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)境保護意識的提高，所有國家都制定了更嚴格的車輛排放法律法規(guī)。同時汽車排放相關的研究也更加細化和深入,海拔環(huán)境下汽車性能的變化規(guī)律也逐漸成為了一個研究熱點,各國建立的海拔環(huán)境模擬試驗室也逐漸增多。在海拔環(huán)境試驗室中對車輛進行整車性能測試前,需要先知道車輛在相應環(huán)境條件下道路滑行參數(shù),但是,目前通常情況下對車輛只進行0米海拔和20℃條件下的滑行試驗,得到該條件下的車輛的滑行阻力。對于20℃的常溫試驗室測試,該阻力可直接使用;對于溫度偏離20℃較大時的測試,通常根據(jù)經(jīng)驗將上述阻力乘以一個系數(shù),作為相應試驗條件下的車輛滑行阻力數(shù)據(jù),這種方法簡單易用,但是誤差較大;而對于海拔高度不是0米的高海拔試驗,一種得到車輛滑行阻力的方法是到相應海拔和溫度的地方進行車輛滑行試驗,但是這種方法成本較高,且合適的滑行試驗場地難以找到,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條件下車輛滑行阻力數(shù)據(jù)的獲取問題,本文對汽車排放法規(guī)GB18352.3-2005中提到的阻力修正方法進行了適當?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車進行了四個海拔高度和四個溫度條件下的道路滑行試驗,通過對比車輛實測阻力和修正阻力來驗證該修正方法的準確度和適應性。1交通壓力或空氣溫度、風速、道路狀況在平直的道路上,汽車的滑行阻力主要由滾動阻力和空氣阻力組成,每種阻力都可用相應的理論公式來表示,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、風速、道路狀況和輪胎壓力有關。在滿足車輛滑行試驗條件的情況下,可認為滑行阻力只與空氣密度和空氣溫度有關,因此,在文獻的汽車排放法規(guī)中,為了對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行計算修正,便根據(jù)經(jīng)驗將汽車滑行阻力分成受溫度影響的滾動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兩部分阻力分別進行修正,從而得出所需試驗條件下的實際滑行阻力,具體的汽車道路滑行阻力修正方法如下:1.1計算0m和20下汽車的滑動阻力式中:F為汽車滑行阻力;M為汽車基準質量;V為車速;ΔV為與車速V的速度偏差;t為時間。1.2確定潤滑新的滑動阻力根據(jù)汽車理論中對汽車滾動阻力的分析,汽車滾動阻力與汽車質量和車速等因素有關,又從以往對汽車滾動阻力的相關試驗研究可以看出,滑行試驗中滾動阻力與滑行阻力的比值可以用汽車質量和車速的經(jīng)驗函數(shù)來表示如下:式中:Fmll為汽車滾動阻力;c1(V為與汽車質量相關的滾動阻力系數(shù);c2(V)為與汽車質量無關的滾動阻力系數(shù)。根據(jù)試驗經(jīng)驗,上式中兩個滾動阻力系數(shù)可用車速的公式表示如下:當需要溫度T條件下汽車滾動阻力時,可通過下式的系數(shù)對滾動阻力進行修正:式中:Kroll為滾動阻力修正系數(shù);Froll為滾動阻力;k為滾動阻力溫度修正系數(shù);T為實際所需的試驗溫度;T0為基準試驗溫度20℃。1.3空氣密度變化時模型從上述的分析中已經(jīng)得出了滾動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:當汽車試驗時海拔高度的變化會引起空氣密度的變化,而從汽車理論可知,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為汽車迎風面積。從上式可得出空氣密度變化時汽車滑行試驗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)過上述溫度和空氣密度對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試驗方法和試驗設施2.1試驗條件驗證為了能夠驗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)作為試驗車,并在不同的海拔高度(842、1520、2676和3554米)和從-15℃到25℃范圍內的四個不同溫度下對試驗車進行道路滑行試驗。