輕型商用車滑行阻力影響因素的試驗(yàn)研究

摘要：針對滑行阻力對汽車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的影響，基于汽車動(dòng)力性和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，采用控制變量法，從空氣阻力、滾動(dòng)阻力和內(nèi)部阻力三方面分別研究某輕型商用車滑行阻力的影響因素，實(shí)車測試不同方案下的滑行阻力，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：輕型商用車；滑行阻力試驗(yàn)；影響因素

中圖分類號(hào)：U467.1+1" "收稿日期：2023-10-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.028

1 前言

輕型商用車的滑行試驗(yàn)是指在車速達(dá)到某預(yù)定速度后，變速器摘至空擋，利用車輛動(dòng)能繼續(xù)行駛直至速度為0或者其他預(yù)定速度，滑行試驗(yàn)測得的滑行阻力參數(shù)，是研究輕型商用車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。近年來，隨著法規(guī)針對燃油車日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)及用戶對電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的關(guān)注，研究影響輕型商用車的滑行阻力因素成為熱點(diǎn)。

2 滑行阻力試驗(yàn)

2.1 汽車滑行阻力動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)理論

車輛在行駛過程中，要克服來自空氣的空氣阻力，來自地面的滾動(dòng)阻力，當(dāng)加速行駛時(shí)需克服車輛內(nèi)部阻力，當(dāng)汽車在坡道上行駛時(shí)，還需要克服重力在坡道的分力坡道阻力。在進(jìn)行滑行阻力測試時(shí)，依據(jù)法規(guī)對試驗(yàn)場地道路要求，坡道阻力可視為0，因此汽車行駛的總阻力可表達(dá)為：

[F=Ff+Fw+Fj]" " " " " " " " " " " " （1）

式中，F(xiàn)為汽車行駛的總阻力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力；Fj為內(nèi)部阻力。

滾動(dòng)阻力Ff可表達(dá)為：

[Ff=Gfcosα]" " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，G為汽車總重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，一般為速度的函數(shù)；α為坡度角度值，在滑行阻力試驗(yàn)場地中取0。

空氣阻力Fw可表達(dá)為：

[Fw=CDAu221.15]" " " " " " " " " nbsp; " " " " " "（3）

式中，CD為空氣阻力系數(shù)，一般為雷諾數(shù)的函數(shù)；A為迎風(fēng)面積，即汽車行駛方向的投影面積；u為汽車行駛速度。

內(nèi)部阻力Fj可表達(dá)為：

[Fj=δmdudt]" " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中，δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，主要與飛輪及車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比有關(guān)，δ＞1；m為汽車質(zhì)量；[dudt]為汽車行駛加速度。

綜上所述，汽車的行駛阻力可表達(dá)為：

[F=Gf+CDAu221.15+δmdudt]" " " " " " " " " " " " " （5）

進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)的主要目的在于測試車輛的滑行阻力，通過牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律將車輛滑行的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)系轉(zhuǎn)換，并將汽車行駛的總阻力表達(dá)為速度的二次多項(xiàng)式：

[F=cu2+bu+a]" " " " " " " " " " " " " " "（6）

2.2 滑行阻力試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)車輛及試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)采用東風(fēng)汽車股份有限公司某在研車型，在進(jìn)行試驗(yàn)前，已完成4 000 km的磨合行駛，并完成保養(yǎng)，試驗(yàn)車輛如圖1所示。

試驗(yàn)車輛相關(guān)參數(shù)如表1所示。

在本文中，所有的原型車都指的是圖1和表1中的量產(chǎn)車方案，即廂式車加導(dǎo)流罩方案，未做其他改裝，試驗(yàn)均加載至最大質(zhì)量4 495 kg，試驗(yàn)場地除特別說明外，全部在某試驗(yàn)場I期性能路完成，試驗(yàn)時(shí)的里程除特別說明外，主要集中在4 000 km～5 200 km之間。

試驗(yàn)設(shè)備采用Racelogic公司的VBOX數(shù)據(jù)采集器及配套GPS接收機(jī)，采樣頻率為100 Hz，速度精度為0.1 km/h，距離的精度為0.05%，時(shí)間的精度為0.01 s，滿足GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》附錄C的試驗(yàn)要求。

2.2.2 試驗(yàn)方案

本文采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，基于式（6），分別從影響空氣阻力、滾動(dòng)阻力及加速阻力的因素三方面進(jìn)行探討，嚴(yán)格遵守GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》附錄C行駛阻力測定方法中規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，為減小試驗(yàn)誤差，在進(jìn)行單一變量試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)往返進(jìn)行8次，并取8次的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 影響滑行阻力的因素

