旋轉部件轉動慣量對動力經濟性試驗影響分析

摘" 要：旋轉部件的轉動慣量是整車動力性經濟性的關鍵影響因素之一，本文量化研究旋轉部件轉動慣量對整車動力性經濟性的影響程度。為了測定整車級狀態(tài)下的車輛旋轉部件轉動慣量，推導了車輛動力系統(tǒng)的旋轉部件等效到輪邊的慣量，設計了在底盤測功機測試旋轉部件轉動慣量的試驗方法。通過試驗，證明了改良后底盤測功機測試車輛旋轉部件轉動慣量的測試方法的有效性，轉動慣量對能耗的影響約為0.1～0.2kWh/100km。轉動慣量對百公里加速時間影響0.2～0.7s。

關鍵詞：旋轉部件轉動慣量；整車動力性經濟性；底盤測功機

中圖分類號：U467.1+9" " " 文獻標志碼：J" " "文章編號：1005-2550（2023）01-0051-06

Analysis of the Influence of Rotating Component’s Moment of Inertia on Dynamic Economy Test

SHEN Xian-yu1， GONG Chun-zhong1，2， WANG Xiao-ning1， LEI Tian-feng1

（ Zhejiang Hozon New Energy Automobile Co.， Ltd.， Jiaxing 314500， China）

Abstract： The moment of inertia of rotating parts is one of the key factors affecting the power economy of the whole vehicle. This paper quantitatively studies the influence of the moment of inertia of rotating parts on the power economy of the whole vehicle. In order to measure the moment of inertia of the rotating parts of the vehicle at the vehicle level， the equivalent moment of inertia of the rotating parts of the vehicle power system to the wheel edge is derived， and the test method for measuring the moment of inertia of the rotating parts on the chassis dynamometer is designed. Through the test， the effectiveness of the improved chassis dynamometer test method for measuring the rotational inertia of vehicle rotating parts is proved. The impact of the rotational inertia on energy consumption is about 0.1～0.2 kWh/100km. The moment of inertia has an impact on the 100-kilometer acceleration time of 0.2～0.7s.

Key Words： Rotational Inertia of Rotating Parts; Vehicle Power Economy; Chassis Dynamometer

沈羨玉

畢業(yè)于杭州電子科技大學，本科學歷，現就職于合眾新能源汽車有限公司，任工程師，主要從事數據分析、項目管理等，已發(fā)表文章4篇，已申請專利2項。

隨著節(jié)能減排要求越來越高，發(fā)展電動汽車是重要的趨勢。我國汽車工業(yè)起步較晚，眾多測試方法、測試設備均沿用國外的標準。然而，近年來我國電動汽車發(fā)展迅速，產量規(guī)模遠領先于其他國家。相應的測試精度要求也越來越高，配套的測試方法、測試設備均有待自主改善。底盤測功機作為整車重要的測試設備，在測試驗證領域，國產測試設備在國內市場中占比極低，主要被奧地利李斯特、德國馬哈、美國寶克、日本東芝三菱等品牌占據[1]。底盤測功機主要依據標準《BS ISO 10521-2-2006，道路車輛-道路阻力加載-底盤測功機上的再現》作為技術條件，但包括滑行試驗的數據處理在內，均缺少對車輛機械傳動系統(tǒng)轉動慣量的深入探討[2]。在電動汽車節(jié)能優(yōu)化中，整車輕量化對能耗影響極大。車輛旋轉部件的轉動慣量優(yōu)化也是輕量化工作中較重要的任務之一[3]。本文將推導汽車旋轉部件的轉動慣量等效于車輛重量的公式，并將車輛旋轉部件的測量方法進行研究和實踐，最后將轉動慣量等效車輛重量應用于滑行試驗分析與底盤測功機模擬原理中，分析轉動慣量對能耗的影響。為汽車滑行試驗標準的制定、底盤測功機的改進、整車動力性經濟性仿真分析等提供有用的工具。

1" " 汽車轉動慣量部件及其等效

以純電動汽車為例，汽車的旋轉部件主要包括：電機轉子，各軸承，減速器輸入軸、中間軸、輸出軸和齒輪，差速器，傳動軸，制動盤，輪輞，輪胎等。在眾多參考文獻中，汽車旋轉部件轉動慣量使用車輛整備質量乘以一個系數δ，δ約為1.03～1.06之間[4，5]。為了更好的統(tǒng)計與分析轉動慣量對整車動力性經濟性的影響，需要單獨統(tǒng)計其等效的質量。該等效質量在加速、減速時有等效的慣性力，但是在上坡、下坡時沒有坡道分力。所以，旋轉部件的等效質量需要單獨統(tǒng)計以作區(qū)別。

