汽车滑行试验的校正技术研究

龚春忠

摘 要：汽车的行驶阻力通常由整车滑行试验获取，精确的道路阻力对整车动力性经济性开发有着重要的意义。文章研究滑行试验数据的处理方法，提出将风速、坡度、温度、气压、湿度纳入到校正的因素中，以获得更精确的道路阻力系数。文章对校正公式进行推导，提出一种一次性修正所有环境因素的公式，并得出了各因素修正对结果的影响程度大小。文章使用校正过的多组阻力数据在中国工况下的电机端能量消耗率作为结果的稳定性判据，结合测试理论，当有组别误差超过3σ区域时才做剔除无效测试点处理。

关键词：汽车滑行试验;校正;电机端能量消耗率判据

Abstract： Vehicle driving resistance is usually obtained by taxi test. Accurate road resistance is of great significance to the development of vehicle dynamic economy. In this paper， the processing method of taxiing test data is studied. The wind speed， slope， temperature， pressure and humidity are included in the correction factors to obtain more accurate road resistance coefficient. In this paper， the correction formula is deduced， and a case of one-time correction of all environmental factors is put forward， and the influence degree of each factor correction on the results is obtained. In this paper， the energy consumption rate of motor end under the condition of Chinese working condition is used as the stability criterion of the result. Combined with the test theory， the invalid test points are removed when the group error exceeds 3σ region.

Keywords： Vehicle coast-down test; Correction; Motor end energy consumption rate criterion

前言

汽车的行驶阻力通常由整车滑行试验获取，精确的道路阻力对整车动力性经济性开发有着重要的意义。为了获取更精确的道路阻力，我国对滑行试验的标准做了修改。《GB 18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]（以下简称“国六”）附录CC中规定的道路载荷测量与测功机设定方法相对于《GB 18352.5-2013 輕型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》[2]（以下简称“国五”）附录CH中规定的道路载荷测定方法，有了较大的改进。但在试验数据处理中的校正与拟合，还有待完善的地方。

本文研究滑行试验数据的处理方法，提出将风速、坡度、温度、气压、湿度考虑到了校正的因素中，以获得更精确的道路阻力系数。并提出了各组滑行数据先求出道路阻力系数，后校正系数，并引入中国工况下的轮边平均能量消耗率作为阻力大小和结果稳定性的判据。

1 滑行试验基本原理

汽车行驶的过程中受到4个力的作用，分别为空气阻力、滚阻阻力、汽车机械传动系统寄生阻力、坡道力。汽车滑行试验的目的就是车辆汽车行驶阻力，不包含坡道力。根据牛顿第二定律得：

式中：m为汽车整备质量、驾驶员质量、传动系统等效当量惯量的和;v为汽车车速;F阻为汽车行驶阻力。

根据汽车理论推导，空气阻力与速度的平方成正比，车内寄生损失与速度成正比，汽车滚动阻力近似为常数：

式中：f0为道路载荷常数项，N;f1为一次道路载荷系数，N/（km/h）;f0为二次道路载荷系数N/（km/h）?。

但实际测试中，道路阻力受温度、气压、风速等不可控因素影响。因此需要做校准处理。

2 国五、国六标准校正技术对比

滑行试验在室外长直跑道上进行，规定了环境条件：（1）固定式分数仪测量法要求，5秒平均分数低于5m/s，2秒峰值风速低于8m/s，横向风速矢量小于2m/s，车载风速计要求，总平均分数小于7m/s，峰值风速小于10m/s，横向风速矢量小于4m/s。（2）大气温度在5～40℃范围内。（3）道路平坦、干燥、清洁，纵向坡度不应超过±1%，最大弧度应不大于1.5%。

通常，试验场的道路路面平整度满足要求，无需校正。但温度、湿度、气压、风速往往与标准状态不一致，需要做校正处理。标准中规定的基准状态为，温度293K，气压100kPa，风速0m/s，当实测环境与上述不相符时，采用校正技术校正为标准状态。

