重型商用車滑行阻力系數(shù)的測定與研究

摘要：針對道路滑行試驗方法下汽車道路行駛阻力系數(shù)的準(zhǔn)確獲取問題，提出基于時間法開展空擋下道路滑行試驗研究汽車道路行駛阻力。闡述了試驗車輛依據(jù)時間法在道路上開展滑行試驗及獲取試驗數(shù)據(jù)的方法，并利用最小二乘法曲線擬合的方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而計算出空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)。結(jié)果顯示，滑行時間法測定的道路行駛阻力更能真實反映車輛道路行駛實際情況，具有較好的實用性。

關(guān)鍵詞：滑行試驗；行駛阻力系數(shù)；曲線擬合；空氣阻力；滾動阻力

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-06-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.028

1 前言

近年來，隨著全球性的石油能源短缺及溫室氣體排放的問題日益凸顯，節(jié)能減排已成為世界汽車行業(yè)面臨可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，一些國家和地區(qū)相繼制定或加嚴(yán)了汽車燃料消耗量法規(guī)，而重型商用車的節(jié)能減排是機動車綠色發(fā)展的核心問題。因此，開展車輛道路行駛阻力滑行試驗不僅能衡量汽車行駛過程中受阻力情況，還反映出車輛外形結(jié)構(gòu)對燃油經(jīng)濟性影響的重要參考，對降低重型商用車輛整車阻力、燃油消耗量及環(huán)境污染防治具有重大意義[1]。精確獲取車輛道路滑行試驗測定的行駛阻力系數(shù)成為重要的研究方向。在以往的汽車滑行性能試驗中，大多通過對汽車的滑行距離進(jìn)行檢測，但該方法經(jīng)濟性不好并且準(zhǔn)確性不高。

本文依據(jù)GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，提出基于滑行時間法測定車輛道路滑行阻力系數(shù)，運用VBOX記錄車輛滑行過程的時間-速度數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合原理對滑行過程中獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，從而得到關(guān)于F-t的二次函數(shù)表達(dá)形式及汽車行駛阻力系數(shù)A、B、C的值[2]。

2 道路行駛阻力試驗方法

2.1 試驗設(shè)備

車輛道路滑行試驗主要采用Racelogic公司研發(fā)的VBOX3i數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。該設(shè)備具有雙天線，其通過利用“固定基線RTK裝備”中的兩個GPS引擎實現(xiàn)高準(zhǔn)確性測試，其速度采樣頻率最高可達(dá)到100 Hz，速度記錄精度可達(dá)0.1 km/h，測得數(shù)據(jù)不僅可實時顯示在顯示屏中，還可將數(shù)據(jù)直接記錄到閃存卡中。利用該設(shè)備對試驗車輛的行駛里程、車速和時間進(jìn)行實時測量。

2.2 車輛準(zhǔn)備

選取一輛最大設(shè)計質(zhì)量為11 995 kg的N2非城市貨車作為試驗車輛，試驗車輛信息如表1所示。試驗車輛應(yīng)保持良好的技術(shù)狀況。胎壓調(diào)整至車輛生產(chǎn)企業(yè)規(guī)定的氣壓值，以減少滾動阻力對數(shù)據(jù)的影響，車輛稱重并配重至滿載狀態(tài)。正式試驗開始前，試驗車輛需要在試驗道路上以中高速進(jìn)行行駛且行駛時間不得低于40 min進(jìn)行預(yù)熱，使各運動部件充分潤滑，讓試驗車輛達(dá)到最佳運行狀態(tài)。

2.3 試驗條件

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840-2021中的要求，試驗需在清潔、干燥、平直的瀝青混凝土或混凝土路面且縱向坡度在±0.1%以內(nèi)的道路上進(jìn)行。試驗應(yīng)無雨、無霧的天氣下開展，大氣溫度應(yīng)滿足0～40 ℃范圍內(nèi)，在高出試驗道路1.6 m處測得的平均風(fēng)速不大于3 m/s且陣風(fēng)不大于5 m/s，相對濕度小于95%[3]?；性囼炛袦y得環(huán)境條件如表2所示。

2.4 試驗方法

車輛道路滑行試驗需在空擋狀態(tài)進(jìn)行，試驗車輛加速至標(biāo)準(zhǔn)中行駛阻力測定車速（該試驗車輛行駛阻力測定車速為80 km/h）后，將擋位掛至空擋使發(fā)動機脫開，依靠車輛自身的慣性力的勢能繼續(xù)行駛，直到滑行過程中車速降至15 km/h以下試驗結(jié)束。由于受試驗場地長度的限制，采取分段滑行的方法完成整個試驗。該試驗車輛試驗速度劃分2段分別為：80～60 km/h、70～10 km/h，2段速度段的速度之間存在交叉，是為了消除內(nèi)阻帶來的影響，讓測得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。為了更加準(zhǔn)確地反應(yīng)滑行過程中道路阻力值，需消除側(cè)向風(fēng)速和試驗路面縱向坡度的影響，故采取往返方向滑行，往返一次為一組數(shù)據(jù)，試驗總數(shù)數(shù)據(jù)不得少于4組。其中在30～70 km/h的速度范圍內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計精度不大于4%，其他速度不應(yīng)大于5%，統(tǒng)計精度計算公式如下：

