汽車滑行試驗(yàn)的校正技術(shù)研究

龔春忠

摘 要：汽車的行駛阻力通常由整車滑行試驗(yàn)獲取，精確的道路阻力對(duì)整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性開發(fā)有著重要的意義。文章研究滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，提出將風(fēng)速、坡度、溫度、氣壓、濕度納入到校正的因素中，以獲得更精確的道路阻力系數(shù)。文章對(duì)校正公式進(jìn)行推導(dǎo)，提出一種一次性修正所有環(huán)境因素的公式，并得出了各因素修正對(duì)結(jié)果的影響程度大小。文章使用校正過(guò)的多組阻力數(shù)據(jù)在中國(guó)工況下的電機(jī)端能量消耗率作為結(jié)果的穩(wěn)定性判據(jù)，結(jié)合測(cè)試?yán)碚?，?dāng)有組別誤差超過(guò)3σ區(qū)域時(shí)才做剔除無(wú)效測(cè)試點(diǎn)處理。

關(guān)鍵詞：汽車滑行試驗(yàn);校正;電機(jī)端能量消耗率判據(jù)

Abstract： Vehicle driving resistance is usually obtained by taxi test. Accurate road resistance is of great significance to the development of vehicle dynamic economy. In this paper， the processing method of taxiing test data is studied. The wind speed， slope， temperature， pressure and humidity are included in the correction factors to obtain more accurate road resistance coefficient. In this paper， the correction formula is deduced， and a case of one-time correction of all environmental factors is put forward， and the influence degree of each factor correction on the results is obtained. In this paper， the energy consumption rate of motor end under the condition of Chinese working condition is used as the stability criterion of the result. Combined with the test theory， the invalid test points are removed when the group error exceeds 3σ region.

Keywords： Vehicle coast-down test; Correction; Motor end energy consumption rate criterion

前言

汽車的行駛阻力通常由整車滑行試驗(yàn)獲取，精確的道路阻力對(duì)整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性開發(fā)有著重要的意義。為了獲取更精確的道路阻力，我國(guó)對(duì)滑行試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)做了修改?！禛B 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)六”）附錄CC中規(guī)定的道路載荷測(cè)量與測(cè)功機(jī)設(shè)定方法相對(duì)于《GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》[2]（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)五”）附錄CH中規(guī)定的道路載荷測(cè)定方法，有了較大的改進(jìn)。但在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的校正與擬合，還有待完善的地方。

本文研究滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，提出將風(fēng)速、坡度、溫度、氣壓、濕度考慮到了校正的因素中，以獲得更精確的道路阻力系數(shù)。并提出了各組滑行數(shù)據(jù)先求出道路阻力系數(shù)，后校正系數(shù)，并引入中國(guó)工況下的輪邊平均能量消耗率作為阻力大小和結(jié)果穩(wěn)定性的判據(jù)。

1 滑行試驗(yàn)基本原理

汽車行駛的過(guò)程中受到4個(gè)力的作用，分別為空氣阻力、滾阻阻力、汽車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)寄生阻力、坡道力。汽車滑行試驗(yàn)的目的就是車輛汽車行駛阻力，不包含坡道力。根據(jù)牛頓第二定律得：

式中：m為汽車整備質(zhì)量、駕駛員質(zhì)量、傳動(dòng)系統(tǒng)等效當(dāng)量慣量的和;v為汽車車速;F阻為汽車行駛阻力。

根據(jù)汽車?yán)碚撏茖?dǎo)，空氣阻力與速度的平方成正比，車內(nèi)寄生損失與速度成正比，汽車滾動(dòng)阻力近似為常數(shù)：

式中：f0為道路載荷常數(shù)項(xiàng)，N;f1為一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;f0為二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。

但實(shí)際測(cè)試中，道路阻力受溫度、氣壓、風(fēng)速等不可控因素影響。因此需要做校準(zhǔn)處理。

2 國(guó)五、國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)校正技術(shù)對(duì)比

