（载运工具运用工程专业论文）底盘测功机模拟车辆道路行驶阻力加载力研究.pdf

摘要 随着“节能减排专项行动”的不断深入，汽车行业内针对各种车辆的油耗限值标准 相继推出，越来越需要一种简便快捷的燃油消耗量检测方法替代传统的油耗检测方法， 这种快捷的检测方法业界称之为碳平衡法。为了保证碳平衡法检测油耗的准确性，提高 碳平衡油耗仪的检测精度是一方面，另一方面需要底盘测功机能精确的模拟被测车辆的 道路行驶阻力。 为了使底盘测功机能精确的模拟被测车辆的道路行驶阻力，首先需要精确的测出被 测车辆的道路行驶阻力。目前业界公认滑行试验法为最准确的测量车辆道路行驶阻力的 方法。滑行试验法有多种，本文通过比较分析，选取简便易行、测量准确度能满足检测 规范需要的滑行试验法。 本文通过道路滑行试验与相关数学方法得出了典型车型的道路行驶阻力、滚动阻力 系数与空气阻力系数；并通过研究不同型号轮胎的滚动阻力系数与不同车型的空气阻力 系数数值的分布规律；得出了滚动阻力系数与空气阻力系数近似值的取值方法以便于对 车辆道路行驶阻力进行快捷并精确的近似计算。 通过对底盘测功机上等速行驶的被测车辆进行受力分析，并经试验与分析分别得出 被测车辆在底盘测功机上所受的滚动阻力的近似计算方法和底盘测功机内阻的近似值。 确定了用底盘测功机模拟被测车辆道路行驶阻力的的加载力计算方法，通过近似计算得 到的加载力与试验和准确计算得到的加载力进行误差比较，证明用本文所述方法模拟被 测车辆道路行驶阻力具有较高的精确度。 关键词：道路滑行试验；道路行驶阻力：底盘测功机；加载力 a b s t r a c t w i t ht h e ”e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ns p e c i a la c t i o n s ”c o n t i n u e d ，t h ef u e l c o n s u m p t i o nw i t h i nt h el i m i t so ft h es t a n d a r df o rv a r i o u sv e h i c l e sh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h e a u t o m o t i v e s ow en e e das i m p l ea n de f f i c i e n tf u e lc o n s u m p t i o nd e t e c t i o nm e t h o dt or e p l a c e t h et r a d i t i o n a lf u e lc o n s u m p t i o nd e t e c t i o nm e t h o d t h i sq u i c kd e t e c t i o nm e t h o di sc a l l e d c a r b o nb a l a n c em e t h o d i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h em e t h o do fc a r b o nb a l a n c ef o r f u e lc o n s u m p t i o n ，w ec a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ei n s t r u m e n tb a s e do nt h ec a r b o nb a l a n c e m e t h o d ，a n dw ec a na l s os i m u l a t ea c c u r a t e l yt h er o a dr e s i s t a n c eo ft h ev e h i c l e st e s t e dw i t h d y n a m o m e t e r i no r d e rt os i m u l a t et h er o a dr e s i s t a n c eo ft h ev e h i c l et e s t e dw i t ht h ec h a s s i s d y n a m o m e t e r ， a tf i r s tw es h o u l dm e a s u r et h er o a dr e s i s t a n c ea c c u r a t e l y c u r r e n t l yg l i d i n g t e s ti sr e c o g n i z e da st h em o s ta c c u r a t em e t h o dt om e a s u r et h er o a dr e s i s t a n c e t h e r ea r em a n y k i n d so fg l i d i n gt e s t t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i sw en e e dt oc h o o s eag l i d i n gt e s tw h i c h s h o u l d b ee a s ya