輪胎滾阻對(duì)整車(chē)油耗影響的差異分析與整車(chē)油耗一致性控制研究

吳倡激、鐘遠(yuǎn)銘、全亞、蘭日輝

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

隨著汽車(chē)保有量的增多，給環(huán)境污染帶來(lái)極大的負(fù)擔(dān)，而燃油汽車(chē)的尾氣排放則是造成霧霾的主要因素之一。因此從節(jié)能減排方面來(lái)說(shuō)，降低汽車(chē)油耗已成為社會(huì)普遍共識(shí)。

據(jù)生產(chǎn)一致性油耗抽檢測(cè)試記錄統(tǒng)計(jì)顯示，本司A 平臺(tái)和B平臺(tái)各車(chē)型油耗結(jié)果波動(dòng)較大；甚至有些結(jié)果超出公告限值，給油耗一致性控制帶來(lái)抽查不過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)。若油耗抽查不過(guò)，不僅影響量產(chǎn)車(chē)型售賣(mài)與新車(chē)型上公告，而且會(huì)影響公司信譽(yù)。因此，急需控制整車(chē)油耗波動(dòng)實(shí)現(xiàn)降低油耗值。

1 現(xiàn)狀調(diào)查并確定目標(biāo)

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)

通過(guò)生產(chǎn)一致性油耗抽樣統(tǒng)計(jì)表，對(duì)本司A 平臺(tái)和B 平臺(tái)同配置不同車(chē)型（0 km）進(jìn)行油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。主要車(chē)型測(cè)試結(jié)果顯示（圖1），公司主要乘用車(chē)油耗波動(dòng)在0～0.40 L/100 km。

圖1 各車(chē)型油耗波動(dòng)

為了評(píng)價(jià)本司各車(chē)型油耗波動(dòng)是否合理，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)2 家合資車(chē)企的車(chē)輛進(jìn)行油耗波動(dòng)水平調(diào)查可知，這2 家合資車(chē)企的油耗波動(dòng)幅度均為0～0.20 L/100 km。通過(guò)對(duì)比可以看出，本司A 平臺(tái)和B 平臺(tái)車(chē)型的油耗波動(dòng)值遠(yuǎn)大于合資車(chē)型（圖2）。

圖2 與合資車(chē)型油耗波動(dòng)對(duì)比

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)各個(gè)車(chē)型的油耗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)車(chē)型有部分車(chē)輛油耗能夠直接滿足公告值，但油耗波動(dòng)幅度大，平均值被拉高，加大了油耗不合格風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 新車(chē)（0 km）油耗調(diào)查

對(duì)A 平臺(tái)同配置的所有車(chē)型進(jìn)行新車(chē)（0 km）油耗統(tǒng)計(jì)。將油耗值由大到小排列，截取較小油耗值并且樣本數(shù)選為總測(cè)試次數(shù)的30%，進(jìn)行平均計(jì)算（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)全部車(chē)型30%最小平均值仍不滿足其公告值上偏差（公告值×1.04）。

圖3 A 平臺(tái)各車(chē)型（0 km）油耗統(tǒng)計(jì)

1.3 磨合后（3 000 km）油耗調(diào)查

A 平臺(tái)各車(chē)型磨合后（3 000 km）油耗情況如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)車(chē)型中還是有部分車(chē)輛油耗能夠直接滿足公告值。需要說(shuō)明的是，將沒(méi)有一款車(chē)型能夠直接滿足公告值定義為第一種情況；有4 款車(chē)型油耗值在公告值上偏差之內(nèi)，即第二種情況；有2 款車(chē)油耗值超過(guò)公告值上偏差，即第三種情況?？梢?jiàn)，應(yīng)對(duì)國(guó)家質(zhì)量檢測(cè)中心的抽查測(cè)試會(huì)有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 A 平臺(tái)各車(chē)型的油耗風(fēng)險(xiǎn)

另外根據(jù)B 平臺(tái)S 系列車(chē)型抽查的新車(chē)（0 km）油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖4），發(fā)現(xiàn)S 系列同樣存在個(gè)別車(chē)輛不滿足其公告值上偏差（公告值×1.04）。而且整年度抽查結(jié)果顯示，油耗波動(dòng)值達(dá)0.36 L/ 100 km。

