整車輪胎滾阻與傳動系統(tǒng)阻力研究

徐蟬，龔春輝，劉海峰

整車輪胎滾阻與傳動系統(tǒng)阻力研究

徐蟬，龔春輝，劉海峰

（江鈴汽車股份有限公司 整車性能及測試部，江西 南昌 330044）

為了降低整車實際工況的油耗，優(yōu)化排放問題，文章研究了其中的主要影響因素之一——行駛阻力。文章主要利用四驅(qū)底盤測功機(jī)臺架和混合動力臺架將輪胎與轉(zhuǎn)鼓鼓面的滾動阻力、制動器與輪轂的摩擦阻力、傳動系統(tǒng)內(nèi)部的阻力測量出來。研究發(fā)現(xiàn)，整車行駛阻力主要可以分為輪胎與地面之間的滾動阻力、整車傳動系統(tǒng)內(nèi)部的傳動內(nèi)阻以及風(fēng)阻。其中改善滾動阻力是切實可行又起到關(guān)鍵作用。因此，降低整車行駛阻力的有效途徑即為降低整車滾動阻力。

行駛阻力；油耗；滾動阻力

引言

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，汽車行業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展[1]。汽車為人們提供便捷的同時各種問題也隨之不斷涌現(xiàn)，大量尾氣的排放直接導(dǎo)致空氣質(zhì)量急劇惡化，大量汽車涌現(xiàn)將整個城市堵得水泄不通，汽車油耗居高不下導(dǎo)致人們駕駛出行成本加大，幸福指數(shù)直線降低。隨著汽車的越來越普及，車輛的油耗是車主選擇購車時的一個重要參考因素，然而對于汽車主機(jī)廠來說，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，給主機(jī)廠排放問題帶來的挑戰(zhàn)也與日俱增[2]。因此，對于主機(jī)廠而言，油耗和排放問題是迫在眉睫的兩個重要問題。在處理這兩個問題時都需要去確定汽車行駛阻力這個重要的參數(shù)，故研究汽車行駛阻力具有重大意義。

1 整車在各狀態(tài)下的受力分析

相比于四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架而言，混合動力總成臺架在傳動系統(tǒng)試驗過程具有可以快速進(jìn)行樣車結(jié)構(gòu)件拆裝、試驗操作簡單、試驗數(shù)據(jù)一致性好精度高等方面的優(yōu)點，但是混合動力總成臺架無法完成輪胎滾阻的測量，故本試驗采取轉(zhuǎn)鼓臺架結(jié)合混合動力總成臺架進(jìn)行阻力分解試驗，達(dá)到試驗過程高效率、試驗數(shù)據(jù)高精度、試驗結(jié)果高質(zhì)量的目標(biāo)。

1.1 整車在實際道路上的受力分析

整車在實際路面上駕駛時，主要是受到輪胎與地面之間的滾動阻力、空氣阻力、汽車傳動系統(tǒng)的阻力、坡度阻力以及加速阻力等[3]。當(dāng)整車在實際道路上做勻速直線運動時，其水平方向的受力示意圖如圖1所示：

圖1 汽車實際道路行駛水平方向受力圖

其在水平方向上的力學(xué)方程式為：

F=F+F+FFF1F2（1）

其中：F為發(fā)動機(jī)輸出的力；F為空氣阻力； F為傳動系統(tǒng)阻力；F為加速阻力；F為坡度阻力；F1為前輪與路面的摩擦力；F2為后輪與路面的摩擦力。

1.2 整車在轉(zhuǎn)鼓上的受力分析

根據(jù)GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》中關(guān)于實際道路滑行阻力測試方法，可以通過滑行得到汽車的行駛阻力[4]。車輛在實際道路上滑行得到的滑行數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行二次項擬合，可以得到實際道路行駛阻力系數(shù)、、值。

F=+BV+CV2（2）

其中：F為滑行阻力；V為整車速度；、、為阻力系數(shù)。

將擬合出來的阻力系數(shù)輸入四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架進(jìn)行滑行匹配試驗，車輛在四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架上試驗時，輪胎與轉(zhuǎn)鼓臺架的滾筒做嚙合運動，車輛與轉(zhuǎn)鼓臺架在位置上是相對靜止的，車輛的相對速度為零，鼓面替代實際道路路面，此時車輛在水平方向上的受力示意圖如圖2所示：

圖2 汽車在四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓上行駛水平方向受力圖

其在水平方向上的力學(xué)方程式為：

F= F+F+F+ F+ F1+ F2（3）

其中：F為發(fā)動機(jī)輸出的力；F為四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓臺架加載的阻力；F為傳動系統(tǒng)阻力；F為測功機(jī)的內(nèi)阻；F為車輛各部件的慣性阻力；F1為前輪與鼓面的摩擦力；F2為后輪與鼓面的摩擦力。