n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lm e e tt h es p e c i f i c a lr e q u i r e t h r o u g hg l i d i n gt e s ta n dr e l a t e dm a t h e m a t i c a lm e t h o d sw es h a l ld e t e r m i n et h er o a d r e s i s t a n c eo f t y p i c a l m o d e l s ，r o a d r o l l i n g r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n da i r d r a g c o e f f i c i e n t a b o v ea l lw ea l s on e e dt or e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no fr o a dr o l l i n gr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n ta n da i rd r a gc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n tm o d e l m a k es u r et h em e t h o do fh o wt o d e t e r m i n et h ea p p r o x i m a t i o no fr o a dr o l l i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n da i rd r a gc o e f f i c i e n ti n o r d e rt oc a l c u l a t e dt h er o a dr e s i s t a n c ef a s ta n da c c u r a t e l y a n a l y z i n g t h ef o r c eo ft h ev e h i c l et e s t e dw h e ni s o k i n e t i c d r i v i n g o nt h e d y n a m o m e t e r t h r o u g ht e s ta n da n a l y s i st h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h er o l l i n g r e s i s t a n c er e c e i v e db yt h ev e h i c l e st e s t e do nt h ed y n a m o m e t e ra n dt h er e s i s t a n c eo ft h e d y n a m o m e t e r d e f i n et h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h el o a df o r c ew h i c hc a l ls i m u l a t et h er o a d r e s i s i t a n c eo ft h ev e h i c l e st e s t e d 、析t 1 1t h ed y n a m o m e t e r t h e nc o m p a r et h el o a df o r c ew h i c hi s d e f m e db yt e s ta n da c c u r a t ec a l c u l a t i o n 、 ，i t l lt h el o a df o r c ew h i c hi sd e f i n e db ya p p r o x i m a t e c a l c u l a t i o n ， i no r d e rt op r o v et h em e t h o do f t h i st e x ti sm o r ea c c u r a t e k e yw o r d s ：r o a ds l i d i n gt e s t ； r o a dd r i v i n gr e s i s t a n c e ；c h a s s i sd y n a m o m e t e r ；l o a d f o r c e i i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 课题来源 交通部公路科学研究院汽车运输技术研究中心于2 0 0 6 年1 1 月开展交通部西部交通 建设科技项目道路运输车辆燃油经济性检测关键技术( 项目编号：2 0 0 63 1 82 2 39 7 ) 的研究，论文结合该项目的子课题二“用底盘测功机模拟道路阻力的加载力的研究 来 完成。笔者全程参与该子课题的研究工作，主要负责道路滑行试验与加载力的计算。 