風洞法測量汽車道路行駛阻力

高 岳，李珍妮，楊一春，郝劍虹，劉學龍

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）將于2020年開始實施，國家對汽車節能減排的要求正在不斷提高。底盤測功機是一種能夠在室內進行汽車綜合排放及油耗測試的檢測設備，試驗時需要將汽車道路行駛阻力曲線作為輸入。所以汽車道路行駛阻力測量結果的準確性對排放或油耗檢測結果有著直接影響，準確測量汽車道路行駛阻力是確保排放或油耗檢測準確性的前提和關鍵。

GB18352.6—2016中引用了《Global Technical Regulation on Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures（WLTP）》中的一種新的汽車行駛阻力的測量方法——風洞法[1-2]。如圖1所示，風洞法是將風洞與底盤測功機或平帶式測功機相結合，確定汽車道路行駛阻力的測量方法，其中行駛阻力中的空氣阻力可由風洞天平測得，滾動阻力可由底盤測功機或平帶式測功機測得。本研究選用的是風洞天平和底盤測功機的組合方式。

道路滑行法由于在室外進行，會受外界環境（天氣、溫度等因素）的約束和影響。相比于滑行法，風洞法的測試完全在實驗室內進行，不受外界環境的約束和影響，測試的可重復性好。

本文選取了兩款汽車為測試對象，依據GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）中規定的行駛阻力測量規范，對每輛車分別進行了風洞法和道路滑行法的行駛阻力測量試驗，對這兩種方法及試驗結果進行了對比研究。研究結果將為后續國六標準執行及油耗標準修訂提供技術依據。

圖1 風洞法測量原理

1 試驗車輛準備

對試驗車進行了適當磨合，使車輛里程數超過3 000 km，以滿足標準要求。測量四輪定位并調節至出廠值要求范圍，胎壓調整至下限。試驗時所有車窗、手動操作可調節裝置都應處于關閉狀態。

根據測量規范中對測試質量的定義及車輛信息，算出測試質量，并將車輛裝載至測試質量。試驗前后，對試驗車輛、駕駛員和設備進行稱重，以確定平均測試質量mav。

車輛裝載后測量并記錄前后輪的輪眉高度，在進行滑行法試驗和風洞法試驗時，需要確保兩種方法的輪眉高度保持一致，即車身姿態保持一致，這一點非常關鍵。因為車身姿態的改變，會造成汽車

（1）將試驗車輛加速到比最高基準速度高10 km/h的速度，將變速器置于空擋位置，測量車輛速度從(Vj+ΔV)滑行到(Vj? ΔV)的正向滑行時間tjai（i代表第i次滑行試驗）。相反方向進行同樣的試驗，測反向滑行時間tjbi。本次試驗ΔV的)取值為5 km/h，基準速度為：130 km/h，120 km/h，…，30 km/h，20 km/h。

（2）重復上述往返試驗，直到速度Vj的滑行平均時間滿足下列方程定義的統計精度Pj。的正投影面積A、風阻系數CD、離地間隙等的改變，進而直接影響汽車行駛阻力測量的結果。

試驗車輛在試驗前進行車輛預熱，試驗車輛應以118 km/h的速度行駛至少20分鐘，直至達到穩定狀態。

2 試驗方法與數據處理

2.1 滑行法

式中：Pj為速度Vj下測量結果的統計精度；n為滑行P次數h；σj為標準偏差；h為系數，在標準中查表jnΔttVhσ可得；j為速度j的算術平均滑行時P間 ，s。j、Δtj的具體計算公式可參照標準[1]中的jC C.4n. 3.1。t

（3）計算速度Vj時的行駛阻力Fj，得到F-V道路行駛阻力曲線，按照最小二乘法得到系數f0，f1，f2。

式中：mav為平均測試質量；mr為所有轉動部件的等效質量，可根據車輛的基準質量加上25 kg之和的3%進行估算。

（4）如圖2所示，將試驗狀態測得的道路行駛阻力曲線修正到基準狀態。（試驗溫度：17.31℃，大氣壓：100.97 kPa）

2.2 風洞法

2.2.1 空氣阻力FAj測量

（1）空氣阻力測量是在一座全尺寸汽車風洞內完成的，風洞的流場指標 滿足標準中的要求。

圖2 滑行阻力曲線基準狀態修正前后對比

（2）按規范要求將試驗車輛固定在測力天平上，調整輪眉高度，確保該參數與滑行法測量時保持一致。

（3）本次試驗測量了每一基準速度Vj下的CDj*Af值，分別基于每一基準速度Vj下的CDj*Af值和基于基準速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到了汽車的行駛阻力，并進行了比較。發現基于二者算得的行駛阻力差異極小，具體結果詳見本文的4.1部分。

