一種汽車行走阻力修正方法的研究

一種汽車行走阻力修正方法的研究

隨著污染加劇和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，所有國(guó)家都制定了更嚴(yán)格的車輛排放法律法規(guī)。同時(shí)汽車排放相關(guān)的研究也更加細(xì)化和深入,海拔環(huán)境下汽車性能的變化規(guī)律也逐漸成為了一個(gè)研究熱點(diǎn),各國(guó)建立的海拔環(huán)境模擬試驗(yàn)室也逐漸增多。在海拔環(huán)境試驗(yàn)室中對(duì)車輛進(jìn)行整車性能測(cè)試前,需要先知道車輛在相應(yīng)環(huán)境條件下道路滑行參數(shù),但是,目前通常情況下對(duì)車輛只進(jìn)行0米海拔和20℃條件下的滑行試驗(yàn),得到該條件下的車輛的滑行阻力。對(duì)于20℃的常溫試驗(yàn)室測(cè)試,該阻力可直接使用;對(duì)于溫度偏離20℃較大時(shí)的測(cè)試,通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將上述阻力乘以一個(gè)系數(shù),作為相應(yīng)試驗(yàn)條件下的車輛滑行阻力數(shù)據(jù),這種方法簡(jiǎn)單易用,但是誤差較大;而對(duì)于海拔高度不是0米的高海拔試驗(yàn),一種得到車輛滑行阻力的方法是到相應(yīng)海拔和溫度的地方進(jìn)行車輛滑行試驗(yàn),但是這種方法成本較高,且合適的滑行試驗(yàn)場(chǎng)地難以找到,另一種方法還是系數(shù)法,同樣誤差較大。為了解決上述不同試驗(yàn)條件下車輛滑行阻力數(shù)據(jù)的獲取問(wèn)題,本文對(duì)汽車排放法規(guī)GB18352.3-2005中提到的阻力修正方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷?使其可用于將車輛0米海拔和20℃條件下的滑行阻力修正到不同的海拔高度和溫度條件下。選擇了三輛不同類型的試驗(yàn)車進(jìn)行了四個(gè)海拔高度和四個(gè)溫度條件下的道路滑行試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比車輛實(shí)測(cè)阻力和修正阻力來(lái)驗(yàn)證該修正方法的準(zhǔn)確度和適應(yīng)性。1交通壓力或空氣溫度、風(fēng)速、道路狀況在平直的道路上,汽車的滑行阻力主要由滾動(dòng)阻力和空氣阻力組成,每種阻力都可用相應(yīng)的理論公式來(lái)表示,這些阻力與空氣密度(空氣密度隨海拔高度改變有較大變化)、空氣溫度、風(fēng)速、道路狀況和輪胎壓力有關(guān)。在滿足車輛滑行試驗(yàn)條件的情況下,可認(rèn)為滑行阻力只與空氣密度和空氣溫度有關(guān),因此,在文獻(xiàn)的汽車排放法規(guī)中,為了對(duì)因大氣溫度和空氣密度變化而引起的汽車滑行阻力變化進(jìn)行計(jì)算修正,便根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將汽車滑行阻力分成受溫度影響的滾動(dòng)阻力和受空氣密度影響的空氣阻力兩部分,并使用溫度和空氣密度對(duì)兩部分阻力分別進(jìn)行修正,從而得出所需試驗(yàn)條件下的實(shí)際滑行阻力,具體的汽車道路滑行阻力修正方法如下:1.1計(jì)算0m和20下汽車的滑動(dòng)阻力式中:F為汽車滑行阻力;M為汽車基準(zhǔn)質(zhì)量;V為車速;ΔV為與車速V的速度偏差;t為時(shí)間。