1 1 2 论文中涉及到的相关术语和定义 由于本课题的研究对象为营运车辆，包括总长度在6 m 以上，总质量在3 5 0 0 堙以 上的营运客车与总质量在3 5 0 0 k g 以上2 0 0 0 0 堙以下的栏板营运货车。论文引用的相关 术语和定义如下： 道路运输车辆：泛指用于道路客、货运输的汽车和汽车列车。 营运客车：用于营业性道路旅客运输的载客汽车。 营运货车：用于营业性道路货物运输的载货汽车。 额定总质量：汽车生产厂对定型汽车规定的整备质量和最大载质量之和。 空载：汽车生产厂对定型汽车规定的整备质量与一名引车员质量之和。 台架检测工况：汽车台架检测时，以车轮线速度和轮胎受力的参数值表征的汽车行 驶状况、行驶速度、驱动力。 台架内阻：台架传动系的阻力。 汽车台架滚动阻力：汽车车轮在台架滚筒上滚动产生的阻力。 台架加载阻力：汽车台架检测装置向受检汽车施加的阻碍车轮滚动的切向力。 1 1 3 研究的目的和意义 改革开放3 0 年，我国的汽车工业由弱到强，在国际汽车工业中的地位逐步提高。德 国汽车制造者协会( v d m a ) 最新公布的统计数据显示，2 0 0 8 年中国汽车产量已超过德国 和美国，位居世界第一。该协会的统计数据显示，2 0 0 8 年中国汽车产量占全球汽车总产 量的1 7 2 ，德国占1 4 7 ，而美国仅占1 4 6 。据中国汽车工业协会的统计，2 0 0 9 年我 国汽车产销量分别为1 3 7 9 1 万辆和1 3 6 4 5 万辆，同比增长4 8 3 和4 6 1 5 ，其中乘用车产 1 第一章绪论 销1 0 3 8 3 8 万辆和1 0 3 3 1 3 万辆，同比增长5 4 1 1 和5 2 9 3 ，商用车产销3 4 0 7 2 万辆和 3 3 1 3 5 万辆，同比增长3 3 0 2 和2 8 3 9 1 1 1 。随着我国汽车工业的迅猛发展，每年我国汽 车所消耗的燃油量也逐年增加。目前的能源紧张已经成为制约我国国民经济发展，经济 可持续性发展的重大战略问题【2 】。2 0 0 7 年6 月国务院制定并下发了节能减排综合性工作 方案。该方案明确提出的2 0 1 0 年我国节能减排的目标和要求。方案指出，至u 2 0 1 0 年， 我国万元国内生产总值能耗将由2 0 0 5 年的1 2 2 吨标准煤下降到1 吨标准煤以下，降低2 0 左右。要把节能减排作为调整经济结构、转变增长方式的重要突破口，作为宏观调控 的重要目标，动员全社会力量，扎实做好节能降耗和污染减排工作，确保实现节能减排 约束性指标，推动经济社会又好又快发展。 近年来，受“节能减排专项行动 的倡导，在汽车行业内针对各种车辆的油耗限值 标准相继推出，节能减排运动在业内如火如荼的开展。目前国内、外测试汽车燃油消耗 量的常用方法是采用燃油消耗量的测试，即在发动机供油管路串接传感器通过燃油流量 计测定。当前，国内的综合性能检测站也是用燃油流量计配以底盘测功机检测营运车辆 的燃油经济性。由于此法要拆、装发动机供油管路并串接传感器，不适于维修、检测作 业的现场检测，早已为行业共识。因此一种快速的不解体检测汽车燃油消耗量的测量方 法研究一直受到汽车检测行业的普遍关注。 根据汽车排气排放物中的碳含量推算燃料消耗量的方法，汽车界称之为“碳平衡 法 ，早在二十世纪七、八十年代，美国、日本等发达国家就将“碳平衡法 用于新生 产的轻型汽车燃油经济性的室内评定试验，并形成了相应的国家标准【3 4 。】。我国于2 0 0 3 年发布了g b t 1 9 2 3 3 2 0 0 3 轻型汽车燃料消耗量试验方法规定用“碳平衡法 计算 燃油消耗量，并用于新生产汽车室内试验。利用“碳平衡法 测量汽车的燃油消耗量需 要把被测车辆放置在底盘测功机上，用底盘测功机来模拟被测车辆在道路上行驶时所受 到的阻力。若想提高油耗测量结果精度，除了基于“碳平衡法”的油耗检测系统具有较 高的精度外，在底盘测功机上能否精确模拟道路行驶阻力也是成功与否的关键。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内的研究情况 近年来，随着对车辆燃油经济性的不断重视，我国相应法规与国家标准相继出台。 对于任何社会车辆，我国已有车辆性能、车辆安全和环境保护方面的准入与退出制度。 国家发改委实行参照国外“型式认证 制度的“汽车样车强制性检验+ 相应车型的定型 2 长安大学硕士学位论文 试验”技术要求，对企业开发出符合7 7 项标准要求的车辆以公告形式公布( 每年 近万个) ，作为公安部车管部门车辆登记注册准入；公安部以国标g b 厂r 7 2 5 8 机动车运 行安全技术条件等为安全性技术依据，对车辆实施准入与退出；国家环保总局以 g b t 1 8 3 5 2 轻型汽车污染物排放限值及测量方法及g b 厂r 1 8 2 8 5 点燃式发动机汽车 排气污染物排放限值及测量方法( 双怠速法及简易工况法) 等环境保护标准为技术依 据，对车辆环保实施准入与退出。 对于营运性运输车辆，2 0 0 1 年由交通部组织制定、国家质量监督检验检疫总局发布 了g b t1 8 5 6 5 2 0 0 1 营运车辆综合性能要求和检验方法。该标准中明确规定了用底盘 测功机检测汽车等速百公里燃油消耗量时，检测的环境条件、台架和车辆的准备、检测 方法以及检测结果的重复性检验等问题。国家标准g b t 1 9 2 3 3 2 0 0 8 轻型汽车燃料消 耗量试验方法中规定，测量车辆的综合油耗，需要在实验室内的底盘测功机上进行。 