龔春忠，單承標(biāo)，李鵬，苑術(shù)平，肖巖

摘? 要：本文闡述了減速法測(cè)試車輛機(jī)械阻力的基本原理。相對(duì)于行業(yè)普遍使用的減速法機(jī)械阻力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，本文改進(jìn)工作主要如下：二次項(xiàng)阻力系數(shù)使用經(jīng)驗(yàn)值0.035N/（km/h）2，并論證了使用該值的合理性;采用勻加減速車輛機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并分析了慣量偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響;阻力擬合值作為初值，采用單純形法進(jìn)一步尋優(yōu)獲得常數(shù)項(xiàng)阻力系數(shù)與一次項(xiàng)阻力系數(shù);預(yù)熱前后各測(cè)量5次試驗(yàn)，獲得各次阻力測(cè)試結(jié)果，使用中國(guó)工況下百公里機(jī)械能耗表示機(jī)械阻力大小。改進(jìn)后的減速法操作簡(jiǎn)便、精確穩(wěn)定，在整車經(jīng)濟(jì)性開發(fā)驗(yàn)證中有重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：減速法;車輛機(jī)械阻力;底盤測(cè)功機(jī);旋轉(zhuǎn)慣量

中圖分類號(hào)：U467.1+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）05-0053-06

Experimental Study On Mechanical Resistance Of Vehicles By Deceleration Method

GONG Chun-zhong1，2， SHAN Chen-biao3， LI Peng1， YUAN Su-ping1， XIAO Yan1

（1.Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd.， Jiaxing， 314000， China;

2.College of engineers， Zhejiang University，? Hangzhou 310000， China;

3.Qingdao automobile Research Institute of Jilin University， Qingdao 266000， China）

Abstract： This paper describes the basic principle of the deceleration method for measuring the mechanical resistance of vehicles. Compared with the commonly used mechanical resistance test standard of deceleration method in the industry， the main improvements in this paper are as follows： the empirical value of the second term resistance coefficient is 0.035n / （km / h）2， and the rationality of using this value is demonstrated; the moment of inertia of the mechanical rotating parts of vehicles with uniform acceleration and deceleration is adopted， and the influence of the inertia deviation on the test results is analyzed; the resistance fitting value is taken as the initial value， and the simplex is adopted The constant term resistance coefficient and the primary term resistance coefficient are obtained by further optimization. The resistance test results are obtained by measuring 5 times before and after preheating. The mechanical energy consumption of 100 km under Chinese working condition is used to express the mechanical resistance. The improved deceleration method is easy to operate， accurate and stable， and has an important application in the development and verification of vehicle economy.

車輛道路阻力是影響車輛經(jīng)濟(jì)性的重要因素，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可實(shí)際道路滑行試驗(yàn)獲得的結(jié)果。但由于各阻力的耦合性[1]，以及實(shí)際道路試驗(yàn)受環(huán)境影響[2]，使實(shí)際道路滑行法獲得的結(jié)果穩(wěn)定性較差，各影響因素對(duì)整車的阻力影響難以通過(guò)滑行試驗(yàn)辨識(shí)。車輛的空氣阻力優(yōu)化方案通常使用整車動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，車輛的機(jī)械阻力則選擇使用底盤測(cè)功機(jī)中的等速法或減速法獲得[3]。本文基于國(guó)標(biāo)減速法的基礎(chǔ)上進(jìn)行慣量確定、二次阻力設(shè)定、數(shù)據(jù)處理方法、預(yù)熱問(wèn)題與測(cè)試穩(wěn)定性等問(wèn)題進(jìn)行分析與改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中以車輛制動(dòng)卡鉗影響測(cè)試作為實(shí)例，并設(shè)計(jì)新的試驗(yàn)方法，可在道路滑行試驗(yàn)中較有效地解耦車輛空氣阻力。在項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)中，我們?cè)?jīng)嘗試過(guò)多種方法測(cè)量車輛的機(jī)械阻力，包括等速法、低速滑行法[4]、循環(huán)能耗法[5]、用拉力計(jì)勻速拖動(dòng)法、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器配重加速下滑計(jì)算加速度逆推，試用過(guò)某公司的專業(yè)卡鉗拖滯力測(cè)試設(shè)備等，效果都不理想，一致性差，與理論值存在較大差距。最終確定改進(jìn)的減速法作為機(jī)械阻力的重要判定方法。

