件主界面，在車輛信息與試驗(yàn)條件界面下輸入車輛基本信息、輪胎信息，及車輛卡鉗狀態(tài)、試驗(yàn)的氣象條件、試驗(yàn)車輛的質(zhì)量信息等，如圖3所示。

選擇Vbox導(dǎo)出的滑行試驗(yàn)的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算。

圖3 車輛信息與試驗(yàn)條件界面

4.2 分析計(jì)算

打開阻力分析界面，查看試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。分別顯示輕型車國六、國五標(biāo)準(zhǔn)下的道路行駛阻力、擬合系數(shù)、阻力曲線及氣象條件。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)所設(shè)計(jì)的軟件具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，對(duì)所分析處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，可以一鍵導(dǎo)入處理完成的車輛滑行阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛滑行阻力數(shù)據(jù)的管理及對(duì)比分析。

5 結(jié)論

本文結(jié)合試驗(yàn)分析了輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中車輛道路滑行阻力的試驗(yàn)方法，對(duì)比了輕型車國六與國五標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別，并以Matlab為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了道路滑行阻力分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速處理及管理，為企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)節(jié)省大量的時(shí)間。該軟件也能為輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中道路滑行阻力的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理提供指導(dǎo)。

[1] 國家環(huán)境保護(hù)部.GB18352.6-2016輕型車汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2016.

[2] 國家環(huán)境保護(hù)總局.GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國V階段）.北京:中國環(huán)境科學(xué)出初版,2013.

[3] 曾海鵬,胡振濤等.車輛道路滑行法及其數(shù)據(jù)處理[J].汽車技術(shù)2015（3）,46～41.

[4] 汽車滑行阻力數(shù)據(jù)處理方法及軟件實(shí)現(xiàn)[J].汽車工程師 2015（12）,33～36.

[5] 羅華飛. MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010:141～162.