1.2確定潤(rùn)滑新的滑動(dòng)阻力根據(jù)汽車?yán)碚撝袑?duì)汽車滾動(dòng)阻力的分析,汽車滾動(dòng)阻力與汽車質(zhì)量和車速等因素有關(guān),又從以往對(duì)汽車滾動(dòng)阻力的相關(guān)試驗(yàn)研究可以看出,滑行試驗(yàn)中滾動(dòng)阻力與滑行阻力的比值可以用汽車質(zhì)量和車速的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)來(lái)表示如下:式中:Fmll為汽車滾動(dòng)阻力;c1(V為與汽車質(zhì)量相關(guān)的滾動(dòng)阻力系數(shù);c2(V)為與汽車質(zhì)量無(wú)關(guān)的滾動(dòng)阻力系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),上式中兩個(gè)滾動(dòng)阻力系數(shù)可用車速的公式表示如下:當(dāng)需要溫度T條件下汽車滾動(dòng)阻力時(shí),可通過(guò)下式的系數(shù)對(duì)滾動(dòng)阻力進(jìn)行修正:式中:Kroll為滾動(dòng)阻力修正系數(shù);Froll為滾動(dòng)阻力;k為滾動(dòng)阻力溫度修正系數(shù);T為實(shí)際所需的試驗(yàn)溫度;T0為基準(zhǔn)試驗(yàn)溫度20℃。1.3空氣密度變化時(shí)模型從上述的分析中已經(jīng)得出了滾動(dòng)阻力在滑行阻力中所占的比重,那么,空氣阻力與滑行阻力的比值可表示如下:當(dāng)汽車試驗(yàn)時(shí)海拔高度的變化會(huì)引起空氣密度的變化,而從汽車?yán)碚摽芍?汽車的空氣阻力可表示如下:式中:ρ為空氣密度;CD為空氣阻力系數(shù);A為汽車迎風(fēng)面積。從上式可得出空氣密度變化時(shí)汽車滑行試驗(yàn)中空氣阻力的修正系數(shù),如下式所示:式中:Knir為空氣阻力修正系數(shù);ρ0為米海拔空氣密度。經(jīng)過(guò)上述溫度和空氣密度對(duì)汽車滑行阻力的修正,便最終得出汽車滑行阻力的修正公式:式中:Fm為修正到所需條件下的汽車滑行阻力。2試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)施2.1試驗(yàn)條件驗(yàn)證為了能夠驗(yàn)證上述滑行阻力修正方法的正確性,選擇了三種不同類型的車輛(轎車、SUV和皮卡)作為試驗(yàn)車,并在不同的海拔高度(842、1520、2676和3554米)和從-15℃到25℃范圍內(nèi)的四個(gè)不同溫度下對(duì)試驗(yàn)車進(jìn)行道路滑行試驗(yàn)。并在0米和20℃條件下進(jìn)行了滑行試驗(yàn),使用文中修正方法將該條件下的滑行阻力修正到其他海拔和溫度條件下,并與實(shí)際滑行阻力對(duì)比,驗(yàn)證修正方法的準(zhǔn)確度。按照GB18352.3-2005的要求,滑行試驗(yàn)應(yīng)滿足如表1所示的試驗(yàn)條件。在滿足上述條件之后,便可進(jìn)行滑行試驗(yàn),測(cè)量車速V對(duì)應(yīng)的滑行阻力的步驟如下:將車輛加速到V+10km/h以上;掛空擋,使車輛自由滑行,并用儀器記錄車速?gòu)腣+ΔVkm/h減至V-ΔCkm/h(ΔV=5km/h)時(shí)對(duì)應(yīng)的滑行時(shí)間t1,相應(yīng)的滑行阻力f1=2×M×ΔV/3.6/t1;在相反方向進(jìn)行相同試驗(yàn),測(cè)得t2,相應(yīng)的滑行阻力f2=2×M×ΔV/3.6/t2,可得到f1和f2的平均值Fi;重復(fù)上述過(guò)程n次(n≥6,使得試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度在2%以內(nèi)),得出車速V對(duì)應(yīng)的平均阻力F=(F1+F2+…+Fn)/n;每次試驗(yàn)時(shí)將車輛從130km/h滑行道10km/h,便可計(jì)算出從120km/h到20km/h每隔10km/h對(duì)應(yīng)車速的實(shí)際滑行阻力;利用公式(1)至公式(10)便可計(jì)算出不同海拔和溫度下車輛的理論修正滑行阻力;通過(guò)對(duì)比實(shí)際滑行阻力和理論修正滑行阻力,判斷滑行阻力修正方法的正確性。