2 整車行駛阻力分解試驗步驟、理論及數(shù)據(jù)分析

2.1 整車行駛阻力分解試驗步驟

阻力分解試驗主要分析了輪胎與鼓面的阻力、制動器的阻力、車橋的阻力、變速箱軸系的阻力、離合器的阻力、發(fā)動機(jī)系的阻力等。

圖3 整車結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 試驗流程圖

整車在轉(zhuǎn)鼓臺架上進(jìn)行滑行測試，可以將輪胎滾阻、制動器摩擦阻力和傳動系統(tǒng)的阻力測出來?；旌蟿恿偝膳_架在試驗搭建時必須將試驗車輛的車輪卸下，故在混合動力總成臺架上可以通過倒拖的方式測量出制動器摩擦阻力及傳動系統(tǒng)阻力，而轉(zhuǎn)鼓臺架測量出來的試驗數(shù)據(jù)減去混合動力臺架測量出來的數(shù)據(jù)即為輪胎的滾阻。在混合動力總成臺架上分別測量不拆制動器以及拆制動器兩種情況下的阻力可以將制動器的摩擦阻力測量出來。用相同的辦法將傳動系統(tǒng)的內(nèi)部各阻力部分測試出來，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找到汽車在行駛時阻力最大的部分，并加以優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到降低行駛阻力降低整車實際油耗的目標(biāo)。

2.2 試驗理論及數(shù)據(jù)分析

本文以某品牌皮卡車為試驗對象，分解了該車整車阻力，主要分為輪胎滾動阻力、制動器摩擦阻力、傳動系統(tǒng)阻力三大部分。其中傳動系統(tǒng)阻力又細(xì)分為車橋阻力、變速箱系統(tǒng)阻力、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)阻力三個部分。

2.2.1輪胎滾動阻力分析

車輪在轉(zhuǎn)鼓上行駛過程與在道路上是一致的，輪胎與鼓面之間會產(chǎn)生摩擦阻力和滾動阻力，輪胎滾動阻力數(shù)學(xué)模型如下：

F=L(++2)（4）

其中：F為輪胎滾動阻力；為輪胎胎壓；為作用在輪胎上的力；為測功機(jī)的內(nèi)阻；為負(fù)值系數(shù)；為正值系數(shù)；為常數(shù)。

從式中可以看出，輪胎滾動阻力與速度成二次項關(guān)系。

表1 輪胎滾阻扭矩值－速度關(guān)系表

速度/kph 102030405060708090100110120 輪胎阻力扭矩值/nm21.826.730.333.837.540.343.64647.347.947.345.9

從上圖中可以看出，輪胎的滾動阻力與速度成二次項關(guān)系，且2值為0.993 4，說明該試驗結(jié)果與輪胎滾動阻力數(shù)學(xué)模型極其吻合。

2.2.2制動器摩擦阻力及傳動系統(tǒng)阻力分析

制動器的摩擦阻力是一個定值。傳動系統(tǒng)的阻力由兩部分組成，機(jī)械阻力與液力阻力。傳動系統(tǒng)各部件之間的相對運動摩擦?xí)a(chǎn)生傳動系統(tǒng)機(jī)械阻力，阻力值的大小與部件的加工質(zhì)量、裝配質(zhì)量、工作狀態(tài)密切相關(guān)。傳動系統(tǒng)內(nèi)各零部件在運行時，潤滑油會充斥在各零部件間隙中。潤滑油與各零部件表面的摩擦力以及潤滑液本身的流動阻力共同構(gòu)成了液力阻力。液力阻力大小與潤滑油的質(zhì)量、覆蓋深度、溫度以及零部件的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。研究表明，傳動系統(tǒng)的內(nèi)阻與車速正相關(guān)且成一次項關(guān)聯(lián)。

F=A+BV（5）

表2 制動器扭矩值－速度關(guān)系表

速度/kph 102030405060708090100110120 制動器扭矩值/nm13.713.613.914.11413.614.113.914.213.813.714.1

表3 傳動系統(tǒng)阻力扭矩值－速度關(guān)系表

速度/kph傳動阻力扭矩值/nm車橋阻力扭矩值/nm變速箱阻力扭矩值/nm發(fā)動機(jī)阻力扭矩值/nm 1016.67.54.94.2 2020.19.26.54.4 3022.710.97.84.1 4025.511.79.93.9 5028.513.411.14 6031.214.612.34.3 7033.315.713.73.9 8035.516.814.93.8 9037.617.515.84.3 10039.318.616.83.9 11041.619.817.84 1204420.919.23.9

圖6 傳動系統(tǒng)阻力扭矩值－速度關(guān)系圖

從圖中可見傳動系阻力與速度成一次項正相關(guān)，其中機(jī)械阻力主要存在于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)阻力部分，而液力阻力由于主要影響因素為潤滑油，所以主要體現(xiàn)在車橋及變速箱系統(tǒng)中。

