梁榮亮 齊士泉 謝晉中 葉開志 黃衛(wèi)兵

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.長城汽車股份有限公司；3.金華青年汽車制造有限公司）

在對汽車燃油經(jīng)濟性、動力性進行仿真計算，或利用底盤測功機實現(xiàn)汽車動力性、經(jīng)濟性、制動性及排放污染物測試時，均需正確設(shè)定車輛行駛阻力。目前，基于整車道路滑行試驗，利用滑行能量變化法精確擬合車輛行駛阻力，已成為底盤測功機進行行駛阻力參數(shù)設(shè)定及模擬道路工況的最主要依據(jù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在重型商用車燃料消耗量試驗行駛阻力設(shè)定方面，美國、日本及我國目前已經(jīng)制定完成并發(fā)布了重型商用車燃料消耗量標準，但歐洲的法規(guī)尚在制定過程中，計劃于2013年底完成。

2011年8月，美國發(fā)布重型車輛及發(fā)動機燃料消耗量法規(guī)，該法規(guī)根據(jù)車輛類型和車輛質(zhì)量，要求車輛制造商分別提供滾動阻力系數(shù)和空氣阻力系數(shù)。滾動阻力系數(shù)由輪胎制造商提供給車輛制造商，空氣阻力系數(shù)由車輛制造商通過風(fēng)洞試驗、道路滑行試驗或CFD流體力學(xué)模擬獲得。

日本相關(guān)標準依據(jù)車輛類型、最大設(shè)計總質(zhì)量和最大載質(zhì)量將載貨車、城市客車、客車和牽引車分別劃分為11、5、7和2等幾類，在每類中規(guī)定統(tǒng)一的空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)。

我國于2011年底制定完成并發(fā)布了標準GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，該標準需要獲得各車型的空氣阻力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)。目前我國輪胎制造商尚無法提供滾動阻力數(shù)據(jù)，還缺少專門用于測定汽車空氣阻力系數(shù)的風(fēng)洞，因此只能通過滑行試驗獲得。

2 車輛滑行動力學(xué)分析

車輛等速行駛時所受阻力滿足如下方程:

式中，F(xiàn)t為車輛行駛阻力；Fr為輪胎滾動阻力；Fw為空氣阻力；Fn為傳動系阻力；Fi為坡道阻力；Fj為車輛慣性阻力。

式（1）中的 Fr、Fw、Fn均為車速的一次或二次函數(shù)[1～3]，車輛在平直路面行駛時 Fi為零，F(xiàn)j與車速無關(guān)，因此對車輛道路行駛阻力可建立如下力學(xué)方程:

式中，A為與車速無關(guān)的阻力；B為速度的一次函數(shù)項系數(shù)；C為車速的二次函數(shù)項系數(shù)。

車輛在道路滑行時變速器置于空擋，發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)，傳動系斷開，無驅(qū)動力矩輸出，此時Ft=0。

車輛以車速v開始滑行，測量車輛從v2=v+Δv（Δv≤5 km/h）減速至 v1=v-Δv 所需時間 ΔT，在此短時間范圍內(nèi)車輛滑行近似勻減速運動，在此過程中的慣性阻力Fj為:

3 重型底盤測功機力學(xué)特性及阻力設(shè)定

車輛在重型底盤測功機上運轉(zhuǎn)時從動輪被夾緊固定，僅驅(qū)動輪和測功機滾輪做相對旋轉(zhuǎn)運動，滾輪表面模擬實際路面，此時車輛相對滾輪處于靜止狀態(tài)，因此汽車在底盤測功機上變速運轉(zhuǎn)時的力平衡方程式為:

式中，F(xiàn)′t為發(fā)動機輸出驅(qū)動力；F′b為測功機制動力；F′m為測功機滾輪、慣性輪及軸系的總摩擦阻力（測功機內(nèi)阻）；F′r為車輛驅(qū)動輪與滾輪之間的滾動阻力；F′j為車輛旋轉(zhuǎn)部件的慣性力折算到驅(qū)動輪上的慣性阻力；F′J為測功機設(shè)定慣量等級后的滾輪、慣性輪及軸系產(chǎn)生的慣性阻力[4]；IR為轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)部件及加載的慣性載荷的轉(zhuǎn)動慣量；F′n為傳動系阻力。