1? ? 風(fēng)洞法測(cè)量機(jī)械阻力原理簡(jiǎn)述

標(biāo)準(zhǔn)《GB 18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》附錄CC中的試驗(yàn)方法[6]規(guī)定了風(fēng)洞法測(cè)量道路載荷的詳細(xì)步驟，分為風(fēng)阻和機(jī)械阻力兩部分進(jìn)行。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得風(fēng)阻FAj，通過(guò)底盤測(cè)功機(jī)等速法或減速法獲得機(jī)械阻力FDj，最后通過(guò)合成最小二乘法擬合為車輛行駛阻力。若為滾筒式底盤測(cè)功機(jī)，需對(duì)阻力做相應(yīng)的修正工作。如圖1所示。

風(fēng)洞法測(cè)量機(jī)械阻力雖然結(jié)果更精確可靠，但也需要付出較大的代價(jià)，尤其是風(fēng)洞試驗(yàn)資源緊缺，成本高昂。機(jī)械阻力測(cè)試的成本相對(duì)較小，本文重點(diǎn)對(duì)該減速法測(cè)試車輛機(jī)械阻力進(jìn)行研究分析。

減速法即試驗(yàn)車輛在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行減速滑行。車輛預(yù)熱后，將車速提高到比最高基準(zhǔn)速度至少高10km/h后開始滑行。若連續(xù)兩次滑行試驗(yàn)測(cè)得的力的偏差都在±10N內(nèi)，則滑行試驗(yàn)結(jié)束，否則進(jìn)行三次以上滑行試驗(yàn)。按照下式計(jì)算每個(gè)基準(zhǔn)速度點(diǎn)vj的滾動(dòng)阻力FjDyno。

（1）

式中：FjDecel是以速度vj在底盤測(cè)功機(jī)上滑行時(shí)的行駛阻力;CD為輸入底盤測(cè)功機(jī)的空氣阻力項(xiàng)系數(shù)。

2? ? 減速法需改進(jìn)的若干問(wèn)題

GB18352.6中對(duì)減速法測(cè)試的過(guò)程做了詳細(xì)描述，但是，執(zhí)行過(guò)程依然有部分問(wèn)題值得改善，包括旋轉(zhuǎn)慣量與二次項(xiàng)阻力系數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)處理方式、測(cè)試設(shè)備零點(diǎn)漂移修正等問(wèn)題。

2.1? ?最高車速

最高車速規(guī)定為比車輛基準(zhǔn)車速至少高10km/h，車輛滑行時(shí)的基準(zhǔn)速度是130km/h。在實(shí)際道路滑行試驗(yàn)中，車輛起始滑行速度也不可能按照比最高車速高10km/h的速度開始滑行。為令可比性更統(tǒng)一，可以參照工況能量消耗量與續(xù)駛里程試驗(yàn)方法最高車速的定義，修改為滑行起始車速為120km/h，若車輛最高車速小于120km/h，則滑行起始車速為車輛設(shè)計(jì)的最高車速。以保證在實(shí)際道路測(cè)試結(jié)果的可比性。

2.2? ?車輛預(yù)熱問(wèn)題

車輛按照GB/T18352.6進(jìn)行預(yù)熱后再進(jìn)行試驗(yàn)，則不能獲得車輛冷態(tài)時(shí)的阻力。每次上下班行駛距離小于10km的用戶，更注重冷態(tài)時(shí)的機(jī)械阻力。為了保留冷態(tài)時(shí)的機(jī)械阻力評(píng)價(jià)，測(cè)試方法需調(diào)整為冷態(tài)、熱態(tài)均測(cè)量，熱態(tài)測(cè)試的結(jié)果用于與實(shí)際道路滑行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果等效。企業(yè)自行開發(fā)或與零部件供應(yīng)商對(duì)接，通過(guò)雙方認(rèn)可的加權(quán)方式得到測(cè)試結(jié)果。不同車輛冷態(tài)與熱態(tài)對(duì)比，能耗相差在0.8kWh/100km左右，如表5所示。

2.3? ? 重復(fù)測(cè)試結(jié)果判定

當(dāng)前測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性判斷依據(jù)是連續(xù)兩次滑行試驗(yàn)測(cè)得的力的偏差都在±10N內(nèi)，否則執(zhí)行三次以上測(cè)試。在沒(méi)有成熟的軟件實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)之前，很難一邊測(cè)試一邊迅速獲得阻力結(jié)果。且提出了循環(huán)能量等效性的判定方式，不需要重復(fù)判定。且10N對(duì)車輛的循環(huán)能量消耗量計(jì)算如式（2）：

