汽車道路滑行阻力的研究

羅雄 劉易斯

摘要：基于汽車道路滑行原理，建立汽車道路滑行阻力的計算模型，分別對車輛不同狀態(tài)進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)，得到滑行阻力曲線，分析影響車輛滑行阻力的主要因素，對比了滑行法和標(biāo)準(zhǔn)查表法得到的阻力曲線，結(jié)果顯示滑行法得到的道路阻力更能真實(shí)反映車輛道路行駛實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：滑行;阻力系數(shù);計算模型

中圖分類號：U471

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2550（2019）06-0019-04

Research on Vehicle Road Coast Down Resistance

LUO?Xiong， LIU Yi-si

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan 430058 China ）

Abstract： Based on the principle of vehicle road coast down， the calculation model of?vehicle road coast down resistance is established. The road coast down resistance curves are?obtained through the road coast down tests of different vehicle states， and the main factors?affecting vehicle coast down resistance are analyzed. The resistance curves obtained by coast?down method and standard look-up table method are compared. The results show that the?road resistance obtained by taxing method can more truly reflect vehicle road driving.Physical truth.

Key Words： Coast Down; Resistance Coefficient; Calculation Model

羅雄

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車技術(shù)中心標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)工程師，主要負(fù)責(zé)汽車油耗、雙積分政策等工作。

前言

近日，國家標(biāo)準(zhǔn)委員會發(fā)布了輕型汽車五階段（2021-2025年）油耗標(biāo)準(zhǔn)《乘用車燃料消耗量限值》，標(biāo)準(zhǔn)提出了我國乘用車平均燃料消耗在2025年下降至4L/100km的目標(biāo)。汽車燃油消耗量測試一般都是在底盤測功機(jī)上進(jìn)行測量，底盤測功機(jī)的測試需要輸人汽車滑行阻力系數(shù)，滑行阻力系數(shù)大小決定了底盤測功機(jī)的阻力系數(shù)設(shè)定，從而很大程度上影響整車油耗測試結(jié)果。目前各車企為體現(xiàn)車輛的真實(shí)燃料消耗量，大多采用滑行法進(jìn)行油耗測試，因此，研究滑行法測量道路行駛阻力，分析汽車道路行駛過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)及影響因素對油耗測試結(jié)果的影響尤為重要。

本文根據(jù)汽車道路滑行試驗(yàn)原理，建立滑行阻力曲線計算模型，分別對汽車前格柵密封與非.密封、低滾阻輪胎與非低滾阻輪胎、寬胎與窄胎三種不同狀態(tài)下進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同車輛狀態(tài)滑行阻力曲線對比，分析影響滑行阻力主要因素，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比滑行法：和查表法的區(qū)別。

1汽車道路滑行阻力計算模型：

車輛轉(zhuǎn)鼓阻力模擬

GB18352《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》中關(guān)于道路滑行阻力測試方法中規(guī)定，汽車在底盤測功機(jī)上測試整車工況油耗時，需要在底盤測功機(jī)上模擬道路行駛阻力，輸人轉(zhuǎn)鼓阻力設(shè)定值，即道路阻力系數(shù)A、B、C值。車輛在道路上進(jìn)行滑行試驗(yàn)可以得到車輛的行駛阻力，再在底盤測功機(jī)上進(jìn)行擬合，從而得到轉(zhuǎn)鼓的阻力設(shè)定值。無論車輛在轉(zhuǎn)鼓還是在道路上行駛，車輛內(nèi)阻都是同樣存在的，因此需要在車輛擬合過程中，去除車輛的內(nèi)阻，得到轉(zhuǎn)鼓設(shè)定值。

車輛滑行阻力主要包括空氣阻力、滾動阻力、傳動系阻力、制動拖滯力等，車輛在道路上滑行，得到的滑行數(shù)據(jù)使用阻力分段近似，并使用最小二乘法擬合成二次系數(shù)，從而獲取道路阻力系數(shù)A、B、C值，一般認(rèn)為，汽車滑行阻力與車速滿足二次函數(shù)關(guān)系。

