龔春忠

摘 要：汽車的行駛阻力通常由整車滑行試驗獲取，精確的道路阻力對整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)有著重要的意義。文章研究滑行試驗數(shù)據(jù)的處理方法，提出將風速、坡度、溫度、氣壓、濕度納入到校正的因素中，以獲得更精確的道路阻力系數(shù)。文章對校正公式進行推導，提出一種一次性修正所有環(huán)境因素的公式，并得出了各因素修正對結果的影響程度大小。文章使用校正過的多組阻力數(shù)據(jù)在中國工況下的電機端能量消耗率作為結果的穩(wěn)定性判據(jù)，結合測試理論，當有組別誤差超過3σ區(qū)域時才做剔除無效測試點處理。

關鍵詞：汽車滑行試驗;校正;電機端能量消耗率判據(jù)

Abstract： Vehicle driving resistance is usually obtained by taxi test. Accurate road resistance is of great significance to the development of vehicle dynamic economy. In this paper， the processing method of taxiing test data is studied. The wind speed， slope， temperature， pressure and humidity are included in the correction factors to obtain more accurate road resistance coefficient. In this paper， the correction formula is deduced， and a case of one-time correction of all environmental factors is put forward， and the influence degree of each factor correction on the results is obtained. In this paper， the energy consumption rate of motor end under the condition of Chinese working condition is used as the stability criterion of the result. Combined with the test theory， the invalid test points are removed when the group error exceeds 3σ region.

Keywords： Vehicle coast-down test; Correction; Motor end energy consumption rate criterion

前言

汽車的行駛阻力通常由整車滑行試驗獲取，精確的道路阻力對整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)有著重要的意義。為了獲取更精確的道路阻力，我國對滑行試驗的標準做了修改?！禛B 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）》[1]（以下簡稱“國六”）附錄CC中規(guī)定的道路載荷測量與測功機設定方法相對于《GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》[2]（以下簡稱“國五”）附錄CH中規(guī)定的道路載荷測定方法，有了較大的改進。但在試驗數(shù)據(jù)處理中的校正與擬合，還有待完善的地方。

本文研究滑行試驗數(shù)據(jù)的處理方法，提出將風速、坡度、溫度、氣壓、濕度考慮到了校正的因素中，以獲得更精確的道路阻力系數(shù)。并提出了各組滑行數(shù)據(jù)先求出道路阻力系數(shù)，后校正系數(shù)，并引入中國工況下的輪邊平均能量消耗率作為阻力大小和結果穩(wěn)定性的判據(jù)。

1 滑行試驗基本原理

汽車行駛的過程中受到4個力的作用，分別為空氣阻力、滾阻阻力、汽車機械傳動系統(tǒng)寄生阻力、坡道力。汽車滑行試驗的目的就是車輛汽車行駛阻力，不包含坡道力。根據(jù)牛頓第二定律得：

式中：m為汽車整備質量、駕駛員質量、傳動系統(tǒng)等效當量慣量的和;v為汽車車速;F阻為汽車行駛阻力。

根據(jù)汽車理論推導，空氣阻力與速度的平方成正比，車內(nèi)寄生損失與速度成正比，汽車滾動阻力近似為常數(shù)：

式中：f0為道路載荷常數(shù)項，N;f1為一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;f0為二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。

但實際測試中，道路阻力受溫度、氣壓、風速等不可控因素影響。因此需要做校準處理。

2 國五、國六標準校正技術對比

滑行試驗在室外長直跑道上進行，規(guī)定了環(huán)境條件：（1）固定式分數(shù)儀測量法要求，5秒平均分數(shù)低于5m/s，2秒峰值風速低于8m/s，橫向風速矢量小于2m/s，車載風速計要求，總平均分數(shù)小于7m/s，峰值風速小于10m/s，橫向風速矢量小于4m/s。（2）大氣溫度在5～40℃范圍內(nèi)。（3）道路平坦、干燥、清潔，縱向坡度不應超過±1%，最大弧度應不大于1.5%。

通常，試驗場的道路路面平整度滿足要求，無需校正。但溫度、濕度、氣壓、風速往往與標準狀態(tài)不一致，需要做校正處理。標準中規(guī)定的基準狀態(tài)為，溫度293K，氣壓100kPa，風速0m/s，當實測環(huán)境與上述不相符時，采用校正技術校正為標準狀態(tài)。

國五與國六標準中均把道路阻力分為兩部分：車輛機械阻力（包括滾阻、傳動系統(tǒng)及軸承阻力、減速器阻力）和空氣阻力。但國五中間，在擬合阻力F前對功率進行校正，國六中風速校正使用平均阻力法校正后再求阻力系數(shù)。從理論上分析，兩者校正的效果是相同的。國六校正風速時，正反方向的時間修正使用調(diào)和平均，對應于阻力校正使用了算術平均。