在車輛初始工況 （車輛預(yù)熱狀況及傳動技術(shù)工況）一致的情況下，車輛在實際道路和測功機上行駛時的傳動系阻力趨于相同，由于車輛相對于測功機滾輪水平靜止，因此不產(chǎn)生空氣阻力和坡道阻力。車輛在實際道路上行駛時滾動阻力由所有與路面接觸的輪胎產(chǎn)生，而測功機上行駛時滾動阻力僅由與滾輪接觸的驅(qū)動車輪產(chǎn)生，因此測功機上輪胎滾動總阻力一定小于路面上的輪胎滾動總阻力，即F′n=Fn=0，F(xiàn)w=Fi=0，F(xiàn)′r＜Fr。

車輛在道路上的行駛阻力在底盤測功機上再現(xiàn)時由2部分力組成，即底盤測功機上的車輛損失阻力（F′m、F′r、F′j、F′J）和測功機設(shè)定阻力。 道路總行駛阻力減去車輛損失阻力即為底盤測功機需要設(shè)定的阻力，用來補償車輛在實際道路上所受的空氣阻力、坡度阻力、部分慣性阻力和部分滾動阻力。因此輪胎壓力偏低將增大輪胎的滾動阻力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓阻力設(shè)定值偏低；車輛驅(qū)動輪上的動態(tài)載荷越大，轉(zhuǎn)鼓的阻力設(shè)定值越低；轉(zhuǎn)鼓設(shè)定的慣量等級越大則轉(zhuǎn)鼓的設(shè)定阻力值越大[5]。

4 營運客車滑行試驗

4.1 依據(jù)GB/T 27840—2011進行滑行試驗

GB/T 27840—2011附錄C明確規(guī)定采用滑行能量變化法進行道路行駛阻力測定，據(jù)此對重型底盤測功機進行阻力設(shè)定并運行C—WTVC工況進行燃料消耗量測試。與GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（國Ⅲ、Ⅳ）》附件CC“車輛行駛阻力-道路測量方法-在底盤測功機上的模擬”相比，GB/T 27840—2011引用了GB 18352.3—2005中關(guān)于采用滑行能量變化法進行道路行駛阻力測定及底盤測功機阻力設(shè)定的方法，但也存在如下區(qū)別。

a.GB/T27840—2011適用于最大設(shè)計總質(zhì)量大于3.5 t的 M2、M3和N類傳統(tǒng)車輛；GB18352.3—2005適用于最大設(shè)計總質(zhì)量不超過3.5t的M1、M2和N1類車輛。

b.GB/T27840—2011規(guī)定道路滑行試驗車輛處于最大設(shè)計總質(zhì)量狀態(tài)；GB 18352.3—2005規(guī)定道路滑行試驗車輛處于基準質(zhì)量狀態(tài) （整備質(zhì)量+100kg）。

c.GB/T27840—2011規(guī)定道路滑行試驗適用于裝配手動變速器的車輛，裝備自動變速器車輛需通過相應(yīng)的手動變速器車輛進行替代試驗；GB 18352.3—2005對此未做規(guī)定。

d.GB/T27840—2011要求根據(jù)車輛道路滑行阻力進行重型底盤測功機阻力設(shè)定，并要求試驗車輛在測功機上運行C—WTVC工況進行排放污染物測試，采用碳平衡法計算燃料消耗量；GB18352.3—2005則要求試驗車輛在測功機上運行NEDC工況。2種工況運行循環(huán)特征對比如圖1和圖2所示，均覆蓋市區(qū)、市郊公路及高速運行工況，但針對不同的車輛類型在具體運行車速上存在差異。

e.在進行道路行駛阻力及阻力功率基準狀態(tài)校正時，GB/T27840—2011規(guī)定全部測定車速范圍內(nèi)的總運行阻力（滾動阻力+空氣阻力）可根據(jù)經(jīng)驗公式獲取，并結(jié)合試驗環(huán)境溫度、氣壓對全部測定車速范圍內(nèi)的行駛阻力及阻力功率進行基準狀態(tài)校正；而 GB18352.3—2005 僅規(guī)定 20、40、60、80、100、120 km/h等6個車速點的經(jīng)驗校正系數(shù)。

4.2 試驗車輛及試驗環(huán)境

選取一輛長12m的豪華旅游客車作為試驗樣車，根據(jù)交通部客車評定等級方法，該車屬于大型高級營運客車（圖3），樣車技術(shù)參數(shù)如表1所列。選用交通部通縣汽車試驗場長直線進行道路滑行試驗，路面鋪裝質(zhì)量滿足GB/T12534—1990要求。試驗車輛處于滿載狀態(tài)，發(fā)動機自帶不可調(diào)式最高車速限制系統(tǒng)，滑行測定車速范圍為90～15km/h,試驗環(huán)境溫度為36℃，大氣壓力為100.5kPa，風(fēng)速為0.6m/s，環(huán)境濕度為37%。

