基于道路和轉轂滑行的空氣阻力系數求解方法

陳磊，楊楊，葛勝迅

(安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

目前，隨著資源緊張和環境污染的壓力越來越大，尋求各種節能減排技術已成為各汽車廠商關注的重點。節能減排優化措施有許多種，其中一種是通過降低風阻系數來降低整車風阻，從而降低整車油耗。國內大部分汽車廠商都使用風洞試驗進行產品風阻系數測試，風洞試驗測試精度高，可達0.1%，但建造風洞的費用高，試驗成本高，不利于產品開發過程中的重復驗證工作。除了風洞法測試風阻外，各汽車企業致力于滑行法測試風阻的研究。作者在現有基礎上對風阻測試進行研究，綜合道路和轉轂的試驗數據，基于整車滑行過程的受力原理，提出一種新的空氣阻力系數求解方法，并以某款乘用車為例對空氣阻力系數進行求解，同時分析了與風洞試驗結果的吻合情況。

1 空氣阻力系數求解原理

1.1 道路滑行試驗簡述

汽車在水平道路上空擋滑行時所受的阻力除了空氣阻力、滾動阻力外，還存在傳動系、行駛系、轉向系和制動系傳遞至輪邊的車輛內阻[1]，為方便測量，將車輛內阻與滾動阻力統稱為底盤阻力。通過測出汽車在水平路面上滑行至每個速度區間的時間，即可求出滑行減速度a車，并計算出汽車滑行阻力，即汽車行駛時空氣阻力與來自地面的底盤阻力之和[2]。事實上，當取Δv=10 km/h時，可認為：

(1)

式中：F滑為道路滑行阻力；FW為空氣阻力；F底盤為底盤總阻力；m為車輛試驗質量；M車為車輛旋轉部件的轉動慣量。

1.2 轉轂試驗簡述

汽車在轉轂上運轉時，轉轂的功率吸收單元(Power Absorb Unit，PAU)會對車輪施加一個反向的阻力，通過調整PAU的制動力，使整車受到的阻力等同于在道路滑行時受到的阻力，以模擬整車在道路上行駛時的狀態[3]。

圖1 汽車在轉轂受力示意圖

(1)求解車輛的底盤總阻力F底

以“轂拖車”形式，利用轉轂分別向前輪和后輪邊緣施加作用力Fdyno1、Fdyno2，采集轉轂帶動汽車在不同車速條件下等速行駛時所需施加的作用力。此時汽車前輪或后輪所受的阻力僅為底盤阻力，與轉轂對車輪施加的力處于平衡。計算公式見式(2)

F底盤=F前輪+F后輪=Fdyno1+Fdyno2

(2)

(2)求解車輛旋轉部件的慣量M車

以“車拖轂”的形式，設置加載阻力Fdyno3、轉轂模擬慣量M轂，進行校核滑行，此時車輛所受阻力為轉轂加載阻力Fdyno2和車輛底盤總阻力F底盤。通過測量每間隔10 km/h的滑行時間，得出轉轂滑行平均減速度a轂。車輛的旋轉部件的慣量M車計算公式見式(3)

M車=(Fdyno3+F底盤)/a轂-M轂

(3)

1.3 空氣阻力系數簡述

汽車行駛時，空氣對汽車的作用力在行駛方向上的分力成為空氣阻力。根據空氣動力學原理，空氣阻力的數值與氣流相對速度的動壓力成正比，其計算式用公式(4)表示[1]

(4)

式中：CD為空氣阻力系數；A為迎風面積，即汽車在行駛方向上的投影面積；ρ為空氣密度；u為汽車與空氣的相對速度，無風時即為汽車的運動速度。

由式(1)、(2)、(3)、(4)可求解車輛的空氣阻力系數，見式(5)

(5)

1.4 迎風面積簡述

計算空氣阻力系數時，需要測量車輛的迎風面積。現階段較精確的測量方式是使用平行激光投影和坐標記錄組成的測量系統，測試精度高但需要有專門的測試設備且試驗費用高。文中介紹一種利用小孔成像原理的數碼相機成像法，雖然試驗精度沒有前一種方法高，但勝在測試設備簡單、操作方便。

圖2 數碼相機成像原理

根據數碼相機成像原理，所有物體在鏡頭內的成像面積與其實際面積比值相等，即車輛成像面積與車輛迎風面積的比值等同于標示框成像面積與標示框實際面積的比值，見圖3和式(6)

(6)

式中：A為車輛迎風面積；B為標示框實際面積；A1為成像車輛面積；B1為標示框成像面積。

圖3 數碼相機成像法測量車輛迎風面積示意圖

1.5 空氣密度簡述

計算空氣阻力系數時，需要計算空氣密度，空氣密度與溫度、壓力有關，通過公式(7)計算標準氣象下空氣密度是1.189 kg/m3。

(7)

式中：p為試驗環境壓力，kPa；T為試驗環境溫度，℃。

2 空氣阻力系數的計算及分析

2.1 試驗參數

以某前置前驅乘用車為例，已知不同車速下道路滑行時間、試驗質量、測量汽車旋轉部件的轉動慣量時轉轂加載的阻力和慣量等數據，見表1。

表1 整車部件參數

2.2 計算結果的求取

不同車速下的滑行阻力、底盤阻力、空氣阻力具體值如表2所示。

表2 不同車速下的各阻力

由于低速時空氣阻力對總滑行阻力的影響較小，計算空氣阻力系數時車速段取60～130 km/h，見表3，空氣阻力系數為0.347 9。

表3 不同車速的空氣阻力系數

2.3 空氣阻力系數精度分析

按上述方法求解某車型原狀態及2種降風阻狀態的空氣阻力系數，見表4。3種狀態的求解結果與風洞試驗結果相比，偏差率小于1%。

表4 3種狀態的空氣阻力系數

3 結束語

根據道路和轉轂滑行過程的受力原理，在已知車輛試驗參數的條件下，可間接求解空氣阻力系數，同時還可將道路滑行阻力分解為空氣阻力和底盤阻力用于分析。求解結果與風洞測試結果相比，偏差率在1%以內，認為該種方法是簡單有效的。

參考文獻:

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]全國汽車標準化技術委員會.汽車滑行試驗方法:GB/T 12536-1990[S].北京:中國標準出版社,1990.

[3]楊龍，羅文旭，王冠，等.道路滑行阻力測量及用滑行法進行轉鼓模擬[J].工程與試驗，2015,55(4):60-63.

YANG L,LUO W X,WANG G,et al.Road Coastdown Resistance and Dyno Simulation Using Coastdown Method[J].Engineering & Test,2015,55(4):60-63.