3.1 影響行駛空氣阻力的因素

相關(guān)研究表明，空氣阻力是整車滑行阻力中權(quán)重最大的，同時(shí)相較于乘用車，輕型商用車的駕駛室迎風(fēng)面積大，底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且可以選裝不同類型的車廂，因此影響輕型商用車滑行空氣阻力的因素更復(fù)雜。

3.1.1 駕駛室附件的影響

輕型商用車駕駛室造型相對方正，為了相關(guān)系統(tǒng)的功能需求，駕駛室外配備有導(dǎo)流罩、后視鏡和進(jìn)氣格柵等附件，本文采用表2所示試驗(yàn)方案，分析駕駛室各附件對滑行阻力的影響，其中試驗(yàn)方案1為氣動(dòng)最優(yōu)方案，即采用導(dǎo)流罩，封閉駕駛室前圍進(jìn)氣格柵，在駕駛室和車廂之間的縫隙處安裝過渡板，在車廂下側(cè)安裝側(cè)裙板，并且用流媒體攝像頭取代后視鏡，后續(xù)的方案2～6依次取消上述氣動(dòng)優(yōu)化方案，進(jìn)行滑行試驗(yàn)和擬合的滑行阻力曲線如圖2所示。

分析圖2可知，試驗(yàn)車的滑行阻力以車速40 km/h為臨界點(diǎn)，車速低于40 km/h時(shí)空氣阻力對滑行阻力影響不明顯，車速高于40 km/h時(shí)空氣阻力成為滑行阻力的主要影響因素。

車速高于40 km/h時(shí)，相較于原車型，采用氣動(dòng)最優(yōu)方案的試驗(yàn)方案1，滑行阻力平均下降23.75%；僅采用封閉進(jìn)氣格柵的試驗(yàn)方案2，滑行阻力平均下降15.35%；僅采用安裝駕駛室車廂過渡板的試驗(yàn)方案3，滑行阻力平均下降18.72%；僅采用安裝車廂裙邊的試驗(yàn)方案4，滑行阻力平均下降11.49%；僅采用攝像頭替代后視鏡的試驗(yàn)方案5，滑行阻力平均下降8.87%；取消所有氣動(dòng)優(yōu)化方案的試驗(yàn)方案6，滑行阻力平均增加16.26%。

3.1.2 車廂類型的影響

本試驗(yàn)通過保留導(dǎo)流罩換裝原型車的車廂，依次換裝為平板貨箱和倉欄貨箱，調(diào)整總重量為4 495 kg，擬合的滑行阻力曲線如圖3所示。

分析圖3可知，在u≤40 km/h時(shí)，相較于原型廂式車，平板廂和倉欄廂滑行阻力分別平均下降3.32%和2.17%，在40 km/h≤u≤90 km/h階段，相較于原型廂式車，平板廂和倉欄廂滑行阻力分別平均下降9.12%和4.07%，其原因?yàn)槿N車廂中，廂式車、倉欄車和平板車的迎風(fēng)面積遞減，導(dǎo)致在高速階段隨著車速的增加滑行阻力的增大趨勢遞增。

3.1.3 底盤平整度的影響

輕型商用車的底盤布置包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)軸、后橋及油箱和尿素箱等零部件，在行駛時(shí)，氣流通過底盤形成復(fù)雜的流場，成為行駛空氣阻力的重要組成部分。本試驗(yàn)利用硬紙板將底盤裸露外的零部件進(jìn)行遮擋，使底盤行成一個(gè)平板，與原型車分別進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖4所示。

分析圖4可知，在車速低于40 km/h時(shí)，底盤平整與否對滑行阻力影響較小。當(dāng)車速大于40 km/h時(shí)，隨著車速的增加，加裝了底盤平板方案滑行阻力比原車型阻力更小，平均減小7.62%。這是因?yàn)榧友b底盤平板后，底盤形成一個(gè)相對平整的整體，在車輛高速行駛時(shí)，氣流快速通過底盤，流場相對簡單，空氣阻力減小。

3.2 影響行駛滾動(dòng)阻力的因素

3.2.1 前輪定位參數(shù)的影響

試驗(yàn)樣車為4×2前置后驅(qū)車型，在出廠時(shí)會(huì)調(diào)整前輪定位參數(shù)至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，確保車輛正常行駛。出廠后前輪定位參數(shù)中僅能調(diào)整前束，本車型的前束設(shè)計(jì)值為（3±1）mm，試驗(yàn)時(shí)其他前輪定位參數(shù)保持出場設(shè)置不變，分別調(diào)整前束值為2 mm、4 mm和8 mm，進(jìn)行滑行試驗(yàn)后擬合得到滑行阻力曲線如圖5所示。