表1 試驗樣車技術(shù)參數(shù)

4.3 滑行數(shù)據(jù)采集方案

通縣汽車試驗場長直線全長為2.3 km，試驗樣車載質(zhì)量大，行駛慣性大，加速能力偏弱，致使犧牲很長的距離到達規(guī)定滑行測試車速，無法單次完成覆蓋測定車速范圍內(nèi)的滑行試驗，因此采用單向分段滑行。為保證滑行曲線覆蓋測定速度范圍且未因分段滑行造成階躍波動，滑行分段點處應(yīng)有大于5 km/h的數(shù)據(jù)重疊。該試驗樣車按照正、反2個方向在同一測試路段依次進行 95～80 km/h、90～70 km/h、80～50 km/h、60～30 km/h、40～10 km/h 共 10 次分段滑行，作為1次完整的滑行試驗測試循環(huán)。為滿足統(tǒng)計精確度要求，試驗次數(shù)應(yīng)盡可能增加至8次。對于因側(cè)向風(fēng)、側(cè)向力、路面狀況或其它交通狀況等臨時干預(yù)造成的滑行數(shù)據(jù)偏離應(yīng)予以剔除。

4.4 統(tǒng)計精確度要求

測量車輛從v+Δv減速至v-Δv時往返平均時間Ti，滿足統(tǒng)計精確度要求的試驗次數(shù)n后計算出n次平均時間，統(tǒng)計精確度p為:

在30～70 km/h范圍內(nèi)統(tǒng)計的精確度p不應(yīng)大于4%，在其它速度范圍內(nèi)不應(yīng)大于5%，若統(tǒng)計精確度在有限次數(shù)內(nèi)不能滿足要求可增加試驗次數(shù)n至15次。

該滑行試驗道路狀況及試驗環(huán)境狀況較理想，8次滑行試驗（每次分為單、反2個方向進行，每個單向方向分5段滑行）滿足統(tǒng)計精確度要求，如圖4所示。圖4中直線為GB/T 27840—2011規(guī)定的測定車速范圍內(nèi)的統(tǒng)計精確度限值。由圖4可看出，累計6次滑行時，除30 km/h和70 km/h的p值超出限值外，其它車速處的p值均滿足標準要求；增加試驗次數(shù)至8次時，已完全滿足標準的統(tǒng)計精確度要求。

4.5 行駛阻力、阻力功率及阻力系數(shù)計算

依據(jù)式（5）及標準 GB/T 27840—2011，車輛道路等速行駛阻力F及阻力功率P分別為:

根據(jù)經(jīng)驗公式，利用環(huán)境溫度、氣壓和總運行阻力（滾動阻力與空氣阻力之和）求解校正系數(shù)K，并將F和D校正至基準狀態(tài):

表2 車輛行駛阻力及阻力功率

式中，RR為輪胎滾動阻力；RW為空氣阻力；RT為總運行阻力；KR為滾動阻力的溫度校正系數(shù)，取0.006/℃；t為道路試驗時環(huán)境溫度；t0為基準狀態(tài)環(huán)境溫度，取20℃；d為試驗條件下空氣密度。

對累計的8次原始滑行數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計分析，并根據(jù)上述條件將行駛阻力、阻力功率、滾動阻力、空氣阻力校正至基準狀態(tài)，校正前、后的各變量變化如表2所列。

圖5為校正前、后F和P變化曲線。由圖5可看出，校正后F和P均比校正前增加，并且增幅比例隨車速的降低而逐漸增大，當車速從90 km/h降至15 km/h，增幅從7.27%逐漸上升至10.39%。利用最小二乘法優(yōu)化擬合得到的行駛阻力是車速的一元二次函數(shù)，而行駛阻力功率則是車速的截距為零的一元三次函數(shù)，即從試驗角度驗證了車輛滑行動力學(xué)理論分析（式（5））的準確性。

校正后行駛阻力公式中的A=601.34，B=7.203，C=0.162。由于車輛滑行過程中滾動阻力和傳動系阻力均與車速呈線性關(guān)系，常數(shù)項和一次項系數(shù)相互重疊，同時隨車速的提升，滾動阻力與車速的二次函數(shù)關(guān)系也越明顯，所以據(jù)此無法計算獲得滾動阻力系數(shù)、傳動系阻力系數(shù)及空氣阻力系數(shù)。

