汽车道路滑行阻力的研究

汽车道路滑行阻力的研究
罗雄; 刘易斯
【期刊名称】《《汽车科技》》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】滑行; 阻力系数; 计算模型
【作者】罗雄; 刘易斯
【作者单位】东风汽车集团有限公司技术中心武汉430058
【正文语种】中文
【中图分类】U471
前言
近日，国家标准委员会发布了轻型汽车五阶段（2021-2025年）油耗标准《乘用车燃料消耗量限值》，标准提出了我国乘用车平均燃料消耗在2025年下降至
4L/100km的目标。

汽车燃油消耗量测试一般都是在底盘测功机上进行测量，底盘测功机的测试需要输入汽车滑行阻力系数，滑行阻力系数大小决定了底盘测功机的阻力系数设定，从而很大程度上影响整车油耗测试结果。

目前各车企为体现车辆的真实燃料消耗量，大多采用滑行法进行油耗测试，因此，研究滑行法测量道路行驶阻力，分析汽车道路行驶过程中关键环节及影响因素对油耗测试结果的影响尤为重要。

本文根据汽车道路滑行试验原理，建立滑行阻力曲线计算模型，分别对汽车前格栅密封与非密封、低滚阻轮胎与非低滚阻轮胎、宽胎与窄胎三种不同状态下进行道路滑行试验，根据试验数据，不同车辆状态滑行阻力曲线对比，分析影响滑行阻力主要因素，并通过试验数据对比滑行法和查表法的区别。

1 汽车道路滑行阻力计算模型：
车辆转鼓阻力模拟
GB18352《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中关于道路滑行阻力测试方法中规定，汽车在底盘测功机上测试整车工况油耗时，需要在底盘测功机上模拟道路行驶阻力，输入转鼓阻力设定值，即道路阻力系数A、B、C值。

车辆在道路上进行滑行试验可以得到车辆的行驶阻力，再在底盘测功机上进行拟合，从而得到转鼓的阻力设定值。

无论车辆在转鼓还是在道路上行驶，车辆内阻都是同样存在的，因此需要在车辆拟合过程中，去除车辆的内阻，得到转鼓设定值。

车辆滑行阻力主要包括空气阻力、滚动阻力、传动系阻力、制动拖滞力等，车辆在道路上滑行，得到的滑行数据使用阻力分段近似，并使用最小二乘法拟合成二次系数，从而获取道路阻力系数A、B、C值，一般认为，汽车滑行阻力与车速满足二次函数关系。

式中，V为车速，A为与速度无关的常数项阻力（如道路摩擦力等），B为一次项系数，与速度有关的阻力（如传动系阻力）、C为二次系数，代表与速度二次项有关的阻力。

滑行变量的确定：
将车辆加速到比选定试验车速V高出10km/h的车速，将变速器置于空挡位置，测量车辆从V2=V+DVkm/h减速至V1=V-DVkm/h所需的时间t1,再在相反方向进行同样的试验，测得时间t2，其中DV£5km/h，取时间t1和t2的平均值ti，
重复试验次数，使平均值的统计准度的p不超过2%（p£2%）
式中：t 为给定的系数，s为标准偏差，n为试验次数
计算车速V时的行驶阻力F:当DV£5km/h，可以视车辆从ν2滑行至ν1的过程为匀减速运动，根据车辆受力、质量、速度和加速度关系：
根据滑行过程中一系列区间速度νi ，F i带入上述方程，可以建立一系列参数A、B、C的三元一次方程，构成方程组，再使用最小二乘法，对Fi 进行二次函数拟合，得出 Fi 、νi 数据点趋势线，从而得到阻力方程 F=A+Bv +Cv2
计算出参数A、B、C，即为底盘测功机提供精确的道路阻力模拟设定值。

2 影响滑行阻力的因素：
汽车滑行阻力为油耗测试提供阻力依据，底盘测功机阻力设定值直接影响正常油耗的测试结果，因而减小阻力是个汽车制造商节能减排工作的重要手段之一。

在公告试验时，主机厂在进行道路滑行阻力测试时，都力争获得一条阻力较小的滑行阻力曲线。

车辆正常行驶时，道路阻力包括坡道阻力，传动系阻力，轮胎阻力，风阻，加速阻力，可以认为：
汽车道路滑行试验时，车辆在平直路面空挡滑行，试验道路坡道角α很小，可以
忽略坡道阻力影响，即认为坡道阻力和加速阻力可视为0，故滑行阻力包括传动阻力，风阻阻力，轮胎阻力，滑行时阻力：Froad=F传动系+F轮胎+F 风阻
根据汽车动力学可知，传动系阻力可以来自轴承、齿轮的摩擦阻力、制动拖滞阻力等，与底盘系统相关。