圖4 S 系列不同配置車(chē)型（0 km）油耗統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)各個(gè)車(chē)型的油耗數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各車(chē)型都有部分車(chē)輛油耗能夠直接滿足公告值，但油耗波動(dòng)幅度大，

平均值被拉高，加大油耗不合格風(fēng)險(xiǎn)。因此油耗不符合公告值上偏差的問(wèn)題癥結(jié)是：整車(chē)油耗波動(dòng)幅度大。

1.4 目標(biāo)制定

經(jīng)本司相關(guān)部門(mén)溝通討論后，根據(jù)A 平臺(tái)和B 平臺(tái)各車(chē)型配不同輪胎測(cè)出的油耗差異，以及對(duì)比其他合資車(chē)企的油耗波動(dòng)范圍，對(duì)本司新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)控制制定以下目標(biāo)：油耗異常波動(dòng)幅度由0～0.40 L/100 km 降低到0～0.25 L/100 km。

2 原因分析

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，影響燃油經(jīng)濟(jì)性的因素有很多，主要包括：人員測(cè)試技能、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器效率、熱效率、寄生損失、滾動(dòng)阻力、空氣阻力以及整車(chē)質(zhì)量等。因此通過(guò)運(yùn)用人、機(jī)、料、法、環(huán)將影響因素逐一分解，列出整車(chē)油耗影響因素矩陣（圖5）。經(jīng)過(guò)討論和分析，挑選出8 個(gè)最有可能影響油耗的因素：測(cè)試員工駕駛車(chē)輛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)鼓穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)總成一致性、變速器總成一致性、輪胎總成一致性、進(jìn)排氣總成一致性、車(chē)輛磨合方法差異以及試驗(yàn)前車(chē)輛準(zhǔn)備差異。隨后需要逐一進(jìn)行要因確認(rèn)。

圖5 影響整車(chē)油耗因素矩陣圖

2.1 員工駕駛車(chē)輛穩(wěn)定性分析

經(jīng)過(guò)查驗(yàn)，油耗測(cè)試時(shí)，測(cè)試員工嚴(yán)格按照GB/T 12545.1—2008《汽車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法.第1 部分:乘用車(chē)燃料消耗量試驗(yàn)方法》和GB18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》執(zhí)行，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)違反操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的現(xiàn)象。但是每個(gè)員工試車(chē)技能熟練程度以及每天心情狀態(tài)都會(huì)影響到控制加速踏板和制動(dòng)踏板的準(zhǔn)確性與重復(fù)性，這是無(wú)法避免的因而必然會(huì)使油耗測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生波動(dòng)。

2.2 轉(zhuǎn)鼓穩(wěn)定性分析

將一臺(tái)已經(jīng)磨合3 000 km 的標(biāo)桿車(chē)在同一個(gè)轉(zhuǎn)鼓上重復(fù)多次試驗(yàn)，以驗(yàn)證駕駛員以及設(shè)備的穩(wěn)定性?？倻y(cè)試樣本量為78臺(tái)次，每個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（圖6）?？梢园l(fā)現(xiàn)，各個(gè)月的平均值最大差值約為0.10 L/100 km；而同一個(gè)月份內(nèi)極差可達(dá)0.20 L/100 km。

圖6 整車(chē)排放轉(zhuǎn)鼓的穩(wěn)定性驗(yàn)證

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)總成一致性分析

對(duì)54 臺(tái)次發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行抽查，可覆蓋所有機(jī)型，主要監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min 時(shí)的油耗率。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率指標(biāo)都能落到控制目標(biāo)值的±4%偏差內(nèi)。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率等指標(biāo)也能夠滿足要求，總體表現(xiàn)穩(wěn)定。此外，將2 臺(tái)油耗率差異3%的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配至同一輛車(chē)上測(cè)試油耗，結(jié)果顯示對(duì)應(yīng)的整車(chē)油耗沒(méi)有顯著差異。