表4 車橋阻力扭矩值－速度關(guān)系表

速度/kph 102030405060708090100110120 車橋扭矩值/nm7.59.210.911.713.414.615.716.817.518.619.820.9

表5 變速箱系統(tǒng)阻力扭矩值－速度關(guān)系表

速度/kph 102030405060708090100110120 變速箱扭矩值/nm4.96.57.89.911.112.313.714.915.816.817.819.2

圖7 車橋阻力扭矩－速度關(guān)系圖

車橋系統(tǒng)需要潤滑，所以液力阻力在其中得到了體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為與速度成一次正相關(guān)。

圖8 變速箱系統(tǒng)阻力扭矩－速度關(guān)系圖

表6 整車行駛阻力各部分占比表

車速/(km/h)輪胎滾動阻力占比制動器阻力占比傳動系統(tǒng)阻力占比整車內(nèi)阻 車橋阻力占比變速箱阻力占比發(fā)動機(jī)阻力占比 1041.826.314.49.48.1100 2044.322.515.210.87.3100 3045.320.816.211.66.1100 404619.21613.55.3100 5046.917.516.813.95100 6047.41617.114.55.1100 7047.915.517.215.14.3100 8048.214.617.615.64100 9047.814.317.715.94.3100 10047.413.718.416.63.9100 11046.113.419.317.33.9100 12044.113.620.118.53.8100

變速箱在工作時需要大量的變速箱油提供潤滑和散熱。從試驗數(shù)據(jù)中可以看出，變速箱系統(tǒng)阻力數(shù)據(jù)擬合的一次項系數(shù)為0.127 4，而車橋的一次項系數(shù)為0.117 8，所以，相對于車橋來說，變速箱系統(tǒng)液力阻力表現(xiàn)得更為明顯。

圖9 整車行駛阻力各部分占比圖

從整車阻力角度來看，汽車行駛過程中的阻力主要是輪胎滾阻、制動器摩擦阻力、傳動系統(tǒng)阻力三個部分組成，其中各部分占比分別約為46.1%、17.3%、36.6%，而其中傳動系統(tǒng)中車橋阻力、變速箱系統(tǒng)阻力、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)阻力又分別約為17.2%、14.3%、5.1%。站在降低整車行駛阻力的角度，改善輪胎滾動阻力是非常必要且可行性非常高的一個方案。從經(jīng)濟(jì)性的角度來說，改變輪胎滾阻的方案同樣是最經(jīng)濟(jì)有效的，從可行性上來說也一致。

3 結(jié)束語

整車在行駛過程中產(chǎn)生阻力是不可避免的，切實有效地去降低阻力，是一個長期的工作。即使通過數(shù)據(jù)分析出了有效地改善方案，但是滾動阻力不可能無限小，否則車輛就會打滑，無法正常工作，找到那個改善的平衡點至關(guān)重要。后續(xù)也可以從改善制動器與輪轂之間的摩擦力，提升車橋、變速箱制造裝配精度、選用更契合的潤滑油等方面去探索有效降低整車行駛阻力的方案。

[1] 吳海燕,石晶.汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2018,8(08):8-9.

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

[3] 羅雄,劉易斯.汽車道路滑行阻力的研究[J].汽車科技,2019(06): 19-22.

[4] 環(huán)境保護(hù)部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法:GB18352. 6—2016[S].北京:中國環(huán)境出版社,2016.

Research on Vehicle Tire Rolling Resistance and Transmission Resistance

XU Chan, GONG Chunhui, LIU Haifeng

（Jiangling Motors Co., Ltd., Vehicle Performance and Testing Department, Jiangxi Nanchang 330044）

In order to reduce the fuel consumption and optimize the emission of the whole vehicle, this paper studies one of the main influencing factors-running resistance. In this paper, the rolling resistance of tire and drum surface, the friction resistance of brake and wheel hub, and the internal resistance of transmission system are measured by four-wheel-drive Chassis dynamometer and hybrid power bench. It is found that the driving resistance of the whole vehicle can be mainly attributed to the rolling resistance between the tire and the ground, the internal resistance of the transmission system and the wind resistance. Among them, the improvement of rolling resistance is feasible and plays a key role. Therefore, the effective way to reduce the vehicle running resistance is to reduce the vehicle rolling resistance.

Driving resistance;Fuel consumption;Rolling resistance

U463.341

A

1671-7988(2021)24-86-04

U463.341

A

1671-7988(2021)24-86-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.019

徐蟬（1990—），男，江西南昌人，碩士，中級機(jī)械工程師，就職于江鈴汽車股份有限公司，主要從事整車環(huán)境模擬試驗方面的研究。