車輛行駛阻力測(cè)量風(fēng)洞法與滑行法對(duì)比試驗(yàn)研究

易金花 陳麗霞 嚴(yán)杰

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

主題詞：道路行駛阻力 風(fēng)洞法 滑行法 國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

相對(duì)于國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》[2]（國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)）中提出了一種新的道路行駛阻力測(cè)量方法——風(fēng)洞法。風(fēng)洞法是將風(fēng)洞與底盤測(cè)功機(jī)或平帶式測(cè)功機(jī)相結(jié)合確定道路行駛阻力的測(cè)量方法，即在測(cè)功機(jī)上測(cè)量車輛滾動(dòng)阻力，在空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞中測(cè)量車輛空氣動(dòng)力學(xué)阻力[3-5]，將兩種阻力結(jié)果相加后得到汽車道路行駛阻力。

滑行法是國內(nèi)普遍采用的道路行駛阻力測(cè)量方法[6]，而風(fēng)洞法是從歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)[7]直接引入的，為此，本文針對(duì)2輛具有代表性的車型，根據(jù)滑行法與風(fēng)洞法的測(cè)試要求進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)及對(duì)比分析，以驗(yàn)證風(fēng)洞法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)循環(huán)能量進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證所用測(cè)試設(shè)備的有效性。

2 道路行駛阻力測(cè)量方法

2.1 滑行法

根據(jù)GB 18352.6—2016中固定式風(fēng)速儀法道路滑行試驗(yàn)的測(cè)試要求，對(duì)樣車A和樣車B進(jìn)行道路行駛阻力測(cè)量。

2.1.1 車輛準(zhǔn)備

樣車A與樣車B磨合里程為3 000km，試驗(yàn)前將樣車胎壓調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，調(diào)節(jié)四輪定位參數(shù)符合出廠要求，車輛加滿油并稱重配載至測(cè)試質(zhì)量（測(cè)試質(zhì)量＝基準(zhǔn)質(zhì)量+選裝裝備+15%車輛最大負(fù)載），滑行前進(jìn)行車輪拖滯力測(cè)量（熱態(tài)），確保車輛傳動(dòng)系等功能狀態(tài)正常。樣車參數(shù)如表1所示。

表1 樣車試驗(yàn)參數(shù)

2.1.2 試驗(yàn)環(huán)境

道路滑行試驗(yàn)在襄樊東風(fēng)汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)氣溫為17.0～17.6 ℃，大氣壓力為100.8～101.0 kPa，風(fēng)速為0 m/s，試驗(yàn)環(huán)境滿足溫度5～40℃、5 s內(nèi)平均風(fēng)速低于5 m/s的要求。

2.1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)步驟如下：

a.正式滑行前，樣車以118 km/h的速度行駛20 min進(jìn)行預(yù)熱。

b.車輛正式滑行，樣車行駛速度達(dá)到140 km/h，并維持車速穩(wěn)定1 min，然后將變速器置于“空擋”位置，盡量不轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，不采取制動(dòng)，用行駛記錄儀記錄車輛從(vj+5 km/h)滑行至(vj-5 km/h)的時(shí)間Δtjai（i表示第i次滑行，i=1,2,…,n），其中，基準(zhǔn)速度vj分別取為130 km/h、120 km/h……30 km/h、20 km/h。

c.在同一條道路相反方向進(jìn)行步驟b的試驗(yàn)，記錄反向滑行時(shí)間Δtjbi。

重復(fù)步驟b和c的試驗(yàn)過程，獲得3組連續(xù)測(cè)量結(jié)果，結(jié)果應(yīng)滿足基準(zhǔn)速度vj下測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)精度pj：

其中，基準(zhǔn)速度vj下的平均滑行時(shí)間Δtj和每組測(cè)量的平均滑行時(shí)間Δtji分別為：

式中，n為滑行測(cè)量組數(shù)；σj為標(biāo)準(zhǔn)偏差；h為給定的系數(shù)，參照GB 18352.6—2016，取為2.8。

2.1.4 滑行法結(jié)果

基準(zhǔn)速度vj下的道路行駛阻力算術(shù)平均值Fj計(jì)算式為：

式中，Mav為道路行駛阻力測(cè)試開始至結(jié)束時(shí)試驗(yàn)車輛的平均質(zhì)量；Mr為所有轉(zhuǎn)動(dòng)零部件的等效有效質(zhì)量，可按照車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量的3%進(jìn)行估算。

根據(jù)式（4）計(jì)算得到的Fj，采用最小二乘法計(jì)算得到行駛阻力公式中的f0、f1、f2：

式中，F(xiàn)為道路行駛阻力；f0、f1、f2分別為道路行駛阻力曲線的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)；v為車輛行駛車速。

將以上實(shí)際滑行環(huán)境下測(cè)得的道路阻力F修正到基準(zhǔn)狀態(tài)（大氣壓力P0=100 kPa，大氣溫度T0=293 K，干空氣密度ρ0=1.189 kg/m3，風(fēng)速為0 m/s），修正公式為：

式中，F(xiàn)*為修正后的道路行駛阻力；K0為滾動(dòng)阻力修正因子；K1為測(cè)試質(zhì)量修正因子；K2為空氣阻力修正因子；w1為風(fēng)阻修正值；T為環(huán)境溫度的算術(shù)平均值。

樣車A、樣車B的道路滑行試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 滑行法行駛阻力測(cè)試結(jié)果

2.2 風(fēng)洞法

2.2.1 空氣動(dòng)力學(xué)阻力測(cè)試

在同濟(jì)大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行2輛樣車的空氣動(dòng)力學(xué)阻力測(cè)量，如圖1所示。試驗(yàn)前的車輛準(zhǔn)備和配載方式均與道路滑行試驗(yàn)要求相同，確保兩種方法的車身姿態(tài)一致。

