重型商用車滑行阻力系數的測定與研究

摘要：針對道路滑行試驗方法下汽車道路行駛阻力系數的準確獲取問題，提出基于時間法開展空擋下道路滑行試驗研究汽車道路行駛阻力。闡述了試驗車輛依據時間法在道路上開展滑行試驗及獲取試驗數據的方法，并利用最小二乘法曲線擬合的方法對試驗數據進行處理，從而計算出空氣阻力系數和滾動阻力系數。結果顯示，滑行時間法測定的道路行駛阻力更能真實反映車輛道路行駛實際情況，具有較好的實用性。

關鍵詞：滑行試驗；行駛阻力系數；曲線擬合；空氣阻力；滾動阻力

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-06-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.028

1 前言

近年來，隨著全球性的石油能源短缺及溫室氣體排放的問題日益凸顯，節能減排已成為世界汽車行業面臨可持續發展的重大挑戰，一些國家和地區相繼制定或加嚴了汽車燃料消耗量法規，而重型商用車的節能減排是機動車綠色發展的核心問題。因此，開展車輛道路行駛阻力滑行試驗不僅能衡量汽車行駛過程中受阻力情況，還反映出車輛外形結構對燃油經濟性影響的重要參考，對降低重型商用車輛整車阻力、燃油消耗量及環境污染防治具有重大意義[1]。精確獲取車輛道路滑行試驗測定的行駛阻力系數成為重要的研究方向。在以往的汽車滑行性能試驗中，大多通過對汽車的滑行距離進行檢測，但該方法經濟性不好并且準確性不高。

本文依據GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，提出基于滑行時間法測定車輛道路滑行阻力系數，運用VBOX記錄車輛滑行過程的時間-速度數據，采用最小二乘法擬合原理對滑行過程中獲取到的數據進行計算分析，從而得到關于F-t的二次函數表達形式及汽車行駛阻力系數A、B、C的值[2]。

2 道路行駛阻力試驗方法

2.1 試驗設備

車輛道路滑行試驗主要采用Racelogic公司研發的VBOX3i數據采集系統，如圖1所示。該設備具有雙天線，其通過利用“固定基線RTK裝備”中的兩個GPS引擎實現高準確性測試，其速度采樣頻率最高可達到100 Hz，速度記錄精度可達0.1 km/h，測得數據不僅可實時顯示在顯示屏中，還可將數據直接記錄到閃存卡中。利用該設備對試驗車輛的行駛里程、車速和時間進行實時測量。

2.2 車輛準備

選取一輛最大設計質量為11 995 kg的N2非城市貨車作為試驗車輛，試驗車輛信息如表1所示。試驗車輛應保持良好的技術狀況。胎壓調整至車輛生產企業規定的氣壓值，以減少滾動阻力對數據的影響，車輛稱重并配重至滿載狀態。正式試驗開始前，試驗車輛需要在試驗道路上以中高速進行行駛且行駛時間不得低于40 min進行預熱，使各運動部件充分潤滑，讓試驗車輛達到最佳運行狀態。

2.3 試驗條件

依據標準GB/T 27840-2021中的要求，試驗需在清潔、干燥、平直的瀝青混凝土或混凝土路面且縱向坡度在±0.1%以內的道路上進行。試驗應無雨、無霧的天氣下開展，大氣溫度應滿足0～40 ℃范圍內，在高出試驗道路1.6 m處測得的平均風速不大于3 m/s且陣風不大于5 m/s，相對濕度小于95%[3]。滑行試驗中測得環境條件如表2所示。

2.4 試驗方法

車輛道路滑行試驗需在空擋狀態進行，試驗車輛加速至標準中行駛阻力測定車速（該試驗車輛行駛阻力測定車速為80 km/h）后，將擋位掛至空擋使發動機脫開，依靠車輛自身的慣性力的勢能繼續行駛，直到滑行過程中車速降至15 km/h以下試驗結束。由于受試驗場地長度的限制，采取分段滑行的方法完成整個試驗。該試驗車輛試驗速度劃分2段分別為：80～60 km/h、70～10 km/h，2段速度段的速度之間存在交叉，是為了消除內阻帶來的影響，讓測得的數據更加準確。為了更加準確地反應滑行過程中道路阻力值，需消除側向風速和試驗路面縱向坡度的影響，故采取往返方向滑行，往返一次為一組數據，試驗總數數據不得少于4組。其中在30～70 km/h的速度范圍內獲得的數據統計精度不大于4%，其他速度不應大于5%，統計精度計算公式如下：