通常采用滑行法和查表法来设定车辆的道路行驶阻力和底盘测功机上的加载力。但是查 表法只根据车辆的基准质量( 整备质量加上1 0 0 k g ) 来确定车辆的行驶阻力，并没有考 虑到空气阻力系数、迎风面积和车辆传动系、驱动轮的摩擦损失等因素，所以对道路行 驶阻力的模拟精度较差f 6 一& 9 1 。 在用底盘测功机模拟道路阻力的加载值的问题上，国内科研机构做过一些理论上的 研究，加载力的计算方法【1 0 1 1 1 2 1 为：汽车在平直道路上行驶所受到的阻力分为空气阻 力、道路滚动阻力与传动系摩擦阻力之和。其与车速的关系为： f = 石+ 五v + 厶1 ，2 ( 1 1 ) 其中：f ：道路行驶阻力( ) ； 石：常数项( n ) ； 五：一次项系数( n h 砌) ； 石：二次项系数( 舰2 o n 2 ) ； ，：行驶车速( k m l h ) 。 汽车在底盘测功机上模拟实际道路行驶情况时，道路行驶阻力包括两部分，即在底 盘测功机上车辆所损失的阻力以及转毂所设定的阻力。用道路总的阻力减去车辆在底盘 测功机上的损失的阻力就是底盘测功机需要设定的阻力。车辆的损失阻力可以采用滑行 法来采集，测得的f v 曲线就是车辆的阻力损失曲线。采用回归法得出损失阻力的线 1 第一章绪论 性方程： f = 厂。1 + 厂2 v + a v 2 ( 1 2 ) 根据式( 1 1 ) 与( 1 2 ) 即可得出底盘测功机转毂的设定阻力： f s = f - f 。= ( z 一厂1 ) + ( 六一厂2 ) 1 ，+ ( 石一六) v 2 ( 1 3 ) 虽然我国已有用底盘测功机模拟道路阻力加载值的理论计算式，而且g b t 1 8 5 6 5 2 0 0 1 营运车辆综合性能要求和检验方法与g b t 1 9 2 3 3 2 0 0 8 轻型汽车燃料消 耗量试验方法分别规定了用底盘测功机检测汽车等速百公里燃油消耗量时的相关条件 与加载力。但是现有的标准里所规定的加载力的数值对道路行驶阻力的模拟精度较差， 所以在加载力计算方面还有待于进一步的研究。 1 2 2 国外的研究情况 日本标准协会于1 9 8 3 年规定采用碳平衡法检测计算汽车油耗，并逐步制订和完善了 测得车辆道路阻力的试验方法【1 3 】以及在底盘测功机上模拟道路阻力加载值的相关标准， 已经能够在底盘测功机上精确模拟被测车辆的道路阻力。欧盟在1 9 9 3 年制订的汽车油耗 试验方法中采用碳平衡法检测计算油耗，并规定了被测车辆道路阻力测量的试验方法【1 4 1 5 】 o 美国从1 9 7 8 年就开始在汽车油耗法规中采用了碳平衡法计算油耗，并不断的发展和 完善。在s a ej 1 2 6 3 1 9 9 1 中规定了被测车辆道路阻力测量的精确试验方法，对道路、气 温、气压、风速条件以及试验车辆和试验程序与步骤做出了明确规定【9 1 。在底盘测功机 加载力计算方面，美国目前的方法是提出了三个系数：目标系数( t a r g e t ) ，测功机设 置系数( d y n os e t ) 和车辆损失系数( v e h i c l el o s s ) 。 目标系数( t a r g e t ) 就是车辆的道路阻力，最终要在底盘测功机上模拟的就是这个 目标系数。这个阻力是由风、轮胎、轮胎轴承、驱动系统、变速器和制动摩擦等产生的。 s a ej 1 2 6 3 2 0 0 1 标准里阐述了大多数美国汽车公司所遵循的用来获得目标系数的方法 1 1 6 - 1 。车辆损失系数是车轮、车轴、制动等形成的阻力，无论车轮在底盘测功机上还是 道路上这些力都存在。这个系数我们可以让汽车在转鼓加速到一定速度后脱档滑行，此 时电机既不施加驱动力也不提供阻力，让车辆在车辆损失系数e 铂幽妇的作用下滑行， 就可以得到，似脚一y 的关系曲线。车辆损失系数确定后，由测功机加载的力就能够确 定了，这就是测功机设置系数( d y n os e t ) 。这三个系数的关系为： 4 长安大学硕士学位论文 删= 弓a r g “一互饥鼢甜 ( 1 4 ) 其中： k ：测功机设置系数( ) ； 弓鹕d ：目标系数( ) ； 【1 7 。烈棚：车辆损失系数( ) 。 车辆损失系数和测功机设置系数可以由s a ej 2 2 6 4 1 9 9 5 里阐述的试验方法来确定 1 3 本文主要工作 本文研究的目的是确定营运客车和营运货车在匀速直线行驶下用底盘测功机模拟 道路行驶阻力的加载力计算方法，形成在底盘测功机模拟车辆道路行驶阻力的依据，以 便于配合基于碳平衡法的油耗检测系统，实现对营运客车和货车油耗的不解体快速准确 检测。 本文需通过查阅资料和调查研究介绍、论述和分析发达国家用底盘测功机模拟车辆 道路行驶阻力的发展与现状；以及对近年来国内相关研究的进展情况和关于用底盘测功 机模拟道路行驶阻力的加载力计算方法进行分析；最后通过大量的试验和计算得出一套 能够用底盘测功机准确模拟车辆道路行驶阻力的加载力计算方法。 本文研究的内容主要包括以下几个部分： l 、分析车辆在匀速直线行驶下的受力状况和总的道路行驶阻力的构成，并通过查 阅资料和试验确定道路行驶阻力的计算方法。 2 、车辆的道路行驶阻力包括滚动阻力和空气阻力两部分，本文需通过比较分析多 种道路滑行试验方法，并从中选择测量精度高、重复性好、可操作性强的道路滑行试验 方法以确定试验车辆的道路滚动阻力系数和空气阻力系数。 