整車滑行阻力測試及優化

唐瑤 韋祖武 黎炎華

摘要： 為了量化整車阻力對汽車燃料消耗量的影響，首先采用理論計算結合測試對比的方法分析主動近氣格柵對風阻的影響，并通過底盤測功機設置不同滑行阻力測試燃料消耗量;通過對比ISO 28580和SAE J2452兩種測試滾動阻力的方法，分別給出了不同型號的輪胎滾動阻力系數，結果顯示SAE J2452測試方法可以更好的評價滾阻系數對燃料消耗量的影響。研究結果表明，通過改善風阻和滾阻可以顯著降低整車燃料消耗量，并且明確了風阻系數和滾阻系數與燃料消耗量之間的線性關系。

Abstract： In order to quantify the vehicle resistance influence on vehicle fuel consumption， the first method to test the contrast analysis is obtained by using the theory of active near the gas grill on the influence of wind resistance， and through setting different sliding resistance of chassis dynamometer test fuel consumption. By comparing ISO 28580 and SAE J2452 test methods of rolling resistance， the rolling resistance coefficient of different types of tires was given respectively. The results show that SAE J2452 test method can better evaluate the impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption. The results show that the fuel consumption of the vehicle can be significantly reduced by improving the wind resistance and roll resistance， and the linear relationship between the wind resistance coefficient and roll resistance coefficient and fuel consumption is clarified.

關鍵詞： 空氣阻力;滾動阻力;燃油經濟性

Key words： air resistance;rolling resistance;fuel economy

中圖分類號：U472.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0061-04

0 ?引言

根據相關研究資料，二零一九全年度，中國從國外進口原油總量約5億噸，較上一年同比增長約百分之九點五，并且該比例每年正在逐級遞增，這也從一定程度說說明我國不但是石油消費大國，也是石油進口大國，我國對外每年的石油的進口依賴程度超過70%;二零一八年度，國務院發布了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》白皮水，計劃旨在北上廣深等類似的許多大型城市，要把空氣污染的罪魁禍首即機動車尾氣作為重點控制對象。同時在目前碳達峰、碳中和的大背景下，更要把機動車尾氣的減排及處理作為重大行動計劃，這也是打贏這場藍天保衛戰的重要保證。另據公安部統計，截至2020年6月，全國機動車保有量達3.6億輛，汽車不僅消耗了大量的石油資源，也是重要的移動污染源，在目前碳達峰、碳中和的能源戰略大背景下，機動車如何做到減少能源消耗和降低尾氣排放，人們日益關切。因此通過降低汽車汽車行駛阻力來減少汽車用燃料消耗，從而減少汽車尾氣排放在當代能源戰略大背景下顯得至關重要。

據國外相關專家Barrand，J等人[1]的實驗室測試結果，機動車的燃油消耗總量大約有25%是用來克服其行駛阻力的。而我國國內如樂智等人[2]一些行業專家發明零一種基于汽車行駛過程中燃料消耗能量流動方向性的實驗室測量方法，該方法從一定程度上可以試驗得出汽車各個系統的能量消耗占比，經采用此理論對汽車主要能量消耗占比測試，表明汽車有22.1%～22.7%的能量消耗在整車空氣阻力，汽車輪胎的滾動阻力、以及汽車行駛過程中的制動阻力損失等。

機動車行駛阻力主要由四部分構成：空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力、加速阻力。汽車在道路上行駛時，就需要克服來自地面施加在輪胎上的滾動阻力，以及行駛過程中氣流變換引起的空氣阻力。另外當汽車在具有一定坡度的道路上行駛時，還要受到坡度阻力，當汽車加速行駛時還需要克服加速阻力。以上阻力中，滾動阻力和空氣阻力均是汽車行駛過程中客觀存在的，而加速阻力和坡度阻力僅特定的工況下才存在。本文根據造成汽車阻力產生原因和減小阻力的方法，結合汽車行駛過程中各種阻力對燃油消耗占比不同，分別對影響空氣阻力的主動進氣格柵和普通格柵、以及影響滾動阻力的低滾阻輪胎和普通輪胎在不同車輛狀態下進行道路滑行試驗，并根據道路試驗得到的參數來配置實驗室底盤測功機阻力，進行燃料消耗量對比測試，最終得出空氣阻力、滾動阻力對整車油耗影響的一般規律。