式中，V為車速，A為與速度無關(guān)的常數(shù)項(xiàng)阻力（如道路摩擦力等），B為一次項(xiàng)系數(shù)，與速度有關(guān)的阻力（如傳動系阻力）、C為二次系數(shù)，代表與速度二次項(xiàng)有關(guān)的阻力。

滑行變量的確定：

將車輛加速到比選定試驗(yàn)車速V高出10km/h的車速，將變速器置于空擋位置，測量車輛從V，=V+△Vkm/h減速至V，=V-△Vkm/h所需的時間t，再在相反方向進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，測得時間t，，其中△V≤5km/h，取時間t和t，的平均值t，重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)，使平均值

式中：t為給定的系數(shù)，s為標(biāo)準(zhǔn)偏差，n為試驗(yàn)次數(shù)

計算車速V時的行駛阻力F：當(dāng)△V≤5km/h，可以視車輛從v，滑行至v，的過程為勻減速運(yùn)動，根據(jù)車輛受力、質(zhì)量、速度和加速度關(guān)系：

根據(jù)滑行過程中一系列區(qū)間速度vi，F(xiàn)i帶人上述方程，可以建立一系列參數(shù)A、B、C的三元一次方程，構(gòu)成方程組，再使用最小二乘法，對F，進(jìn)行二次函數(shù)擬合，得出Fi、vi數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢線，從而得到阻力方程F=A+Bv+Cv2

計算出參數(shù)A、B、C，即為底盤測功機(jī)提供精確的道路阻力模擬設(shè)定值。

2影響滑行阻力的因素：

汽車滑行阻力為油耗測試提供阻力依據(jù)，底盤測功機(jī)阻力設(shè)定值直接影響正常油耗的測試結(jié)果，因而減小阻力是個汽車制造商節(jié)能減排工作的重要手段之一。在公告試驗(yàn)時，主機(jī)廠在進(jìn)行道路滑行阻力測試時，都力爭獲得一條阻力較小的滑行阻力曲線。車輛正常行駛時，道路阻力包括坡道阻力，傳動系阻力，輪胎阻力，風(fēng)阻，加速阻力，可以認(rèn)為：

道路阻力Froad=F坡道+F傳動系+F輪胎+F風(fēng)阻+F加速

汽車道路滑行試驗(yàn)時，車輛在平直路面空擋滑行，試驗(yàn)道路坡道角a很小，可以忽略坡道阻力影響，即認(rèn)為坡道阻力和加速阻力可視為0，故滑行阻力包括傳動阻力，風(fēng)阻阻力，輪胎阻力，滑行時阻力：Froad=F傳動系+F輪胎+F風(fēng)阻

根據(jù)汽車動力學(xué)可知，傳動系阻力可以來自軸承、齒輪的摩擦阻力、制動拖滯阻力等，與底盤系統(tǒng)相關(guān)。輪胎阻力來自地面與輪胎接觸面的摩擦阻力，與輪胎結(jié)構(gòu)相關(guān)。風(fēng)阻來自空氣與車輛接觸面積，同車身形狀相關(guān)。下面分別對車輛不同狀態(tài)進(jìn)行滑行試驗(yàn)，得到不同狀態(tài)下阻力曲線：

某車型在前進(jìn)氣格柵密封與不密封條件下得到的道路滑行阻力曲線見下圖1：

通過對同一車輛前格柵密封與不密封條件下，滑行阻力對比發(fā)現(xiàn)，前格柵密封狀態(tài)下的滑行阻力明顯低于不密封狀態(tài)的滑行阻力，前段差異不明顯，阻力在40km/h為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而且隨著速度增加，阻力差距明顯增大，后端阻力呈明顯遞增趨勢。根據(jù)空氣動力學(xué)原理，進(jìn)氣格柵后為散熱器，較大的進(jìn)氣面積會增大空氣動力阻力，因此前進(jìn)氣格柵對空氣動力學(xué)有較大貢獻(xiàn)，故在設(shè)計條件允許條件下，一般會盡力減小進(jìn)氣格柵面積提高整車的空氣動力性能。

