乘用車道路滑行阻力試驗影響因素分析

劉可 方超群 費上寶 張旎 向鑫

摘 要：通過研究汽車道路滑行阻力試驗方法，可以為降低道路滑行阻力提出改進方向，從而達到降低能耗的目的。本文采用控制單一變量的方法，通過實車道路滑行試驗，研究了汽車空調開閉、輪胎磨損度、熱車時間和載荷分布等試驗影響因素對于滑行阻力試驗結果的影響。試驗結果表明：汽車空調開啟對于燃油車的滑行阻力影響較大，對于純電動車幾乎無影響；輪胎磨損度對于滑行阻力影響較大；熱車時間超過20min后再增長時間熱車對滑行阻力影響很小；載荷分布對于滑行阻力影響很小。以上研究結果可為車企開展道路滑行阻力試驗提供一定的指導意義。

關鍵詞：道路滑行阻力；空調開閉；輪胎磨損度；熱車時間；載荷分布

中圖分類號：U467.1+1? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）02-0008-06

Study on Influence Factors of Road Sliding Resistance Test of Passenger Vehicles

LIU Ke1， FANG Chao-qun2， FEI Shang-bao2 ， Zhang Ni2 ， Xiang xin1

（ 1. National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang）， Xiangyang 441004， Chin; 2. Dongfeng Motor Corporation Technology Center， Wuhan 430056， China）

Abstract： By studying the test method of vehicle road sliding resistance， the improvement direction for reducing road sliding resistance can be proposed， so as to reduce energy consumption. In this paper， the method of controlling a single variable is used to study the influence of the test factors such as the air conditioner on or off， the tire wear degree， the duration of vehicle warm-up and the load distribution on the sliding resistance test results through the real vehicle road sliding test. The test results show that the starting of automobile air conditioner has a great influence on the sliding resistance of fuel vehicles， and has little influence on pure electric vehicles; The tire wear degree has a great influence on the sliding resistance;The duration of vehicle warm-up has little effect on the sliding resistance when it exceeds 20min;? Load distribution has little effect on the sliding resistance. The above research results can provide guidance for vehicle enterprises to carry out road sliding resistance test.

Key Words： Road Sliding Resistance; Air Conditioning On or Off; Tire Wear Degree; Vehicle Warm-Up; Load Distribution

劉? ?可

畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學（威海），交通運輸專業(yè)，本科學歷，現(xiàn)就職于國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽），任整車集成室性能試驗主管工程師，主要負責汽車動力經濟性試驗、耐久可靠性能試驗等工作。

前? ?言

為驅動汽車產業(yè)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，近年來國家相繼出臺了五階段油耗限值標準[1]和新版雙積分政策，這使得汽車企業(yè)面臨非常大的油耗壓力。目前工信部及汽車企業(yè)測試油耗均在底盤測功機上進行，其前提需要給底盤測功機輸入待測汽車的道路滑行阻力系數[2]。因此準確測量和降低道路滑行阻力對于降油耗有著非常重要的意義，其中從優(yōu)化試驗方法層面來降低道路滑行阻力是很多科研機構和主機廠都很關注的。

方茂東[3]的研究成果指出試驗條件（道路、風、環(huán)境溫度和氣壓）對道路滑行試驗結果有明顯影響，因此應將道路滑行試驗結果修正到標準條件狀態(tài)。熊福明等[4-7]對輪胎氣壓、四輪定位、封閉輪轂、整備質量、輪胎寬度、輪胎橡膠材料、地面摩擦系數、路面溫度、輪胎花紋、環(huán)境溫度、前格柵密封與否及輪胎寬度等因素進行了實車驗證研究，驗證了以上因素對滑行阻力試驗的影響。王博文團隊[8]研究了不同的數據處理方法對滑行試驗精度的影響，其提出積分法處理滑行數據可以獲取更高的精度。易金花等[9-12]研究了不同的試驗方法（風洞法、滑行法、計算法、查表法）對于滑行結果的影響，驗證了風洞法的有效性，同時指出了計算法和查表法與滑行法的結果差異很大。綜上所述，以上研究結果主要從試驗場地、試驗環(huán)境條件、試驗對象狀態(tài)、試驗方法及試驗數據處理方法五個方面對道路滑行試驗進行了研究。由于影響汽車道路滑行阻力的因素較多，本文結合長期道路滑行試驗的經驗，在以上的研究基礎上，對道路滑行試驗影響因素進行了補充研究，主要包括汽車空調開閉、輪胎磨損度、預熱時間及載荷分布對于滑行試驗結果的影響。

1? ? 汽車道路滑行試驗

1.1? ?滑行試驗理論基礎

汽車在空擋滑行的過程中，受到各種與行駛方向相反的作用力，這些力的總和稱為滑行阻力。根據汽車滑行時的受力分析，滑行阻力主要包括風阻Ff、滾動阻力Fg、坡道阻力Fi和傳動系統(tǒng)內阻Fw。因此滑行阻力Fj可用如下力學方程表示：

