風(fēng)洞法測量汽車道路行駛阻力

高 岳，李珍妮，楊一春，郝劍虹，劉學(xué)龍

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）將于2020年開始實施，國家對汽車節(jié)能減排的要求正在不斷提高。底盤測功機是一種能夠在室內(nèi)進行汽車綜合排放及油耗測試的檢測設(shè)備，試驗時需要將汽車道路行駛阻力曲線作為輸入。所以汽車道路行駛阻力測量結(jié)果的準(zhǔn)確性對排放或油耗檢測結(jié)果有著直接影響，準(zhǔn)確測量汽車道路行駛阻力是確保排放或油耗檢測準(zhǔn)確性的前提和關(guān)鍵。

GB18352.6—2016中引用了《Global Technical Regulation on Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures（WLTP）》中的一種新的汽車行駛阻力的測量方法——風(fēng)洞法[1-2]。如圖1所示，風(fēng)洞法是將風(fēng)洞與底盤測功機或平帶式測功機相結(jié)合，確定汽車道路行駛阻力的測量方法，其中行駛阻力中的空氣阻力可由風(fēng)洞天平測得，滾動阻力可由底盤測功機或平帶式測功機測得。本研究選用的是風(fēng)洞天平和底盤測功機的組合方式。

道路滑行法由于在室外進行，會受外界環(huán)境（天氣、溫度等因素）的約束和影響。相比于滑行法，風(fēng)洞法的測試完全在實驗室內(nèi)進行，不受外界環(huán)境的約束和影響，測試的可重復(fù)性好。

本文選取了兩款汽車為測試對象，依據(jù)GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）中規(guī)定的行駛阻力測量規(guī)范，對每輛車分別進行了風(fēng)洞法和道路滑行法的行駛阻力測量試驗，對這兩種方法及試驗結(jié)果進行了對比研究。研究結(jié)果將為后續(xù)國六標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行及油耗標(biāo)準(zhǔn)修訂提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 風(fēng)洞法測量原理

1 試驗車輛準(zhǔn)備

對試驗車進行了適當(dāng)磨合，使車輛里程數(shù)超過3 000 km，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。測量四輪定位并調(diào)節(jié)至出廠值要求范圍，胎壓調(diào)整至下限。試驗時所有車窗、手動操作可調(diào)節(jié)裝置都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

根據(jù)測量規(guī)范中對測試質(zhì)量的定義及車輛信息，算出測試質(zhì)量，并將車輛裝載至測試質(zhì)量。試驗前后，對試驗車輛、駕駛員和設(shè)備進行稱重，以確定平均測試質(zhì)量mav。

車輛裝載后測量并記錄前后輪的輪眉高度，在進行滑行法試驗和風(fēng)洞法試驗時，需要確保兩種方法的輪眉高度保持一致，即車身姿態(tài)保持一致，這一點非常關(guān)鍵。因為車身姿態(tài)的改變，會造成汽車

（1）將試驗車輛加速到比最高基準(zhǔn)速度高10 km/h的速度，將變速器置于空擋位置，測量車輛速度從(Vj+ΔV)滑行到(Vj? ΔV)的正向滑行時間tjai（i代表第i次滑行試驗）。相反方向進行同樣的試驗，測反向滑行時間tjbi。本次試驗ΔV的)取值為5 km/h，基準(zhǔn)速度為：130 km/h，120 km/h，…，30 km/h，20 km/h。

（2）重復(fù)上述往返試驗，直到速度Vj的滑行平均時間滿足下列方程定義的統(tǒng)計精度Pj。的正投影面積A、風(fēng)阻系數(shù)CD、離地間隙等的改變，進而直接影響汽車行駛阻力測量的結(jié)果。

試驗車輛在試驗前進行車輛預(yù)熱，試驗車輛應(yīng)以118 km/h的速度行駛至少20分鐘，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2 試驗方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 滑行法