3 、根据道路滑行试验确定的试验车辆的滚动阻力系数和空气阻力系数以及试验车 辆的类型，通过归纳分析确定车辆道路滚动阻力系数和空气阻力系数的近似值或近似计 算方法。 4 、对车辆在底盘测功机上模拟道路行驶时的受力进行分析，从而确定用底盘测功 机模拟道路阻力的加载力的计算公式。通过试验与归纳分析以及相关数学方法确定车辆 台架滚动阻力系数和台架内阻。最后得出加载力计算方法以及相关参数的近似取法，并 第一章绪论 进行误差验证以证明本文的加载力计算方法能准确利用底盘测功机模拟车辆道路行驶 阻力。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题来源，本课题来自于交通部西部交通建设科技项目道路运输 车辆燃油经济性检测关键技术。接着介绍了本文的研究范围、研究中涉及到的相关术 语以及研究的目的和意义。随后介绍了美国、日本等发达国家相关研究与标准情况，并 归纳了目前国内相关研究中计算加载力的方法。最后确定了本文的主要研究内容和预期 目标。 6 长安大学硕士学位论文 第二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 2 1 汽车的行驶阻力 汽车在水平道路上等速行驶时，需要克服来自地面的道路滚动阻力和来自空 气的空气阻力。滚动阻力以符号毋表示，空气阻力以符号瓦表示。当汽车在坡 道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡度阻力，以符号f 表示。 汽车加速行驶时还需要克服加速阻力，以符号f 表示。因此，汽车行驶时所受 的总阻力为： ，= 乃+ e + 正+ c ( 2 1 ) 上述诸阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的，坡度阻 力和加速阻力只在一定行驶条件下存在，在水平道路上等速行驶时就没有坡度阻 力和加速阻力【1 8 】。 2 1 1 滚动阻力 汽车行驶时的滚动阻力公式为： e = c f ( 2 2 ) 其中：g ：汽车的总重力( r ) ； 厂：滚动阻力系数。 轮胎的结构、帘线和橡胶的品种对滚动阻力系数都有影响。轮胎充气气压 对滚动阻力系数影响很大，气压降低时滚动阻力系数值迅速增加，这是因为气 压降低时，滚动的轮胎变形大，迟滞损失增加。所以为了减小该项误差，试验 前必须将轮胎气压充至标准气压。 2 1 2 空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力。空 气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的 合力在行驶方向的分力，称为压力阻力；摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表 面产生的切向力的合力在行驶方向上的分力。空气阻力计算公式为： 7 第- 二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 f w - - - 黑v 2 眨3 ， 式中：c d ：空气阻力系数 4 ：汽车迎风面积，彳= b h ，b ：汽车的前轮距，日：汽车的高度 v ：汽车的行驶速度( k m h ) 。 2 1 3 坡度阻力 当汽车上坡行驶时，汽车重力沿坡道的分力表现为汽车的坡地阻力，其公式 为： 互= g s i n a ( 2 4 ) 式中：g 为作用在汽车上的重力，g = m g ，m 为汽车的总质量，g 为重力加速 度，a 为坡度角。 2 1 4 加速阻力 汽车行驶时，有一个保持等速运动的惯性力，如果要使汽车加速，就必须克 服这一惯性力，也就是加速阻力。汽车的质量包含平移质量和旋转质量。当汽车 加速时，平移质量产生惯性力，旋转质量产生惯性力偶矩。一般情况下把旋转质 量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，对于固定传动比的汽车，常以系数艿 作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，因而汽车加速时的阻 力为： f i - 锄a 出u ( 2 5 ) 式中，6 为汽车旋转质量换算系数，主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以 及传动系的传动比有关；聊为汽车质量；掣为行驶加速度。 讲 2 2 行驶阻力系数测量方法 汽车在水平道路上等速直线行驶时只须克服来自地面的滚动阻力口和来 自空气的空气阻力e 。故汽车等速行驶的总阻力f ) 9 ： f = 弓+ e = 埘+ 三c d 劬2 ( 2 6 ) 8 长安大学硕士学位论文 式中：f ：滚动阻力系数： m ：汽车质量( 堙) ； g ：重力加速度( m 2 s ) ： c n ：空气阻力系数， a ：汽车行驶方向的投影面积( m 2 ) ； p ：空气密度，一般p = 1 2 2 5 8 n s 2 所_ 4 ； v ：相对速度，无风时即汽车的行驶速度( m s ) 。 当相对速度z ，以k m h 计，则空气阻力为： e = 蒜v 2 泣7 ， 从式( 2 6 ) 可见，若测得厂和c d ，即可求得汽车在某一车速下等速行驶时 的道路行驶阻力。 