歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)，肖文龍，陳齊平

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

單滾筒底盤測(cè)功機(jī)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)定的精準(zhǔn)度研究

歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)，肖文龍，陳齊平

（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330013）

為解決底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試的輪胎滾動(dòng)阻力與輪胎在路面行駛時(shí)的實(shí)際滾動(dòng)阻力失準(zhǔn)問(wèn)題，以江鈴寶典某款車型為實(shí)驗(yàn)車，在整車狀態(tài)下采用單滾筒底盤測(cè)功機(jī)分別對(duì)車輛在110，70，30 km/h這3個(gè)代表高、中、低速度點(diǎn)的輪胎進(jìn)行滾動(dòng)阻力測(cè)試，基于動(dòng)能守恒定律，繼而建立對(duì)輪胎進(jìn)行加載測(cè)試的滑行方法。為提高測(cè)試精度，在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻的消除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上述誤差均滿足車速≥36km/h誤差在3%以內(nèi)，車速≤36 km/h誤差在5%以內(nèi)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)螡L筒底盤測(cè)功機(jī)；臺(tái)架內(nèi)阻；輪胎滾動(dòng)阻力；加載；滑行測(cè)試

1 理論背景

滾動(dòng)阻力的定義是：汽車行駛過(guò)程中，隨著車輪的滾動(dòng)，輪胎與路面在接觸區(qū)域的法向、切向和側(cè)向均產(chǎn)生相互作用力，輪胎與地面亦存在相應(yīng)的變形。無(wú)論是輪胎還是地面，其變形過(guò)程必然伴隨著一定的能量損失，這些能量損失是使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)阻力的根本原因。當(dāng)彈性輪胎在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，輪胎的變形是主要的[3]。目前對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的研究主要是從數(shù)學(xué)模型出發(fā)，任禮行、Grover等[4-5]采用測(cè)力法測(cè)量了輪胎在不同載荷以及不同胎壓下的滾動(dòng)阻力，礙于測(cè)試設(shè)備的測(cè)量精度不高以及未能消除測(cè)試設(shè)備自身的內(nèi)阻，使得該研究基本上只能得出滾動(dòng)阻力大小隨氣壓、載荷的變化規(guī)律。高蔚、Grover等[6-7]采用雙滾筒對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)建立了單個(gè)輪胎在雙滾筒上的滾動(dòng)阻力數(shù)學(xué)模型研究，這一方法可以直接在整車狀態(tài)下對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)還能夠消除測(cè)試設(shè)備自身的內(nèi)阻，但是雙滾筒對(duì)實(shí)際道路的模擬能力較差，從而導(dǎo)致了測(cè)試精度不是很高。本文在前人的研究基礎(chǔ)上排除了其他影響因素對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響，只考慮車速對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響，采用單滾筒底盤測(cè)功機(jī)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力進(jìn)行測(cè)定，將得出的滾動(dòng)阻力與實(shí)際路面滑行得出的滾動(dòng)阻力進(jìn)行比較，得出單滾筒底盤測(cè)功機(jī)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)定的精度[8-9]。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用的底盤測(cè)功機(jī)是AVL底盤測(cè)功機(jī)，具有測(cè)試精度高、重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具體參數(shù)：型號(hào)為AVL Roadsim 48″compact；廠商為奧地利AVL；最大速度為200 km/h；額定功率為150 kW；最大標(biāo)定力為8 000N；轉(zhuǎn)鼓直徑為1 219.2mm；轉(zhuǎn)動(dòng)部件的當(dāng)量質(zhì)量為1178 kg。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了提高測(cè)試精度減小其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)的環(huán)境條件必須保證與道路滑行試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件一樣，即：風(fēng)阻系數(shù)為Cd=0.406 11；環(huán)境溫度為15.1℃；風(fēng)速為2m/s；氣壓為100.3 kPa；濕度為55%。

2.2 試驗(yàn)樣車

本實(shí)驗(yàn)分為室外道路滑行試驗(yàn)和室內(nèi)底盤測(cè)功機(jī)上的滑行試驗(yàn)，兩試驗(yàn)均采用同一車型，由于受室外試驗(yàn)場(chǎng)地限制，本實(shí)驗(yàn)中的室外試驗(yàn)數(shù)據(jù)是由江鈴公司給出的官方數(shù)據(jù)，可靠性高。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基本參數(shù)：車型款式為12款寶典普通型；燃油類型為柴油；車輛滿載質(zhì)量為2 375 kg；驅(qū)動(dòng)形式為前驅(qū)；發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為JX493ZQ5C；輪胎類型為子午線輪胎；迎風(fēng)面積為2.55m2；輪胎規(guī)格為215/70R15C。

2.3 試驗(yàn)方法

用單滾筒測(cè)功機(jī)對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的測(cè)量主要包括單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻消除和輪胎滾動(dòng)阻力的確定，試驗(yàn)采用滑行法。