1.1" "公式推導

將轉動慣量等效于輪邊的等效質量，計算公式推導如下：

以車輪的轉動慣量為例，若車輪的轉動慣量為I車輪，輪胎滾動半徑為r，測量以加速度a勻加速運動，由慣量定律得：

由旋轉部件運動規(guī)律得：

力與力矩換算關系為：

加速度與角加速度關系為：

聯立（1）、（2）、（3）、（4）式推導得：

部分旋轉部件需要經過傳動比i傳遞到輪邊，需要推導其等效到輪邊的等效質量。旋轉部件轉動慣量為I輸入，經過速比為i的傳動系統(tǒng)后，等效的轉動慣量為I輸出。

輸入/輸出端加載力矩與輸入端轉動慣量如下：

輸入/輸出端的力矩與角加速度，跟速比的對應關系如下：

聯立（6）、（7）、（8）、（9）式推導得：

某旋轉部件的轉動慣量為I，折算到輪邊轉速的速比為i，車輪滾動半徑為r，則該旋轉部件等效到輪邊的質量由（5）式與（10）式推導得：

1.2" "計算示例

與整車輕量化工作統(tǒng)計各系統(tǒng)質量類似，轉動慣量需要對各旋轉部件轉動慣量、數量、等效到輪邊的速比，以及車輪半徑進行統(tǒng)計。并依據式（11）計算等效質量，最后求和匯總。某車輛各旋轉部件及其等效到輪邊傳動比、車輪半徑等信息統(tǒng)計如表1所示。

該車整備質量為1700kg，可計算得轉動慣量換算系數δ=1.0583.用等效質量的統(tǒng)計表，更容易分辨各轉轉慣量的貢獻。

2" " 旋轉部件轉動慣量的測量方法

旋轉部件慣量可以在零部件狀態(tài)對各旋轉部件進行測量，通過等效公式計算得到整車等效旋轉部件慣量，也可以通過整車在底盤測功機上或舉升機上進行測量。輪胎、減速器等臺架可以單獨測量零部件的轉動慣量[6，7]。本文主要研究整車狀態(tài)下的車輛旋轉部件轉動慣量。

滾筒式底盤測功機的基準轉動慣量通過勻加速、勻減速試驗獲得。如表2所示，某底盤測功機通過勻加速、勻減速測得的底盤測功機基礎慣量。

表2中，所加載的正向力與負向力令底盤測功機達到勻加速、勻減速狀態(tài)。由于底盤測功機機械內阻的影響，所加載的電機力已經將寄生阻力加上。與底盤測功機的轉動慣量測試方法類似，車輛在底盤測功機上首先做寄生損失測試，然后再加載剔除內阻以外的正向力，多次測量取平均值，最后獲得車輛旋轉部件的機械阻力。試驗表明，該方法測得的車輛旋轉部件機械阻力的3σ置信區(qū)間為2.8kg。

除了底盤測功機測量車輛旋轉部件的轉動慣量以外，還可以用扭擺設備進行測量[8，9]。

3nbsp; " 汽車轉動慣量應用

測得車輛旋轉部件的轉動慣量以后，將應用于動力性試驗、滑行試驗、底盤測功機道路模擬類試驗中。

3.1" "動力性試驗計算

動力性試驗的測試項目繁多，包括加速時間、爬坡性能、最高車速性能等[10]。為了簡化試驗內容，可以僅做加速試驗。爬坡結果可以通過不同速度下的加速度等效。某車輛整備質量為m，旋轉部件轉動慣量等效質量為mr，車輛配重為mp，車速為v的時候加速度為a，則對應該車在速度v下的最大爬坡度為：

式（12）修正了轉動慣量等效質量在爬坡時不產生重力以及坡度方向的分力。

3.2" "道路阻力計算

滑行試驗中，車輛在車速為v時失去動力，車輛動能和轉動慣量動能受到道路阻力的影響逐漸轉換為克服道路阻力的能量。假設道路阻力與車速呈二次曲線，則滑行試驗過程滿足如式（13）所示的微分方程：

式（13）中，若忽略轉動慣量的影響，即mr=0，則求解得到的道路阻力系數結果將比實際偏小。

3.3" "底盤測功機模擬

在底盤測功機上測試時，對于四驅的車輛，底盤測功機僅需模擬整備質量，旋轉系統(tǒng)的等效質量在測試過程中真實存在，無需底盤測功機模擬。在底盤測功機滑行試驗時，應當輸入車輛的整備質量。但對于兩驅的底盤測功機，有旋轉部件在測試過程固定不動的情況，則需要將固定部件的轉動慣量等效質量單獨填寫到底盤測功機中進行模擬。在底盤測功機進行上下坡道路阻力模擬試驗時，由于轉動慣量等效質量不產生坡道方向的分力，因此底盤測功機的當量慣量與等效轉動慣量填寫應當進行區(qū)分。

