減速法車輛機械阻力試驗研究

龔春忠，單承標，李鵬，苑術(shù)平，肖巖

摘? 要：本文闡述了減速法測試車輛機械阻力的基本原理。相對于行業(yè)普遍使用的減速法機械阻力測試標準，本文改進工作主要如下：二次項阻力系數(shù)使用經(jīng)驗值0.035N/（km/h）2，并論證了使用該值的合理性;采用勻加減速車輛機械旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動慣量，并分析了慣量偏差對試驗結(jié)果的影響;阻力擬合值作為初值，采用單純形法進一步尋優(yōu)獲得常數(shù)項阻力系數(shù)與一次項阻力系數(shù);預熱前后各測量5次試驗，獲得各次阻力測試結(jié)果，使用中國工況下百公里機械能耗表示機械阻力大小。改進后的減速法操作簡便、精確穩(wěn)定，在整車經(jīng)濟性開發(fā)驗證中有重要應用。

關(guān)鍵詞：減速法;車輛機械阻力;底盤測功機;旋轉(zhuǎn)慣量

中圖分類號：U467.1+2? ? ? 文獻標識碼：J? ? ? 文章編號：1005-2550（2021）05-0053-06

Experimental Study On Mechanical Resistance Of Vehicles By Deceleration Method

GONG Chun-zhong1，2， SHAN Chen-biao3， LI Peng1， YUAN Su-ping1， XIAO Yan1

（1.Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd.， Jiaxing， 314000， China;

2.College of engineers， Zhejiang University，? Hangzhou 310000， China;

3.Qingdao automobile Research Institute of Jilin University， Qingdao 266000， China）

Abstract： This paper describes the basic principle of the deceleration method for measuring the mechanical resistance of vehicles. Compared with the commonly used mechanical resistance test standard of deceleration method in the industry， the main improvements in this paper are as follows： the empirical value of the second term resistance coefficient is 0.035n / （km / h）2， and the rationality of using this value is demonstrated; the moment of inertia of the mechanical rotating parts of vehicles with uniform acceleration and deceleration is adopted， and the influence of the inertia deviation on the test results is analyzed; the resistance fitting value is taken as the initial value， and the simplex is adopted The constant term resistance coefficient and the primary term resistance coefficient are obtained by further optimization. The resistance test results are obtained by measuring 5 times before and after preheating. The mechanical energy consumption of 100 km under Chinese working condition is used to express the mechanical resistance. The improved deceleration method is easy to operate， accurate and stable， and has an important application in the development and verification of vehicle economy.

車輛道路阻力是影響車輛經(jīng)濟性的重要因素，行業(yè)內(nèi)普遍認可實際道路滑行試驗獲得的結(jié)果。但由于各阻力的耦合性[1]，以及實際道路試驗受環(huán)境影響[2]，使實際道路滑行法獲得的結(jié)果穩(wěn)定性較差，各影響因素對整車的阻力影響難以通過滑行試驗辨識。車輛的空氣阻力優(yōu)化方案通常使用整車動力學風洞試驗獲得，車輛的機械阻力則選擇使用底盤測功機中的等速法或減速法獲得[3]。本文基于國標減速法的基礎(chǔ)上進行慣量確定、二次阻力設定、數(shù)據(jù)處理方法、預熱問題與測試穩(wěn)定性等問題進行分析與改進。在實際應用中以車輛制動卡鉗影響測試作為實例，并設計新的試驗方法，可在道路滑行試驗中較有效地解耦車輛空氣阻力。在項目開發(fā)經(jīng)驗中，我們曾經(jīng)嘗試過多種方法測量車輛的機械阻力，包括等速法、低速滑行法[4]、循環(huán)能耗法[5]、用拉力計勻速拖動法、打點計時器配重加速下滑計算加速度逆推，試用過某公司的專業(yè)卡鉗拖滯力測試設備等，效果都不理想，一致性差，與理論值存在較大差距。最終確定改進的減速法作為機械阻力的重要判定方法。

1? ? 風洞法測量機械阻力原理簡述

標準《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》附錄CC中的試驗方法[6]規(guī)定了風洞法測量道路載荷的詳細步驟，分為風阻和機械阻力兩部分進行。通過風洞試驗獲得風阻FAj，通過底盤測功機等速法或減速法獲得機械阻力FDj，最后通過合成最小二乘法擬合為車輛行駛阻力。若為滾筒式底盤測功機，需對阻力做相應的修正工作。如圖1所示。