滑行試驗(yàn)在室外長(zhǎng)直跑道上進(jìn)行，規(guī)定了環(huán)境條件：（1）固定式分?jǐn)?shù)儀測(cè)量法要求，5秒平均分?jǐn)?shù)低于5m/s，2秒峰值風(fēng)速低于8m/s，橫向風(fēng)速矢量小于2m/s，車載風(fēng)速計(jì)要求，總平均分?jǐn)?shù)小于7m/s，峰值風(fēng)速小于10m/s，橫向風(fēng)速矢量小于4m/s。（2）大氣溫度在5～40℃范圍內(nèi)。（3）道路平坦、干燥、清潔，縱向坡度不應(yīng)超過(guò)±1%，最大弧度應(yīng)不大于1.5%。

通常，試驗(yàn)場(chǎng)的道路路面平整度滿足要求，無(wú)需校正。但溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速往往與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致，需要做校正處理。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)狀態(tài)為，溫度293K，氣壓100kPa，風(fēng)速0m/s，當(dāng)實(shí)測(cè)環(huán)境與上述不相符時(shí)，采用校正技術(shù)校正為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

國(guó)五與國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中均把道路阻力分為兩部分：車輛機(jī)械阻力（包括滾阻、傳動(dòng)系統(tǒng)及軸承阻力、減速器阻力）和空氣阻力。但國(guó)五中間，在擬合阻力F前對(duì)功率進(jìn)行校正，國(guó)六中風(fēng)速校正使用平均阻力法校正后再求阻力系數(shù)。從理論上分析，兩者校正的效果是相同的。國(guó)六校正風(fēng)速時(shí)，正反方向的時(shí)間修正使用調(diào)和平均，對(duì)應(yīng)于阻力校正使用了算術(shù)平均。

但國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)依然有以下問(wèn)題：風(fēng)速的校正處理了兩次，是否可以一次完成？機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理，其阻力受環(huán)境溫度影響可以忽略，如何在數(shù)據(jù)處理中體現(xiàn)？如何判定試驗(yàn)結(jié)果的有效性？

結(jié)合以上問(wèn)題，本文對(duì)校正公式進(jìn)行推導(dǎo)，提出一種一次性校正所有環(huán)境因素的公式。并提出了各因素修正對(duì)結(jié)果的影響程度。本文使用校正過(guò)的多組阻力數(shù)據(jù)在中國(guó)工況下的電機(jī)端能量消耗率作為結(jié)果的穩(wěn)定性判據(jù)。結(jié)合測(cè)試?yán)碚?，?dāng)有組別誤差超過(guò)3σ區(qū)域時(shí)才做部分測(cè)試點(diǎn)無(wú)效判據(jù)。

3 校正公式理論推導(dǎo)

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)狀態(tài)為，溫度293K，氣壓100kPa，風(fēng)速0m/s，當(dāng)實(shí)測(cè)環(huán)境與上述不相符時(shí)，需采用校正技術(shù)校正為基準(zhǔn)狀態(tài)。通常，試驗(yàn)場(chǎng)的道路路面平整度滿足要求，無(wú)需校正。但溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速往往與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致，需要做校正處理。汽車空氣動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)際設(shè)計(jì)、使用條件，均遵循理化規(guī)律，因此，本文建議的基準(zhǔn)狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)有差異。校正公式的目的是，非基準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果校正為基準(zhǔn)狀態(tài)下的結(jié)果。

3.1 基準(zhǔn)狀態(tài)的定義及其理論結(jié)果

為了與相應(yīng)的仿真、測(cè)試?yán)碚搶?duì)應(yīng)，本文未沿用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基準(zhǔn)狀態(tài)，而是將基準(zhǔn)狀態(tài)定義為：

氣溫：T0=298.15 K（25℃），為與試驗(yàn)環(huán)境溫度保持一致。

壓力：Pair0=101.325 kPa，與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓保持一致。

濕度：RH0=45%，與試驗(yàn)室濕度設(shè)置保持一致。

風(fēng)速：vw0=0km/h，縱向風(fēng)速，順風(fēng)的時(shí)候?yàn)檎?，逆風(fēng)的時(shí)候?yàn)樨?fù)。