式中：Pj為速度Vj下測量結(jié)果的統(tǒng)計精度；n為滑行P次數(shù)h；σj為標(biāo)準(zhǔn)偏差；h為系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)中查表jnΔttVhσ可得；j為速度j的算術(shù)平均滑行時P間 ，s。j、Δtj的具體計算公式可參照標(biāo)準(zhǔn)[1]中的jC C.4n. 3.1。t

（3）計算速度Vj時的行駛阻力Fj，得到F-V道路行駛阻力曲線，按照最小二乘法得到系數(shù)f0，f1，f2。

式中：mav為平均測試質(zhì)量；mr為所有轉(zhuǎn)動部件的等效質(zhì)量，可根據(jù)車輛的基準(zhǔn)質(zhì)量加上25 kg之和的3%進行估算。

（4）如圖2所示，將試驗狀態(tài)測得的道路行駛阻力曲線修正到基準(zhǔn)狀態(tài)。（試驗溫度：17.31℃，大氣壓：100.97 kPa）

2.2 風(fēng)洞法

2.2.1 空氣阻力FAj測量

（1）空氣阻力測量是在一座全尺寸汽車風(fēng)洞內(nèi)完成的，風(fēng)洞的流場指標(biāo) 滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

圖2 滑行阻力曲線基準(zhǔn)狀態(tài)修正前后對比

（2）按規(guī)范要求將試驗車輛固定在測力天平上，調(diào)整輪眉高度，確保該參數(shù)與滑行法測量時保持一致。

（3）本次試驗測量了每一基準(zhǔn)速度Vj下的CDj*Af值，分別基于每一基準(zhǔn)速度Vj下的CDj*Af值和基于基準(zhǔn)速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到了汽車的行駛阻力，并進行了比較。發(fā)現(xiàn)基于二者算得的行駛阻力差異極小，具體結(jié)果詳見本文的4.1部分。

2.2.2 滾動阻力FDj測量

（1）將車輛裝載至測試質(zhì)量，保證輪眉高度與滑行法的保持一致。按照規(guī)范要求將車輛固定在底盤測功機上，車輛垂直方向不應(yīng)增加額外的約束力。

（2）將底盤測功機的等效慣量設(shè)置成車輛的測試質(zhì)量，將確定的空氣阻力項系數(shù)CD輸入到底盤測功機。

（3）底盤測功機對滾動阻力的測量有兩種方法——等速法和減速法。本文也分別采用了這兩種方法進行了對比試驗。

等速法：穩(wěn)定車速下的測量，即當(dāng)車速穩(wěn)定在每一基準(zhǔn)速度時，底盤測功機對該基準(zhǔn)速度下的滾動阻力FjDyno進行直接測量，從前一基準(zhǔn)速度應(yīng)平滑過渡到下一基準(zhǔn)速度點，每一基準(zhǔn)速度穩(wěn)定時間為4～10 s。測試工況為130 km/h，120 km/h，…，20 km/h。

減速法：減速下的測量，即試驗車輛在底盤測功機上進行減速滑行。車輛預(yù)熱后，將車速提高到比最高基準(zhǔn)速度至少高10 km/h（即140 km/h），開始滑行。若連續(xù)兩次滑行試驗測得的力的偏差都在±10 N內(nèi)，則滑行試驗結(jié)束，本次試驗的兩輛車均分別進行了兩次滑行就已達到標(biāo)準(zhǔn)要求。按照下式計算每個基準(zhǔn)速度點Vj的滾動阻力FjDyno。

式中：FjDecel是以速度Vj在底盤測功機上滑行時的行駛阻力；CD為輸入底盤測功機的空氣阻力項系數(shù)。

（4）如圖3和圖4所示，將得到的滾動阻力數(shù)據(jù)進行滾筒曲面修正，并修正至基準(zhǔn)狀態(tài)。試驗溫度：20℃，大氣壓力：101.1 kPa。