但國六標準依然有以下問題：風速的校正處理了兩次，是否可以一次完成？機械傳動系統(tǒng)經(jīng)過預熱處理，其阻力受環(huán)境溫度影響可以忽略，如何在數(shù)據(jù)處理中體現(xiàn)？如何判定試驗結果的有效性？

結合以上問題，本文對校正公式進行推導，提出一種一次性校正所有環(huán)境因素的公式。并提出了各因素修正對結果的影響程度。本文使用校正過的多組阻力數(shù)據(jù)在中國工況下的電機端能量消耗率作為結果的穩(wěn)定性判據(jù)。結合測試理論，當有組別誤差超過3σ區(qū)域時才做部分測試點無效判據(jù)。

3 校正公式理論推導

標準中規(guī)定的基準狀態(tài)為，溫度293K，氣壓100kPa，風速0m/s，當實測環(huán)境與上述不相符時，需采用校正技術校正為基準狀態(tài)。通常，試驗場的道路路面平整度滿足要求，無需校正。但溫度、濕度、氣壓、風速往往與標準狀態(tài)不一致，需要做校正處理。汽車空氣動力學仿真與實際設計、使用條件，均遵循理化規(guī)律，因此，本文建議的基準狀態(tài)與標準有差異。校正公式的目的是，非基準狀態(tài)下測試結果校正為基準狀態(tài)下的結果。

3.1 基準狀態(tài)的定義及其理論結果

為了與相應的仿真、測試理論對應，本文未沿用標準中規(guī)定的基準狀態(tài)，而是將基準狀態(tài)定義為：

氣溫：T0=298.15 K（25℃），為與試驗環(huán)境溫度保持一致。

壓力：Pair0=101.325 kPa，與標準大氣壓保持一致。

濕度：RH0=45%，與試驗室濕度設置保持一致。

風速：vw0=0km/h，縱向風速，順風的時候為正，逆風的時候為負。

坡度：=0，基準狀態(tài)下默認為平面，下坡時為正值。

基準狀態(tài)下道路阻力表述為：

式中：A為道路載荷常數(shù)項，N;B為一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;C為二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。在實際的道路阻力中，輪胎阻力、車輛機械傳動系統(tǒng)阻力、空氣阻力均是非線性的。但本文為了推導修正公式，需要做近似處理，且有相關的理論依據(jù)：阻力系數(shù)A主要對應輪胎滾動阻力，文獻[3]中描述了子午胎在車速為160km/h以下變化平緩。B系數(shù)主要對應車輛傳動系統(tǒng)機械阻力，文獻[4]中軸承摩擦力矩與轉速的2/3次方成正比，因車輛試驗前要求做預熱處理，因此車輛機械損失可以認為不受溫度、濕度、氣壓、風速、坡度的影響。C系數(shù)主要對應車輛的空氣阻力，在風阻分析中與側向風、空氣密度等有關，為簡化校正，僅考慮空氣密度的影響。

式中，ρ0為基準狀態(tài)下的空氣密度，（25℃，101.325kPa，45%RH）1.1776 kg/m?，Cd為汽車空氣阻力系數(shù)，S為汽車迎風面積。

3.2 非基準狀態(tài)下測試結果分析

非基準狀態(tài)下有以下參數(shù)需要實測修正：

實測氣溫：T;實測壓力：Pair;實測濕度：RH;風速：vw，縱向風速，順風的時候為正，逆風的時候為負;坡度： =0，下坡時為正值，上坡時為負值。

實測狀態(tài)下道路阻力表述為：

式中：f0為實測道路載荷常數(shù)項，N;f1為實測一次道路載荷系數(shù)，N/（km/h）;f2為實測二次道路載荷系數(shù)N/（km/h）?。

式中，φ（T，RH）——根據(jù)溫度、相對濕度查濕空氣焓濕圖得到的水蒸氣分壓，如表1所示。

3.3 非基準狀態(tài)校正為基準狀態(tài)的理論推導

影響校正的環(huán)境條件有溫度、濕度、氣壓、縱向風速。其中溫度、濕度、氣壓通過影響空氣密度來影響空氣阻力，溫度通過影響輪胎性能來影響滾阻系數(shù)。用基準狀態(tài)阻力系數(shù)與各條件因素表達實測下的道路阻力，如式（8）所示：