2.3.1 單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻數(shù)學(xué)模型

為消除單滾筒底盤測(cè)功機(jī)內(nèi)阻，可采用底盤測(cè)功機(jī)滑行法先對(duì)內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，即在無(wú)車的條件下將單滾筒底盤測(cè)功機(jī)滾筒加速到某一高速，然后斷開(kāi)動(dòng)力源，此時(shí)滾筒只是在單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻的作用下滑行，根據(jù)滑行前后動(dòng)能守恒的原理，可以得到：

S——單滾筒底盤測(cè)功機(jī)所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的當(dāng)量質(zhì)量在滑行當(dāng)中的平動(dòng)距離，m，S=ν0t；

t——從較高的速度ν1滑行到較低的速度ν2的時(shí)間，s；

ν1——單滾筒底盤測(cè)功機(jī)滑行過(guò)程中滾筒的某一較高線速度，m/s；

ν2——單滾筒底盤測(cè)功機(jī)滑行過(guò)程中滾筒的某一較低線速度，m/s；

m——單滾筒底盤測(cè)功機(jī)上所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的當(dāng)量質(zhì)量，kg。

2.3.2 輪胎滾動(dòng)阻力數(shù)學(xué)模型

式中：F——輪胎在待測(cè)速度ν0時(shí)的滾動(dòng)阻力和單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻之和，N；

S′——實(shí)驗(yàn)車輛和單滾筒底盤測(cè)功機(jī)上所有轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的當(dāng)量質(zhì)量在滑行當(dāng)中相當(dāng)于平動(dòng)的距離，m；

M——實(shí)驗(yàn)車輛和單滾筒底盤測(cè)功機(jī)上所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件在滑行過(guò)程中的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的當(dāng)量質(zhì)量，kg。

式（2）中除了M為未知量，其他3項(xiàng)S′、ν3、ν4均可以通過(guò)滑行實(shí)驗(yàn)得出。所以欲求得F，必須先得出M，本文采用對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛二次加載滑行的方法來(lái)求得M。

所謂二次加載滑行法是指在實(shí)驗(yàn)車輛開(kāi)始第1次滑行之前，由單滾筒底盤測(cè)功機(jī)給實(shí)驗(yàn)車輛加載一個(gè)阻力值設(shè)為F1，此時(shí)實(shí)驗(yàn)車輛將在加載力F1、單滾筒臺(tái)架滾動(dòng)阻力和單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻的共同作用下滑行，此時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)車輛滑行開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的速度ν5和ν6以及滑行距離S1，第1次滑行結(jié)束；接著進(jìn)行第二次滑行，第2次滑行開(kāi)始時(shí)由單滾筒底盤測(cè)功機(jī)給實(shí)驗(yàn)車輛加載一個(gè)不同于F1的加載力F2，此次滑行需要保證實(shí)驗(yàn)車輛滑行開(kāi)始時(shí)和結(jié)束時(shí)的速度與第1次滑行時(shí)一樣仍然為ν5和ν6，記錄這次的滑行距離S2，利用動(dòng)能守恒定理建立以下數(shù)學(xué)模型：

式中：F1——第1次滑行時(shí)單滾筒底盤測(cè)功機(jī)的加載力，F(xiàn)1=100N；

F2——第2次滑行時(shí)單滾筒底盤測(cè)功機(jī)的加載力，F(xiàn)2=200N；

F′——滑行時(shí)的輪胎滾動(dòng)阻力和單滾筒臺(tái)架內(nèi)阻之和，N。

式中：Fν0——輪胎在待測(cè)速度ν0（110，70，30km/h）時(shí)的滾動(dòng)阻力，N；

F——輪胎在待測(cè)速度ν0（110，70，30 km/h）時(shí)的滾動(dòng)阻力和滾筒臺(tái)架內(nèi)阻之和，N。

3 試驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，由底盤測(cè)功機(jī)滑行法得出的滑行數(shù)據(jù)和結(jié)果如表1所示，由實(shí)驗(yàn)車輛在單滾筒測(cè)功機(jī)上進(jìn)行無(wú)加載的滑行法以及對(duì)實(shí)驗(yàn)車輛采用的二次加載滑行法可得輪胎滾動(dòng)阻力如表2～表4所示。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再結(jié)合式（1）可知待測(cè)速度的臺(tái)架內(nèi)阻；由表3和表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再結(jié)合式（3）、式（4）可以得出M=1 615.15 kg。將求得的M代入式（2）并結(jié)合式（5）可求得輪胎的滾動(dòng)阻力。處理結(jié)果如表5所示。

3.2 滑行驗(yàn)證

表1 底盤測(cè)功機(jī)滑行的數(shù)據(jù)和結(jié)果

表2 無(wú)加載滑行的數(shù)據(jù)和結(jié)果

表3 加載力為F1時(shí)滑行的數(shù)據(jù)和結(jié)果

表4 加載力為F2時(shí)滑行的數(shù)據(jù)和結(jié)果

表5 各待測(cè)速度點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6所示為該款車的道路滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制出圖1所示的道路行駛阻力與速度關(guān)系的散點(diǎn)圖，并將該散點(diǎn)圖擬合成曲線。由于道路行駛時(shí)存在空氣阻力，所以圖1中的行駛阻力應(yīng)為輪胎滾動(dòng)阻力與空氣阻力之和。根據(jù)表6和圖1中可以得到在待測(cè)速度點(diǎn)時(shí)的滾動(dòng)阻力如表7所示。