式中，[T]為滑行時間的算術(shù)平均值；n為試驗次數(shù)；s為標(biāo)準(zhǔn)偏差；p為滑行時間算術(shù)平均值的統(tǒng)計精度；t為計算統(tǒng)計精度的系數(shù)。

3 汽車滑行阻力計算

汽車在水平路面上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力[4]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)滑行阻力計算公式為：

式中，F(xiàn)測定為道路等速行駛阻力（N）；[Δv]為與車速DV的速度偏差，DV=5 km/h。

依據(jù)式（2）獲取車輛滑行過程中的阻力值，并依據(jù)最小二乘法擬合原理得到道路載荷系數(shù)f0、f1、f2，擬合得到的滑行阻力與車速的二次函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)為道路行駛阻力；f0為常數(shù)系數(shù)，其值受輪胎和車輛載荷的影響較大，N；f1為一次項系數(shù)，其值受車輛內(nèi)阻的影響，N·h/km；f2為二次項系數(shù)，其值的大小受風(fēng)阻的影響，N·h2/km2；v為車速。

為保證滑行試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需考慮環(huán)境的變化對滑行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響?；械缆份d荷是在一定的環(huán)境條件下測得的，雖然標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境條件進(jìn)行了約束，但汽車在實際滑行試驗中獲取的數(shù)據(jù)會受溫度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的變化而產(chǎn)生較大誤差，并且不同車型對溫度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的敏感度不盡相同，則需通過測量氣溫、氣壓、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)按下式將道路載荷將試驗結(jié)果校正到基準(zhǔn)狀態(tài)（基準(zhǔn)狀態(tài)下大氣壓力為100 kPa，大氣溫度為293.15 K（20 ℃），空氣密度為1.189 kg/m3[5-8]）：

式中，RR為速度v時的滾動阻力；RW為速度v時的空氣阻力；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；RT為總運行阻力；t為試驗時環(huán)境溫度；t0為基準(zhǔn)大氣溫度，20℃；d為試驗條件下的空氣密度；d0為基準(zhǔn)狀態(tài)（20 ℃，100 kPa）下的空氣密度1.189 kg/m3；p為試驗期間的大氣壓力；p0為基準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，100 kPa；T為試驗期間的對對溫度；T0為基準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，293.15 K。

依據(jù)式（4）獲取校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力值后，依據(jù)最小二乘法擬合原理得到校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的道路載荷系數(shù)A、B、C，擬合得到的滑行阻力與車速的二次函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下：

式中，F(xiàn)校正為校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下道路行駛阻力；A為滾動阻力系數(shù)；B為內(nèi)阻系數(shù)；C為風(fēng)阻系數(shù)；v為車速。

4 試驗結(jié)果和分析

依據(jù)上述試驗方法和行駛阻力計算方法，通過時間滑行法實測得到2段速度段的每個速度點對應(yīng)的滑行時間數(shù)據(jù)，依據(jù)式（2）得到試驗車輛道路滑行中測定的滑行阻力值，滑行阻力值如表3所示。通過獲取到的滑行阻力值，依據(jù)最小二乘法擬合原理得到道路載荷系數(shù)f0、f1、f2[9]，擬合得到的道路行駛阻力曲線如圖2所示。

依據(jù)最小二乘法得到的實際滑行狀態(tài)下的f0、f1、f2道路載荷系數(shù)分別為625.32、7.7292、0.1378。

為降低汽車在實際滑行試驗中獲取的數(shù)據(jù)會受溫度和風(fēng)速等環(huán)境條件的變化而產(chǎn)生較大誤差，依據(jù)式（4）對實測滑行道路阻力值進(jìn)校正，表4為校正因子。通過最小二乘法擬合得到校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的道路載荷系數(shù)A、B、C。校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下行駛阻力曲線如圖3所示。

依據(jù)最小二乘法擬合后得到校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下行駛阻力的A、B、C道路載荷系數(shù)分別為662.97、8.0857、0.1413。滑行時間法測定的道路行駛阻力更能真實反映車輛道路行駛實際情況，測定出的阻力系數(shù)為后續(xù)底盤測功機道路阻力模擬設(shè)定值提供了可靠的依據(jù)，也是燃油耗量測試結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在[10]。P8DE+I8cIKxBbIwBIQ7ahg==

5 結(jié)語

針對重型商用車進(jìn)行滑行阻力系數(shù)測定的試驗研究，分析汽車在滑行過程中主要受力情況，設(shè)計了道路滑行試驗方案，應(yīng)用Racelogic公司研發(fā)的VBOX3i數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗車輛滑行過程中的試驗數(shù)據(jù)。通過道路滑行試驗獲取的數(shù)據(jù)提出了道路阻力計算方法和校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力計算方法及滑行阻力系數(shù)計算方法。研究結(jié)論為后續(xù)底盤測功機道路阻力模擬設(shè)定值提供了可靠的依據(jù)，對滑行試驗阻力系數(shù)測定提供了有利參考。

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作者簡介：

郜琰，男，1991年生，助理工程師，研究方向為汽車檢測、產(chǎn)品認(rèn)證。