將試驗環(huán)境下的車輛滾動阻力及空氣阻力按式（15）校正至基準狀態(tài)，如圖7所示。按最小二乘法進行線性擬合的相關(guān)性系數(shù)為100%，滾動阻力為試驗車速的帶常數(shù)項的一次函數(shù)，空氣阻力為試驗車速的二次函數(shù)，校正后行駛阻力公式中A=805.44，B=4.5015，C=0.3157。

式中，f0為滾動阻力系數(shù)常數(shù)項；f1為滾動阻力系數(shù)與車速的一次項系數(shù)；CD為車輛空氣阻力系數(shù)；A迎為車輛的迎風(fēng)面積；v為車輛行駛速度；G為試驗車重。

由式（16）～式（18）可計算獲得滾動阻力系數(shù)常數(shù)項f0=0.004566，車速的一次項系數(shù)f1=0.0000255，即滾動阻力系數(shù)f為:

同時計算獲取空氣阻力系數(shù)CD=0.689，對標準GB/T27840—2011規(guī)定的客車空氣阻力系數(shù)CD的推薦值為0.65是一種驗證修正。

由車輛空氣動力學(xué)理論可知:

5 不同工況下燃料消耗量對比分析

目前，汽車檢測機構(gòu)針對道路營運公告車輛開展的燃料消耗量測試方法及限值主要依據(jù)為工信部發(fā)布實施的 GB/T 27840—2011、QC/T 924—2011 《重型商用車輛燃料消耗量限值（第1階段）》以及交通部發(fā)布實施的JT 711—2008《營運客車燃料消耗量限值及測試方法》、JT 719—2008《營運貨車燃料消耗量限值及測試方法》等，并依托《公告》管理平臺實施重型營運車輛的燃料消耗量管理。

5.1 燃料消耗量測試方法比較

兩部委發(fā)布的燃料消耗量相關(guān)標準中所涉及的燃料消耗量測試方法有如下3種。

5.1.1 重型底盤測功機試驗

首先依據(jù)GB/T27840—2011進行道路滑行試驗，基于滑行能量變化法獲得道路行駛阻力及阻力系數(shù)，據(jù)此對底盤測功機進行阻力參數(shù)設(shè)定并在重型底盤測功機上運行C—WTVC工況，測量車輛污染物排放并依據(jù)碳平衡法及車輛特征里程的加權(quán)系數(shù)修正獲得車輛基準狀態(tài)下的綜合燃料消耗量。

5.1.2 模擬計算法

依據(jù)GB/T27840—2011，以發(fā)動機萬有特性試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將整車、變速器、輪胎等關(guān)鍵參數(shù)輸入軟件模擬程序，模擬車輛在C—WTVC工況下的運行狀態(tài)。根據(jù)發(fā)動機臺架試驗燃油經(jīng)濟性曲線，并依據(jù)碳平衡法及車輛特征里程的加權(quán)系數(shù)修正獲得車輛的綜合燃料消耗量，簡便快捷。該計算方法根據(jù)發(fā)動機萬有特性MAP數(shù)據(jù)及整車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，理論虛擬計算整車在特定工況下的燃料消耗量，其數(shù)據(jù)可作為參考值，但不能因此確定該車燃油經(jīng)濟性的技術(shù)條件值。

5.1.3 等速行駛?cè)剂舷牧吭囼?/p>

依據(jù) JT711—2008和 JT 719—2008，在試驗環(huán)境、車輛狀況、路面狀況滿足道路試驗要求的前提下，車輛按規(guī)定要求配載并安裝燃料消耗量測試設(shè)備，使用次高擋和最高擋，按規(guī)定車速勻速行駛，獲取不同速度點的燃料消耗量，根據(jù)環(huán)境溫度、氣壓、燃油密度及不同速度點的加權(quán)系數(shù)，修正至基準狀態(tài)下的綜合燃料消耗量。該試驗方法依據(jù)整車道路試驗，運行工況與實際營運車輛道路運輸工況吻合度較高，能夠真實反映營運車輛的燃油經(jīng)濟性指標，但受試驗環(huán)境、路面狀況等因素制約，其統(tǒng)計精確度、重復(fù)性、一致性較差。

5.2 不同測試方法的結(jié)果比較

針對試驗樣車分別進行上述3種方法的燃料消耗量測試，試驗結(jié)果經(jīng)重復(fù)性檢驗后滿足第95百分位分布的標準差R與重復(fù)性次數(shù)n的關(guān)系，試驗結(jié)果對比見表3，等速行駛法燃料消耗量與車速的關(guān)系如圖8所示。