表6 道路滑行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

圖1 行駛阻力與速度關(guān)系曲線圖

表7 各待測(cè)速度點(diǎn)的道路滑行實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5和表7的數(shù)據(jù)可知，在速度ν0等于110，70，30 km/h時(shí)，其誤差分別為1.89%、2.83%、3.67%。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)單滾筒來(lái)模擬實(shí)際路面的情況，得出車輛在單滾筒底盤測(cè)功機(jī)上的滾動(dòng)阻力值與實(shí)際道路路面的滾動(dòng)阻力值之間的測(cè)量差。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件使得單滾筒上滑行時(shí)的外界條件與車輛在實(shí)際道路路面滑行時(shí)的條件完全一致。由室內(nèi)單滾筒實(shí)驗(yàn)結(jié)果和室外道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在對(duì)代表高、中、低3個(gè)速度點(diǎn)的輪胎進(jìn)行滾動(dòng)阻力測(cè)試時(shí)，誤差分別為1.89%、2.83%、3.67%。其誤差均滿足當(dāng)車速≥36 km/h其誤差在3%以內(nèi)，當(dāng)車速≤36 km/h其誤差在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅滿足了相應(yīng)的國(guó)標(biāo)要求，且對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)定的精準(zhǔn)度也優(yōu)于其他測(cè)試方法，達(dá)到了預(yù)期目的。

[1]GB/T 18861—2002汽車輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]李紅偉，孫炳光.輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試分析[J].輪胎工業(yè)，2009，29（3）：178-181.

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：27-29.

[4]任禮行，劉青.輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)量與分析[J].汽車工程，2000，22（2）：13-16.

[5]Grover P S，Bordelon S H.New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance[J].Polymer，2008（1）：85-87.

[6]高蔚，王建強(qiáng).雙滾筒上輪胎滾動(dòng)阻力模型[J].公路交通科技，2003，6（20）：13-16.

[7]Grover P S.Modeling of rolling resistance test data[J]. Powder Technology，2011（3）：269-282.

[8]李花婷，顏晉鈞.輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試方法研究[J].輪胎工業(yè)，2007，27（3）：180-183.

[9]魯統(tǒng)利，劉瑞軍，徐家川.汽車底盤模擬測(cè)功機(jī)適應(yīng)性預(yù)測(cè)研究[J].汽車工藝與材料，2001，26（8）：29-32.

[10]何建，湯波.汽車底盤測(cè)功機(jī)阻力設(shè)定及其典型問(wèn)題分析[J].輕型汽車技術(shù)，2008，9（3）：20-22.

[11]張琳.汽車底盤測(cè)功機(jī)的臺(tái)架滾動(dòng)阻力系數(shù)檢測(cè)方法的研究[J].寧夏機(jī)械，2004，23（1）：9-11.

Accuracy of single drum chassis dynamometer for measuring the rolling resistance of tires

OUYANG Aiguo，XIAO Wenlong，CHEN Qiping
（School of Mechatronics Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

The paper is proposed to solve the misalignment between the on-road tire-rolling resistance and the tested tire-rolling resistance.A JMC car was selected as the experimental model to test the rolling resistances of the tires at 110，70，30 km/h（high，medium，low speed）with a single-drum chassis dynamometer.Furthermore，the tires with different loads were tested by the way of sliding based on the law of conservation of kinetic energy.The internal resistance of the single drum rack was eliminated before the experiment to improve the measuring accuracy.The experiment results indicates that the test error is controlled within 3%when the speed is greater than or equal to 36 km/h，or else，it should be within 5%.

single-drum chassis dynamometer；internal resistance of rack；tire rolling resistance；load；sliding test

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0013-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.003

0 引言

在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)方面，減少汽車燃油消耗具有非常重要的作用，而輪胎滾動(dòng)阻力因其直接影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性而受到前所未有的重視[1-2]。輪胎滾動(dòng)阻力相較于輪胎負(fù)荷來(lái)說(shuō)，數(shù)值很小，給輪胎滾動(dòng)阻力的測(cè)量帶來(lái)了極大的難度。由于輪胎滾動(dòng)阻力不能直接由測(cè)試設(shè)備測(cè)試出來(lái)，需要經(jīng)過(guò)相關(guān)的計(jì)算，所以如何準(zhǔn)確測(cè)試出與輪胎滾動(dòng)阻力相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是測(cè)定準(zhǔn)確度的關(guān)鍵性因素，對(duì)測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確度也提出了較高要求。

2014-12-07；

2015-02-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51265015）

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20142BAB216026）

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ14392）

歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)（1968-），男，江西南昌市人，教授，主要從事車輛性能檢測(cè)和現(xiàn)代傳感器測(cè)試技術(shù)。