基于道路和轉(zhuǎn)轂滑行的空氣阻力系數(shù)求解方法

陳磊，楊楊，葛勝迅

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

目前，隨著資源緊張和環(huán)境污染的壓力越來(lái)越大，尋求各種節(jié)能減排技術(shù)已成為各汽車廠商關(guān)注的重點(diǎn)。節(jié)能減排優(yōu)化措施有許多種，其中一種是通過(guò)降低風(fēng)阻系數(shù)來(lái)降低整車風(fēng)阻，從而降低整車油耗。國(guó)內(nèi)大部分汽車廠商都使用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品風(fēng)阻系數(shù)測(cè)試，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試精度高，可達(dá)0.1%，但建造風(fēng)洞的費(fèi)用高，試驗(yàn)成本高，不利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重復(fù)驗(yàn)證工作。除了風(fēng)洞法測(cè)試風(fēng)阻外，各汽車企業(yè)致力于滑行法測(cè)試風(fēng)阻的研究。作者在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)阻測(cè)試進(jìn)行研究，綜合道路和轉(zhuǎn)轂的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于整車滑行過(guò)程的受力原理，提出一種新的空氣阻力系數(shù)求解方法，并以某款乘用車為例對(duì)空氣阻力系數(shù)進(jìn)行求解，同時(shí)分析了與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的吻合情況。

1 空氣阻力系數(shù)求解原理

1.1 道路滑行試驗(yàn)簡(jiǎn)述

汽車在水平道路上空擋滑行時(shí)所受的阻力除了空氣阻力、滾動(dòng)阻力外，還存在傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系傳遞至輪邊的車輛內(nèi)阻[1]，為方便測(cè)量，將車輛內(nèi)阻與滾動(dòng)阻力統(tǒng)稱為底盤阻力。通過(guò)測(cè)出汽車在水平路面上滑行至每個(gè)速度區(qū)間的時(shí)間，即可求出滑行減速度a車，并計(jì)算出汽車滑行阻力，即汽車行駛時(shí)空氣阻力與來(lái)自地面的底盤阻力之和[2]。事實(shí)上，當(dāng)取Δv=10 km/h時(shí)，可認(rèn)為：

(1)

式中：F滑為道路滑行阻力；FW為空氣阻力；F底盤為底盤總阻力；m為車輛試驗(yàn)質(zhì)量；M車為車輛旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)簡(jiǎn)述

汽車在轉(zhuǎn)轂上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)轂的功率吸收單元(Power Absorb Unit，PAU)會(huì)對(duì)車輪施加一個(gè)反向的阻力，通過(guò)調(diào)整PAU的制動(dòng)力，使整車受到的阻力等同于在道路滑行時(shí)受到的阻力，以模擬整車在道路上行駛時(shí)的狀態(tài)[3]。

圖1 汽車在轉(zhuǎn)轂受力示意圖

(1)求解車輛的底盤總阻力F底

以“轂拖車”形式，利用轉(zhuǎn)轂分別向前輪和后輪邊緣施加作用力Fdyno1、Fdyno2，采集轉(zhuǎn)轂帶動(dòng)汽車在不同車速條件下等速行駛時(shí)所需施加的作用力。此時(shí)汽車前輪或后輪所受的阻力僅為底盤阻力，與轉(zhuǎn)轂對(duì)車輪施加的力處于平衡。計(jì)算公式見(jiàn)式(2)

F底盤=F前輪+F后輪=Fdyno1+Fdyno2

(2)

(2)求解車輛旋轉(zhuǎn)部件的慣量M車

以“車拖轂”的形式，設(shè)置加載阻力Fdyno3、轉(zhuǎn)轂?zāi)M慣量M轂，進(jìn)行校核滑行，此時(shí)車輛所受阻力為轉(zhuǎn)轂加載阻力Fdyno2和車輛底盤總阻力F底盤。通過(guò)測(cè)量每間隔10 km/h的滑行時(shí)間，得出轉(zhuǎn)轂滑行平均減速度a轂。車輛的旋轉(zhuǎn)部件的慣量M車計(jì)算公式見(jiàn)式(3)

M車=(Fdyno3+F底盤)/a轂-M轂

(3)

