單滾筒底盤測功機對輪胎滾動阻力測定的精準度研究

歐陽愛國，肖文龍，陳齊平

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

單滾筒底盤測功機對輪胎滾動阻力測定的精準度研究

歐陽愛國，肖文龍，陳齊平

（華東交通大學機電工程學院，江西南昌330013）

為解決底盤測功機測試的輪胎滾動阻力與輪胎在路面行駛時的實際滾動阻力失準問題，以江鈴寶典某款車型為實驗車，在整車狀態下采用單滾筒底盤測功機分別對車輛在110，70，30 km/h這3個代表高、中、低速度點的輪胎進行滾動阻力測試，基于動能守恒定律，繼而建立對輪胎進行加載測試的滑行方法。為提高測試精度，在實驗前進行單滾筒臺架內阻的消除。實驗結果表明：上述誤差均滿足車速≥36km/h誤差在3%以內，車速≤36 km/h誤差在5%以內。關鍵詞：單滾筒底盤測功機；臺架內阻；輪胎滾動阻力；加載；滑行測試

1 理論背景

滾動阻力的定義是：汽車行駛過程中，隨著車輪的滾動，輪胎與路面在接觸區域的法向、切向和側向均產生相互作用力，輪胎與地面亦存在相應的變形。無論是輪胎還是地面，其變形過程必然伴隨著一定的能量損失，這些能量損失是使車輪轉動時產生滾動阻力的根本原因。當彈性輪胎在硬路面上滾動時，輪胎的變形是主要的[3]。目前對輪胎滾動阻力的研究主要是從數學模型出發，任禮行、Grover等[4-5]采用測力法測量了輪胎在不同載荷以及不同胎壓下的滾動阻力，礙于測試設備的測量精度不高以及未能消除測試設備自身的內阻，使得該研究基本上只能得出滾動阻力大小隨氣壓、載荷的變化規律。高蔚、Grover等[6-7]采用雙滾筒對輪胎滾動阻力進行測試，同時建立了單個輪胎在雙滾筒上的滾動阻力數學模型研究，這一方法可以直接在整車狀態下對輪胎的滾動阻力進行測試，同時還能夠消除測試設備自身的內阻，但是雙滾筒對實際道路的模擬能力較差，從而導致了測試精度不是很高。本文在前人的研究基礎上排除了其他影響因素對輪胎滾動阻力的影響，只考慮車速對輪胎滾動阻力的影響，采用單滾筒底盤測功機對輪胎滾動阻力進行測定，將得出的滾動阻力與實際路面滑行得出的滾動阻力進行比較，得出單滾筒底盤測功機對輪胎滾動阻力測定的精度[8-9]。

2 試驗設備及方法

2.1 實驗設備及條件

2.1.1 實驗設備

本實驗所用的底盤測功機是AVL底盤測功機，具有測試精度高、重復性強等特點，具體參數：型號為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；最大標定力為8 000N；轉鼓直徑為1 219.2mm；轉動部件的當量質量為1178 kg。

2.1.2 實驗條件

實驗室內進行實驗，為了提高測試精度減小其他因素對實驗的影響，實驗的環境條件必須保證與道路滑行試驗時的環境條件一樣，即：風阻系數為Cd=0.406 11；環境溫度為15.1℃；風速為2m/s；氣壓為100.3 kPa；濕度為55%。

2.2 試驗樣車

本實驗分為室外道路滑行試驗和室內底盤測功機上的滑行試驗，兩試驗均采用同一車型，由于受室外試驗場地限制，本實驗中的室外試驗數據是由江鈴公司給出的官方數據，可靠性高。與實驗相關的基本參數：車型款式為12款寶典普通型；燃油類型為柴油；車輛滿載質量為2 375 kg；驅動形式為前驅；發動機型號為JX493ZQ5C；輪胎類型為子午線輪胎；迎風面積為2.55m2；輪胎規格為215/70R15C。

2.3 試驗方法

用單滾筒測功機對輪胎滾動阻力的測量主要包括單滾筒臺架內阻消除和輪胎滾動阻力的確定，試驗采用滑行法。

2.3.1 單滾筒臺架內阻數學模型

為消除單滾筒底盤測功機內阻，可采用底盤測功機滑行法先對內阻進行測量，即在無車的條件下將單滾筒底盤測功機滾筒加速到某一高速，然后斷開動力源，此時滾筒只是在單滾筒臺架內阻的作用下滑行，根據滑行前后動能守恒的原理，可以得到：