坡度：=0，基準(zhǔn)狀態(tài)下默認(rèn)為平面，下坡時(shí)為正值。

基準(zhǔn)狀態(tài)下道路阻力表述為：

式中：A為道路載荷常數(shù)項(xiàng)，N;B為一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;C為二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。在實(shí)際的道路阻力中，輪胎阻力、車輛機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)阻力、空氣阻力均是非線性的。但本文為了推導(dǎo)修正公式，需要做近似處理，且有相關(guān)的理論依據(jù)：阻力系數(shù)A主要對(duì)應(yīng)輪胎滾動(dòng)阻力，文獻(xiàn)[3]中描述了子午胎在車速為160km/h以下變化平緩。B系數(shù)主要對(duì)應(yīng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械阻力，文獻(xiàn)[4]中軸承摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的2/3次方成正比，因車輛試驗(yàn)前要求做預(yù)熱處理，因此車輛機(jī)械損失可以認(rèn)為不受溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、坡度的影響。C系數(shù)主要對(duì)應(yīng)車輛的空氣阻力，在風(fēng)阻分析中與側(cè)向風(fēng)、空氣密度等有關(guān)，為簡(jiǎn)化校正，僅考慮空氣密度的影響。

式中，ρ0為基準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，（25℃，101.325kPa，45%RH）1.1776 kg/m?，Cd為汽車空氣阻力系數(shù)，S為汽車迎風(fēng)面積。

3.2 非基準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果分析

非基準(zhǔn)狀態(tài)下有以下參數(shù)需要實(shí)測(cè)修正：

實(shí)測(cè)氣溫：T;實(shí)測(cè)壓力：Pair;實(shí)測(cè)濕度：RH;風(fēng)速：vw，縱向風(fēng)速，順風(fēng)的時(shí)候?yàn)檎骘L(fēng)的時(shí)候?yàn)樨?fù);坡度： =0，下坡時(shí)為正值，上坡時(shí)為負(fù)值。

實(shí)測(cè)狀態(tài)下道路阻力表述為：

式中：f0為實(shí)測(cè)道路載荷常數(shù)項(xiàng)，N;f1為實(shí)測(cè)一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;f2為實(shí)測(cè)二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。

式中，φ（T，RH）——根據(jù)溫度、相對(duì)濕度查濕空氣焓濕圖得到的水蒸氣分壓，如表1所示。

3.3 非基準(zhǔn)狀態(tài)校正為基準(zhǔn)狀態(tài)的理論推導(dǎo)

影響校正的環(huán)境條件有溫度、濕度、氣壓、縱向風(fēng)速。其中溫度、濕度、氣壓通過(guò)影響空氣密度來(lái)影響空氣阻力，溫度通過(guò)影響輪胎性能來(lái)影響滾阻系數(shù)。用基準(zhǔn)狀態(tài)阻力系數(shù)與各條件因素表達(dá)實(shí)測(cè)下的道路阻力，如式（8）所示：

式中，K0為滾動(dòng)阻力修正因子，默認(rèn)取值為8.6×10-3 K-1;m=mcar+mp+ms是試驗(yàn)質(zhì)量。mcar為車輛實(shí)測(cè)整備質(zhì)量;mp 為駕駛員質(zhì)量;ms為試驗(yàn)過(guò)程車輛配重;g是重力加速度，9.8N/ kg。很小時(shí)，要求<0.1%，故可做近似處理：

上式做簡(jiǎn)化，將（9）式帶入替換，且重構(gòu)（4）、（6）式，則結(jié)果如下：

4 校正誤差分析

校正是為了排除環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，但實(shí)際上環(huán)境因素對(duì)汽車阻力的影響是非線性的，模型推導(dǎo)中做了大量的假設(shè)，因此也同時(shí)規(guī)定了需要各環(huán)節(jié)因素上下限，在允許的范圍內(nèi)才能開展試驗(yàn)。校正技術(shù)只是滑行試驗(yàn)在外部環(huán)境測(cè)試中無(wú)法完全控制環(huán)境成本的一種補(bǔ)充手段。實(shí)際測(cè)試中各條件越接近基準(zhǔn)狀態(tài)越好。在標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的各因素的影響大小比較，是本節(jié)研究的問(wèn)題。

4.1 道路阻力系數(shù)的能耗評(píng)價(jià)

試驗(yàn)表明，使用等效能量消耗率描述滑行阻力結(jié)果，其平均相對(duì)偏差僅為1.14%.使用等效能量消耗率描述還具備鮮明的物理意義，綜合概括汽車各類阻力的大小。本文規(guī)定以中國(guó)工況為參考工況，比較每次試驗(yàn)的輪邊能量消耗率。實(shí)測(cè)阻力下的輪邊功率計(jì)算如下：

