營運客車行駛阻力及燃料消耗量試驗研究＊

梁榮亮 齊士泉 謝晉中 葉開志 黃衛兵

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

在對汽車燃油經濟性、動力性進行仿真計算，或利用底盤測功機實現汽車動力性、經濟性、制動性及排放污染物測試時，均需正確設定車輛行駛阻力。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設定及模擬道路工況的最主要依據。

1 國內外研究現狀及發展趨勢

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

2011年8月，美國發布重型車輛及發動機燃料消耗量法規，該法規根據車輛類型和車輛質量，要求車輛制造商分別提供滾動阻力系數和空氣阻力系數。滾動阻力系數由輪胎制造商提供給車輛制造商，空氣阻力系數由車輛制造商通過風洞試驗、道路滑行試驗或CFD流體力學模擬獲得。

日本相關標準依據車輛類型、最大設計總質量和最大載質量將載貨車、城市客車、客車和牽引車分別劃分為11、5、7和2等幾類，在每類中規定統一的空氣阻力系數和滾動阻力系數。

我國于2011年底制定完成并發布了標準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和滾動阻力系數。目前我國輪胎制造商尚無法提供滾動阻力數據，還缺少專門用于測定汽車空氣阻力系數的風洞，因此只能通過滑行試驗獲得。

2 車輛滑行動力學分析

車輛等速行駛時所受阻力滿足如下方程:

式中，Ft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[1～3]，車輛在平直路面行駛時 Fi為零，Fj與車速無關，因此對車輛道路行駛阻力可建立如下力學方程:

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

車輛在道路滑行時變速器置于空擋，發動機怠速運轉，傳動系斷開，無驅動力矩輸出，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特性及阻力設定

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

式中，F′t為發動機輸出驅動力；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（測功機內阻）；F′r為車輛驅動輪與滾輪之間的滾動阻力；F′j為車輛旋轉部件的慣性力折算到驅動輪上的慣性阻力；F′J為測功機設定慣量等級后的滾輪、慣性輪及軸系產生的慣性阻力[4]；IR為轉鼓旋轉部件及加載的慣性載荷的轉動慣量；F′n為傳動系阻力。

在車輛初始工況 （車輛預熱狀況及傳動技術工況）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生，而測功機上行駛時滾動阻力僅由與滾輪接觸的驅動車輪產生，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，Fw=Fi=0，F′r＜Fr。

車輛在道路上的行駛阻力在底盤測功機上再現時由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，導致轉鼓阻力設定值偏低；車輛驅動輪上的動態載荷越大，轉鼓的阻力設定值越低；轉鼓設定的慣量等級越大則轉鼓的設定阻力值越大[5]。

4 營運客車滑行試驗

4.1 依據GB/T 27840—2011進行滑行試驗

GB/T 27840—2011附錄C明確規定采用滑行能量變化法進行道路行駛阻力測定，據此對重型底盤測功機進行阻力設定并運行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定的方法，但也存在如下區別。

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

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

c.GB/T27840—2011規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的手動變速器車輛進行替代試驗；GB 18352.3—2005對此未做規定。

d.GB/T27840—2011要求根據車輛道路滑行阻力進行重型底盤測功機阻力設定，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種工況運行循環特征對比如圖1和圖2所示，均覆蓋市區、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校正時，GB/T27840—2011規定全部測定車速范圍內的總運行阻力（滾動阻力+空氣阻力）可根據經驗公式獲取，并結合試驗環境溫度、氣壓對全部測定車速范圍內的行駛阻力及阻力功率進行基準狀態校正；而 GB18352.3—2005 僅規定 20、40、60、80、100、120 km/h等6個車速點的經驗校正系數。

4.2 試驗車輛及試驗環境

選取一輛長12m的豪華旅游客車作為試驗樣車，根據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），樣車技術參數如表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，路面鋪裝質量滿足GB/T12534—1990要求。試驗車輛處于滿載狀態，發動機自帶不可調式最高車速限制系統，滑行測定車速范圍為90～15km/h,試驗環境溫度為36℃，大氣壓力為100.5kPa，風速為0.6m/s，環境濕度為37%。

表1 試驗樣車技術參數

4.3 滑行數據采集方案

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定滑行測試車速，無法單次完成覆蓋測定車速范圍內的滑行試驗，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，滑行分段點處應有大于5 km/h的數據重疊。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。為滿足統計精確度要求，試驗次數應盡可能增加至8次。對于因側向風、側向力、路面狀況或其它交通狀況等臨時干預造成的滑行數據偏離應予以剔除。