風洞法測量機械阻力雖然結(jié)果更精確可靠，但也需要付出較大的代價，尤其是風洞試驗資源緊缺，成本高昂。機械阻力測試的成本相對較小，本文重點對該減速法測試車輛機械阻力進行研究分析。

減速法即試驗車輛在底盤測功機上進行減速滑行。車輛預熱后，將車速提高到比最高基準速度至少高10km/h后開始滑行。若連續(xù)兩次滑行試驗測得的力的偏差都在±10N內(nèi)，則滑行試驗結(jié)束，否則進行三次以上滑行試驗。按照下式計算每個基準速度點vj的滾動阻力FjDyno。

（1）

式中：FjDecel是以速度vj在底盤測功機上滑行時的行駛阻力;CD為輸入底盤測功機的空氣阻力項系數(shù)。

2? ? 減速法需改進的若干問題

GB18352.6中對減速法測試的過程做了詳細描述，但是，執(zhí)行過程依然有部分問題值得改善，包括旋轉(zhuǎn)慣量與二次項阻力系數(shù)的設定、數(shù)據(jù)處理方式、測試設備零點漂移修正等問題。

2.1? ?最高車速

最高車速規(guī)定為比車輛基準車速至少高10km/h，車輛滑行時的基準速度是130km/h。在實際道路滑行試驗中，車輛起始滑行速度也不可能按照比最高車速高10km/h的速度開始滑行。為令可比性更統(tǒng)一，可以參照工況能量消耗量與續(xù)駛里程試驗方法最高車速的定義，修改為滑行起始車速為120km/h，若車輛最高車速小于120km/h，則滑行起始車速為車輛設計的最高車速。以保證在實際道路測試結(jié)果的可比性。

2.2? ?車輛預熱問題

車輛按照GB/T18352.6進行預熱后再進行試驗，則不能獲得車輛冷態(tài)時的阻力。每次上下班行駛距離小于10km的用戶，更注重冷態(tài)時的機械阻力。為了保留冷態(tài)時的機械阻力評價，測試方法需調(diào)整為冷態(tài)、熱態(tài)均測量，熱態(tài)測試的結(jié)果用于與實際道路滑行試驗測試結(jié)果等效。企業(yè)自行開發(fā)或與零部件供應商對接，通過雙方認可的加權(quán)方式得到測試結(jié)果。不同車輛冷態(tài)與熱態(tài)對比，能耗相差在0.8kWh/100km左右，如表5所示。

2.3? ? 重復測試結(jié)果判定

當前測試結(jié)果的重復性判斷依據(jù)是連續(xù)兩次滑行試驗測得的力的偏差都在±10N內(nèi)，否則執(zhí)行三次以上測試。在沒有成熟的軟件實時分析數(shù)據(jù)之前，很難一邊測試一邊迅速獲得阻力結(jié)果。且提出了循環(huán)能量等效性的判定方式，不需要重復判定。且10N對車輛的循環(huán)能量消耗量計算如式（2）：

（2）

計算的結(jié)果是0.278kWh/100km，這個偏差太大。較合理的方式是直接重復多次測量取平均值，且將所測值的分布特性記錄到試驗結(jié)果中。因此，本文建議預熱前后各測試5次獲得車輛道路阻力。由于GB18386.1即將推出，因此建議電動汽車滑行試驗的精度判定選擇使用中國工況對應的循環(huán)能量消耗量。

2.4? ?旋轉(zhuǎn)慣量測量與影響分析

滾筒式底盤測功機的基礎(chǔ)慣量可以使用測試設備自帶測試程序計量，其原理是測功機正反方向勻加減速測試獲得。帶車測試該基礎(chǔ)慣量與轉(zhuǎn)鼓自身的基礎(chǔ)慣量之差，即為車輛的旋轉(zhuǎn)部件的等效慣量。建議由設備廠開發(fā)專用測試程序進行測定。該方法受車輛狀態(tài)的機械阻力干擾，測試結(jié)果存在偏差。直接根據(jù)各零部件旋轉(zhuǎn)慣量[5]計算獲得輪邊等效慣量將更精確。

以某次減速法試驗數(shù)據(jù)為例，在數(shù)據(jù)數(shù)理過程中使用旋轉(zhuǎn)部件等效慣量為30kg和40kg做分析對比，算得道路阻力循環(huán)能量差值為0.04kWh /100km，如表1所示。估算慣量比實際慣量大時，對應的循環(huán)能量消耗量也較大。該車整備質(zhì)量為1725kg，附加質(zhì)量為100kg。