分析圖5可知，當(dāng)前束滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，前束2 mm及4 mm，滑行阻力曲線基本重合，當(dāng)前束為超過設(shè)計(jì)范圍的8 mm時(shí)，滑行阻力相較于前束正常時(shí)，平均增大3.72%，其原因?yàn)榍笆鲈O(shè)計(jì)范圍變大后，在同等載荷下，地面給輪胎的側(cè)向力一定，前束角增大后，前輪受到地面?zhèn)认蛄Ψ至υ龃?，因此阻力也增加?/p>

3.2.2 輪胎滾阻系數(shù)的影響

試驗(yàn)時(shí)，原型車采用原車胎和換裝行駛里程超過4 000 km的低滾阻輪胎，分別進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖6所示。

分析圖6可知：相較于原型車滾阻系數(shù)0.071的原裝輪胎，滾阻系數(shù)為0.063的低滾阻輪胎滑行阻力平均下降5.82%，隨著速度的增加，低滾阻系數(shù)的輪胎滑行阻力與非低滾阻輪胎的差距減小，其原因?yàn)榈蜐L阻輪胎的材料及結(jié)構(gòu)造成其彈性遲滯損失和滾動(dòng)阻力小于非低滾阻輪胎，所以滑行阻力會(huì)減小。

3.2.3 輪胎胎壓的影響

試驗(yàn)車的推薦輪胎氣壓為670 kPa，將試驗(yàn)車的輪胎氣壓分別調(diào)整到590 kPa、670 kPa和750 kPa，進(jìn)行滑行試驗(yàn)后擬合得到滑行阻力曲線如圖7所示。

分析圖8可知，當(dāng)輪胎氣壓為750 kPa，即高于氣壓推薦值時(shí)，滑行阻力相較于輪胎氣壓為670 kPa平均僅降低0.84%，滑行曲線基本重合。當(dāng)輪胎氣壓為590 kPa，低于推薦氣壓值時(shí)，在時(shí)速小于40 km/h階段，滑行阻力相較于輪胎氣壓為670 kPa平均升高5.84%，在時(shí)速大于40 km/h階段，滑行阻力相較于輪胎氣壓為670 kPa平均升高1.27%。其原因?yàn)楫?dāng)輪胎壓力減小，輪胎滾動(dòng)的變形量增大，導(dǎo)致輪胎內(nèi)部因摩擦產(chǎn)生的彈性遲滯損失增大，同時(shí)輪胎與地面的接觸面積變大，導(dǎo)致滾動(dòng)阻力增加。

3.2.4 試驗(yàn)路面的影響

本試驗(yàn)在某試驗(yàn)場不同性能路上完成，其中Ⅰ期性能路為水泥路面，摩擦因數(shù)為0.46，Ⅳ期性能路為瀝青路面，摩擦系數(shù)為0.6，保持其他條件不變進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖8所示。

分析圖8可知：相同車速下路面的附著系數(shù)越大，滑行阻力越大，附著系數(shù)增大30%，滑行阻力平均增加4.37%，并且路面附著系數(shù)對滑行阻力的影響與滑行車速不相關(guān)。

3.2.5 溫度的影響

本試驗(yàn)在同一天進(jìn)行，分別在上午6～8點(diǎn)（平均氣溫22.4 ℃，路面平均溫度為25 ℃），中午2～4點(diǎn)（平均氣溫31.5 ℃，路面平均溫度為51 ℃），需特別強(qiáng)調(diào)的是，本文中所有滑行試驗(yàn)開始前，均按照規(guī)范進(jìn)行30 min的60 km/h等速行駛熱車，滑行試驗(yàn)后擬合得到滑行阻力曲線如圖9所示。

分析圖9可知：與氣溫22.4 ℃（路面溫度25 ℃）相比，氣溫31.5 ℃（路面溫度51 ℃）時(shí)，滑行阻力平均下降5.24%。其原因?yàn)殡S著路面溫度的增加，輪胎的滾動(dòng)阻力會(huì)減小，且氣溫升高后，動(dòng)力總成的零部件潤滑效果會(huì)更佳，導(dǎo)致內(nèi)部阻力減小，綜上隨著溫度的升高，滑行阻力會(huì)隨之減小。

3.3 影響內(nèi)部阻力的因素

汽車滑行時(shí)內(nèi)部阻力主要與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱/傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小及傳動(dòng)比等因素相關(guān)，形成的原因復(fù)雜且理論研究不完善，本文基于大量的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，通過對滑行試驗(yàn)時(shí)影響較大的因素進(jìn)行探討。

3.3.1 車輛行駛里程的影響

分析前期大量的滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，滑行阻力和試驗(yàn)時(shí)車輛的行駛里程有一定的正相關(guān)，在車輛行駛至4 000 km、6 000 km、8 000 km及10 000 km時(shí)進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖10所示。