2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集對(duì)試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)、車輛狀態(tài)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確測(cè)量是保證試驗(yàn)結(jié)果正確的前提條件,本文采用如表2所示的多種高精度試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。在選擇試驗(yàn)場(chǎng)地時(shí),首先使用相關(guān)儀器確保試驗(yàn)條件滿足法規(guī)要求。之后,使所有儀器都處于正常工作狀態(tài),并對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)熱,實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎壓力、機(jī)油溫度和冷卻液溫度等信息,確保每次試驗(yàn)前這些參數(shù)基本相同,然后對(duì)車輛進(jìn)行正反向6組滑行試驗(yàn),從而降低試驗(yàn)誤差。3試驗(yàn)結(jié)果3.1汽車試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)狀態(tài)的一致性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大影響,轎車每次試驗(yàn)前要滿足如下的車輛狀態(tài):機(jī)油溫度和冷卻液溫度達(dá)到90±5℃;輪胎冷態(tài)時(shí)胎壓為2.5bar。轎車在各種條件下實(shí)測(cè)滑行阻力和修正滑行阻力的結(jié)果見(jiàn)圖1到圖4,為了使圖形更清晰,圖中僅顯示了兩個(gè)溫度下的滑行數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,轎車在不同條件下的實(shí)測(cè)滑行阻力和修正滑行阻力具有很好地吻合度,兩者誤差基本保持在±5%以內(nèi),只有在個(gè)別低速試驗(yàn)點(diǎn),出現(xiàn)較大誤差,但也在8%以內(nèi),這主要是由于車速較低時(shí),車輛滑行阻力較小,試驗(yàn)環(huán)境條件(特別是風(fēng)速)的輕微波動(dòng)就會(huì)造成較大的誤差。3.2車輛試驗(yàn)方案SUV每次試驗(yàn)前要滿足如下的車輛狀態(tài):機(jī)油溫度和冷卻液溫度達(dá)到90±5℃;輪胎冷態(tài)時(shí)胎壓為2.2bar。同樣選擇了四個(gè)海拔高度和四個(gè)溫度條件對(duì)車輛進(jìn)行滑行試驗(yàn),滑行阻力修正值、實(shí)測(cè)值和誤差如圖5到圖8所示。SUV的滑行試驗(yàn)結(jié)果同轎車的結(jié)果相似,從圖中可以看出,文中所給出的滑行阻力修正方法能夠?qū)④囕v滑行阻力精確地修正到各種海拔和溫度條件下,誤差基本在±5%以內(nèi),不同車速時(shí)的最大誤差在10%以下。3.3輪胎冷態(tài)時(shí)胎壓為了保證滑行試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,皮卡車每次試驗(yàn)前要滿足如下的車輛狀態(tài):機(jī)油溫度和冷卻液溫度達(dá)到90±5℃;輪胎冷態(tài)時(shí)胎壓為2.4bar。同樣,對(duì)于皮卡車滑行阻力修正方法也能夠達(dá)到很好的修正效果,修正結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差大多在±6%以下,個(gè)別情況下修正誤差較大,但也在10%以內(nèi),這種情況主要出現(xiàn)在較高海拔和車速較低時(shí),試驗(yàn)時(shí)自然條件容易出現(xiàn)變化(風(fēng)速),從而造成試驗(yàn)誤差較大。4修正方法的結(jié)論本文選擇了轎車、SUV和皮卡三種不同類型的車輛來(lái)進(jìn)行海拔滑行阻力研究。通過(guò)對(duì)比三輛試驗(yàn)車在不同海拔和溫度條件下的修正滑行阻力和實(shí)測(cè)滑行阻力,得出了如下結(jié)論:(1)對(duì)于不同類型的車輛,滑行阻力修正方法都能夠精確地實(shí)現(xiàn)滑行阻力