2.2.2 滾動阻力FDj測量

（1）將車輛裝載至測試質量，保證輪眉高度與滑行法的保持一致。按照規范要求將車輛固定在底盤測功機上，車輛垂直方向不應增加額外的約束力。

（2）將底盤測功機的等效慣量設置成車輛的測試質量，將確定的空氣阻力項系數CD輸入到底盤測功機。

（3）底盤測功機對滾動阻力的測量有兩種方法——等速法和減速法。本文也分別采用了這兩種方法進行了對比試驗。

等速法：穩定車速下的測量，即當車速穩定在每一基準速度時，底盤測功機對該基準速度下的滾動阻力FjDyno進行直接測量，從前一基準速度應平滑過渡到下一基準速度點，每一基準速度穩定時間為4～10 s。測試工況為130 km/h，120 km/h，…，20 km/h。

減速法：減速下的測量，即試驗車輛在底盤測功機上進行減速滑行。車輛預熱后，將車速提高到比最高基準速度至少高10 km/h（即140 km/h），開始滑行。若連續兩次滑行試驗測得的力的偏差都在±10 N內，則滑行試驗結束，本次試驗的兩輛車均分別進行了兩次滑行就已達到標準要求。按照下式計算每個基準速度點Vj的滾動阻力FjDyno。

式中：FjDecel是以速度Vj在底盤測功機上滑行時的行駛阻力；CD為輸入底盤測功機的空氣阻力項系數。

（4）如圖3和圖4所示，將得到的滾動阻力數據進行滾筒曲面修正，并修正至基準狀態。試驗溫度：20℃，大氣壓力：101.1 kPa。

滾筒曲面修正公式：

式中：RWheel為輪胎設計公稱直徑的一半，m；RDyno為底盤測功機滾筒半徑，m。

圖3 等速法所測滾動阻力FD

圖4 減速法所測滾動阻力FD

3 結果與分析

3.1 不同基準速度下的CDj*Af值對行駛阻力的影響

為驗證不同基準速度下的CDj*Af值對行駛阻力的影響，本次試驗對每一基準速度Vj下的CDj*Af值進行了測量，結果如圖5所示。

圖5 不同基準速度下的CD*A值

圖6為基于每一基準速度下的CD*A值計算得到的行駛阻力與基于基準速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到的行駛阻力的相對誤差。A車的相對誤差在0.586%以內（2.6 N以內），B車的相對誤差在0.6%以內（1.8 N以內），誤差極小，其對測量結果的影響基本可以忽略。

圖6 基于每一基準速度下的CD*A值計算得到的行駛阻力與基于基準速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到的汽車行駛阻力的相對誤差

所以從試驗時間和成本的角度考慮，在汽車無隨車速改變而改變的空氣動力學套件的前提下，可選擇只對某一基準速度下的CD*A值進行測量。基準速度的選擇建議在高速段，如圖5所示，A車與B車的CD*A值在高速段（60～130 km/h）范圍內，不同基準速度下的CD*A值波動較小，而在低速段（20～60 km/h），由于風洞流場的穩定性下降，及汽車的空氣阻力數值過小，導致CD*A值波動相對較大。所以建議在高速段范圍內選擇所要測量的基準速度，基于本次試驗數據，建議在60～130 km/h范圍內進行選擇。

3.2 分別基于風洞法與滑行法所測得的行駛阻力對比

圖7和圖8是A車的風洞法與滑行法所測行駛阻力的對比情況。如圖7所示，風洞法與滑行法所測行駛阻力曲線趨勢一致，隨著速度的增大，風洞法與滑行法所測行駛阻力的差值有所增大，在高速段（90 ～130 km/h），等速法與滑行法的平均差值在13 N以內，減速法與滑行法的平均差值在25 N以內，相比于高速段，低速段（20～90 km/h）的差值明顯比較小，其中等速法與滑行法的平均差值在4 N以內，減速法與滑行法的平均差值在7 N以內。