轮胎阻力来自地面与轮胎接触面的摩擦阻力，与轮胎结构相关。

风阻来自空气与车辆接触面积，同车身形状相关。

下面分别对车辆不同状态进
行滑行试验，得到不同状态下阻力曲线：
某车型在前进气格栅密封与不密封条件下得到的道路滑行阻力曲线见下图1：
图1 某车型不同密封状态的道路阻力曲线
通过对同一车辆前格栅密封与不密封条件下，滑行阻力对比发现，前格栅密封状态下的滑行阻力明显低于不密封状态的滑行阻力，前段差异不明显，阻力在40km/h 为转折点，而且随着速度增加，阻力差距明显增大，后端阻力呈明显递增趋势。

根据空气动力学原理，进气格栅后为散热器，较大的进气面积会增大空气动力阻力，因此前进气格栅对空气动力学有较大贡献，故在设计条件允许条件下，一般会尽力减小进气格栅面积提高整车的空气动力性能。

某车型低滚阻轮胎和非低滚阻轮胎状态下得到的道路滑行阻力曲线见下图2：
图2 某车型不同滚阻轮胎的道路阻力曲线
通过对同一车辆低滚阻轮胎和非低滚阻轮胎滑行阻力曲线发现，在低速段，两种规格轮胎的滑行阻力相差较大，随着速度的增大，阻力差别逐渐减小，速度从20 km/h增大到100 km/h时，两者之间的差距从33%减小到5%。

可以看出，在车速较低时，空气阻力较小，行驶阻力以滚动阻力为主，随车速升高，空气阻力明显增大，轮胎滚阻对车辆影响逐渐减小。

某车型宽胎和窄胎状态下得到的道路滑行阻力曲线如下图3：
图3 某车型不同宽度轮胎的道路阻力曲线
通过对同一车辆分别装配宽度为205 mm和195 mm的轮胎滑行阻力曲线发现，可以看出，两种轮胎状态下，车辆滑行阻力整体差别不大，曲线较为集中，轮胎宽度的差异对车辆阻力影响较小。

3 车辆道路阻力查表法与滑行法：
依据GB/T18352《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》，在底盘测功机上模拟汽车道路行驶进行油耗测量时，需要对转鼓施加一部分阻力（Dyno set），这部
分阻力大小可由两种方法获得，一是通过道路滑行试验阻力减去车辆损失阻力得到（滑行法），一种是标准中推荐阻力系数（查表法）。

查表法中，汽车的基准质量为整备质量加100 kg，根据基准质量查表确定测功机设定的当量惯量与道路阻力系数，即可得到转鼓加载阻力：
查表法标准阻力系数如下表1：
表1 标准阻力系数
分别选取某款SUV车型和某款轿车进行道路滑行得到的阻力曲线和和根据基准质量进行查表法得到的阻力曲线对比结果如下图4和图5：
图4 某SUV车型滑行法和查表法阻力曲线
某款轿车查表法和滑行法转鼓阻力设定对比：
图5 某款轿车滑行法和查表法阻力曲线
通过对两款车型分别用滑行法和查表法得到的阻力曲线可以看出，试验车型滑行阻力在约40 km/h-120 km/h范围内,查表法都要大于滑行法阻力，原因是查表法仅是通过基准质量查询阻力系数，并不能真实反映风阻在整个阻力中的占比，滑行法阻力是对道路滑行阻力真实体现，更加符合整车实际情况。

当然，由于数据有限，还需进一步验证。

结论：
通过对车辆不同状态下滑行阻力曲线分析，可以看出在汽车设计中对某些关键因素进行控制，能有效降低滑行阻力，从而得到更低的油耗。

同时，通过查表法和滑行法阻力曲线对比对比发现，查表法和滑行法得到的阻力差异较为明显，滑行法更能反应汽车道路真实情况,对油耗测试结果跟有利。

对车辆滑行阻力的研究，对汽车动力经济性能开发具有重要参考价值。

专家推荐
黄小枚：
论文通过对车辆不同状态下滑行阻力曲线分析的结果，可以对汽车动力经济性进行优化，以有效降低滑行阻力，达到节能效果。

且在认证试验中也可以参考论文的结论选择适合的花型阻力输入方式。

【相关文献】
[1]于志鹏，于洋洋.底盘测功机阻力设定对油耗试验的影响[J]，汽车实用技术，2018，（16）：96-98.
[2]高延齢，汽车动力性[M]，人民交通出版社，1999.
[3]谷正气，汽车的空气动力特性[M]，机械工业出版社，2015.
[4]GB 18352.6-2016.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S]北京：中国标注出版社，2018.
[5]张铁柱，张洪信.汽车节能对策与技术[M]，国防工业出版社，2004.
[6](德)R.巴斯怀森，燃油消耗[M]，机械工业出版社，2012.。