1.3 空氣阻力系數(shù)簡(jiǎn)述

汽車行駛時(shí)，空氣對(duì)汽車的作用力在行駛方向上的分力成為空氣阻力。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，空氣阻力的數(shù)值與氣流相對(duì)速度的動(dòng)壓力成正比，其計(jì)算式用公式(4)表示[1]

(4)

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，即汽車在行駛方向上的投影面積；ρ為空氣密度；u為汽車與空氣的相對(duì)速度，無(wú)風(fēng)時(shí)即為汽車的運(yùn)動(dòng)速度。

由式(1)、(2)、(3)、(4)可求解車輛的空氣阻力系數(shù)，見(jiàn)式(5)

(5)

1.4 迎風(fēng)面積簡(jiǎn)述

計(jì)算空氣阻力系數(shù)時(shí)，需要測(cè)量車輛的迎風(fēng)面積。現(xiàn)階段較精確的測(cè)量方式是使用平行激光投影和坐標(biāo)記錄組成的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試精度高但需要有專門的測(cè)試設(shè)備且試驗(yàn)費(fèi)用高。文中介紹一種利用小孔成像原理的數(shù)碼相機(jī)成像法，雖然試驗(yàn)精度沒(méi)有前一種方法高，但勝在測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。

圖2 數(shù)碼相機(jī)成像原理

根據(jù)數(shù)碼相機(jī)成像原理，所有物體在鏡頭內(nèi)的成像面積與其實(shí)際面積比值相等，即車輛成像面積與車輛迎風(fēng)面積的比值等同于標(biāo)示框成像面積與標(biāo)示框?qū)嶋H面積的比值，見(jiàn)圖3和式(6)

(6)

式中：A為車輛迎風(fēng)面積；B為標(biāo)示框?qū)嶋H面積；A1為成像車輛面積；B1為標(biāo)示框成像面積。

圖3 數(shù)碼相機(jī)成像法測(cè)量車輛迎風(fēng)面積示意圖

1.5 空氣密度簡(jiǎn)述

計(jì)算空氣阻力系數(shù)時(shí)，需要計(jì)算空氣密度，空氣密度與溫度、壓力有關(guān)，通過(guò)公式(7)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)氣象下空氣密度是1.189 kg/m3。

(7)

式中：p為試驗(yàn)環(huán)境壓力，kPa；T為試驗(yàn)環(huán)境溫度，℃。

2 空氣阻力系數(shù)的計(jì)算及分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

以某前置前驅(qū)乘用車為例，已知不同車速下道路滑行時(shí)間、試驗(yàn)質(zhì)量、測(cè)量汽車旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)轉(zhuǎn)轂加載的阻力和慣量等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 整車部件參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果的求取

不同車速下的滑行阻力、底盤阻力、空氣阻力具體值如表2所示。

表2 不同車速下的各阻力

由于低速時(shí)空氣阻力對(duì)總滑行阻力的影響較小，計(jì)算空氣阻力系數(shù)時(shí)車速段取60～130 km/h，見(jiàn)表3，空氣阻力系數(shù)為0.347 9。

表3 不同車速的空氣阻力系數(shù)

2.3 空氣阻力系數(shù)精度分析

按上述方法求解某車型原狀態(tài)及2種降風(fēng)阻狀態(tài)的空氣阻力系數(shù)，見(jiàn)表4。3種狀態(tài)的求解結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相比，偏差率小于1%。

表4 3種狀態(tài)的空氣阻力系數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)道路和轉(zhuǎn)轂滑行過(guò)程的受力原理，在已知車輛試驗(yàn)參數(shù)的條件下，可間接求解空氣阻力系數(shù)，同時(shí)還可將道路滑行阻力分解為空氣阻力和底盤阻力用于分析。求解結(jié)果與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果相比，偏差率在1%以內(nèi)，認(rèn)為該種方法是簡(jiǎn)單有效的。

參考文獻(xiàn):

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車滑行試驗(yàn)方法:GB/T 12536-1990[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.

[3]楊龍，羅文旭，王冠，等.道路滑行阻力測(cè)量及用滑行法進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓模擬[J].工程與試驗(yàn)，2015,55(4):60-63.

YANG L,LUO W X,WANG G,et al.Road Coastdown Resistance and Dyno Simulation Using Coastdown Method[J].Engineering & Test,2015,55(4):60-63.