唐瑤 韋祖武 黎炎華

摘要： 為了量化整車(chē)阻力對(duì)汽車(chē)燃料消耗量的影響，首先采用理論計(jì)算結(jié)合測(cè)試對(duì)比的方法分析主動(dòng)近氣格柵對(duì)風(fēng)阻的影響，并通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)設(shè)置不同滑行阻力測(cè)試燃料消耗量;通過(guò)對(duì)比ISO 28580和SAE J2452兩種測(cè)試滾動(dòng)阻力的方法，分別給出了不同型號(hào)的輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)，結(jié)果顯示SAE J2452測(cè)試方法可以更好的評(píng)價(jià)滾阻系數(shù)對(duì)燃料消耗量的影響。研究結(jié)果表明，通過(guò)改善風(fēng)阻和滾阻可以顯著降低整車(chē)燃料消耗量，并且明確了風(fēng)阻系數(shù)和滾阻系數(shù)與燃料消耗量之間的線(xiàn)性關(guān)系。

Abstract： In order to quantify the vehicle resistance influence on vehicle fuel consumption， the first method to test the contrast analysis is obtained by using the theory of active near the gas grill on the influence of wind resistance， and through setting different sliding resistance of chassis dynamometer test fuel consumption. By comparing ISO 28580 and SAE J2452 test methods of rolling resistance， the rolling resistance coefficient of different types of tires was given respectively. The results show that SAE J2452 test method can better evaluate the impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption. The results show that the fuel consumption of the vehicle can be significantly reduced by improving the wind resistance and roll resistance， and the linear relationship between the wind resistance coefficient and roll resistance coefficient and fuel consumption is clarified.

關(guān)鍵詞： 空氣阻力;滾動(dòng)阻力;燃油經(jīng)濟(jì)性

Key words： air resistance;rolling resistance;fuel economy

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0061-04

0 ?引言

根據(jù)相關(guān)研究資料，二零一九全年度，中國(guó)從國(guó)外進(jìn)口原油總量約5億噸，較上一年同比增長(zhǎng)約百分之九點(diǎn)五，并且該比例每年正在逐級(jí)遞增，這也從一定程度說(shuō)說(shuō)明我國(guó)不但是石油消費(fèi)大國(guó)，也是石油進(jìn)口大國(guó)，我國(guó)對(duì)外每年的石油的進(jìn)口依賴(lài)程度超過(guò)70%;二零一八年度，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》白皮水，計(jì)劃旨在北上廣深等類(lèi)似的許多大型城市，要把空氣污染的罪魁禍?zhǔn)准礄C(jī)動(dòng)車(chē)尾氣作為重點(diǎn)控制對(duì)象。同時(shí)在目前碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，更要把機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的減排及處理作為重大行動(dòng)計(jì)劃，這也是打贏這場(chǎng)藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要保證。另?yè)?jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)3.6億輛，汽車(chē)不僅消耗了大量的石油資源，也是重要的移動(dòng)污染源，在目前碳達(dá)峰、碳中和的能源戰(zhàn)略大背景下，機(jī)動(dòng)車(chē)如何做到減少能源消耗和降低尾氣排放，人們?nèi)找骊P(guān)切。因此通過(guò)降低汽車(chē)汽車(chē)行駛阻力來(lái)減少汽車(chē)用燃料消耗，從而減少汽車(chē)尾氣排放在當(dāng)代能源戰(zhàn)略大背景下顯得至關(guān)重要。

據(jù)國(guó)外相關(guān)專(zhuān)家Barrand，J等人[1]的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，機(jī)動(dòng)車(chē)的燃油消耗總量大約有25%是用來(lái)克服其行駛阻力的。而我國(guó)國(guó)內(nèi)如樂(lè)智等人[2]一些行業(yè)專(zhuān)家發(fā)明零一種基于汽車(chē)行駛過(guò)程中燃料消耗能量流動(dòng)方向性的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法，該方法從一定程度上可以試驗(yàn)得出汽車(chē)各個(gè)系統(tǒng)的能量消耗占比，經(jīng)采用此理論對(duì)汽車(chē)主要能量消耗占比測(cè)試，表明汽車(chē)有22.1%～22.7%的能量消耗在整車(chē)空氣阻力，汽車(chē)輪胎的滾動(dòng)阻力、以及汽車(chē)行駛過(guò)程中的制動(dòng)阻力損失等。

