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五菱汽車 | 整車滑行阻力測試及優(yōu)化

2022-01-16 15:58:26·  來源：電動學(xué)堂  作者：唐瑤等  
　
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司0引言根據(jù)相關(guān)研究資料，二零一九全年度，中國從國外進(jìn)口原油總量約5億噸，較上一年同比增長約百分之九點(diǎn)五，并且該比例
文章來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司
0引言
根據(jù)相關(guān)研究資料，二零一九全年度，中國從國外進(jìn)口原油總量約5億噸，較上一年同比增長約百分之九點(diǎn)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(fèi)大國，也是石油進(jìn)口大國，我國對外每年的石油的進(jìn)口依賴程度超過70%；二零一八年度，國務(wù)院發(fā)布了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)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?zhǔn)准礄C(jī)動車尾氣作為重點(diǎn)控制對象。同時在目前碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，更要把機(jī)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(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要保證。另據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2020年6月，全國機(jī)動車保有量達(dá)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(dá)峰、碳中和的能源戰(zhàn)略大背景下，機(jī)動車如何做到減少能源消耗和降低尾氣排放，人們?nèi)找骊P(guān)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(dāng)代能源戰(zhàn)略大背景下顯得至關(guān)重要。
據(jù)國外相關(guān)專家Barrand，J等人的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，機(jī)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(nèi)如樂智等人一些行業(yè)專家發(fā)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(shí)驗(yàn)室測量方法，該方法從一定程度上可以試驗(yàn)得出汽車各個系統(tǒng)的能量消耗占比，經(jīng)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(jī)動車行駛阻力主要由四部分構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(jù)造成汽車阻力產(chǎn)生原因和減小阻力的方法，結(jié)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(jìn)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(tài)下進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)，并根據(jù)道路試驗(yàn)得到的參數(shù)來配置實(shí)驗(yàn)室底盤測功機(jī)阻力，進(jìn)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(guī)律。
1進(jìn)氣格柵狀態(tài)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(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力共同組成。其中，氣流流經(jīng)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)阻所造成的內(nèi)循環(huán)阻力占整個行駛阻力的約9%[5]。通過減少進(jìn)入到發(fā)動機(jī)艙的冷卻風(fēng)量，能夠明顯降低由冷卻系導(dǎo)腔不規(guī)則、各類拐角、障礙使流動方向發(fā)生突變所導(dǎo)致的摩擦和動量損失。
空氣阻力由式（1）計算。