1 ?進氣格柵狀態對整車阻力的影響

汽車在行駛過程中，壓力阻力約占總行駛阻力的91%，壓力阻力由形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力、誘導阻力共同組成。其中，氣流流經發動機艙內阻所造成的內循環阻力占整個行駛阻力的約9%[5]。通過減少進入到發動機艙的冷卻風量，能夠明顯降低由冷卻系導腔不規則、各類拐角、障礙使流動方向發生突變所導致的摩擦和動量損失[3]。

其中：m為整備質量，a1、v1為t1時刻所對應的加速度與車速，a2、v2為t2時刻所對應的加速度與車速[4]。

五菱某手動擋MPV車型搭載主動進氣格柵實車情況如圖1所示。

車型在兩種格柵狀態下實際滑行阻力曲線測試結果如圖2所示。

通過以上圖表對比可以看出，帶有主動進氣格柵的機動車，在主動進氣格柵全關閉狀態下其滑行阻力比不帶主動進氣格柵的機動車小約28N;行車速度在20km/-90km/h之間的情況下，在主動進氣格柵全關閉狀態下其滑行阻力比不帶主動進氣格柵的機動車小約19N;行車速度在90km/-120km/h之間的情況下，在主動進氣格柵全關閉狀態下其滑行阻力比不帶主動進氣格柵的機動車小約48N。

根據公式PL=FL*v計算可得出，帶有主動進氣格柵的機動車在主動進氣格柵全關閉狀態下，相對于不帶主動進氣格柵的機動車，在同等行駛條件下經對他們的滑行阻力狀態進行優化后，可以得出優化后的風阻功率，見圖3。如圖3所示在行車速度大于80km/h狀態下，主動進氣格柵能明顯降低整車的平均滑行阻力，在車速為100km/h時，優化風阻功率約3430瓦。

另外通過整車CFD模態分析（見圖4）可知，在機動車的主動進氣格柵關閉狀態情況下，通過進氣格柵進入到汽車發動機艙內的氣流量將明顯減少，這樣一定程度上減小了氣流打在進氣格柵上產生過大的空氣阻力，同時能夠優化紊流氣阻，最終實現整車空氣阻力的降低，從而減少克服空氣阻力而產生的能量消耗。

由式（3）計算可得出不同格柵狀態下對應的空氣阻力系數，見表1。

主動進氣格柵能夠優化汽車在行駛過程中（特別是中高速情況下）的行駛阻力，試驗表明風阻系數降低4%，NEDC油耗降低約1.1%。

2 ?低滾阻輪胎對整車阻力的影響

所謂滾動摩擦阻力，即當汽車輪胎在轉動過程中，輪胎上的各個與地面接觸的點依次與硬路產生相對運動，從而產生摩擦力就叫做滾動摩擦阻力。實踐研究表明汽車的滾動摩擦阻力的一般小于輪胎滑動摩擦阻力。

滾動阻力不是摩擦力。滾動阻力盡管叫做力，但實際上是一種能量損失。輪胎滾動阻力產生的主要原因是輪胎橡膠具有粘性。如圖5所示。輪胎與地面的接觸處不是點和線，是一片不同的變形區域，由于輪胎和地面的接觸點并非完全對稱，且對應點受力方向并不完全一致，因此將分布的接觸力向接觸中心簡化時可以得到一個合力R（這個合力可分解為摩擦力F和正壓力L）和一個力偶，其力偶矩為Mf，如圖5（b）所示。這個矩為Mf的力偶稱為滾動摩阻力偶（簡稱滾阻力偶），它與主動力偶（Q，F）相平衡，方向與滾動的趨勢方向相反。當將作用于A點法向反力L和滾阻力偶矩Mf合成為作用于C點的力時，易得：

f稱為輪胎滾動摩擦阻力系數，通常簡稱滾阻系數，實為一微小距離，其單位為mm。f的大小與輪胎臺面結構、膠料配方、輪胎與地面的接觸面積等有關[5]。

目前常用的輪胎滾動阻力的測試標準，見表2，該標準的本身存在局限性，其僅能對固定模式下測量汽車的滾動阻力和滾阻系數。

美國機動車工程師協會制定了SAE J 2452-2017[7]標準測試不同車速、不同載荷、不同胎壓下的輪胎滾動阻力，但其規定轉股采用80粒度紋理表面，一般設計4種代表胎壓、載荷的工況點，最大程度地在滾動表面模擬了實際道路的行駛情況。為了方便在不同試驗條件下分析滾動阻力的能量消耗，SAE J 2452-2017給出的一種滾動阻力的多元非線性擬合表達式計算全工況下輪胎滾動阻力，如式（5）：