式中，K0為滾動阻力修正因子，默認取值為8.6×10-3 K-1;m=mcar+mp+ms是試驗質量。mcar為車輛實測整備質量;mp 為駕駛員質量;ms為試驗過程車輛配重;g是重力加速度，9.8N/ kg。很小時，要求<0.1%，故可做近似處理：

上式做簡化，將（9）式帶入替換，且重構（4）、（6）式，則結果如下：

4 校正誤差分析

校正是為了排除環(huán)境對試驗結果的干擾，但實際上環(huán)境因素對汽車阻力的影響是非線性的，模型推導中做了大量的假設，因此也同時規(guī)定了需要各環(huán)節(jié)因素上下限，在允許的范圍內(nèi)才能開展試驗。校正技術只是滑行試驗在外部環(huán)境測試中無法完全控制環(huán)境成本的一種補充手段。實際測試中各條件越接近基準狀態(tài)越好。在標準中所規(guī)定的各因素的影響大小比較，是本節(jié)研究的問題。

4.1 道路阻力系數(shù)的能耗評價

試驗表明，使用等效能量消耗率描述滑行阻力結果，其平均相對偏差僅為1.14%.使用等效能量消耗率描述還具備鮮明的物理意義，綜合概括汽車各類阻力的大小。本文規(guī)定以中國工況為參考工況，比較每次試驗的輪邊能量消耗率。實測阻力下的輪邊功率計算如下：

式中，mr為車輛旋轉部件等效慣量;v，a分別為中國工況下的速度和加速度。

在該工況下電機輸出端的能量消耗率為：

4.2 各因素極限條件下校正影響

前面分析了實測結果與修正結果的關系。下面分析各因素允許的修正極限范圍內(nèi)對修正后系數(shù)的影響。以某款汽車實測結果為例：該車整備質量1170kg，駕駛員質量60kg，配重40kg，旋轉當量慣量為50kg，實測阻力系數(shù)分別為：f0=123.49 N;f1=0.338 N/（km/h）;f2=0.0349 N/（km/h）?。則中國工況下電機輸出端能量消耗率為7.34kWh/100km。

由表2可知，各因素對試驗結果的影響排序為：風速>溫度>坡度>氣壓>濕度。當能量消耗率需要向更大方向修正時，極限狀態(tài)為：溫度40℃、濕度100%，氣壓：90kPa，風速3m/s，坡度0.1%，此時能量消耗率校正后比校正前大34.72%。當能量消耗率需要向更小方向修正時，極限狀態(tài)為：溫度5℃、濕度0%，氣壓：101.325kPa，風速-3m/s，坡度-0.1%，此時能量消耗率校正后比校正前小31.76%。

5 試驗實例

某款純電動汽車做滑行試驗，該車整備質量1170kg，駕駛員質量60kg，配重40kg，旋轉當量慣量為50kg。在以下環(huán)境中進行試驗：

氣溫：T =22℃;

壓力：Pair =990kPa;

濕度：RH =50%;

風速：前四次vw=0.5*cos（45°）=0.354m/s，后四次vw -0.354m/s;

坡度：=0。

共執(zhí)行了8組試驗，每組試驗進行系數(shù)求取，根據(jù)環(huán)境條件校正為基準狀態(tài)。結果如表3所示。

由表3可知，校正后能量消耗率標準差由0.12kWh/ 100km降到了0.09kWh/100km。最大偏差的是第4組，誤差為0.1758/0.09=1.953σ，在3σ區(qū)間內(nèi)，故所有測試點均為有效點。最終測試結果為：A=137.23N;B=0.717N/（km/h）;C=0.03528N/（km/h）?。

6 結論

汽車的節(jié)能環(huán)保一直以來都是重要課題。獲取精確的汽車道路阻力系數(shù)對汽車的節(jié)能研究非常重要。經(jīng)研究，本文提出一種道路阻力的修正方法，并給出了各物理條件在極限狀態(tài)的修正比例。該方法相對于國六標準有如下變動：1、引入濕度校正條件;2、基準大氣壓修正為101.325kPa，基準溫度修正為298.15K，增加基準濕度45%;3、順風與逆風、道路坡度等在求取阻力系數(shù)后統(tǒng)一修正;4、中國工況計算電機輸出端能量消耗率作為誤差判別依據(jù)，適用于3σ區(qū)間判定法。

另外，在底盤測功機上測試時，通常要測試滿載、半載、高溫、低溫等狀態(tài)，此時沿用基準狀態(tài)阻力不合理。但單獨測試成本又高，故此時可以沿用基準阻力數(shù)據(jù)，通過方程組（12），逆向推導對應的阻力系數(shù)值，拓寬校正技術的逆向應用。

參考文獻

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