2.5? ?二次項阻力系數(shù)影響分析與設置經(jīng)驗值

GB18352.6要求減速法設置的二次項系數(shù)由風洞試驗估算而得。而風洞試驗的成本極高，因此需要研究不同二次項設置的減速過程對測試結(jié)果的影響。設置如下試驗：相同的車輛，采用相同的慣量、不同的二次項阻力系數(shù)進行滑行，最終對比出不同滑行結(jié)果的差異。該車整備質(zhì)量為1725kg，附加質(zhì)量為100kg。見表2。

測試表明，當二次項阻力系數(shù)設置為0時，循環(huán)能量消耗量比實際值大0.06kWh/100km，而采用經(jīng)驗值0.035N/（km/h）2與仿真值相差0.00274N/（km/h）2時，循環(huán)能量消耗量相差僅0.012kWh /100km。所以，當不能精確獲得車輛二次項阻力系數(shù)時，可以用0.035N/（km/h）2近似。

2.6? ?擬合獲得初值并用單純型法優(yōu)化測得機械阻力

GB18352.6測得的機械阻力需要對應特定的基準速度，獲得離散性結(jié)果。等速法測試過程主要以測功機的力傳感器為數(shù)據(jù)源，而減速法測試過程則與道路滑行試驗更為接近，使用底盤測功機的速度傳感器作為數(shù)據(jù)源。這也是兩種方法測試結(jié)果的本質(zhì)差別。獲得的機械阻力是一組離散的值FDj，需要與風洞測試結(jié)果一起，最終再進行最小二乘法擬合，獲得與道路阻力等效的阻力系數(shù)。該比較方法意味著機械阻力測試結(jié)果不具備獨立性，需要同時與風洞測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析才能判定結(jié)果的有效性。

為了將減速法測試機械阻力作為獨立的試驗方法，本文選擇使用直接采用擬合實測t-v曲線獲得機械阻力。文獻[8]表明該方法的精度更可靠，該文獻通過構(gòu)建理論滑行曲線，采用不同的阻力擬合方法獲得道路阻力系數(shù)，精度提高了5.86%。所測機械阻力系數(shù)適用于GB18352.6中循環(huán)能量消耗量計算法。

2.7? ?底盤測功機自校核與零點漂移修正

底盤測功機設備自帶校準功能，通常使用無車滑行方式確認底盤測功機的阻力模擬精度。如果試驗精度要求較高時，可以重新對底盤測功機進行校驗，或者用更快速的方法獲得底盤測功機的零點漂移。部分測試設備可以直接在道路阻力模式與等速模式之間切換，可以非常便捷地測定某一車速下的零點漂移。例如，底盤測功機無車狀態(tài)，先設置為20km/h等速模式，然后將道路阻力模擬值設置為1000kg，各阻力系數(shù)均設置為0，然后切換為道路阻力模擬模式，測試車速逐漸變化，經(jīng)過60s，車速升高至20.23km/h，根據(jù)動量守恒定理，求得底盤測功機在20km/h處的零點漂移是-1.065N。

為了與減速法相對應，底盤測功機的零點漂移測試方法設計如下：無車狀態(tài)下，使用相同的二次項阻力系數(shù)和慣量進行滑行模擬，分析減速滑行過程的車速數(shù)據(jù)，獲得道路阻力值，該值即為零點漂移。測試結(jié)果如表3所示。

循環(huán)能量消耗量為-0.0268kWh/100km。該值理論值是0，負號表示測功機的0點偏小，最終測得的機械阻力也需要往偏小方向修正。試驗表明，底盤測功機的零點漂移通常很小，在精度要求較高時可執(zhí)行底盤測功機零點漂移修正。

3? ? 測試實例分析

減速法測量車輛機械阻力與風洞試驗解耦空氣阻力一樣意義重大，需要規(guī)范其測試流程，在實際道路上解耦風阻也有一定的應用。

3.1? ?改進減速法測試步驟

根據(jù)以上描述的對減速法測量車輛機械阻力進行若干改進，綜合其測試流程如下：

步驟1（選測）：底盤測功機進行零點漂移測定;