滾筒曲面修正公式：

式中：RWheel為輪胎設(shè)計公稱直徑的一半，m；RDyno為底盤測功機滾筒半徑，m。

圖3 等速法所測滾動阻力FD

圖4 減速法所測滾動阻力FD

3 結(jié)果與分析

3.1 不同基準(zhǔn)速度下的CDj*Af值對行駛阻力的影響

為驗證不同基準(zhǔn)速度下的CDj*Af值對行駛阻力的影響，本次試驗對每一基準(zhǔn)速度Vj下的CDj*Af值進行了測量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同基準(zhǔn)速度下的CD*A值

圖6為基于每一基準(zhǔn)速度下的CD*A值計算得到的行駛阻力與基于基準(zhǔn)速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到的行駛阻力的相對誤差。A車的相對誤差在0.586%以內(nèi)（2.6 N以內(nèi)），B車的相對誤差在0.6%以內(nèi)（1.8 N以內(nèi)），誤差極小，其對測量結(jié)果的影響基本可以忽略。

圖6 基于每一基準(zhǔn)速度下的CD*A值計算得到的行駛阻力與基于基準(zhǔn)速度為130 km/h時的CD130*Af值計算得到的汽車行駛阻力的相對誤差

所以從試驗時間和成本的角度考慮，在汽車無隨車速改變而改變的空氣動力學(xué)套件的前提下，可選擇只對某一基準(zhǔn)速度下的CD*A值進行測量。基準(zhǔn)速度的選擇建議在高速段，如圖5所示，A車與B車的CD*A值在高速段（60～130 km/h）范圍內(nèi)，不同基準(zhǔn)速度下的CD*A值波動較小，而在低速段（20～60 km/h），由于風(fēng)洞流場的穩(wěn)定性下降，及汽車的空氣阻力數(shù)值過小，導(dǎo)致CD*A值波動相對較大。所以建議在高速段范圍內(nèi)選擇所要測量的基準(zhǔn)速度，基于本次試驗數(shù)據(jù)，建議在60～130 km/h范圍內(nèi)進行選擇。

3.2 分別基于風(fēng)洞法與滑行法所測得的行駛阻力對比

圖7和圖8是A車的風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力的對比情況。如圖7所示，風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力曲線趨勢一致，隨著速度的增大，風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力的差值有所增大，在高速段（90 ～130 km/h），等速法與滑行法的平均差值在13 N以內(nèi)，減速法與滑行法的平均差值在25 N以內(nèi)，相比于高速段，低速段（20～90 km/h）的差值明顯比較小，其中等速法與滑行法的平均差值在4 N以內(nèi)，減速法與滑行法的平均差值在7 N以內(nèi)。

如圖8所示，等速法與滑行法的相對誤差在2.8%以內(nèi)，減速法除在極個別低速點誤差在5%～6%以外，其余都可以控制在4%以內(nèi)。等速法與減速法相比，等速法所測的行駛阻力更接近滑行法。

圖8 A車風(fēng)洞法相對于滑行法的行駛阻力相對誤差

圖9和圖10是B車的風(fēng)洞法與滑行法所測結(jié)果的對比情況。如圖9所示，B車的風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力曲線趨勢一致，隨著速度的增大，風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力的差值有所增大，與A車的變化趨勢相似。

圖9 B車風(fēng)洞法與滑行法所測行駛阻力結(jié)果對比

如圖10所示，車輛B的等速法與風(fēng)洞法所測結(jié)果的相對誤差在2.8%以內(nèi)，平均相對誤差是1.96%。減速法與風(fēng)洞法所測結(jié)果的相對偏差在4%以內(nèi)，平均偏差是1.987%。總體上講，與減速法相比，等速法所測結(jié)果更接近滑行法所測結(jié)果。