需要說明的是，本試驗(yàn)車輛在4 000～5 200 km完成滑行阻力研究實(shí)驗(yàn)后，繼續(xù)開展可靠性試驗(yàn)，5 200 km里程后續(xù)的試驗(yàn)里程需要乘以可靠性試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)25，因此6 000 km、8 000 km和10 000 km的滑行試驗(yàn)里程，相當(dāng)于用戶里程分別為25 200 km、75 200 km，125 200 km。分析圖10可知，相較于初始里程4 000 km，行駛里程每增加2 000 km，滑行阻力平均分別約增加1.35%、3.29%、5.77%，其原因?yàn)殡S著里程的增加，動(dòng)力總成和傳動(dòng)系的磨損惡化嚴(yán)重，內(nèi)阻變大，從而導(dǎo)致滑行阻力變大。

3.3.2 車輛保養(yǎng)狀態(tài)的影響

同樣由前期的大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知，車輛保養(yǎng)的情況會(huì)影響滑行阻力，試驗(yàn)分別在4 000 km車輛首次保養(yǎng)前后進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖11所示。

分析圖11可知，相對于車輛保養(yǎng)后，車輛保養(yǎng)前滑行阻力平均增加2.21%，且阻力增加的趨勢與車速無關(guān)，其原因?yàn)檐囕v保養(yǎng)換潤滑油并對運(yùn)動(dòng)件打黃油后，動(dòng)力總成、傳動(dòng)系和行走系的潤滑情況得到改善，內(nèi)部阻力變小，從而導(dǎo)致滑行阻力變小。

3.3.3 輕量化設(shè)計(jì)的影響

輕型商用車的輕量化設(shè)計(jì)越來越多應(yīng)用在量產(chǎn)車上，試驗(yàn)時(shí)，原型車采用原配置和換裝鋁合金傳動(dòng)軸及輪轂，分別進(jìn)行滑行試驗(yàn)，擬合得到滑行阻力曲線如圖12所示。

分析圖12可知，相對于原車型，換裝鋁合金傳動(dòng)軸和輪輞的方案滑行阻力平均降低1.33%，且阻力降低的趨勢與車速無關(guān)，其原因?yàn)橥?guī)格尺寸的鋁合金質(zhì)量小，因此整車旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，內(nèi)部阻力變小，從而導(dǎo)致滑行阻力變小。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)車滑行阻力試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

a.對滑行阻力影響最大的為空氣阻力，尤其是當(dāng)車速大于40 km/h時(shí)，空氣阻力成為滑行阻力的主導(dǎo)因素。降低滑行阻力方法包括：①優(yōu)化駕駛室附件的氣動(dòng)布局。如采用導(dǎo)流罩，封閉駕駛室前圍進(jìn)氣格柵，在駕駛室和車廂之間的縫隙處安裝過渡板，在車廂下側(cè)安裝側(cè)裙板，用流媒體攝像頭取代后視鏡等措施，可降低滑行阻力約23.75%。②選用合適的車廂。使用平板車箱，倉欄車廂和廂式車廂的滑行阻力依次增大。③優(yōu)化底盤設(shè)計(jì)。燃油車可采用底盤平板優(yōu)化底盤氣動(dòng)流場，電動(dòng)車采用滑板底盤都可降低滑行阻力。

b.當(dāng)車速低于40 km/h時(shí)，滾動(dòng)阻力成為滑行阻力的重要因素。降低滾動(dòng)阻力的方式包括：合理的設(shè)計(jì)前輪定位參數(shù)和輪胎胎壓，選用低滾阻輪胎，注意試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)場地和環(huán)境溫度的變化對滑行阻力的影響。

c.車輛的內(nèi)部阻力始終存在，與車速基本無關(guān)，隨著車輛行駛里程的增加，滑行阻力也會(huì)變大，降低內(nèi)部阻力的方法包括：按時(shí)合規(guī)的保養(yǎng)車輛，采用輕量化設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系和行走系統(tǒng)零部件等。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2]GB/T 27840-2021 重型商用車輛燃料消耗量測量方法[S].

[3]熊福明，崔川揚(yáng)，黃俊.純電動(dòng)汽車道路滑行阻力試驗(yàn)影響因素淺析[J].新能源汽車，2022，24（12）：8-15.

[4]羅雄，劉易斯.汽車道路滑行阻力的研究[J].汽車科技，2019（6）：19-22.

[5]程亮，鄔化建，徐志寅，等.輕型車道路滑行影響因素試驗(yàn)研究[J].上海汽車，2017（7）：29-32.

[6]唐瑤，韋祖武，黎炎華.整車滑行阻力測試及優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2022（3）：61-64.

作者簡介：

馬紅陽，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)檎嚨缆沸阅茉囼?yàn)。