研究表明，汽车行驶的滚动阻力系数与路面种类、行驶速度、轮胎结构、 材料、气压有关，与胎冠花纹的形状、分布无关，胎冠花纹只影响车轮与路面 的附着状况。当路面、行驶速度、车轮气压一定时，滚动阻力系数只随轮胎结 构和材料而异，也即同一规格、型号的轮胎在相同的行驶条件下，其滚动阻力 系数等同。试验证明，汽车行驶速度在1 0 0 k r n h 以下时，同规格、型号轮胎的 滚动阻力系数随车速逐渐增加，但变化不大，行驶速度小于5 0 k m h ，滚动阻力 系数基本上为定值。 汽车行驶的空气阻力是汽车直线行驶时，汽车与空气间形成相对运动产生 的、空气作用在汽车行驶方向上的分力。空气阻力由压力阻力和摩擦阻力构成。 空气阻力的7 0 - - - 9 0 是由压力阻力形成。压力阻力的大部分又是由汽车外形 结构引起的形状阻力构成。空气阻力算式中的空气阻力系数就是表征汽车结构 ( 客车车身形状、外形尺寸；货车的驾驶室和车箱形状、外形尺寸等) 与汽车 行驶的空气阻力的关系。汽车的空气阻力系数随结构而异，但同规格、型号汽 车的空气阻力系数为定值。 汽车行驶的滚动阻力系数和空气阻力系数当前都只能通过试验获取。用道 路滑行试验法测定汽车滚动阻力系数和空气阻力系数比较易于实现，试验结果 9 第二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 的准确度用于制定检测规范是可靠的。 2 2 1 滑行法测量汽车行驶阻力原理 汽车滑行试验是在试验汽车达到规定车速后，变速器置空档滑行，记录相 应的试验数据，计算出试验汽车滑行的总行驶阻力，然后采用低速滑行方法从 试验汽车总的行驶阻力中分离出空气阻力和滚动阻力【1 9 2 0 翊】。 汽车滑行阻力由车轮滚动阻力毋、空气阻力e 、传动系摩擦阻力、轮毂轴 承摩擦阻力、车轮定位阻力和惯性阻力f 等构成。通常因传动系摩擦阻力、轮 毂轴承摩擦阻力和车轮定位阻力等的相对较小，常忽略不计。由此，求解汽车 滑行阻力的运动方程可简化为： + e + e = 0 ( 2 7 ) 一6 m 去= 埘+ 互1 p c d 彳v 2 ( 2 8 ) 式中：皇兰：试验汽车滑行减速度( 聊s ：) ； 占：试验汽车的旋转质量换算系数，一般，轿车可取1 0 5 ；货车可取 1 0 6 ；其他符号同前。 通过滑行试验，利用相关的计算方法，对上列动力学方程积分求出1 ，一t 关 系，再进行非线性曲线拟合，求出滚动阻力系数和空气阻力系数，或求出滑行 阻力与车速的关系等。求解上列微分方程，需进行繁杂运算。显然不适于用来 同时进行车型类别众多、大量试验的应用2 玉2 4 1 。 2 2 2 三种滑行试验法 滑行试验可采用多种方法，试验要求测量的变量及测量准确度，就随滑行试 验方法的不同而各不相同。从制定检测规范工作量考虑，宜采用简便易行、测量 准确度能满足检测规范需要的滑行试验法。 2 2 2 1 低速滑行时间法 通过测出试验车辆通过定长路段的滑行时间，求得道路滚动阻力系数的近 似值1 2 5 ，2 6 1 。 选定长度为l o o m 的测量路段，分为两段，每段长5 0 m 。将试验车的门窗关 闭，将1 0 0 m 测量路段的两端点及中点用标杆标定。试验车初速1 5k n , f h ，空档 1 0 长安人学硕士学位论文 滑行通过上述选定的1 0 0 m 测量路段，测量试验车滑行通过该路段的时间是否 在2 0 s a ：2 s 内，如不在，则调整试验车滑行初速，使试验车能在2 0 s a ：2 s 的时间 内通过该1 0 0 m 路段。测量试验车通过前5 0 m 路段和整个1 0 0 m 路段的滑行时 间t l 和t 2 。要求往返测量至少5 次，取其均值。滑行阻力： f = ( m + m ) g x f = ( m + m ) 口 ( 2 9 ) 式中：f ：滑行阻力( ) ； m ：试验汽车的质量( k g ) ； m 。：试验汽车旋转部件的当量质量( 堙) ( 若m 未知，一般载货汽车取 m = 0 0 6 心，轿车、轻型客车及客车取m = 0 0 5 m o ) ； ：试验汽车的整备质量( 豫) ； a ：滑行减速度( m s 2 ) ； ：滑行阻力系数。 根据式( 2 9 ) ，滑行阻力系数为： 厂= 去 ( 2 1 0 ) 设试验车辆开始滑行通过前5 0 m 路段的滑行时间为，通过整个l o o m g 各段的 滑行时间为t 2 ，通过后5 0 m 的滑行时间为，3 ；试验车辆开始滑行时的初速度为m ， 滑到5 0 m 时的速度为v 2 ，滑完全程l o o m 的末速度为屹，前5 0 m 的平均速度为v l ， 后5 0 m 的平均速度为v ，。滑行减速度a 为： 口= 半咄半一半l；二 = 2 ( 百一瓦) t 2 = 2 ( 5 ，1 0 一詈) 乞 ( 2 1 1 ) ：坐0 一三) t 2 f 3 由此求得近似滚动阻力系数。 第二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 2 2 2 2 二次滑行法 通过测定从高速心。滑行至屹。( 心。- 5 k m l h ) 的滑行时间 和从低速v 口：滑行 至：( v o ：- 5 砌h ) 的滑行时间f 2 ，估算滚动阻力系数厂和空气阻力系数c d 。 试验前关闭试验车的门窗，用标杆标定测量路段的始点。