式中，mr為車輛旋轉(zhuǎn)部件等效慣量;v，a分別為中國(guó)工況下的速度和加速度。

在該工況下電機(jī)輸出端的能量消耗率為：

4.2 各因素極限條件下校正影響

前面分析了實(shí)測(cè)結(jié)果與修正結(jié)果的關(guān)系。下面分析各因素允許的修正極限范圍內(nèi)對(duì)修正后系數(shù)的影響。以某款汽車實(shí)測(cè)結(jié)果為例：該車整備質(zhì)量1170kg，駕駛員質(zhì)量60kg，配重40kg，旋轉(zhuǎn)當(dāng)量慣量為50kg，實(shí)測(cè)阻力系數(shù)分別為：f0=123.49 N;f1=0.338 N/（km/h）;f2=0.0349 N/（km/h）?。則中國(guó)工況下電機(jī)輸出端能量消耗率為7.34kWh/100km。

由表2可知，各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響排序?yàn)椋猴L(fēng)速>溫度>坡度>氣壓>濕度。當(dāng)能量消耗率需要向更大方向修正時(shí)，極限狀態(tài)為：溫度40℃、濕度100%，氣壓：90kPa，風(fēng)速3m/s，坡度0.1%，此時(shí)能量消耗率校正后比校正前大34.72%。當(dāng)能量消耗率需要向更小方向修正時(shí)，極限狀態(tài)為：溫度5℃、濕度0%，氣壓：101.325kPa，風(fēng)速-3m/s，坡度-0.1%，此時(shí)能量消耗率校正后比校正前小31.76%。

5 試驗(yàn)實(shí)例

某款純電動(dòng)汽車做滑行試驗(yàn)，該車整備質(zhì)量1170kg，駕駛員質(zhì)量60kg，配重40kg，旋轉(zhuǎn)當(dāng)量慣量為50kg。在以下環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)：

氣溫：T =22℃;

壓力：Pair =990kPa;

濕度：RH =50%;

風(fēng)速：前四次vw=0.5*cos（45°）=0.354m/s，后四次vw -0.354m/s;

坡度：=0。

共執(zhí)行了8組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行系數(shù)求取，根據(jù)環(huán)境條件校正為基準(zhǔn)狀態(tài)。結(jié)果如表3所示。

由表3可知，校正后能量消耗率標(biāo)準(zhǔn)差由0.12kWh/ 100km降到了0.09kWh/100km。最大偏差的是第4組，誤差為0.1758/0.09=1.953σ，在3σ區(qū)間內(nèi)，故所有測(cè)試點(diǎn)均為有效點(diǎn)。最終測(cè)試結(jié)果為：A=137.23N;B=0.717N/（km/h）;C=0.03528N/（km/h）?。

6 結(jié)論

汽車的節(jié)能環(huán)保一直以來(lái)都是重要課題。獲取精確的汽車道路阻力系數(shù)對(duì)汽車的節(jié)能研究非常重要。經(jīng)研究，本文提出一種道路阻力的修正方法，并給出了各物理?xiàng)l件在極限狀態(tài)的修正比例。該方法相對(duì)于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)有如下變動(dòng)：1、引入濕度校正條件;2、基準(zhǔn)大氣壓修正為101.325kPa，基準(zhǔn)溫度修正為298.15K，增加基準(zhǔn)濕度45%;3、順風(fēng)與逆風(fēng)、道路坡度等在求取阻力系數(shù)后統(tǒng)一修正;4、中國(guó)工況計(jì)算電機(jī)輸出端能量消耗率作為誤差判別依據(jù)，適用于3σ區(qū)間判定法。

另外，在底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)試時(shí)，通常要測(cè)試滿載、半載、高溫、低溫等狀態(tài)，此時(shí)沿用基準(zhǔn)狀態(tài)阻力不合理。但單獨(dú)測(cè)試成本又高，故此時(shí)可以沿用基準(zhǔn)阻力數(shù)據(jù)，通過(guò)方程組（12），逆向推導(dǎo)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)值，拓寬校正技術(shù)的逆向應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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