2.4 變速器總成一致性分析

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568—2019《汽車(chē)機(jī)械式變速器總成技術(shù)條件及臺(tái)架試驗(yàn)方法》對(duì)裝配的2 款變速器效率開(kāi)展測(cè)試，測(cè)試條件為：變速器油溫為80℃；負(fù)荷為100%；轉(zhuǎn)速分別為4 000 r/min 和3 500 r/min。測(cè)試后G1 和G2 變速器綜合效率分別96.0%與96.2%，均滿足綜合效率達(dá)到94.0%的要求，并且無(wú)顯著差異。但是根據(jù)阻滯力測(cè)試條件，對(duì)2 款變速器的各擋位平均阻滯力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，G1 變速器的阻滯力明顯大于G2，特別是在高擋位（圖7）。

圖7 G1 與G2 變速器平均阻滯力比較

經(jīng)過(guò)討論變速器對(duì)整車(chē)油耗的影響，需采用更規(guī)范測(cè)試及評(píng)價(jià)方法，因此決定變速器一致性對(duì)油耗貢獻(xiàn)另設(shè)專題深入研究，本文不展開(kāi)具體討論。

2.5 輪胎總成一致性分析

輪胎滾動(dòng)阻力（以下簡(jiǎn)稱滾阻）分為靜摩擦力和彈力損耗。靜摩擦力是指物體在滾動(dòng)的過(guò)程中由于接觸面的不斷變化而形成的摩擦力。當(dāng)輪胎在滾動(dòng)時(shí)（輪胎主動(dòng)旋轉(zhuǎn)而使使車(chē)輛前進(jìn))，輪胎與地面的靜摩擦力則是前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，而不再是阻力。車(chē)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪胎由于受到壓力而不斷產(chǎn)生形變，壓力的方向不是垂直于地面，而是指向圓心。輪胎在恢復(fù)形變產(chǎn)生的力經(jīng)過(guò)分解，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一部分的阻力，這就是彈力損耗。

降低輪胎的滾阻可減少車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力，從而達(dá)到更高的動(dòng)能轉(zhuǎn)換率。現(xiàn)代汽車(chē)滾阻造成的油耗占整車(chē)油耗的14%～17%，滾阻每降低10%，油耗可降低1%～2%，所以在車(chē)輛風(fēng)阻無(wú)法克服的情況下，降低滾阻是非常實(shí)用的。同等汽車(chē)質(zhì)量條件下，輪胎滾阻系數(shù)越小，則整車(chē)滑行距離越長(zhǎng)，整車(chē)阻力越小。輪胎結(jié)構(gòu)及滾阻分布如圖8所示。

圖8 輪胎結(jié)構(gòu)及滾阻分布

對(duì)A 平臺(tái)S 系列和B 平臺(tái)S 系列同配置配不同品牌輪胎進(jìn)行新車(chē)（0 km）油耗統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。A平臺(tái)S 系列樣本車(chē)型測(cè)試4 臺(tái)車(chē)，配T1 輪胎樣本油耗均值為7.79 L/100 km，配T2 輪胎樣本油耗均值為7.72 L/100 km；B 平臺(tái)S 系列樣本車(chē)型測(cè)試6 臺(tái)車(chē)，配T1 輪胎樣本油耗均值為6.50 L/100 km，配T3 輪胎樣本油耗均值為6.45 L/100 km。

圖9 A 平臺(tái)S 系列新車(chē)（0 km）樣本油耗統(tǒng)計(jì)

圖10 B 平臺(tái)S 系列新車(chē)（0 km）樣本油耗統(tǒng)計(jì)

輪胎總成受材料、配方和工藝等多種因素影響而使整車(chē)滾動(dòng)阻力波動(dòng)。通過(guò)互換不同供應(yīng)商、不同批次的輪胎，在A 平臺(tái)S系列和B 平臺(tái)S 系列車(chē)型上驗(yàn)證對(duì)整車(chē)油耗的影響。從抽查情況來(lái)看，輪胎總成影響整車(chē)油耗波動(dòng)達(dá)0.05～0.07 L/100 km。

根據(jù)《2012—2020年乘用車(chē)燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能技術(shù)節(jié)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告》，查得輪胎滾阻與油耗關(guān)系如圖11所示，說(shuō)明車(chē)輛的滾動(dòng)阻力越大，油耗也隨之增高。另外分別針對(duì)A 平臺(tái)S 系列和B 平臺(tái)S 系列同一型號(hào)車(chē)型，配置不同供應(yīng)商的輪胎進(jìn)行滾阻測(cè)試抽樣檢測(cè)，可以看出同一型號(hào)不同供應(yīng)商輪胎的滾阻存在差異（表2）。而通過(guò)油耗仿真測(cè)試結(jié)果也可以確定，輪胎滾阻對(duì)油耗影響確實(shí)為主要因素。

