摘要：針對(duì)道路滑行試驗(yàn)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(shí)間法開展空擋下道路滑行試驗(yàn)研究汽車道路行駛阻力。闡述了試驗(yàn)車輛依據(jù)時(shí)間法在道路上開展滑行試驗(yàn)及獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，并利用最小二乘法曲線擬合的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而計(jì)算出空氣阻力系數(shù)和滾動(dòng)阻力系數(shù)。結(jié)果顯示，滑行時(shí)間法測(cè)定的道路行駛阻力更能真實(shí)反映車輛道路行駛實(shí)際情況，具有較好的實(shí)用性。

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

中圖分類號(hào)：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(jī)動(dòng)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(yàn)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(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響的重要參考，對(duì)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(yàn)測(cè)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(yàn)中，大多通過對(duì)汽車的滑行距離進(jìn)行檢測(cè)，但該方法經(jīng)濟(jì)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(cè)量方法》，提出基于滑行時(shí)間法測(cè)定車輛道路滑行阻力系數(shù)，運(yùn)用VBOX記錄車輛滑行過程的時(shí)間-速度數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合原理對(duì)滑行過程中獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

車輛道路滑行試驗(yàn)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(gè)GPS引擎實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性測(cè)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(cè)得數(shù)據(jù)不僅可實(shí)時(shí)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(duì)試驗(yàn)車輛的行駛里程、車速和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.2 車輛準(zhǔn)備

選取一輛最大設(shè)計(jì)質(zhì)量為11 995 kg的N2非城市貨車作為試驗(yàn)車輛，試驗(yàn)車輛信息如表1所示。試驗(yàn)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(dòng)阻力對(duì)數(shù)據(jù)的影響，車輛稱重并配重至滿載狀態(tài)。正式試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)車輛需要在試驗(yàn)道路上以中高速進(jìn)行行駛且行駛時(shí)間不得低于40 min進(jìn)行預(yù)熱，使各運(yùn)動(dòng)部件充分潤滑，讓試驗(yàn)車輛達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 試驗(yàn)條件

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840-2021中的要求，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)道路1.6 m處測(cè)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(duì)濕度小于95%[3]?；性囼?yàn)中測(cè)得環(huán)境條件如表2所示。

2.4 試驗(yàn)方法

車輛道路滑行試驗(yàn)需在空擋狀態(tài)進(jìn)行，試驗(yàn)車輛加速至標(biāo)準(zhǔn)中行駛阻力測(cè)定車速（該試驗(yàn)車輛行駛阻力測(cè)定車速為80 km/h）后，將擋位掛至空擋使發(fā)動(dòng)機(jī)脫開，依靠車輛自身的慣性力的勢(shì)能繼續(xù)行駛，直到滑行過程中車速降至15 km/h以下試驗(yàn)結(jié)束。由于受試驗(yàn)場(chǎng)地長度的限制，采取分段滑行的方法完成整個(gè)試驗(yàn)。該試驗(yàn)車輛試驗(yàn)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(cè)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(yàn)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(yàn)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(jì)精度不大于4%，其他速度不應(yīng)大于5%，統(tǒng)計(jì)精度計(jì)算公式如下：

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

3 汽車滑行阻力計(jì)算

汽車在水平路面上等速行駛時(shí)，必須克服來自地面的滾動(dòng)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(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)測(cè)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(xiàng)系數(shù)，其值受車輛內(nèi)阻的影響，N·h/km；f2為二次項(xiàng)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需考慮環(huán)境的變化對(duì)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(cè)得的，雖然標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行了約束，但汽車在實(shí)際滑行試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)會(huì)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(duì)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(cè)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(yàn)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(shí)的滾動(dòng)阻力；RW為速度v時(shí)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(yùn)行阻力；t為試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度；t0為基準(zhǔn)大氣溫度，20℃；d為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)期間的對(duì)對(duì)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(dòng)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(yàn)結(jié)果和分析

依據(jù)上述試驗(yàn)方法和行駛阻力計(jì)算方法，通過時(shí)間滑行法實(shí)測(cè)得到2段速度段的每個(gè)速度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的滑行時(shí)間數(shù)據(jù)，依據(jù)式（2）得到試驗(yàn)車輛道路滑行中測(cè)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(shí)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(shí)際滑行試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)會(huì)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(duì)實(shí)測(cè)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?；袝r(shí)間法測(cè)定的道路行駛阻力更能真實(shí)反映車輛道路行駛實(shí)際情況，測(cè)定出的阻力系數(shù)為后續(xù)底盤測(cè)功機(jī)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(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在[10]。P8DE+I8cIKxBbIwBIQ7ahg==

5 結(jié)語

針對(duì)重型商用車進(jìn)行滑行阻力系數(shù)測(cè)定的試驗(yàn)研究，分析汽車在滑行過程中主要受力情況，設(shè)計(jì)了道路滑行試驗(yàn)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(yàn)車輛滑行過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過道路滑行試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)提出了道路阻力計(jì)算方法和校正至基準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力計(jì)算方法及滑行阻力系數(shù)計(jì)算方法。研究結(jié)論為后續(xù)底盤測(cè)功機(jī)道路阻力模擬設(shè)定值提供了可靠的依據(jù)，對(duì)滑行試驗(yàn)阻力系數(shù)測(cè)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?yàn)槠嚈z測(cè)、產(chǎn)品認(rèn)證。