式中：Fr為滾動阻力，N;P為胎壓，kPa;L為載荷，N; V為車速，km/h。

以上述2號輪胎測試結果為例說明SAE J 2452-2017滾阻系數測試結果，見表3。

各編號輪胎測試結果按公式（5）擬合，結果見表4。

以上汽通用五菱某手動擋MPV車型為例，該車整備質量1260kg，充氣胎壓260kPa，最高車速160km/h，帶入表4的滾動阻力擬合式中，計算整車滾動阻力差異對比，見圖6。

1號低滾阻輪胎與2號非低滾阻輪胎滾動阻力相比，單條輪胎滾動阻力降低10～11N，整車滾動阻力降低43.0～46.3N，降幅24.3%～32.0%;3號低滾阻輪胎與2號非低滾阻輪胎滾動阻力相比，單條輪胎滾動阻力降低8～9N，整車滾動阻力降低34.8～38.3N，降幅19.0%～26.8%。

道路滑行阻力測試前對輪胎花紋深度進行精確控制，并測量、記錄輪胎花紋深度，花紋深度控制情況見圖7a，測量點選擇見圖7b。

同一樣車上分別安裝上述2號輪胎和3號輪胎，并擇機（氣溫波動小于2℃，相對濕度變化5%以內，風速波動<0.5m/s）在同一試驗道路分別開展滑行阻力測試，測試結果見圖8。

增加低滾阻輪胎后，相比原車輪胎，整車阻力降低30.2～37.2N，與前述按滾阻系數計算的輪胎滾動阻力下降幅度誤差約5～6%。分別按上述滑行阻力系數設置底盤測功機吸收功率，并測試NEDC工況油耗，得到不同輪胎滾阻系數對應的油耗測試值，見表5。可見1號輪胎相比2號輪胎滾動阻力降幅24.3%～32.0%，對應NEDC油耗降幅約2.7%。

3 ?結論

①根據空氣動力學基本公式可以推導出計算風阻系數的簡便方法，與CFD分析軟件計算結果基本吻合，本文提供了根據道路滑行數據估算整車風阻系數的簡便方法。②主動進氣格柵可以有效降低整車風阻系數，進而降低整車油耗，提高燃料經濟性，試驗表明，整車風阻系數降低4%，整車油耗約改善1.1%。③輪胎供應商通過優化輪胎膠料配方降低滾阻系數，可以有效降低整車阻力，進而降低整車油耗，試驗表明，輪胎滾動阻力降低24.3%～32.0%，對應NEDC油耗降幅約2.7%。④同時增加主動進氣格柵以及低滾阻輪胎，可降低整車阻力35.9N～88.7N，降幅達11%～29%，中低速段改善明顯，并實現整車油耗下降約0.26L/100km，降幅達3.8%。⑤試驗MPV車型每年的銷量約20萬輛，則按目前雙積分單價估算（2000元/分），約相當于每年創造雙積分等效價值約1.04億元。

參考文獻：

[1]Barrand， J， Jason Bokar. Reducing Tire Rolling Resistance to Save Fuel and Lower Emissions [A]. SAE 2008 world congress. PAPERS-Society of Automotive Engineers 2008 [C]. Society of Automotive Engineers，2008，0154.

[2]樂智，盛俏，陳龍，等.整車能量流分析在燃油經濟性開發中的應用[A].中國汽車工程學會.2015中國汽車工程學會年會論文集（Volume4）[C].中國汽車工程學會，2015：3.

[3]Hussein Jama， Simon Watkins， et al. Reduced Drag and Adequate Cooling for Passenger Vehicles Using Variable Area Front Air Intakes [C]. SAE 2006-01-0342， 2006.

[4]Bing Xu， Michael Leffert， et al. Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan [C].SAE 2013-01-0857，2013.

[5]高勇.微型汽車變速器傳動效率的影響因素分析及試驗研究[D].武漢理工大學，2013.

[6]ISO 28580—2009.Passenger car， truck and bus tyres-Methods of measuring rolling resistance - Single point test and correlation of measurement results[S].

[7]SAE J 2452—1999. Stepwise Coastdown Methodology for Measuring Tire Rolling Resistance [S].