表2 A 平臺(tái)S 系列和B 平臺(tái)S 系列輪胎滾阻及仿真油耗結(jié)果

圖11 輪胎滾阻與油耗關(guān)系曲線

2.6 進(jìn)排氣總成一致性分析

進(jìn)排氣總成一致性不好，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率以及排氣能力帶來(lái)波動(dòng)，從而給整車(chē)油耗帶來(lái)波動(dòng)。通過(guò)抽查與記錄測(cè)試過(guò)程中進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力以及排氣背壓的變化，可發(fā)現(xiàn)同款同配置車(chē)型的這些參數(shù)并沒(méi)有很大的差異。

2.7 車(chē)輛磨合方法差異分析

在測(cè)試油耗的NEDC 工況（New European Driving Cycle，即新標(biāo)歐洲駕駛周期）中，低擋位低車(chē)速的運(yùn)行工況居多。如果在磨合過(guò)程中，低擋位（1 擋和2 擋）沒(méi)有得到充分磨合，或者說(shuō)是低擋位磨合的規(guī)范不一樣，也會(huì)導(dǎo)致油耗波動(dòng)。新車(chē)磨合3 000 km 左右，對(duì)于前驅(qū)車(chē)輛可降低油耗約2%，后驅(qū)車(chē)輛可降低油耗4%左右。但是從質(zhì)量部抽查的量產(chǎn)新車(chē)以及磨合3 000 km 后的車(chē)輛油耗測(cè)試結(jié)果來(lái)看，油耗波動(dòng)均為4%左右。即油耗波動(dòng)與車(chē)輛磨合與否沒(méi)有直接關(guān)系。

2.8 試驗(yàn)前車(chē)輛準(zhǔn)備差異分析

油耗測(cè)試前要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架預(yù)處理，經(jīng)過(guò)特定區(qū)域大約6 h 的浸車(chē)，才能進(jìn)行正式油耗試驗(yàn)。因此整車(chē)預(yù)處理過(guò)程的整車(chē)狀態(tài)與試驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)是否一致，以及浸車(chē)區(qū)域的溫度和濕度，都會(huì)影響最終的油耗結(jié)果。為此，需要嚴(yán)格記錄每一次油耗測(cè)試的初始條件，如初始水溫、輪胎胎壓、滑行曲線設(shè)置、蓄電池初始電壓、大氣壓力以及大氣溫度等。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前車(chē)輛狀態(tài)符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

3 輪胎總成一致性控制措施

針對(duì)要因制定相應(yīng)的對(duì)策和措施（表3）。以下主要針對(duì)輪胎總成一致性控制措施進(jìn)行論述。

表3 對(duì)策措施表

3.1 采用更為合理的輪胎滾阻的測(cè)試方法

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO 28580：2018《Passenger car,truck and bus tyre rolling resistance measurement method——Single point test and correlation of measurement results》（乘用車(chē)、商用車(chē)輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)量方法——單點(diǎn)試驗(yàn)和測(cè)量結(jié)果相關(guān)性）的測(cè)試規(guī)范中，只測(cè)量80 km/h 的輪胎滾阻值。由于輪胎在不同負(fù)載及車(chē)速下具有的滾阻不同，因此該標(biāo)準(zhǔn)不能體現(xiàn)出NEDC測(cè)試工況下輪胎真實(shí)的運(yùn)行條件。

為此，本研究將測(cè)試評(píng)價(jià)方法更改為美國(guó)SAE J 2452—1999《Stepwise Coastdown Methodology for Measuring Tire Rolling Resistance》（輪胎滾動(dòng)阻力逐步衰減檢測(cè)法）測(cè)試評(píng)價(jià)方法。此評(píng)價(jià)方法能更多地反應(yīng)輪胎在不同工況下的滾阻值，更符合輪胎滾阻的真實(shí)評(píng)價(jià)。按照SAE J2452-1999 標(biāo)準(zhǔn)抽取一定數(shù)量的不同供應(yīng)商輪胎樣本進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 A 平臺(tái)S 系列和B 平臺(tái)S 系列輪胎滾阻及仿真油耗結(jié)果