反向滑行的始点， 据规定滑行车速首次滑行减速到规定车速时的距离点标定。试验车依次从高速 屹1k m h 开始，空档滑行到屹lk m l h 减5k m l h 的车速( 终速) ；从低速v 口2k m h 开始，空档滑行到v o ，k m h 减5 k m l h 的车速( 终速) 。滑行过程中驾驶员不得 转动方向盘。高、低滑行车速各往返重复滑行三次。 根据动能守恒定理，我们可得出下面的方程组： 式中：h ：实测高速滑行时的平均测速，h = ( 屹。+ v b 。) 2 ( k m h ) ； 吃：实测低速滑行时的平均测速，吃= ( 屹2 + v b 2 ) 2 ( 砌乃) ； 厂：滚动阻力系数； c o ：空气阻力系数； f l ：汽车由屹l 滑行到1 的时间( s ) ； t 2 ：汽车由v 口2 滑行到2 的时间( s ) ； m ：试验汽车的滑行质量( 姆) ； 彳：试验汽车的迎风面积( m 2 ) ，a = b h ，b ：汽车的前轮距，h ：汽车 的高度。 对式( 2 1 2 ) 求解得： 等 眩 1 2 铺 啦 三舶嚎尝鲁 埘 埘 0 ( ) 、， 孔_ 二 2 2 吃 m m 上!暑上c：!暑 长安大学硕士学位论文 厂等簿掣 式中：q ：高速滑行时的平均减速度，q = ( 屹。一。) ( k m l h l s ) ； ( 2 1 4 ) a 2 ：低速滑行时的平均减速度，a 2 = ( 心2 - v b 2 ) t 2 ( k m l h l s ) 。 这种滑行测试方法只适用于最高车速不超过l o o k m h 的车辆口7 t2 引。 2 2 2 3 多车速滑行时间法 试验中通过测定试验车按规定车速滑行的行驶阻力，寻求行驶阻力与车速 关系的模型【2 9 3 0 1 。 试验过程中关闭试验车的门窗，用标杆标定测量路段的始点。反向滑行的始 点，据各规定滑行车速首次滑行减速到规定车速时的距离点标定。试验车依次从 指定车速v ( v 为2 0 k m h ；3 0 k m h ；4 0 k m h ；5 0 k m h ；6 0 k m h ；7 0 k m h ； 8 0 k m l h ) 加速到高出7 砌办左右的车速，空档减速到v + 5l o n h 的车速( 滑行 初速) 开始滑行，滑行到车速k - 5l 口n h ( 终速) ，结束滑行。 滑行过程中驾驶员不得转动方向盘，每一指定滑行试验车速往返重复滑行不 小于四次。 汽车滑行阻力由车轮滚动阻力弓、空气阻力e 、传动系摩擦阻力、轮毂轴 承摩擦阻力、车轮定位阻力和惯性阻力f 等构成。 乃+ e + c = 0 ( 2 7 ) 一= m o 旷 ( 2 1 5 ) e = 互1c 。彳舢2 ( 2 1 6 ) = 6 m i d v ( 2 1 7 ) 式中：厂：滚动阻力系数5 m ：汽车惯性质量，m = ( i + 6 ) m o ( 堙) ； ：试验汽车滑行质量( 姆) ； 1 3 第二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 6 ：汽车旋转质量换算系数，一般载货汽车取0 0 6 ，轿车、轻型客车及 客车取o 0 5 ； g ：重力加速度( m 2 s ) ； c d ：空气阻力系数； 彳：汽车行驶方向的投影面积( m 2 ) ； p ：空气密度( s 2 m - 4 ) ； v ：相对速度，无风时即汽车的行驶速度( m s ) 。 由式( 2 7 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 可得： 一艿聊害砜矿+ 1 c d a p v 2 ( 2 1 8 ) 一6 聊石2 朋o + 一 v 2 1 8 令口：聊。g ，6 ：委c 岛么p ，则汽车在水平路面上滑行所受到的滑行阻力为： ，：a + b y 2( 2 1 9 ) 本文的试验中分别测定试验车各规定车速u ( 1 0 k m h 、2 0 k m h 、3 0 k m h 、 4 0k m h 、5 0 k m h 、6 0k m h ) ：j n sk m h 开始滑行到规定车速v 减5 砌乃时的滑 行时间，及滑行过程中滑行时间的试验数据接受准则为日本t r i a s2 3 一、欧 盟e c er 8 3 0 1 及g b l 8 3 5 5 3 2 0 0 5 ，通过试验测量，利用小速度间隔滑行的方 法，从而求得行驶阻力和车速的关系模型比较适用。 试验过程中试验车以车速哆+ 曲，滑行至q - a v ，当v 较小时( v 5 砌厅) ，则可以认为这一运动过程是匀减速运动，就有下式成立： h + 觚= 一a v + a i t j ( 2 2 0 ) 式中：哆：试验车速( m l s ) ； q ：车速由哆+ v 减小到u - a v 过程中的减速度( m s 2 ) ； ：车速由v f - t - a v 减小到哆一v 所经历的时间0 ) 。 在试验车以车速_ + a v ，滑行至m 一v 过程中，所受到的滑行阻力为e ， 平均滑行减速度为q ，则： 1 4 长安大学硕士学位论文 n t l2m a i 把式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 1 ) 得： 只2 半聊 这里a v = 5 k m h ，所以可以得到： e = 竿历 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 式中：从规定车速v j + 5 砌厅滑行到规定车速v 一5 k m h 时的滑行时间( s ) ； m ：m = m o + m ( 堙) ； m 。