（2）

計(jì)算的結(jié)果是0.278kWh/100km，這個(gè)偏差太大。較合理的方式是直接重復(fù)多次測(cè)量取平均值，且將所測(cè)值的分布特性記錄到試驗(yàn)結(jié)果中。因此，本文建議預(yù)熱前后各測(cè)試5次獲得車輛道路阻力。由于GB18386.1即將推出，因此建議電動(dòng)汽車滑行試驗(yàn)的精度判定選擇使用中國(guó)工況對(duì)應(yīng)的循環(huán)能量消耗量。

2.4? ?旋轉(zhuǎn)慣量測(cè)量與影響分析

滾筒式底盤測(cè)功機(jī)的基礎(chǔ)慣量可以使用測(cè)試設(shè)備自帶測(cè)試程序計(jì)量，其原理是測(cè)功機(jī)正反方向勻加減速測(cè)試獲得。帶車測(cè)試該基礎(chǔ)慣量與轉(zhuǎn)鼓自身的基礎(chǔ)慣量之差，即為車輛的旋轉(zhuǎn)部件的等效慣量。建議由設(shè)備廠開發(fā)專用測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)定。該方法受車輛狀態(tài)的機(jī)械阻力干擾，測(cè)試結(jié)果存在偏差。直接根據(jù)各零部件旋轉(zhuǎn)慣量[5]計(jì)算獲得輪邊等效慣量將更精確。

以某次減速法試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，在數(shù)據(jù)數(shù)理過(guò)程中使用旋轉(zhuǎn)部件等效慣量為30kg和40kg做分析對(duì)比，算得道路阻力循環(huán)能量差值為0.04kWh /100km，如表1所示。估算慣量比實(shí)際慣量大時(shí)，對(duì)應(yīng)的循環(huán)能量消耗量也較大。該車整備質(zhì)量為1725kg，附加質(zhì)量為100kg。

2.5? ?二次項(xiàng)阻力系數(shù)影響分析與設(shè)置經(jīng)驗(yàn)值

GB18352.6要求減速法設(shè)置的二次項(xiàng)系數(shù)由風(fēng)洞試驗(yàn)估算而得。而風(fēng)洞試驗(yàn)的成本極高，因此需要研究不同二次項(xiàng)設(shè)置的減速過(guò)程對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。設(shè)置如下試驗(yàn)：相同的車輛，采用相同的慣量、不同的二次項(xiàng)阻力系數(shù)進(jìn)行滑行，最終對(duì)比出不同滑行結(jié)果的差異。該車整備質(zhì)量為1725kg，附加質(zhì)量為100kg。見表2。

測(cè)試表明，當(dāng)二次項(xiàng)阻力系數(shù)設(shè)置為0時(shí)，循環(huán)能量消耗量比實(shí)際值大0.06kWh/100km，而采用經(jīng)驗(yàn)值0.035N/（km/h）2與仿真值相差0.00274N/（km/h）2時(shí)，循環(huán)能量消耗量相差僅0.012kWh /100km。所以，當(dāng)不能精確獲得車輛二次項(xiàng)阻力系數(shù)時(shí)，可以用0.035N/（km/h）2近似。

2.6? ?擬合獲得初值并用單純型法優(yōu)化測(cè)得機(jī)械阻力

GB18352.6測(cè)得的機(jī)械阻力需要對(duì)應(yīng)特定的基準(zhǔn)速度，獲得離散性結(jié)果。等速法測(cè)試過(guò)程主要以測(cè)功機(jī)的力傳感器為數(shù)據(jù)源，而減速法測(cè)試過(guò)程則與道路滑行試驗(yàn)更為接近，使用底盤測(cè)功機(jī)的速度傳感器作為數(shù)據(jù)源。這也是兩種方法測(cè)試結(jié)果的本質(zhì)差別。獲得的機(jī)械阻力是一組離散的值FDj，需要與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果一起，最終再進(jìn)行最小二乘法擬合，獲得與道路阻力等效的阻力系數(shù)。該比較方法意味著機(jī)械阻力測(cè)試結(jié)果不具備獨(dú)立性，需要同時(shí)與風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析才能判定結(jié)果的有效性。