機(jī)動(dòng)車(chē)行駛阻力主要由四部分構(gòu)成：空氣阻力、滾動(dòng)阻力、坡度阻力、加速阻力。汽車(chē)在道路上行駛時(shí)，就需要克服來(lái)自地面施加在輪胎上的滾動(dòng)阻力，以及行駛過(guò)程中氣流變換引起的空氣阻力。另外當(dāng)汽車(chē)在具有一定坡度的道路上行駛時(shí)，還要受到坡度阻力，當(dāng)汽車(chē)加速行駛時(shí)還需要克服加速阻力。以上阻力中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力均是汽車(chē)行駛過(guò)程中客觀存在的，而加速阻力和坡度阻力僅特定的工況下才存在。本文根據(jù)造成汽車(chē)阻力產(chǎn)生原因和減小阻力的方法，結(jié)合汽車(chē)行駛過(guò)程中各種阻力對(duì)燃油消耗占比不同，分別對(duì)影響空氣阻力的主動(dòng)進(jìn)氣格柵和普通格柵、以及影響滾動(dòng)阻力的低滾阻輪胎和普通輪胎在不同車(chē)輛狀態(tài)下進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)，并根據(jù)道路試驗(yàn)得到的參數(shù)來(lái)配置實(shí)驗(yàn)室底盤(pán)測(cè)功機(jī)阻力，進(jìn)行燃料消耗量對(duì)比測(cè)試，最終得出空氣阻力、滾動(dòng)阻力對(duì)整車(chē)油耗影響的一般規(guī)律。

1 ?進(jìn)氣格柵狀態(tài)對(duì)整車(chē)阻力的影響

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，壓力阻力約占總行駛阻力的91%，壓力阻力由形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力共同組成。其中，氣流流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)阻所造成的內(nèi)循環(huán)阻力占整個(gè)行駛阻力的約9%[5]。通過(guò)減少進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻風(fēng)量，能夠明顯降低由冷卻系導(dǎo)腔不規(guī)則、各類(lèi)拐角、障礙使流動(dòng)方向發(fā)生突變所導(dǎo)致的摩擦和動(dòng)量損失[3]。

其中：m為整備質(zhì)量，a1、v1為t1時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度與車(chē)速，a2、v2為t2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的加速度與車(chē)速[4]。

五菱某手動(dòng)擋MPV車(chē)型搭載主動(dòng)進(jìn)氣格柵實(shí)車(chē)情況如圖1所示。

車(chē)型在兩種格柵狀態(tài)下實(shí)際滑行阻力曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)以上圖表對(duì)比可以看出，帶有主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)，在主動(dòng)進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)小約28N;行車(chē)速度在20km/-90km/h之間的情況下，在主動(dòng)進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)小約19N;行車(chē)速度在90km/-120km/h之間的情況下，在主動(dòng)進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)小約48N。

根據(jù)公式PL=FL*v計(jì)算可得出，帶有主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)在主動(dòng)進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下，相對(duì)于不帶主動(dòng)進(jìn)氣格柵的機(jī)動(dòng)車(chē)，在同等行駛條件下經(jīng)對(duì)他們的滑行阻力狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化后，可以得出優(yōu)化后的風(fēng)阻功率，見(jiàn)圖3。如圖3所示在行車(chē)速度大于80km/h狀態(tài)下，主動(dòng)進(jìn)氣格柵能明顯降低整車(chē)的平均滑行阻力，在車(chē)速為100km/h時(shí)，優(yōu)化風(fēng)阻功率約3430瓦。