某車型低滾阻輪胎和非低滾阻輪胎狀態(tài)下得到的道路滑行阻力曲線見下圖2：

通過對同一車輛低滾阻輪胎和非低滾阻輪胎滑行阻力曲線發(fā)現(xiàn)，在低速段，兩種規(guī)格輪胎的滑行阻力相差較大，隨著速度的增大，阻力差別逐漸減小，速度從20km/h增大到100km/h時，兩者之間的差距從33%減小到5%。可以看出，在車速較低時，空氣阻力較小，行駛阻力以滾動阻力為主，隨車速升高，空氣阻力明顯增大，輪胎滾阻對車輛影響逐漸減小。

某車型寬胎和窄胎狀態(tài)下得到的道路滑行阻力曲線如下圖3：

通過對同一車輛分別裝配寬度為205mm和195mm的輪胎滑行阻力曲線發(fā)現(xiàn)，可以看出，兩種輪胎狀態(tài)下，車輛滑行阻力整體差別不大，曲線較為集中，輪胎寬度的差異對車輛阻力影響較小。3車輛道路阻力查表法與滑行法：

依據(jù)GB/T18352《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》，在底盤測功機(jī)上模擬汽車道路行駛進(jìn)行油耗測量時，需要對轉(zhuǎn)鼓施加一部分阻力（Dyno?set），這部分阻力大小可由兩種方法獲得，一是通過道路滑行試驗(yàn)阻力減去車輛損失阻力得到（滑行法），一種是標(biāo)準(zhǔn)中推薦阻力系數(shù)（查表法）。查表法中，汽車的基準(zhǔn)質(zhì)量為整備質(zhì)量加100kg，根據(jù)基準(zhǔn)質(zhì)量查表確定測功機(jī)設(shè)定的當(dāng)量慣量與道路阻力系數(shù)，即可得到轉(zhuǎn)鼓加載阻力：F=a+bv2

查表法標(biāo)準(zhǔn)阻力系數(shù)如下表1：

分別選取某款SUV車型和某款轎車進(jìn)行道路滑行得到的阻力曲線和和根據(jù)基準(zhǔn)質(zhì)量進(jìn)行查表法得到的阻力曲線對比結(jié)果如下圖4和圖5：

某款轎車查表法和滑行法轉(zhuǎn)鼓阻力設(shè)定對比：

通過對兩款車型分別用滑行法和查表法得到的阻力曲線可以看出，試驗(yàn)車型滑行阻力在約40km/h-120km/h范圍內(nèi)，查表法都要大于滑行法阻力，原因是查表法僅是通過基準(zhǔn)質(zhì)量查詢阻力系數(shù)，并不能真實(shí)反映風(fēng)阻在整個阻力中的占比，滑行法阻力是對道路滑行阻力真實(shí)體現(xiàn)，更加符合整車實(shí)際情況。當(dāng)然，由于數(shù)據(jù)有限，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

結(jié)論：

通過對車輛不同狀態(tài)下滑行阻力曲線分析，可以看出在汽車設(shè)計中對某些關(guān)鍵因素進(jìn)行控制，能有效降低滑行阻力，從而得到更低的油耗。同時，通過查表法和滑行法阻力曲線對比對比發(fā)現(xiàn)，查表法和滑行法得到的阻力差異較為明顯，滑行法更能反應(yīng)汽車道路真實(shí)情況，對油耗測試結(jié)果跟有利。對車輛滑行阻力的研究，對汽車動力經(jīng)濟(jì)性能開發(fā)具有重要參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]于志鵬，于洋洋.底盤測功機(jī)阻力設(shè)定對油耗試驗(yàn)的影響[D]，汽車實(shí)用技術(shù)，2018，（16）：96-98.

[2]高延齡，汽車動力性[M]，人民交通出版社，1999.

[3]谷正氣，汽車的空氣動力特性[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]GB18352.6-2016.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]北京：中國標(biāo)注出版社，2018.

[5]張鐵柱，張洪信.汽車節(jié)能對策與技術(shù)[M]，國防工業(yè)出版社，2004.

[6]（德）R.巴斯懷森，燃油消耗[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

專家推薦

黃小枚：

論文通過對車輛不同狀態(tài)下滑行阻力曲線分析的結(jié)果，可以對汽車動力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化，以有效降低滑行阻力，達(dá)到節(jié)能效果。且在認(rèn)證試驗(yàn)中也可以參考論文的結(jié)論選擇適合的花型阻力輸入方式。