：试验汽车旋转部件的当量质量( 堙) ( 若m 未知，一般载货汽车取 m = 0 0 6 m o ，轻型客车及客车取m = o 0 5 m o ) ； 心：试验汽车整备质量( 堙) 。 由此可见，只要测出滑行过程中车速由h + a v 降至_ 一v 所经历的时间t ， 即可利用( 2 2 2 ) 式计算出各对应车速k 时的行驶阻力，即可得到一组值f 1 ，； 此时式( 2 1 9 ) 可以表示为： 鼻= 口+ 6 哆2 ( 2 2 4 ) 若要求解系数a 和b ，可通过解下列线性方程组得到： b 锐批圆 眩2 5 ， 【h 2 一4 j 1 6 jl f v 2 j u “川 其中，万一试验中有效数据点个数；其它符号同前。( 2 2 5 ) 式，可以用线 性代数d ? c r a m e r sr u l e 求解： 口2 ( 2 2 6 ) 第二章汽车的行驶阻力及相关系数测量方法 整理得到a 和b 为： b = v f 21 刊 口：兰：墨二：互兰：圣兰： ，z q 4 一( 哆2 ) 2 6 ：竺兰：二兰：圣兰 刀h 4 一( v 1 2 ) 2 则滚动阻力系数厂和空气阻力系数c d 为： f ：旦 ，g ，1 6 4 8 b l n = 一 “ 2 5 p a 2 2 3 三种滑行试验法的比较与选取 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 低速滑行时间法要求检测试验车滑行通过l o o m 澳4 量路段的时间是否在 2 0 蛀2 s 内，否则调整试验车滑行初速，使试验车能在2 0 s 士2 s 的时间内通过l o o m 的 测量路段。因此在试验过程中要反复试验来确定符合标准的车速，试验过程比较 麻烦。车辆受到的总的滑行阻力应该是滚动阻力和空气阻力之和，而在计算滑行 阻力的过程中，此种方法把车辆受到的总的滑行阻力近似的看作滚动阻力，虽然 试验过程中车辆处于低速滑行状态，所受空气阻力较小，但试验中这种近似方法 也会使求得的滚动阻力系数精度较差。另外低速滑行试探法只能近似的求得滚动 阻力系数，而空气阻力系数无法获得。 二次滑行法规定试验车依次从高速7 0b n h 开始，空档滑行到7 0k m h 减 5k m h 的车速( 终速) ：从低速1 5 l o n h 开始，空档滑行到1 5k m h 减5l o n h 的车 速( 终速) ，并根据2 2 2 2 所推导的公式计算滚动阻力系数和空气阻力系数。这 种试验方法的前提是假设车辆在高速滑行和低速滑行时的滚动阻力系数保持不 变。根据汽车理论，行驶速度对滚动阻力系数有很大影响，滚动阻力系数随车速 的增加而增大，通过所推导的公式求得的滚动阻力系数只是车速在l o o k m h 以下 1 6 2 r l 疗 l 长安大学硕士学位论文 时滚动阻力系数的平均值，这种试验方法不能精确求得某一规定车速下的道路滚 动阻力系数。 多车速滑行时间法要求滑行车速首次滑行减速到规定车速时的距离点标定。 试验车依次从指定车速v ( 为2 0 砌办；3 0 1 0 竹h ；4 0 t o 。n h ；5 0 k m h ；6 0 1 沏h ； 7 0 k m h ；8 0 l o w n h ) 加速到高出7 k m h 左右的车速，发动机熄火，空档减速到 v + 5l o n h 的车速( 滑行初速) 时开始滑行，滑行到车速v 一5l o , n h ( 终速) 时 结束滑行。在实际试验过程中可以使试验车辆从某一规定高速开始滑行，直到速 度降至5l o n h 以下时结束，这样一次滑行试验就可以测得各个速度点的滑行数 据，使试验过程大为简化；而且根据2 2 2 3 所推导出的公式，这种试验方法可以 精确求得某一特定车速下的滚动阻力系数和空气阻力系数，所以本文研究采用此 种方法。 2 3 本章小结 本章首先介绍了汽车在道路行驶过程中所受到的阻力，包括滚的阻力、空气 阻力、坡度阻力和加速阻力。接着介绍了三种行驶阻力系数测量方法：低速滑行 时间法、二次滑行法和多车速滑行时间法，并推导了相关的计算公式。最后通过 对三种试验方法的比较决定采用多车速滑行时间法。 1 7 第三章道路滑行试验数据处理及系数的选取 第三章道路滑行试验数据处理及系数的选取 3 1 试验准备 3 1 1 试验目的 通过道路滑行试验，获取各代表车型的滚动阻力系数和空气阻力系数，用于台 架测试车辆油耗时模拟道路行驶阻力。 3 1 2 试验条件 试验车辆：试验车辆要求是单车，要求使用不同车型客车和货车，按照车辆装 备的轮胎型号进行分类。每辆车所用轮胎必须为同一型号，并且要求轮胎气压达到 标准值。车辆空载。轮胎气压符合规定；胎冠清洁、无砂石夹杂物。试验前运行暖 车，使试验车处于正常行驶温度工况。 试验道路：路面平直、干燥、清洁，纵向坡度在o 1 以内，最大横向路拱高度 小于1 5 。 气候条件：非雨天；试验时，在高出路面o 7 m 处测量的平均风速应不大于 3 聊s 。 试验设备：速度分析仪、气象表( 气压、温度) 风速表。 3 1 3 滑行试验方法 试验步骤： l 、完全关闭试验车