其中：FL為空氣阻力，ρ為空氣密度，cd為空氣阻力系數(shù)，A為最大橫截面積，v為車速。


其中：m為整備質(zhì)量，a1、v1為t1時刻所對應(yīng)的加速度與車速，a2、v2為t2時刻所對應(yīng)的加速度與車速。
五菱某手動擋MPV車型搭載主動進(jìn)氣格柵實(shí)車情況如圖1所示。
車型在兩種格柵狀態(tài)下實(shí)際滑行阻力曲線測試結(jié)果如圖2所示。
通過以上圖表對比可以看出，帶有主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車，在主動進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車小約28N；行車速度在20km/-90km/h之間的情況下，在主動進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車小約19N；行車速度在90km/-120km/h之間的情況下，在主動進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下其滑行阻力比不帶主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車小約48N。
根據(jù)公式PL=FL*v計算可得出，帶有主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車在主動進(jìn)氣格柵全關(guān)閉狀態(tài)下，相對于不帶主動進(jìn)氣格柵的機(jī)動車，在同等行駛條件下經(jīng)對他們的滑行阻力狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化后，可以得出優(yōu)化后的風(fēng)阻功率，見圖3。如圖3所示在行車速度大于80km/h狀態(tài)下，主動進(jìn)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(yōu)化風(fēng)阻功率約3430瓦。
另外通過整車CFD模態(tài)分析（見圖4）可知，在機(jī)動車的主動進(jìn)氣格柵關(guān)閉狀態(tài)情況下，通過進(jìn)氣格柵進(jìn)入到汽車發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣流量將明顯減少，這樣一定程度上減小了氣流打在進(jìn)氣格柵上產(chǎn)生過大的空氣阻力，同時能夠優(yōu)化紊流氣阻，最終實(shí)現(xiàn)整車空氣阻力的降低，從而減少克服空氣阻力而產(chǎn)生的能量消耗。
由式（3）計算可得出不同格柵狀態(tài)下對應(yīng)的空氣阻力系數(shù)，見表1。
主動進(jìn)氣格柵能夠優(yōu)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(yàn)表明風(fēng)阻系數(shù)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(dāng)汽車輪胎在轉(zhuǎn)動過程中，輪胎上的各個與地面接觸的點(diǎn)依次與硬路產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生摩擦力就叫做滾動摩擦阻力。實(shí)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(shí)際上是一種能量損失。輪胎滾動阻力產(chǎn)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(diǎn)和線，是一片不同的變形區(qū)域，由于輪胎和地面的接觸點(diǎn)并非完全對稱，且對應(yīng)點(diǎn)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(xiàn)）相平衡，方向與滾動的趨勢方向相反。當(dāng)將作用于A點(diǎn)法向反力L和滾阻力偶矩Mf合成為作用于C點(diǎn)的力時，易得：
f稱為輪胎滾動摩擦阻力系數(shù)，通常簡稱滾阻系數(shù)，實(shí)為一微小距離，其單位為mm。f的大小與輪胎臺面結(jié)構(gòu)、膠料配方、輪胎與地面的接觸面積等有關(guān)。
目前常用的輪胎滾動阻力的測試標(biāo)準(zhǔn)，見表2，該標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。
美國機(jī)動車工程師協(xié)會制定了SAEJ2452-2017標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定轉(zhuǎn)股采用80粒度紋理表面，一般設(shè)計4種代表胎壓、載荷的工況點(diǎn)，最大程度地在滾動表面模擬了實(shí)際道路的行駛情況。為了方便在不同試驗(yàn)條件下分析滾動阻力的能量消耗，SAEJ2452-2017給出的一種滾動阻力的多元非線性擬合表達(dá)式計算全工況下輪胎滾動阻力，如式（5）：
（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(jié)果為例說明SAEJ2452-2017滾阻系數(shù)測試結(jié)果，見表3。
各編號輪胎測試結(jié)果按公式（5）擬合，結(jié)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(zhì)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(jìn)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(diǎn)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(jī)（氣溫波動小于2℃，相對濕度變化5%以內(nèi)，風(fēng)速波動＜0.5m/s）在同一試驗(yàn)道路分別開展滑行阻力測試，測試結(jié)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(shù)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(shù)設(shè)置底盤測功機(jī)吸收功率，并測試NEDC工況油耗，得到不同輪胎滾阻系數(shù)對應(yīng)的油耗測試值，見表5?？梢?號輪胎相比2號輪胎滾動阻力降幅24.3%~32.0%，對應(yīng)NEDC油耗降幅約2.7%。
3結(jié)論
①根據(jù)空氣動力學(xué)基本公式可以推導(dǎo)出計算風(fēng)阻系數(shù)的簡便方法，與CFD分析軟件計算結(jié)果基本吻合，本文提供了根據(jù)道路滑行數(shù)據(jù)估算整車風(fēng)阻系數(shù)的簡便方法。
②主動進(jìn)氣格柵可以有效降低整車風(fēng)阻系數(shù)，進(jìn)而降低整車油耗，提高燃料經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)表明，整車風(fēng)阻系數(shù)降低4%，整車油耗約改善1.1%。③輪胎供應(yīng)商通過優(yōu)化輪胎膠料配方降低滾阻系數(shù)，可以有效降低整車阻力，進(jìn)而降低整車油耗，試驗(yàn)表明，輪胎滾動阻力降低24.3%~32.0%，對應(yīng)NEDC油耗降幅約2.7%。④同時增加主動進(jìn)氣格柵以及低滾阻輪胎，可降低整車阻力35.9N~88.7N，降幅達(dá)11%~29%，中低速段改善明顯，并實(shí)現(xiàn)整車油耗下降約0.26L/100km，降幅達(dá)3.8%。⑤試驗(yàn)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(dāng)于每年創(chuàng)造雙積分等效價值約1.04億元。
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