根據牛頓第二定律，汽車滑行阻力可以由下式表達：

式中：mv為汽車質量；mr為汽車旋轉部件的等效質量；a為汽車滑行時的減速度；vj為基準速度（20，30，40……130）；?tj為汽車從vj+?v減速滑行至vj-?v的時間；一般取?v=5km/h，不影響測量結果的準確性[3]。

由以上方法可以得到不同基準速度對應的滑行阻力，其可表達為Fj=f（vj），一般行業(yè)內普遍認為的滑行阻力與速度的數學模型為下式：

根據各個基準速度點對應的滑行阻力Fj按照最小二乘法進行擬合，可以算出A，B，C道路載荷系數。

1.2? ?實車道路滑行試驗方案設計

試驗方案選取了3種車型，包括燃油轎車、純電轎車及燃油SUV。由于實車道路滑行試驗是在開放的環(huán)境中進行的，比較容易受到干擾，為了確保試驗結果的準確性，本文的研究方法主要采用了控制單一變量法，每次試驗均需嚴格控制各項邊界條件。汽車滑行試驗在滿足GB/T12536的前提下，試驗邊界控制要求如下：

a）試驗場地：所有的試驗均在同一場地的同一條道路上往返開展，確保試驗不受場地影響；

b）試驗環(huán)境條件：試驗環(huán)境溫度差異控制在±1.5℃以內，試驗均選擇在夜間幾乎無風的時候開展，大氣壓控制在1kpa以內，試驗需規(guī)避太陽照射地面和輪胎帶來的不確定的影響；

c）試驗對象要求：確保每次試驗樣車狀態(tài)完全一致，包括四輪定位、車輪總成（輪胎磨損度、輪胎類型、輪輞外觀、胎壓）、車輛外觀、預熱時間、空調狀態(tài)及載荷分布等，試驗樣車至少行駛3000km以上；

d）試驗方法：試驗采用固定式風速儀法；

e）試驗數據處理方法：完全保持一致。

為保證試驗結果的準確性，每個試驗影響因素的驗證均需至少重復1次，如2次試驗結果差異較大，則需再重復進行試驗，直到獲取準確地試驗結果。最終將每次試驗結果均校正到基準狀態(tài)（20℃環(huán)境溫度、100kpa），再求其平均值，進行對比分析。

2? ? 滑行試驗影響因素驗證與分析

2.1? ?空調開啟或關閉對滑行阻力的影響

試驗選取了車型1（燃油車）和車型2（純電動車），分別對2臺車在空調開啟和關閉兩種不同狀態(tài)時進行了道路滑行試驗。下表1是2個車型空調開啟和關閉狀態(tài)測試的滑行阻力結果。

從表1可以看出，對于車型1（燃油車），空調開啟時滑行阻力方程的二次項系數為0.0256，空調關閉時滑行阻力方程的二次項系數為0.0351，一般認為風阻和滾動阻力與速度的二次方相關[13]，而空調開閉不會影響測試車輛滾動阻力，這說明空調開閉對于燃油車的風阻影響較大。對于車型2（純電動車），空調開啟與關閉時的滑行阻力二次項系數差異很小，說明空調開閉對于純電動車的風阻影響很小。

空調開閉對于道路滑行阻力的影響在燃油車與純電動車上的表現(xiàn)差異較大，這主要是由于燃油車機艙與純電動車機艙結構上有很大差異導致的。燃油車前格柵是通風的，其后部有風扇及空調冷凝器等零件，當空調開啟時，燃油車發(fā)動機負荷會加大，產生更多的熱量，就更容易使得風扇頻繁工作，而風扇的旋轉會改變從前格柵進入的氣流形態(tài)，從而導致風阻發(fā)生變化。純電動車由于其前格柵是封閉的，空調開閉與否并不影響風場氣流形態(tài)，也就不會對其風阻產生影響。

2.2? ?不同輪胎磨損度對滑行阻力的影響

對同一臺車，分別安裝兩種不同磨損度的輪胎進行了道路滑行試驗，其中輪胎1的磨損度為5%，輪胎2的磨損度為20%，兩套輪胎均為同一批同品牌同尺寸的新胎經過磨合后制作而成。下表2是兩種不同磨損度輪胎的滑行阻力結果。

從表2試驗結果數據可以看到，所選取的某車型，其安裝20%磨損度的輪胎比5%磨損度的輪胎的滑行阻力平均小6.3%左右?？梢缘贸鲆韵陆Y論：隨著輪胎磨損度的增大，整車道路滑行阻力減小。