如圖8所示，等速法與滑行法的相對誤差在2.8%以內，減速法除在極個別低速點誤差在5%～6%以外，其余都可以控制在4%以內。等速法與減速法相比，等速法所測的行駛阻力更接近滑行法。

圖8 A車風洞法相對于滑行法的行駛阻力相對誤差

圖9和圖10是B車的風洞法與滑行法所測結果的對比情況。如圖9所示，B車的風洞法與滑行法所測行駛阻力曲線趨勢一致，隨著速度的增大，風洞法與滑行法所測行駛阻力的差值有所增大，與A車的變化趨勢相似。

圖9 B車風洞法與滑行法所測行駛阻力結果對比

如圖10所示，車輛B的等速法與風洞法所測結果的相對誤差在2.8%以內，平均相對誤差是1.96%。減速法與風洞法所測結果的相對偏差在4%以內，平均偏差是1.987%。總體上講，與減速法相比，等速法所測結果更接近滑行法所測結果。

圖10 B車風洞法相對于滑行法的行駛阻力相對誤差

3.3 循環能量

循環能量E指在整個測試循環中車輛所需要的能量，與車輛的行駛阻力和行駛距離有關。

當Fi＞0時，Ei=Fi×di；當Fi≤ 0 時，Ei=0。式中：Ei為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的能量需求，Ws；Fi為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的牽引力，N；di為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的行駛距離，m。

依據GB18352.6—2016中的規定，風洞法與滑行法之間的循環能量差在±5%以內，才能證明所使用設備或者設備組合的測量結果有效。循環能量差εk的計算公式為：

式中：εk為車輛在WLTC循環試驗中風洞法與滑行法的循環能量差，%；Ek，WTM為車輛k基于風洞法獲得的，基于WLTC循環的道路循環能量，J；Ek,coastdown為車輛k基于滑行法獲得的，基于WLTC循環的道路循環能量，J。

基于WLTC測試循環，分別對A車和B車的循環能量進行了計算。如圖11～13所示，A車和B車的循環能量差均在5%以內，其中A車的等速法與滑行法的循環能量差是1.21%，A車減速法與滑行法的循環能量差是2.18%；B車的等速法與滑行法的循環能量差是0.57%，B車的減速法與滑行法的循環能量差是1.36%。證明了本次測試設備及這種設備組合所測出的結果的有效性。

圖11 A車分別基于風洞法和滑行法計算得到的循環能量

圖12 A車分別基于風洞法和滑行法計算得到的循環能量差

圖13 B車分別基于風洞法和滑行法計算得到的循環能量

圖14 B車分別基于風洞法和滑行法計算得到的循環能量差

4 結論與建議

（1）不同車速下的CD*A值差異很小，而這種差異對行駛阻力的影響也是極小的，在本次試驗中綜合兩輛車的結果，相對誤差在0.6%以內。所以從節省試驗時間和成本的角度考慮，在汽車無隨車速變化而改變的空氣動力學套件的前提下，可選擇只測量某一基準速度下的CD*A值。基于本次試驗，建議選擇的速度范圍是60～130 km/h。

（2）綜合A、B兩輛試驗車輛的測試結果，基于風洞法所測得的行駛阻力曲線與基于滑行法所測得的行駛阻力曲線，二者趨勢一致，數值上十分接近，風洞法相對于滑行法的測量誤差在4%以內（平均15 N以內），循環能量差在±5%以內。證明了風洞法的有效性。

（3）在本次試驗中，風洞法中的等速法與減速法相比，等速法的測試結果更接近于滑行法。至于這一結論是否普遍適用于其它車輛，還需進行更多的試驗進行進一步驗證。

（4）等速法測滾動阻力，數據采集時一定要等車速、測力值進入穩定狀態后再開始采集，否則會引起較大測量偏差，因為在穩定前，底盤測功機所測的行駛阻力值會有非常大的波動。

（5）進行風洞法與滑行法的對比試驗時，務必要確保車身姿態一致，因為車身姿態對汽車的行駛阻力有著直接而且顯著的影響。建議應給定車輛載荷分配的統一要求。