圖10 B車風(fēng)洞法相對于滑行法的行駛阻力相對誤差

3.3 循環(huán)能量

循環(huán)能量E指在整個測試循環(huán)中車輛所需要的能量，與車輛的行駛阻力和行駛距離有關(guān)。

當(dāng)Fi＞0時，Ei=Fi×di；當(dāng)Fi≤ 0 時，Ei=0。式中：Ei為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的能量需求，Ws；Fi為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的牽引力，N；di為試驗車輛從i-1時刻到i時刻的行駛距離，m。

依據(jù)GB18352.6—2016中的規(guī)定，風(fēng)洞法與滑行法之間的循環(huán)能量差在±5%以內(nèi)，才能證明所使用設(shè)備或者設(shè)備組合的測量結(jié)果有效。循環(huán)能量差εk的計算公式為：

式中：εk為車輛在WLTC循環(huán)試驗中風(fēng)洞法與滑行法的循環(huán)能量差，%；Ek，WTM為車輛k基于風(fēng)洞法獲得的，基于WLTC循環(huán)的道路循環(huán)能量，J；Ek,coastdown為車輛k基于滑行法獲得的，基于WLTC循環(huán)的道路循環(huán)能量，J。

基于WLTC測試循環(huán)，分別對A車和B車的循環(huán)能量進行了計算。如圖11～13所示，A車和B車的循環(huán)能量差均在5%以內(nèi)，其中A車的等速法與滑行法的循環(huán)能量差是1.21%，A車減速法與滑行法的循環(huán)能量差是2.18%；B車的等速法與滑行法的循環(huán)能量差是0.57%，B車的減速法與滑行法的循環(huán)能量差是1.36%。證明了本次測試設(shè)備及這種設(shè)備組合所測出的結(jié)果的有效性。

圖11 A車分別基于風(fēng)洞法和滑行法計算得到的循環(huán)能量

圖12 A車分別基于風(fēng)洞法和滑行法計算得到的循環(huán)能量差

圖13 B車分別基于風(fēng)洞法和滑行法計算得到的循環(huán)能量

圖14 B車分別基于風(fēng)洞法和滑行法計算得到的循環(huán)能量差

4 結(jié)論與建議

（1）不同車速下的CD*A值差異很小，而這種差異對行駛阻力的影響也是極小的，在本次試驗中綜合兩輛車的結(jié)果，相對誤差在0.6%以內(nèi)。所以從節(jié)省試驗時間和成本的角度考慮，在汽車無隨車速變化而改變的空氣動力學(xué)套件的前提下，可選擇只測量某一基準(zhǔn)速度下的CD*A值。基于本次試驗，建議選擇的速度范圍是60～130 km/h。

（2）綜合A、B兩輛試驗車輛的測試結(jié)果，基于風(fēng)洞法所測得的行駛阻力曲線與基于滑行法所測得的行駛阻力曲線，二者趨勢一致，數(shù)值上十分接近，風(fēng)洞法相對于滑行法的測量誤差在4%以內(nèi)（平均15 N以內(nèi)），循環(huán)能量差在±5%以內(nèi)。證明了風(fēng)洞法的有效性。

（3）在本次試驗中，風(fēng)洞法中的等速法與減速法相比，等速法的測試結(jié)果更接近于滑行法。至于這一結(jié)論是否普遍適用于其它車輛，還需進行更多的試驗進行進一步驗證。

（4）等速法測滾動阻力，數(shù)據(jù)采集時一定要等車速、測力值進入穩(wěn)定狀態(tài)后再開始采集，否則會引起較大測量偏差，因為在穩(wěn)定前，底盤測功機所測的行駛阻力值會有非常大的波動。

（5）進行風(fēng)洞法與滑行法的對比試驗時，務(wù)必要確保車身姿態(tài)一致，因為車身姿態(tài)對汽車的行駛阻力有著直接而且顯著的影響。建議應(yīng)給定車輛載荷分配的統(tǒng)一要求。