式中，[T]為滑行時間的算術平均值；n為試驗次數；s為標準偏差；p為滑行時間算術平均值的統計精度；t為計算統計精度的系數。

3 汽車滑行阻力計算

汽車在水平路面上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力[4]。依據標準滑行阻力計算公式為：

式中，F測定為道路等速行駛阻力（N）；[Δv]為與車速DV的速度偏差，DV=5 km/h。

依據式（2）獲取車輛滑行過程中的阻力值，并依據最小二乘法擬合原理得到道路載荷系數f0、f1、f2，擬合得到的滑行阻力與車速的二次函數關系表達式如下：

式中，F為道路行駛阻力；f0為常數系數，其值受輪胎和車輛載荷的影響較大，N；f1為一次項系數，其值受車輛內阻的影響，N·h/km；f2為二次項系數，其值的大小受風阻的影響，N·h2/km2；v為車速。

為保證滑行試驗結果的準確性和可靠性，需考慮環境的變化對滑行數據準確性的影響。滑行道路載荷是在一定的環境條件下測得的，雖然標準對環境條件進行了約束，但汽車在實際滑行試驗中獲取的數據會受溫度和風速等環境參數的變化而產生較大誤差，并且不同車型對溫度、風速等環境參數的敏感度不盡相同，則需通過測量氣溫、氣壓、風速等環境參數按下式將道路載荷將試驗結果校正到基準狀態（基準狀態下大氣壓力為100 kPa，大氣溫度為293.15 K（20 ℃），空氣密度為1.189 kg/m3[5-8]）：

式中，RR為速度v時的滾動阻力；RW為速度v時的空氣阻力；CD為空氣阻力系數；A為迎風面積；RT為總運行阻力；t為試驗時環境溫度；t0為基準大氣溫度，20℃；d為試驗條件下的空氣密度；d0為基準狀態（20 ℃，100 kPa）下的空氣密度1.189 kg/m3；p為試驗期間的大氣壓力；p0為基準狀態下的大氣壓力，100 kPa；T為試驗期間的對對溫度；T0為基準狀態下溫度，293.15 K。

依據式（4）獲取校正至基準狀態下的阻力值后，依據最小二乘法擬合原理得到校正至基準狀態下的道路載荷系數A、B、C，擬合得到的滑行阻力與車速的二次函數關系表達式如下：

式中，F校正為校正至基準狀態下道路行駛阻力；A為滾動阻力系數；B為內阻系數；C為風阻系數；v為車速。

4 試驗結果和分析

依據上述試驗方法和行駛阻力計算方法，通過時間滑行法實測得到2段速度段的每個速度點對應的滑行時間數據，依據式（2）得到試驗車輛道路滑行中測定的滑行阻力值，滑行阻力值如表3所示。通過獲取到的滑行阻力值，依據最小二乘法擬合原理得到道路載荷系數f0、f1、f2[9]，擬合得到的道路行駛阻力曲線如圖2所示。

依據最小二乘法得到的實際滑行狀態下的f0、f1、f2道路載荷系數分別為625.32、7.7292、0.1378。

為降低汽車在實際滑行試驗中獲取的數據會受溫度和風速等環境條件的變化而產生較大誤差，依據式（4）對實測滑行道路阻力值進校正，表4為校正因子。通過最小二乘法擬合得到校正至基準狀態下的道路載荷系數A、B、C。校正至基準狀態下行駛阻力曲線如圖3所示。

依據最小二乘法擬合后得到校正至基準狀態下行駛阻力的A、B、C道路載荷系數分別為662.97、8.0857、0.1413。滑行時間法測定的道路行駛阻力更能真實反映車輛道路行駛實際情況，測定出的阻力系數為后續底盤測功機道路阻力模擬設定值提供了可靠的依據，也是燃油耗量測試結果準確性的關鍵所在[10]。P8DE+I8cIKxBbIwBIQ7ahg==

5 結語

針對重型商用車進行滑行阻力系數測定的試驗研究，分析汽車在滑行過程中主要受力情況，設計了道路滑行試驗方案，應用Racelogic公司研發的VBOX3i數據采集系統記錄試驗車輛滑行過程中的試驗數據。通過道路滑行試驗獲取的數據提出了道路阻力計算方法和校正至基準狀態下的阻力計算方法及滑行阻力系數計算方法。研究結論為后續底盤測功機道路阻力模擬設定值提供了可靠的依據，對滑行試驗阻力系數測定提供了有利參考。

參考文獻：

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作者簡介：

郜琰，男，1991年生，助理工程師，研究方向為汽車檢測、產品認證。