輪胎磨損度主要影響的是整車滾動阻力，結合輪胎滾動阻力產生的機理[14]，由于輪胎變形時材料的內摩擦產生彈性遲滯損失，使輪胎變形時所做的功不能全部收回，部分轉化為熱能而消失在大氣中，由于20%磨損度輪胎花紋深度比5%磨損度輪胎花紋深度小，因此20%磨損度輪胎在滾動過程中產生的形變較5%磨損度輪胎小，其產生的滾動阻力也就更小。

2.3? ?熱車時間長短對滑行阻力的影響

試驗選取了2臺車，車型1（燃油車）和車型2（純電動車），分別進行了20min熱車后滑行試驗和40min熱車后滑行試驗。下表3是不同熱車時間的滑行阻力結果。

從表3試驗結果數據可以看到，車型1（燃油車）兩種熱車時間的滑行阻力系數計算的循環(huán)能量差異為0.32%，車型2（純電動車）兩種熱車時間的滑行阻力系數計算的循環(huán)能量差異為0.22%。從試驗數據得出，熱車20min與熱車40min的滑行阻力系數計算的循環(huán)能量差異很小。由此可見對于一般轎車，熱車超過20min后，整車傳動系統(tǒng)阻力已經達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，不會隨著熱車時間加長而減小。

2.4? ?不同載荷分布對滑行阻力的影響

同一臺車，分別將配重的沙袋放在前排副駕和后排兩種狀態(tài)進行道路滑行試驗，兩種狀態(tài)配重的質量保持一致。試驗選取了1臺轎車和1臺SUV車型進行了驗證，下表4是沙袋放前排和沙袋放后排的道路滑行阻力試驗結果。

從表4試驗數據看到，車型1沙袋放前排的滑行阻力計算的循環(huán)能量與沙袋放后排的滑行阻力計算的循環(huán)能量差異為0.24%，車型2沙袋放前排的滑行阻力計算的循環(huán)能量與沙袋放后排的滑行阻力計算的循環(huán)能量差異為0.44%。兩個車型，沙袋放前排與沙袋放后排的滑行阻力計算的循環(huán)能量差異很小，由此可以得出以下結論：載荷分布對于滑行阻力的影響很小。

理論上，沙袋放前排和沙袋放后排會導致汽車的姿態(tài)發(fā)生變化，從而會引起汽車的風阻發(fā)生變化。而實際上這種變化較小，在以上試驗中，車型1和車型2按照不同的方式進行配重沙袋的放置，車輛姿態(tài)變化結果如表5所示。

從表5可以看出，載荷分布不同對汽車的姿態(tài)影響很小，對滑行阻力的影響很小。這主要是因為國六標準對于測試質量有明確的要求，測試質量為基準質量、選裝裝備質量及代表性負荷質量之和[2]，一般普通轎車的配載沙袋僅為75kg左右，沙袋放前排或放后排帶來的汽車姿態(tài)變化很小。

3? ? 總結

本文通過實車試驗研究驗證了空調開閉、輪胎磨損度、預熱時間及載荷分布等因素對于道路滑行阻力的影響，主要試驗結論如下：

1）汽車空調開啟或關閉對于燃油車的道路滑行阻力影響較大，對于純電動車的道路滑行阻力幾乎無影響，這主要是因為汽車空調開啟會影響燃油車風阻，而不會影響純電動車風阻。

2）汽車輪胎磨損度對道路滑行阻力影響較大，主要由于輪胎磨損度越大，在輪胎滾動過程中輪胎的形變會越小，由此產生的輪胎彈性遲滯較小，帶來的能量損失較小。

3）對于普通轎車，熱車時間超過20min后，再增長熱車時間對道路滑行阻力的影響很小。

4）對于普通轎車，不同的載荷分布對道路滑行阻力影響很小，主要是由于滑行試驗要求的配載沙袋質量較小，不同的配載沙袋的放置位置對于整車姿態(tài)影響較小。

參考文獻：

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[14]何鋒，楊寧.汽車動力學[M].貴州科技出版社，2003.

專家推薦語

杜瑋珂

東風汽車股份有限公司

商品研發(fā)院工程驗證中心總師? 高級工程師

本文通過改變汽車空調開閉狀態(tài)、輪胎磨損程度、熱車時間和載荷分布等車輛條件，進行實車道路滑行試驗，研究以上試驗條件的變化對整車滑行阻力的影響。論文立題新穎，方法先進，書寫規(guī)范，條理清晰，層次分明、數據詳實、結論準確，在國內相關理論研究和試驗驗證中，屬于創(chuàng)新，在汽車開發(fā)驗證中具有較強的理論指導意義和實用價值。

本文不僅對傳統(tǒng)燃料乘用車作為研究對象，同時對純電動乘用車做了試驗驗證和理論分析，對新能源車輛的道路滑行阻力研究提供了數據支撐。