由表3可知，該試驗樣車采用3種測試方法獲得的燃料消耗量均滿足相應(yīng)的標準限值要求，而且均有充足的富裕率。基于滑性能量變化法獲得行駛阻力系數(shù)后分別進行測功機燃料消耗量測試與軟件程序模擬計算，2種測試方法均采用C—WTVC變速運行工況，獲得的燃料消耗量均滿足標準QC/T 924—2011《重型商用車輛燃料消耗量限值（第1階段）》規(guī)定的26.0 L/100 km的限值要求，模擬計算法獲得的燃料消耗量比進行測功機獲得燃料消耗量低2.3%，原因是后者模擬C—WTVC運行工況時對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩及根據(jù)扭矩富裕率而選擇的換擋時機比在測功機上實際運行C—WTVC工況理想。而采用等速行駛法獲得的燃料消耗量為20.35 L/100 km，低于標準JT711—2008《營運客車燃料消耗量限值及測試方法》中規(guī)定的24.4 L/100 km的限值要求。JT711—2008中規(guī)定的測定車速及加權(quán)系數(shù)貼合營運客車的實際運行狀況，營運車輛載質(zhì)量大、慣性大，在中、低車速范圍內(nèi)頻繁變換車速工況行駛時燃油經(jīng)濟性及尾氣排放最惡劣，而一旦上升至高車速采用高擋位維持高速運行，發(fā)動機負荷率得到充分利用，同時車輛本身強大的慣性力對車輛的變速產(chǎn)生很強的抑制性，從而致使燃油經(jīng)濟性極為理想，但若用此種方法作為考核營運車輛全天候、多工況運行的燃油經(jīng)濟性指標則有失客觀性和準確性。此進行底盤測功機阻力設(shè)定，極大提高后續(xù)轉(zhuǎn)鼓模擬試驗的精確度及高效性。

表3 3種測試方法試驗結(jié)果對比

交通部、工信部發(fā)布的燃料消耗量測試方法在試驗方法、試驗程序、運行工況、修正運算等方面存在很大的差異,而且重型商用車輛產(chǎn)品種類、使用條件和技術(shù)狀態(tài)遠比輕型汽車復(fù)雜，國際范圍普遍認為建立科學(xué)合理、客觀統(tǒng)一的重型商用車輛燃料消耗量評價和管理體系推進難度較大。

重型營運車輛道路滑行試驗、發(fā)動機臺架試驗以及燃料消耗量模擬計算程序的完善是影響限值標準制定與輛燃料消耗量評價和管理體系的重要因素。

6 結(jié)束語

目前，各商用車企業(yè)圍繞GB/T27840—2011的發(fā)布實施開展重型商用車輛的道路滑行試驗，各檢測機構(gòu)應(yīng)協(xié)調(diào)配合、統(tǒng)籌合作，立足于整車道路試驗檢測能力，根據(jù)整車類型、外廓尺寸、輪胎規(guī)格型號及負荷指數(shù)、整備質(zhì)量、載重負荷、地面溫度、路面鋪裝質(zhì)量等可控因素進行組合排列，選取能夠覆蓋上述可控變量的有限車輛進行道路滑行試驗，基于滑行能量變化法對在不同狀況下的不同車輛進行行駛阻力擬合并逆向求解其滑行阻力系數(shù)，最終形成涵蓋上述所有可控變量的滑行阻力設(shè)定公式和匹配系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫；對于特定車型僅提供上述變量參數(shù)即可獲得其特定狀態(tài)下的行駛阻力經(jīng)驗公式并據(jù)

1 The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space.Stepwise Coastdown Methodology for Mea?suring Tire Rolling Resistance.SAE J2452,1996.

2 The Engineering Society for Advancing Mobility Land Sea Air and Space.Road Load Measurement and Dynamometer Simulation Using Coastdown Techniques.SAE J1263,1996.

3 Kazutaka Yokota,Eisei Higuchi and Masashi Kitagawa.Es?timation of Tire Temperature Distribution andRolling Resis?tance under Running ConditionsIncluding Environmental Factors.SAE 2012-01-0796.

4 Saurabh K.Singh,Narayan D.Jadhav,Prashant Vishe and K.Gopalakrishna.Methodology for Measurement of Inherent Driveline Frictional Force for a Vehicle in Coasting Mode.SAE 2009-01-0416.

5 馬杰,周華,陸紅雨,等.底盤測功機阻力設(shè)定對汽車尾氣排放的影響.汽車工程，2006（9）.