道路滑行阻力在整车开发中的应用简述

刘中拥　刘耀华　杨亮　王郡烽

摘 要：在整车开发过程中道路阻力的优化对单车及企业节能减排都有重要的意义。本文简述了道路滑行阻力的定义，组成部分，并详述了道路滑行阻力的应用场景和主要优化方向。对整车项目开发中整车的动力性、经济性、制动性或排放性能的开发具有一定的指导意义。

关键词：道路滑行系数；空气阻力；滚动阻力；机械阻力

1 引言

道路滑行阻力是通过滑行法计算所得的车辆道路载荷。在整车开发中道路滑行阻力主要用于对汽车燃油经济性、动力性进行仿真计算或利用汽车底盘测功机进行汽车动力性、经济性、或排放污染物测试[1]。

2 道路滑行阻力的构成及测试方法

2.1 道路滑行阻力的构成

道路滑行阻力反映了整车在水平道路上匀速行驶过程中需要克服的阻力，包括空气阻力，滚动阻力和机械阻力。

空气阻力：Fw=CD*A*u2a/21.5[2]

式中CD为空气阻力系数，A为迎风面积，ua为汽车行驶速度

滚动阻力：Ff=G*f

式中G为整车行驶过程中所受重力，f为滚动阻力系数。

道路滑行阻力：F=FW+Ff+Ft=CD*A*u2a/21.5+Gf+Ft

式中，Ft为传动系机械阻力（此处传动系包括变速箱，传动轴，制动卡钳和轴承）

2.2 道路滑行阻力的测量方法

道路滑行法测量滑行阻力分为固定式风速仪滑行法和车载风速仪滑行法。目前大多数主机厂采用的是固定式风速仪滑行法。试验过程主要是，车辆行驶至规定车速，变速箱置于空挡开始滑行，滑行过程中连续记录滑行时间t和对应车速V，通过记录的数据计算出滑行过程中所受阻力。其原理为牛顿第二定律公式

F=ma=m（Δv/Δt）

计算完成后滑行阻力表达式为F=f2V2+f1V+F0。式中f2、f1、f0为道路载荷系数。试验车辆要求，测试频次和数据处理等详细规定请参考GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中附件CC的相关内容。

3 道路滑行阻力在整车开发中的应用场景

3.1 整车动力性和经济性仿真

在使用AVL Cruise、Simulink等一维软件进行整车动力性和经济性的仿真时，以基准道路滑行曲线为依据，通过整车重量、风阻、滚阻等条件的变化，拟合新车型在不同工况下整车负载，进而仿真新车型的动力性和燃油经济性，为整车性能优化提供理论依据。

3.2 底盤测功机加载

整车在转鼓试验室内的试验，均需要在转鼓上加载阻力曲线，以模拟整车道路载荷。道路试验所测得的滑行阻力曲线是转鼓使用滑行法拟合道路载荷不可或缺的关键参数，一般以目标曲线的形式在转鼓设备上进行输入。

3.3 标定过程中坡道计算

在整车山路标定过程中，道路滑行阻力还可用于估算坡度。

Fd=Fa+Fg+F

式中Fd为整车驱动力，Fa为整车加速阻力，F为道路滑行阻力，Fg为坡道阻力且

Fg=Fd-Fa-F=mg*sinα。

因此式中坡道角度

α=arcsin[（Fd-Fa-F）/（mg）]

3.4 计算循环能量需求

此处循环能量需求指油耗或者排放试验整个测试循环中车辆需要的能量。它是整车族系中车辆H[3]和车辆L[3]确认的重要理论依据，公式如下：

E=∑tendtstartEi

式中：

当Fi>0时，Ei=Fi*di

当Fi≤0时，Ei=0

tstar、tend—测试循环或各速度段起始、结束时间；

Ei—试验车辆从i-1时刻到i时刻的能量需求；

Fi—试验车辆从i-1时刻到i时刻的牵引力；

di—试验车辆从i-1时刻到i时刻的行驶距离；

Fi=F0+F1*（vi+vi-1）/2+f2*（vi+vi-1）2/4+（1.03*TM）*ai式中：

vi—试验车辆在ti时的目标速度；

TM—测试质量；

ai试验车辆从i-1时刻到i时刻的加速度；

f0，f1，f2—车辆道路滑行阻力系数

4 道路滑行阻力的优化方向

4.1 空气阻力优化

空气阻力是道路滑行阻力的重要组成部分。在高速情况下空气阻力表现尤为明显。空气阻力主要是由气流撞击车辆正面产生的阻力、空气划过车身的摩擦力和外形阻力组成。优化空气阻力需要从减小迎风面积和风阻系数两个方向着手。风阻系数的优化，主要从优化整车造型，车身流线，底部护板，尾部扰流板以及进排气位置等方面开展工作。下表为众泰某车型在项目开发过程中数据阶段CD优化方案（见表1）。

4.2 滚动阻力优化

车辆滚动时轮胎与路面接触区域产生法向、切向的相互作用力。滚动阻力的大小主要和整车的重量、轮胎滚阻系数，车辆车速和行车环境有关。轮胎滚动阻力的优化主要是通过改善轮胎的材料减小轮胎滚动阻力系数。下表为众泰某SUV车型不同滚阻下整车滑行阻力对比（见表2）。

4.3 机械阻力优化

车辆的机械阻力主要由传动系统阻力和制动系统阻滞力组成。机械阻力的优化主要从提升变速箱效率，优化传动轴布置角度，制动卡钳及轴承阻滞力方面着手。下表3说明了某车型制动系统不同设计方案对整车滑行阻力的影响（见表3）。

参考文献：

[1]王博文，侯勇平，周毅，沈春娟，乘用车滑行阻力与传动系阻力的研究，汽车科技2010年3月.

[2]余志生.汽车理论第5版.机械工业出版社.

[3]GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》.