S——單滾筒底盤測功機所有轉動部件總的轉動慣量的當量質量在滑行當中的平動距離，m，S=ν0t；

t——從較高的速度ν1滑行到較低的速度ν2的時間，s；

ν1——單滾筒底盤測功機滑行過程中滾筒的某一較高線速度，m/s；

ν2——單滾筒底盤測功機滑行過程中滾筒的某一較低線速度，m/s；

m——單滾筒底盤測功機上所有轉動部件的當量質量，kg。

2.3.2 輪胎滾動阻力數學模型

式中：F——輪胎在待測速度ν0時的滾動阻力和單滾筒臺架內阻之和，N；

S′——實驗車輛和單滾筒底盤測功機上所有轉動轉動部件的總轉動慣量的當量質量在滑行當中相當于平動的距離，m；

M——實驗車輛和單滾筒底盤測功機上所有轉動部件在滑行過程中的總的轉動慣量的當量質量，kg。

式（2）中除了M為未知量，其他3項S′、ν3、ν4均可以通過滑行實驗得出。所以欲求得F，必須先得出M，本文采用對實驗車輛二次加載滑行的方法來求得M。

所謂二次加載滑行法是指在實驗車輛開始第1次滑行之前，由單滾筒底盤測功機給實驗車輛加載一個阻力值設為F1，此時實驗車輛將在加載力F1、單滾筒臺架滾動阻力和單滾筒臺架內阻的共同作用下滑行，此時記錄實驗車輛滑行開始和結束時的速度ν5和ν6以及滑行距離S1，第1次滑行結束；接著進行第二次滑行，第2次滑行開始時由單滾筒底盤測功機給實驗車輛加載一個不同于F1的加載力F2，此次滑行需要保證實驗車輛滑行開始時和結束時的速度與第1次滑行時一樣仍然為ν5和ν6，記錄這次的滑行距離S2，利用動能守恒定理建立以下數學模型：

式中：F1——第1次滑行時單滾筒底盤測功機的加載力，F1=100N；

F2——第2次滑行時單滾筒底盤測功機的加載力，F2=200N；

F′——滑行時的輪胎滾動阻力和單滾筒臺架內阻之和，N。

式中：Fν0——輪胎在待測速度ν0（110，70，30km/h）時的滾動阻力，N；

F——輪胎在待測速度ν0（110，70，30 km/h）時的滾動阻力和滾筒臺架內阻之和，N。

3 試驗結果與驗證

3.1 實驗結果

按照上述實驗方法，通過多次重復性實驗和計算，由底盤測功機滑行法得出的滑行數據和結果如表1所示，由實驗車輛在單滾筒測功機上進行無加載的滑行法以及對實驗車輛采用的二次加載滑行法可得輪胎滾動阻力如表2～表4所示。

從表1的實驗數據再結合式（1）可知待測速度的臺架內阻；由表3和表4的實驗數據再結合式（3）、式（4）可以得出M=1 615.15 kg。將求得的M代入式（2）并結合式（5）可求得輪胎的滾動阻力。處理結果如表5所示。

3.2 滑行驗證

表1 底盤測功機滑行的數據和結果

表2 無加載滑行的數據和結果

表3 加載力為F1時滑行的數據和結果

表4 加載力為F2時滑行的數據和結果

表5 各待測速度點的實驗結果

表6所示為該款車的道路滑行試驗數據，根據表6的實驗數據并繪制出圖1所示的道路行駛阻力與速度關系的散點圖，并將該散點圖擬合成曲線。由于道路行駛時存在空氣阻力，所以圖1中的行駛阻力應為輪胎滾動阻力與空氣阻力之和。根據表6和圖1中可以得到在待測速度點時的滾動阻力如表7所示。

表6 道路滑行實驗數據及處理結果

圖1 行駛阻力與速度關系曲線圖

表7 各待測速度點的道路滑行實驗結果

根據表5和表7的數據可知，在速度ν0等于110，70，30 km/h時，其誤差分別為1.89%、2.83%、3.67%。

4 結束語

通過單滾筒來模擬實際路面的情況，得出車輛在單滾筒底盤測功機上的滾動阻力值與實際道路路面的滾動阻力值之間的測量差。為保證測試的準確性，在實驗室內調控實驗條件使得單滾筒上滑行時的外界條件與車輛在實際道路路面滑行時的條件完全一致。由室內單滾筒實驗結果和室外道路實驗結果可知，在對代表高、中、低3個速度點的輪胎進行滾動阻力測試時，誤差分別為1.89%、2.83%、3.67%。其誤差均滿足當車速≥36 km/h其誤差在3%以內，當車速≤36 km/h其誤差在5%以內。實驗結果不僅滿足了相應的國標要求，且對輪胎滾動阻力測定的精準度也優于其他測試方法，達到了預期目的。

[1]GB/T 18861—2002汽車輪胎滾動阻力試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2002.

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

[3]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2012：27-29.

[4]任禮行，劉青.輪胎滾動阻力測量與分析[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.雙滾筒上輪胎滾動阻力模型[J].公路交通科技，2003，6（20）：13-16.

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

[9]魯統利，劉瑞軍，徐家川.汽車底盤模擬測功機適應性預測研究[J].汽車工藝與材料，2001，26（8）：29-32.

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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：1674-5124（2015）08-0013-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.003

0 引言

在節約能源和環境保護方面，減少汽車燃油消耗具有非常重要的作用，而輪胎滾動阻力因其直接影響汽車的燃油經濟性而受到前所未有的重視[1-2]。輪胎滾動阻力相較于輪胎負荷來說，數值很小，給輪胎滾動阻力的測量帶來了極大的難度。由于輪胎滾動阻力不能直接由測試設備測試出來，需要經過相關的計算，所以如何準確測試出與輪胎滾動阻力相關的實驗數據也是測定準確度的關鍵性因素，對測試設備的準確度也提出了較高要求。

2014-12-07；

2015-02-13

國家自然科學基金項目（51265015）

江西省自然科學基金項目（20142BAB216026）

江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ14392）

歐陽愛國（1968-），男，江西南昌市人，教授，主要從事車輛性能檢測和現代傳感器測試技術。