另外通過(guò)整車(chē)CFD模態(tài)分析（見(jiàn)圖4）可知，在機(jī)動(dòng)車(chē)的主動(dòng)進(jìn)氣格柵關(guān)閉狀態(tài)情況下，通過(guò)進(jìn)氣格柵進(jìn)入到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流量將明顯減少，這樣一定程度上減小了氣流打在進(jìn)氣格柵上產(chǎn)生過(guò)大的空氣阻力，同時(shí)能夠優(yōu)化紊流氣阻，最終實(shí)現(xiàn)整車(chē)空氣阻力的降低，從而減少克服空氣阻力而產(chǎn)生的能量消耗。

由式（3）計(jì)算可得出不同格柵狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的空氣阻力系數(shù)，見(jiàn)表1。

主動(dòng)進(jìn)氣格柵能夠優(yōu)化汽車(chē)在行駛過(guò)程中（特別是中高速情況下）的行駛阻力，試驗(yàn)表明風(fēng)阻系數(shù)降低4%，NEDC油耗降低約1.1%。

2 ?低滾阻輪胎對(duì)整車(chē)阻力的影響

所謂滾動(dòng)摩擦阻力，即當(dāng)汽車(chē)輪胎在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，輪胎上的各個(gè)與地面接觸的點(diǎn)依次與硬路產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生摩擦力就叫做滾動(dòng)摩擦阻力。實(shí)踐研究表明汽車(chē)的滾動(dòng)摩擦阻力的一般小于輪胎滑動(dòng)摩擦阻力。

滾動(dòng)阻力不是摩擦力。滾動(dòng)阻力盡管叫做力，但實(shí)際上是一種能量損失。輪胎滾動(dòng)阻力產(chǎn)生的主要原因是輪胎橡膠具有粘性。如圖5所示。輪胎與地面的接觸處不是點(diǎn)和線(xiàn)，是一片不同的變形區(qū)域，由于輪胎和地面的接觸點(diǎn)并非完全對(duì)稱(chēng)，且對(duì)應(yīng)點(diǎn)受力方向并不完全一致，因此將分布的接觸力向接觸中心簡(jiǎn)化時(shí)可以得到一個(gè)合力R（這個(gè)合力可分解為摩擦力F和正壓力L）和一個(gè)力偶，其力偶矩為Mf，如圖5（b）所示。這個(gè)矩為Mf的力偶稱(chēng)為滾動(dòng)摩阻力偶（簡(jiǎn)稱(chēng)滾阻力偶），它與主動(dòng)力偶（Q，F(xiàn)）相平衡，方向與滾動(dòng)的趨勢(shì)方向相反。當(dāng)將作用于A點(diǎn)法向反力L和滾阻力偶矩Mf合成為作用于C點(diǎn)的力時(shí)，易得：

f稱(chēng)為輪胎滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)滾阻系數(shù)，實(shí)為一微小距離，其單位為mm。f的大小與輪胎臺(tái)面結(jié)構(gòu)、膠料配方、輪胎與地面的接觸面積等有關(guān)[5]。

目前常用的輪胎滾動(dòng)阻力的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2，該標(biāo)準(zhǔn)的本身存在局限性，其僅能對(duì)固定模式下測(cè)量汽車(chē)的滾動(dòng)阻力和滾阻系數(shù)。

美國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)工程師協(xié)會(huì)制定了SAE J 2452-2017[7]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試不同車(chē)速、不同載荷、不同胎壓下的輪胎滾動(dòng)阻力，但其規(guī)定轉(zhuǎn)股采用80粒度紋理表面，一般設(shè)計(jì)4種代表胎壓、載荷的工況點(diǎn)，最大程度地在滾動(dòng)表面模擬了實(shí)際道路的行駛情況。為了方便在不同試驗(yàn)條件下分析滾動(dòng)阻力的能量消耗，SAE J 2452-2017給出的一種滾動(dòng)阻力的多元非線(xiàn)性擬合表達(dá)式計(jì)算全工況下輪胎滾動(dòng)阻力，如式（5）：

式中：Fr為滾動(dòng)阻力，N;P為胎壓，kPa;L為載荷，N; V為車(chē)速，km/h。

以上述2號(hào)輪胎測(cè)試結(jié)果為例說(shuō)明SAE J 2452-2017滾阻系數(shù)測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表3。