為了將減速法測(cè)試機(jī)械阻力作為獨(dú)立的試驗(yàn)方法，本文選擇使用直接采用擬合實(shí)測(cè)t-v曲線獲得機(jī)械阻力。文獻(xiàn)[8]表明該方法的精度更可靠，該文獻(xiàn)通過(guò)構(gòu)建理論滑行曲線，采用不同的阻力擬合方法獲得道路阻力系數(shù)，精度提高了5.86%。所測(cè)機(jī)械阻力系數(shù)適用于GB18352.6中循環(huán)能量消耗量計(jì)算法。

2.7? ?底盤測(cè)功機(jī)自校核與零點(diǎn)漂移修正

底盤測(cè)功機(jī)設(shè)備自帶校準(zhǔn)功能，通常使用無(wú)車滑行方式確認(rèn)底盤測(cè)功機(jī)的阻力模擬精度。如果試驗(yàn)精度要求較高時(shí)，可以重新對(duì)底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，或者用更快速的方法獲得底盤測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)漂移。部分測(cè)試設(shè)備可以直接在道路阻力模式與等速模式之間切換，可以非常便捷地測(cè)定某一車速下的零點(diǎn)漂移。例如，底盤測(cè)功機(jī)無(wú)車狀態(tài)，先設(shè)置為20km/h等速模式，然后將道路阻力模擬值設(shè)置為1000kg，各阻力系數(shù)均設(shè)置為0，然后切換為道路阻力模擬模式，測(cè)試車速逐漸變化，經(jīng)過(guò)60s，車速升高至20.23km/h，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，求得底盤測(cè)功機(jī)在20km/h處的零點(diǎn)漂移是-1.065N。

為了與減速法相對(duì)應(yīng)，底盤測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)漂移測(cè)試方法設(shè)計(jì)如下：無(wú)車狀態(tài)下，使用相同的二次項(xiàng)阻力系數(shù)和慣量進(jìn)行滑行模擬，分析減速滑行過(guò)程的車速數(shù)據(jù)，獲得道路阻力值，該值即為零點(diǎn)漂移。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

循環(huán)能量消耗量為-0.0268kWh/100km。該值理論值是0，負(fù)號(hào)表示測(cè)功機(jī)的0點(diǎn)偏小，最終測(cè)得的機(jī)械阻力也需要往偏小方向修正。試驗(yàn)表明，底盤測(cè)功機(jī)的零點(diǎn)漂移通常很小，在精度要求較高時(shí)可執(zhí)行底盤測(cè)功機(jī)零點(diǎn)漂移修正。

3? ? 測(cè)試實(shí)例分析

減速法測(cè)量車輛機(jī)械阻力與風(fēng)洞試驗(yàn)解耦空氣阻力一樣意義重大，需要規(guī)范其測(cè)試流程，在實(shí)際道路上解耦風(fēng)阻也有一定的應(yīng)用。

3.1? ?改進(jìn)減速法測(cè)試步驟

根據(jù)以上描述的對(duì)減速法測(cè)量車輛機(jī)械阻力進(jìn)行若干改進(jìn)，綜合其測(cè)試流程如下：

步驟1（選測(cè)）：底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)漂移測(cè)定;

步驟2：根據(jù)表4設(shè)定底盤測(cè)功機(jī)參數(shù)，車速?gòu)?20km/h或車輛最高車速開始往下減速法測(cè)試，直到車速為0;

步驟3：重復(fù)步驟2測(cè)試5次;

步驟4：按照預(yù)熱方法執(zhí)行車輛預(yù)熱處理，等速80km/h預(yù)熱30min;

步驟5：重復(fù)步驟2與步驟3;

步驟6：試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，獲得常數(shù)項(xiàng)阻力系數(shù)、一次項(xiàng)阻力系數(shù)、循環(huán)能量消耗量。

根據(jù)以上測(cè)試步驟，當(dāng)?shù)妆P測(cè)功機(jī)具備實(shí)時(shí)恒速模式與道路阻力模擬模式切換功能時(shí)，則車速的控制完全用底盤測(cè)功機(jī)執(zhí)行，否則，全程只能用道路阻力模擬模式，由駕駛員按要求操作車輛。開發(fā)專用車速程序后，可由底盤測(cè)功機(jī)全程接管，駕駛員可使用配重替代。在測(cè)試無(wú)動(dòng)力軸的車輛或者分解傳動(dòng)系統(tǒng)零部件機(jī)械助力時(shí)，必須選擇轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)車輛的模式。圖2是一項(xiàng)測(cè)試中速度控制隨時(shí)間的變化曲線，全程5430s，約1.5小時(shí)。