步驟2：根據(jù)表4設定底盤測功機參數(shù)，車速從120km/h或車輛最高車速開始往下減速法測試，直到車速為0;

步驟3：重復步驟2測試5次;

步驟4：按照預熱方法執(zhí)行車輛預熱處理，等速80km/h預熱30min;

步驟5：重復步驟2與步驟3;

步驟6：試驗數(shù)據(jù)分析，獲得常數(shù)項阻力系數(shù)、一次項阻力系數(shù)、循環(huán)能量消耗量。

根據(jù)以上測試步驟，當?shù)妆P測功機具備實時恒速模式與道路阻力模擬模式切換功能時，則車速的控制完全用底盤測功機執(zhí)行，否則，全程只能用道路阻力模擬模式，由駕駛員按要求操作車輛。開發(fā)專用車速程序后，可由底盤測功機全程接管，駕駛員可使用配重替代。在測試無動力軸的車輛或者分解傳動系統(tǒng)零部件機械助力時，必須選擇轉(zhuǎn)鼓帶動車輛的模式。圖2是一項測試中速度控制隨時間的變化曲線，全程5430s，約1.5小時。

3.2? ?卡鉗拖滯力解耦試驗

卡鉗拖滯力有專用的測試設備進行測試[7]，但只能測試轉(zhuǎn)速極低狀態(tài)下的拖滯力，不能精確反應車輛機械阻力的貢獻?？梢允褂脺p速法對需要研究的機械傳動系統(tǒng)部件進行順序拆解的方式解耦[8]。

某樣車將其制動卡鉗拆解后，在兩驅(qū)底盤測功機上使用3.1節(jié)的測試方法測量機械阻力，再將制動卡鉗安裝回去，重新測量對比，整過測試過程剛好一個工作日。測試結(jié)果如表5所示。

從結(jié)果可知，比較熱態(tài)時，前輪卡鉗循環(huán)能量消耗量相差0.91kWh/100km，后輪卡鉗循環(huán)能量消耗量相差1.22kWh/100km，卡鉗損耗總量為2.13kWh/100km。車輪的滾動半徑為0.353m，折算到平均每個卡鉗的拖滯力矩為6.767Nm，而使用專用設備測試10圈平均拖滯力僅為3.5Nm，兩者相差巨大，但前者更接近實際道路滑行結(jié)果的測試方法，理論上可信度更高。

以上示例中，熱態(tài)測試4組結(jié)果的平均標準差為0.06kWh/100km，3σ精度可達±0.0805kWh/100km，表明該方法穩(wěn)定可靠。

4? ? 改進減速法優(yōu)缺點

改進的減速法新增了旋轉(zhuǎn)慣量、模擬阻力系數(shù)的設定規(guī)范;明確了冷態(tài)/熱態(tài)均重復測量多次的規(guī)定，使用更合理的擬合方法處理原始數(shù)據(jù)，可以將測試結(jié)果的穩(wěn)定性在結(jié)果中體現(xiàn);還提出了零點漂移的修正方法。相對于等速法測試，該方法人工操作步驟更少，在專用軟件開發(fā)之前操作相對較為簡便。在多軸底盤測功機中，可以通過等速法分辨不同輪胎的機械阻力大小，但減速法無法獲得不同輪胎的阻力大小。減速法的測試過程與道路滑行法測試機械阻力的過程更為接近，理論上其測試結(jié)果更接近實際道路滑行試驗結(jié)果。減速法與等速法均可以較好地分布拆解傳動系統(tǒng)部件測試各部件的機械阻力，實際道路滑行法則較難實現(xiàn)這一對比過程。實際道路滑行法的行駛阻力耦合度較高，可以通過先測試獲得機械阻力的方式，采用高速滑行段解耦車輛空氣阻力系數(shù)，相對于風洞試驗雖然穩(wěn)定性偏差，但成本更低，可以應用于部分氣動組件的初步實測驗證。

5? ? 結(jié)論

本文所述方法接近實際道路滑行法測試過程，操作簡便、結(jié)果穩(wěn)定可靠。該方法已編制成企業(yè)標準，在底盤測功機上操作步驟較多，數(shù)據(jù)處理依靠專用程序。標準GB18352.6中規(guī)定的操作步驟較多，普通試驗員較難學習與操作，下一步工作將把該方法與數(shù)據(jù)處理算法集成到測試設備中，推動該測試方法形成團體標準，達成行業(yè)內(nèi)測試結(jié)果互認目標。

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