4.4 統計精確度要求

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

在30～70 km/h范圍內統計的精確度p不應大于4%，在其它速度范圍內不應大于5%，若統計精確度在有限次數內不能滿足要求可增加試驗次數n至15次。

該滑行試驗道路狀況及試驗環境狀況較理想，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）滿足統計精確度要求，如圖4所示。圖4中直線為GB/T 27840—2011規定的測定車速范圍內的統計精確度限值。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；增加試驗次數至8次時，已完全滿足標準的統計精確度要求。

4.5 行駛阻力、阻力功率及阻力系數計算

依據式（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:

根據經驗公式，利用環境溫度、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K，并將F和D校正至基準狀態:

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，取0.006/℃；t為道路試驗時環境溫度；t0為基準狀態環境溫度，取20℃；d為試驗條件下空氣密度。

對累計的8次原始滑行數據進行整理統計分析，并根據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，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%。利用最小二乘法優化擬合得到的行駛阻力是車速的一元二次函數，而行駛阻力功率則是車速的截距為零的一元三次函數，即從試驗角度驗證了車輛滑行動力學理論分析（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系，常數項和一次項系數相互重疊，同時隨車速的提升，滾動阻力與車速的二次函數關系也越明顯，所以據此無法計算獲得滾動阻力系數、傳動系阻力系數及空氣阻力系數。

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

式中，f0為滾動阻力系數常數項；f1為滾動阻力系數與車速的一次項系數；CD為車輛空氣阻力系數；A迎為車輛的迎風面積；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常數項f0=0.004566，車速的一次項系數f1=0.0000255，即滾動阻力系數f為:

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

由車輛空氣動力學理論可知:

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為工信部發布實施的 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

兩部委發布的燃料消耗量相關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，據此對底盤測功機進行阻力參數設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碳平衡法及車輛特征里程的加權系數修正獲得車輛基準狀態下的綜合燃料消耗量。

5.1.2 模擬計算法

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

5.1.3 等速行駛燃料消耗量試驗

依據 JT711—2008和 JT 719—2008，在試驗環境、車輛狀況、路面狀況滿足道路試驗要求的前提下，車輛按規定要求配載并安裝燃料消耗量測試設備，使用次高擋和最高擋，按規定車速勻速行駛，獲取不同速度點的燃料消耗量，根據環境溫度、氣壓、燃油密度及不同速度點的加權系數，修正至基準狀態下的綜合燃料消耗量。該試驗方法依據整車道路試驗，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濟性指標，但受試驗環境、路面狀況等因素制約，其統計精確度、重復性、一致性較差。

5.2 不同測試方法的結果比較

針對試驗樣車分別進行上述3種方法的燃料消耗量測試，試驗結果經重復性檢驗后滿足第95百分位分布的標準差R與重復性次數n的關系，試驗結果對比見表3，等速行駛法燃料消耗量與車速的關系如圖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的標準限值要求，而且均有充足的富裕率?；诨阅芰孔兓ǐ@得行駛阻力系數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運行工況時對應的發動機轉速和扭矩及根據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》中規定的24.4 L/100 km的限值要求。JT711—2008中規定的測定車速及加權系數貼合營運客車的實際運行狀況，營運車輛載質量大、慣性大，在中、低車速范圍內頻繁變換車速工況行駛時燃油經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生很強的抑制性，從而致使燃油經濟性極為理想，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定，極大提高后續轉鼓模擬試驗的精確度及高效性。

表3 3種測試方法試驗結果對比

交通部、工信部發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品種類、使用條件和技術狀態遠比輕型汽車復雜，國際范圍普遍認為建立科學合理、客觀統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 結束語

目前，各商用車企業圍繞GB/T27840—2011的發布實施開展重型商用車輛的道路滑行試驗，各檢測機構應協調配合、統籌合作，立足于整車道路試驗檢測能力，根據整車類型、外廓尺寸、輪胎規格型號及負荷指數、整備質量、載重負荷、地面溫度、路面鋪裝質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，最終形成涵蓋上述所有可控變量的滑行阻力設定公式和匹配系數的經驗數據庫；對于特定車型僅提供上述變量參數即可獲得其特定狀態下的行駛阻力經驗公式并據

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.底盤測功機阻力設定對汽車尾氣排放的影響.汽車工程，2006（9）.