對于兩驅底盤測功機，轉鼓模擬的慣量應當為m+mp+mr固定軸，若忽略轉動慣量的影響，即mr固定軸=0，則底盤測功機模擬的慣性力將比實際偏小。

4" " 試驗分析

電動汽車能耗與整備質量能耗的關系是正相關的[11]，根據統(tǒng)計經驗，對于1100kg的乘用車，整備質量對能耗的影響約為0.4kWh·100km-1·100kg-1，對于1700kg的乘用車，整備質量對能耗的影響約為0.3kWh·100km-1·100kg-1。整備質量越大，車輛對輕量化節(jié)能措施越不靈敏。

從理論模型上分析，輕量化技術對能耗影響明顯。乘用車轉動慣量等效質量約為100kg，不增加重力方向的分力，沒有滾動阻力。如果輪胎滾阻系數為6.8N/kN，某車輛增加100kg整備質量，則輪胎滾阻增加阻力為100kg×9.8N/kg×6.8N/kN=6.664N，百公里能耗增加6.664N×100000m÷3600000J/kWh=0.18kWh·100km-1，即轉動慣量等效質量比整車質量滾阻少損耗0.18kWh/100km。而之前根據文獻得知，100kg對整車能耗綜合影響為0.3kWh/100km～0.4kWh/100kg，兩者減去0.18kWh/100km得，轉動慣量對能耗的影響約為0.1～0.2kWh/100km。轉動慣量對加速性能影響明顯，提供與重力等效的慣性力，百公里加速時間影響0.2～0.7s，證明過程見文獻[12]。從試驗數據分析，轉動慣量如果處理不當，則可能影響試驗結果的偏差放大。下面從動力性試驗、滑行試驗、底盤測功機道路模擬試驗實際測試案例中分析轉動慣量的影響。

4.1" "動力性試驗

動力性試驗中，若要通過加速性能試驗推導爬坡性能，則需要剔除轉動慣量坡度分力的影響[13]。車輛做全油門加速試驗得到加速度a，帶入式（12）計算得到不同轉動慣量對應的最大爬坡度推導結果，如圖1所示：

由圖1可知，忽略轉動慣量時，折算最大爬坡度會比實際值小2.1%。當轉動慣量估計比實際少10kg時，最大爬坡度影響0.2%。

4.2" "滑行試驗

在滑行試驗中，轉動慣量等效質量應累加到整車質量中，否則得到的阻力系數測試結果將比實際的偏小。采用相同的道路滑行原始數據，將不同的轉動慣量等效質量帶入解算道路阻力系數，得到如圖2所示結果：

從圖2可知，當忽略旋轉部件轉動慣量時，解算得道路阻力NEDC循環(huán)能量消耗量是9.89 kWh/100km，當旋轉部件轉動慣量修正為正常值時，解算得道路阻力NEDC循環(huán)能量消耗量是10.47kWh/100km，當旋轉部件轉動慣量估算值比實際小10kg時，解算得道路阻力NEDC循環(huán)能量消耗量是10.41kWh/100km。

4.3" "底盤測功機模擬

采用NEDC工況循環(huán)百公里能量消耗量的模擬值，分析不同旋轉部件轉動慣量等效質量對車輛能量消耗量的影響。某車在執(zhí)行35個NEDC工況后，根據不同的慣量模擬，獲得如圖3所示各循環(huán)能量消耗量。

實驗共執(zhí)行了35個NEDC工況循環(huán)，由于各循環(huán)司機駕駛有誤差，導致各循環(huán)略有波動。分析各類情況均值：忽略固定軸轉動慣量時，驅動能量消耗量是13.83kWh/100km，回收能量是3.65kWh/100km；固定軸轉動慣量修正為50kg時，驅動能量消耗量是13.97kWh/100km，回收能量是3.79kWh/100km；固定軸轉動慣量偏差10kg時，驅動能量消耗量是13.94kWh/100km，回收能量是3.77kWh/100km。

5" " 結論

電動汽車降能耗工作越來越精細化，對電動汽車旋轉部件轉動慣量的等效質量進行統(tǒng)計分析與測試驗證，有助于提高試驗結果的精度，更容易進一步分析問題，找到降能耗性價比最高的措施。電動乗用車的旋轉部件轉動慣量等效質量約為50kg～150kg，對動力性推導爬坡性能影響約為2.1%的爬坡度，對滑行試驗阻力結果百公里能量消耗量影響約為0.58kWh/100km，對底盤測功機道路模擬百公里能量消耗量影響約為0.14kWh/100km。正確地運用轉動慣量在滑行試驗、動力性試驗、底盤測功機道路模擬試驗，可以得到精度更高、更合理的試驗結果。

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專家推薦語

閆濤衛(wèi)

東風汽車集團有限公司技術中心

架構開發(fā)中心" 高級工程師

本文較詳細的分析了旋轉部件轉動慣量對動力經濟性的貢獻度，也分析了底盤測功機進行動力經濟性相關試驗時轉動慣量不同處理方法對試驗精度的影響。為本領域工程師優(yōu)化車輛旋轉部件轉動慣量以及底盤測功機試驗提供了有益參考。