3.2? ?卡鉗拖滯力解耦試驗(yàn)

卡鉗拖滯力有專用的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試[7]，但只能測(cè)試轉(zhuǎn)速極低狀態(tài)下的拖滯力，不能精確反應(yīng)車輛機(jī)械阻力的貢獻(xiàn)?？梢允褂脺p速法對(duì)需要研究的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)部件進(jìn)行順序拆解的方式解耦[8]。

某樣車將其制動(dòng)卡鉗拆解后，在兩驅(qū)底盤測(cè)功機(jī)上使用3.1節(jié)的測(cè)試方法測(cè)量機(jī)械阻力，再將制動(dòng)卡鉗安裝回去，重新測(cè)量對(duì)比，整過(guò)測(cè)試過(guò)程剛好一個(gè)工作日。測(cè)試結(jié)果如表5所示。

從結(jié)果可知，比較熱態(tài)時(shí)，前輪卡鉗循環(huán)能量消耗量相差0.91kWh/100km，后輪卡鉗循環(huán)能量消耗量相差1.22kWh/100km，卡鉗損耗總量為2.13kWh/100km。車輪的滾動(dòng)半徑為0.353m，折算到平均每個(gè)卡鉗的拖滯力矩為6.767Nm，而使用專用設(shè)備測(cè)試10圈平均拖滯力僅為3.5Nm，兩者相差巨大，但前者更接近實(shí)際道路滑行結(jié)果的測(cè)試方法，理論上可信度更高。

以上示例中，熱態(tài)測(cè)試4組結(jié)果的平均標(biāo)準(zhǔn)差為0.06kWh/100km，3σ精度可達(dá)±0.0805kWh/100km，表明該方法穩(wěn)定可靠。

4? ? 改進(jìn)減速法優(yōu)缺點(diǎn)

改進(jìn)的減速法新增了旋轉(zhuǎn)慣量、模擬阻力系數(shù)的設(shè)定規(guī)范;明確了冷態(tài)/熱態(tài)均重復(fù)測(cè)量多次的規(guī)定，使用更合理的擬合方法處理原始數(shù)據(jù)，可以將測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性在結(jié)果中體現(xiàn);還提出了零點(diǎn)漂移的修正方法。相對(duì)于等速法測(cè)試，該方法人工操作步驟更少，在專用軟件開發(fā)之前操作相對(duì)較為簡(jiǎn)便。在多軸底盤測(cè)功機(jī)中，可以通過(guò)等速法分辨不同輪胎的機(jī)械阻力大小，但減速法無(wú)法獲得不同輪胎的阻力大小。減速法的測(cè)試過(guò)程與道路滑行法測(cè)試機(jī)械阻力的過(guò)程更為接近，理論上其測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際道路滑行試驗(yàn)結(jié)果。減速法與等速法均可以較好地分布拆解傳動(dòng)系統(tǒng)部件測(cè)試各部件的機(jī)械阻力，實(shí)際道路滑行法則較難實(shí)現(xiàn)這一對(duì)比過(guò)程。實(shí)際道路滑行法的行駛阻力耦合度較高，可以通過(guò)先測(cè)試獲得機(jī)械阻力的方式，采用高速滑行段解耦車輛空氣阻力系數(shù)，相對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)雖然穩(wěn)定性偏差，但成本更低，可以應(yīng)用于部分氣動(dòng)組件的初步實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

5? ? 結(jié)論

本文所述方法接近實(shí)際道路滑行法測(cè)試過(guò)程，操作簡(jiǎn)便、結(jié)果穩(wěn)定可靠。該方法已編制成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在底盤測(cè)功機(jī)上操作步驟較多，數(shù)據(jù)處理依靠專用程序。標(biāo)準(zhǔn)GB18352.6中規(guī)定的操作步驟較多，普通試驗(yàn)員較難學(xué)習(xí)與操作，下一步工作將把該方法與數(shù)據(jù)處理算法集成到測(cè)試設(shè)備中，推動(dòng)該測(cè)試方法形成團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)成行業(yè)內(nèi)測(cè)試結(jié)果互認(rèn)目標(biāo)。

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