圖1 樣車風(fēng)洞試驗(yàn)

依照風(fēng)洞試驗(yàn)要求對(duì)樣車進(jìn)行固定，并在基準(zhǔn)速度vj下測(cè)量空氣阻力系數(shù)與迎風(fēng)面積的乘積(CDAf)j，每個(gè)基準(zhǔn)速度下測(cè)量時(shí)間為60 s，測(cè)量頻率為5 Hz。

樣車基準(zhǔn)速度下的空氣動(dòng)力學(xué)阻力FAj計(jì)算式為：

式中，ρ0為干空氣密度。

2輛樣車空氣動(dòng)力學(xué)阻力測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)2輛樣車空氣動(dòng)力學(xué)阻力測(cè)量結(jié)果

2.2.2 滾動(dòng)阻力測(cè)試

在環(huán)境艙中進(jìn)行樣車A與樣車B的滾動(dòng)阻力測(cè)試，如圖2所示。

圖2 樣車滾動(dòng)阻力試驗(yàn)

試驗(yàn)前按照道路滑行試驗(yàn)加載方式進(jìn)行配重，采用GB 18352.6—2016中穩(wěn)定車速下的測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃，按照表4對(duì)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，依照道路滑行試驗(yàn)預(yù)熱方法在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行車輛預(yù)處理。

表4 底盤測(cè)功機(jī)相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)從最高基準(zhǔn)速度130 km/h開始，到最低基準(zhǔn)速度20 km/h結(jié)束，每個(gè)基準(zhǔn)速度穩(wěn)定10 s后進(jìn)行連續(xù)6 s的輪邊力測(cè)量，測(cè)量頻率為10 Hz，測(cè)量期間車速保持恒定，記錄各基準(zhǔn)速度點(diǎn)底盤測(cè)功機(jī)測(cè)得的輪邊力fjD。

將底盤測(cè)功機(jī)上測(cè)得的曲面輪邊力fjD修正到等效的平坦基準(zhǔn)路面上：

式中，F(xiàn)Dj為修正到基準(zhǔn)路面上的輪邊力；Rw為1/2車輪公稱直徑；RD為底盤測(cè)功機(jī)滾筒半徑。

2輛樣車的滾動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 滾動(dòng)阻力測(cè)量結(jié)果

2.2.3 風(fēng)洞法結(jié)果

根據(jù)空氣阻力FAj、滾動(dòng)阻力FDj可計(jì)算得到基準(zhǔn)速度下的道路行駛阻力Fwj=FDj+FAj，結(jié)果如表6所示。

表6 風(fēng)洞法行駛阻力測(cè)試結(jié)果

3 兩種測(cè)量方法對(duì)比分析

3.1 行駛阻力結(jié)果分析

采用風(fēng)洞法與滑行法獲取的樣車道路行駛阻力如圖3所示，以滑行法行駛阻力測(cè)試結(jié)果作為基準(zhǔn)值，計(jì)算風(fēng)洞法與滑行法結(jié)果的偏差，結(jié)果如表7所示。

圖3 2種測(cè)試方法得到的2輛樣車道路行駛阻力

表7 風(fēng)洞法與道路滑行法阻力測(cè)試結(jié)果相對(duì)偏差

由圖3可知，在基準(zhǔn)速度點(diǎn)上，對(duì)于樣車A，兩種方法測(cè)得的道路行駛阻力最大相差17 N，最小相差2 N，平均差值為7.5 N；對(duì)于樣車B，兩種方法測(cè)得的道路行駛阻力最大相差17.8 N，最小相差0.2 N，平均差值為4.9 N。

由表7可知：對(duì)于樣車A，兩種方法測(cè)得的行駛阻力最大偏差為2.6%，平均偏差為1.25%；對(duì)于樣車B，最大偏差為2.7%，平均偏差為0.28%。上述結(jié)果表明，兩種方法測(cè)得的道路行駛阻力平均相差在±7.5 N范圍內(nèi)，平均偏差在±1.25%范圍內(nèi)，表明風(fēng)洞法測(cè)得的行駛阻力與滑行法測(cè)試結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了風(fēng)洞法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 循環(huán)能量差

國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，將風(fēng)洞法和滑行法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行循環(huán)能量需求計(jì)算，若兩者的循環(huán)能量差εk在±5%范圍內(nèi)，可證明所用測(cè)試設(shè)備的有效性。

循環(huán)能量差計(jì)算式為：

式中，εk為某車輛在WLTC循環(huán)試驗(yàn)中，風(fēng)洞法與滑行法的循環(huán)能量差；Ek,WTM、Ek,c分別為某車輛基于風(fēng)洞法、滑行法獲得的道路行駛阻力，行駛1個(gè)WLTC的循環(huán)能量需求。

根據(jù)式（9）計(jì)算2輛樣車循環(huán)能量差，結(jié)果如表8所示。

表8 循環(huán)能量差計(jì)算結(jié)果

由表8可知，樣車A和樣車B的風(fēng)洞法和滑行法之間的循環(huán)能量差均在±1%以內(nèi)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±5%以內(nèi)的要求，表明試驗(yàn)所用測(cè)試設(shè)備有效。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)GB 18352.6—2016中提出的風(fēng)洞法測(cè)量道路行駛阻力的方法進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，并與滑行法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，2輛樣車采用的2種方法獲得的道路行駛阻力之間的循環(huán)能量差別均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±5%以內(nèi)的要求，驗(yàn)證了風(fēng)洞法測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和測(cè)試設(shè)備的有效性。