圖12所示為不同供應(yīng)商輪胎采用SAE J2452-1999 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的滾阻對(duì)比，從測(cè)試結(jié)果可以看出，T2 ＜T1，T3 ＜T1。圖13所示為不同供應(yīng)商輪胎滾阻仿真油耗對(duì)比，可以看出A 平臺(tái)S 系列5MT 車(chē)型測(cè)試結(jié)果：T1 比T2 高0.09 L/100 km；B 平臺(tái)S 系列6MT 車(chē)型測(cè)試結(jié)果：T1 比T3 高0.07 L/100 km。滾阻測(cè)試和仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)油耗結(jié)果基本一致，兩種供應(yīng)商中T1 滾阻最高，影響油耗約0.05～0.10 L/100 km。

圖12 采用SAE 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試不同供應(yīng)商輪胎滾阻對(duì)比

圖13 不同供應(yīng)商輪胎滾阻仿真油耗對(duì)比

3.2 提出更規(guī)范的輪胎評(píng)價(jià)指標(biāo)

以新的輪胎滾阻評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輪胎供應(yīng)商提出更為規(guī)范的輪胎評(píng)價(jià)指標(biāo)。以A 平臺(tái)S 系列新品車(chē)型R 的開(kāi)發(fā)來(lái)驗(yàn)證措施實(shí)施的有效性。R 車(chē)型前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先將油耗目標(biāo)分解到各個(gè)子系統(tǒng)，然后根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)目標(biāo)值提出關(guān)鍵控制指標(biāo)。例如輪胎對(duì)油耗影響的關(guān)鍵控制指標(biāo)為輪胎滾阻，根據(jù)分解到輪胎的目標(biāo)，對(duì)輪胎滾阻結(jié)合SAE 測(cè)試進(jìn)行量化，提出最終輪胎的滾阻目標(biāo)。

根據(jù)A 平臺(tái)S 系列車(chē)型R 油耗目標(biāo)分解到輪胎系統(tǒng)的目標(biāo)值，對(duì)輪胎滾阻系數(shù)提出了7.5‰的要求，并指定供應(yīng)商提供符合SAE 測(cè)試結(jié)果為7.5‰滾阻系數(shù)的輪胎。通過(guò)輪胎SAE測(cè)試得出的參數(shù)進(jìn)行油耗仿真驗(yàn)證及實(shí)車(chē)油耗驗(yàn)證，得出測(cè)試結(jié)果如表5所示。仿真油耗數(shù)據(jù)顯示,油耗波動(dòng)幅度控制在0～0.25 L/100 km，達(dá)成目標(biāo)。

表5 R 車(chē)型輪胎滾阻及仿真油耗結(jié)果

3.3 加強(qiáng)供應(yīng)商對(duì)輪胎滾阻生產(chǎn)一致性控制

結(jié)合SAE 測(cè)試結(jié)果對(duì)產(chǎn)品滾阻進(jìn)行量化，并對(duì)供應(yīng)商提出在產(chǎn)輪胎滾阻波動(dòng)范圍，加強(qiáng)供應(yīng)商對(duì)輪胎滾阻生產(chǎn)一致性控制,以降低輪胎滾阻波動(dòng)對(duì)整車(chē)油耗的影響。

4 效果對(duì)比

將輪胎滾阻生產(chǎn)一致性控制推廣至其他車(chē)型，與沒(méi)有進(jìn)行控制之前對(duì)比，油耗波動(dòng)值能夠控制在0.25 L/100 km 內(nèi)（圖14）。本研究最初的目標(biāo)達(dá)成。

圖14 A 平臺(tái)和B 平臺(tái)油耗一致性控制結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

輪胎滾阻生產(chǎn)一致性控制可以顯著減小整車(chē)油耗波動(dòng)，提高整車(chē)油耗一致性，減小法規(guī)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)又提高企業(yè)信譽(yù)。加強(qiáng)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的試驗(yàn)研究，降低輪胎滾動(dòng)阻力對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。當(dāng)然，除了輪胎生產(chǎn)一致性控制以外，其他主要因素的分析同樣重要，需要另外進(jìn)行專題深入研究解決。