并在0米和20℃條件下進行了滑行試驗,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,并與實際滑行阻力對比,驗證修正方法的準確度。按照GB18352.3-2005的要求,滑行試驗應滿足如表1所示的試驗條件。在滿足上述條件之后,便可進行滑行試驗,測量車速V對應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,并用儀器記錄車速從V+ΔVkm/h減至V-ΔCkm/h(ΔV=5km/h)時對應的滑行時間t1,相應的滑行阻力f1=2×M×ΔV/3.6/t1;在相反方向進行相同試驗,測得t2,相應的滑行阻力f2=2×M×ΔV/3.6/t2,可得到f1和f2的平均值Fi;重復上述過程n次(n≥6,使得試驗的統(tǒng)計準確度在2%以內),得出車速V對應的平均阻力F=(F1+F2+…+Fn)/n;每次試驗時將車輛從130km/h滑行道10km/h,便可計算出從120km/h到20km/h每隔10km/h對應車速的實際滑行阻力;利用公式(1)至公式(10)便可計算出不同海拔和溫度下車輛的理論修正滑行阻力;通過對比實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試驗數(shù)據(jù)的采集對試驗環(huán)境參數(shù)、車輛狀態(tài)和試驗數(shù)據(jù)的精確測量是保證試驗結果正確的前提條件,本文采用如表2所示的多種高精度試驗設備進行不同試驗數(shù)據(jù)的采集。在選擇試驗場地時,首先使用相關儀器確保試驗條件滿足法規(guī)要求。之后,使所有儀器都處于正常工作狀態(tài),并對車輛進行預熱,實時監(jiān)控輪胎壓力、機油溫度和冷卻液溫度等信息,確保每次試驗前這些參數(shù)基本相同,然后對車輛進行正反向6組滑行試驗,從而降低試驗誤差。3試驗結果3.1汽車試驗結果試驗狀態(tài)的一致性對試驗結果有很大影響,轎車每次試驗前要滿足如下的車輛狀態(tài):機油溫度和冷卻液溫度達到90±5℃;輪胎冷態(tài)時胎壓為2.5bar。轎車在各種條件下實測滑行阻力和修正滑行阻力的結果見圖1到圖4,為了使圖形更清晰,圖中僅顯示了兩個溫度下的滑行數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,轎車在不同條件下的實測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,只有在個別低速試驗點,出現(xiàn)較大誤差,但也在8%以內,這主要是由于車速較低時,車輛滑行阻力較小,試驗環(huán)境條件(特別是風速)的輕微波動就會造成較大的誤差。3.2車輛試驗方案SUV每次試驗前要滿足如下的車輛狀態(tài):機油溫度和冷卻液溫度達到90±5℃;輪胎冷態(tài)時胎壓為2.2bar。同樣選擇了四個海拔高度和四個溫度條件對車輛進行滑行試驗,滑行阻力修正值、實測值和誤差如圖5到圖8所示。SUV的滑行試驗結果同轎車的結果相似,從圖中可以看出,文中所給出的滑行阻力修正方法能夠將車輛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,不同車速時的最大誤差在10%以下。3.3輪胎冷態(tài)時胎壓為了保證滑行試驗結果的準確性,皮卡車每次試驗前要滿足如下的車輛狀態(tài):機油溫度和冷卻液溫度達到90±5℃;輪胎冷態(tài)時胎壓為2.4bar。同樣,對于皮卡車滑行阻力修正方法也能夠達到很好的修正效果,修正結果與實測結果的誤差大多在±6%以下,個別情況下修正誤差較大,但也在10%以內,這種情況主要出現(xiàn)在較高海拔和車速較低時,試驗時自然條件容易出現(xiàn)變化(風速),從而造成試驗誤差較大。4修正方法的結論本文選擇了轎車、SUV和皮卡三種不同類型的車輛來進行海拔滑行阻力研究。通過對比三輛試驗車在不同海拔和溫度條件下的修正滑行阻力和實測滑行阻力,得出了如下結論:(1)對于不同類型的車輛,滑行阻力修正方法都能夠精確地實現(xiàn)滑行阻力