各編號(hào)輪胎測(cè)試結(jié)果按公式（5）擬合，結(jié)果見(jiàn)表4。

以上汽通用五菱某手動(dòng)擋MPV車(chē)型為例，該車(chē)整備質(zhì)量1260kg，充氣胎壓260kPa，最高車(chē)速160km/h，帶入表4的滾動(dòng)阻力擬合式中，計(jì)算整車(chē)滾動(dòng)阻力差異對(duì)比，見(jiàn)圖6。

1號(hào)低滾阻輪胎與2號(hào)非低滾阻輪胎滾動(dòng)阻力相比，單條輪胎滾動(dòng)阻力降低10～11N，整車(chē)滾動(dòng)阻力降低43.0～46.3N，降幅24.3%～32.0%;3號(hào)低滾阻輪胎與2號(hào)非低滾阻輪胎滾動(dòng)阻力相比，單條輪胎滾動(dòng)阻力降低8～9N，整車(chē)滾動(dòng)阻力降低34.8～38.3N，降幅19.0%～26.8%。

道路滑行阻力測(cè)試前對(duì)輪胎花紋深度進(jìn)行精確控制，并測(cè)量、記錄輪胎花紋深度，花紋深度控制情況見(jiàn)圖7a，測(cè)量點(diǎn)選擇見(jiàn)圖7b。

同一樣車(chē)上分別安裝上述2號(hào)輪胎和3號(hào)輪胎，并擇機(jī)（氣溫波動(dòng)小于2℃，相對(duì)濕度變化5%以?xún)?nèi)，風(fēng)速波動(dòng)<0.5m/s）在同一試驗(yàn)道路分別開(kāi)展滑行阻力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。

增加低滾阻輪胎后，相比原車(chē)輪胎，整車(chē)阻力降低30.2～37.2N，與前述按滾阻系數(shù)計(jì)算的輪胎滾動(dòng)阻力下降幅度誤差約5～6%。分別按上述滑行阻力系數(shù)設(shè)置底盤(pán)測(cè)功機(jī)吸收功率，并測(cè)試NEDC工況油耗，得到不同輪胎滾阻系數(shù)對(duì)應(yīng)的油耗測(cè)試值，見(jiàn)表5。可見(jiàn)1號(hào)輪胎相比2號(hào)輪胎滾動(dòng)阻力降幅24.3%～32.0%，對(duì)應(yīng)NEDC油耗降幅約2.7%。

3 ?結(jié)論

①根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)基本公式可以推導(dǎo)出計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)的簡(jiǎn)便方法，與CFD分析軟件計(jì)算結(jié)果基本吻合，本文提供了根據(jù)道路滑行數(shù)據(jù)估算整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的簡(jiǎn)便方法。②主動(dòng)進(jìn)氣格柵可以有效降低整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)，進(jìn)而降低整車(chē)油耗，提高燃料經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)表明，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低4%，整車(chē)油耗約改善1.1%。③輪胎供應(yīng)商通過(guò)優(yōu)化輪胎膠料配方降低滾阻系數(shù)，可以有效降低整車(chē)阻力，進(jìn)而降低整車(chē)油耗，試驗(yàn)表明，輪胎滾動(dòng)阻力降低24.3%～32.0%，對(duì)應(yīng)NEDC油耗降幅約2.7%。④同時(shí)增加主動(dòng)進(jìn)氣格柵以及低滾阻輪胎，可降低整車(chē)阻力35.9N～88.7N，降幅達(dá)11%～29%，中低速段改善明顯，并實(shí)現(xiàn)整車(chē)油耗下降約0.26L/100km，降幅達(dá)3.8%。⑤試驗(yàn)MPV車(chē)型每年的銷(xiāo)量約20萬(wàn)輛，則按目前雙積分單價(jià)估算（2000元/分），約相當(dāng)于每年創(chuàng)造雙積分等效價(jià)值約1.04億元。

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