国五与国六标准中均把道路阻力分为两部分：车辆机械阻力（包括滚阻、传动系统及轴承阻力、减速器阻力）和空气阻力。但国五中间，在拟合阻力F前对功率进行校正，国六中风速校正使用平均阻力法校正后再求阻力系数。从理论上分析，两者校正的效果是相同的。国六校正风速时，正反方向的时间修正使用调和平均，对应于阻力校正使用了算术平均。

但国六标准依然有以下问题：风速的校正处理了两次，是否可以一次完成？机械传动系统经过预热处理，其阻力受环境温度影响可以忽略，如何在数据处理中体现？如何判定试验结果的有效性？

结合以上问题，本文对校正公式进行推导，提出一种一次性校正所有环境因素的公式。并提出了各因素修正对结果的影响程度。本文使用校正过的多组阻力数据在中国工况下的电机端能量消耗率作为结果的稳定性判据。结合测试理论，当有组别误差超过3σ区域时才做部分测试点无效判据。

3 校正公式理论推导

标准中规定的基准状态为，温度293K，气压100kPa，风速0m/s，当实测环境与上述不相符时，需采用校正技术校正为基准状态。通常，试验场的道路路面平整度满足要求，无需校正。但温度、湿度、气压、风速往往与标准状态不一致，需要做校正处理。汽车空气动力学仿真与实际设计、使用条件，均遵循理化规律，因此，本文建议的基准状态与标准有差异。校正公式的目的是，非基准状态下测试结果校正为基准状态下的结果。

3.1 基准状态的定义及其理论结果

为了与相应的仿真、测试理论对应，本文未沿用标准中规定的基准状态，而是将基准状态定义为：

气温：T0=298.15 K（25℃），为与试验环境温度保持一致。

压力：Pair0=101.325 kPa，与标准大气压保持一致。

湿度：RH0=45%，与试验室湿度设置保持一致。

风速：vw0=0km/h，纵向风速，顺风的时候为正，逆风的时候为负。

坡度：=0，基准状态下默认为平面，下坡时为正值。

基准状态下道路阻力表述为：

式中：A为道路载荷常数项，N;B为一次道路载荷系数，N/（km/h）;C为二次道路载荷系数N/（km/h）?。在实际的道路阻力中，轮胎阻力、车辆机械传动系统阻力、空气阻力均是非线性的。但本文为了推导修正公式，需要做近似处理，且有相关的理论依据：阻力系数A主要对应轮胎滚动阻力，文献[3]中描述了子午胎在车速为160km/h以下变化平缓。B系数主要对应车辆传动系统机械阻力，文献[4]中轴承摩擦力矩与转速的2/3次方成正比，因车辆试验前要求做预热处理，因此车辆机械损失可以认为不受温度、湿度、气压、风速、坡度的影响。C系数主要对应车辆的空气阻力，在风阻分析中与侧向风、空气密度等有关，为简化校正，仅考虑空气密度的影响。

式中，ρ0为基准状态下的空气密度，（25℃，101.325kPa，45%RH）1.1776 kg/m?，Cd为汽车空气阻力系数，S为汽车迎风面积。

3.2 非基准状态下测试结果分析

非基准状态下有以下参数需要实测修正：

实测气温：T;实测压力：Pair;实测湿度：RH;风速：vw，纵向风速，顺风的时候为正，逆风的时候为负;坡度： =0，下坡时为正值，上坡时为负值。

实测状态下道路阻力表述为：

式中：f0为实测道路载荷常数项，N;f1为实测一次道路载荷系数，N/（km/h）;f2为实测二次道路载荷系数N/（km/h）?。

式中，φ（T，RH）——根据温度、相对湿度查湿空气焓湿图得到的水蒸气分压，如表1所示。

3.3 非基准状态校正为基准状态的理论推导

影响校正的环境條件有温度、湿度、气压、纵向风速。其中温度、湿度、气压通过影响空气密度来影响空气阻力，温度通过影响轮胎性能来影响滚阻系数。用基准状态阻力系数与各条件因素表达实测下的道路阻力，如式（8）所示：

式中，K0为滚动阻力修正因子，默认取值为8.6×10-3 K-1;m=mcar+mp+ms是试验质量。mcar为车辆实测整备质量;mp 为驾驶员质量;ms为试验过程车辆配重;g是重力加速度，9.8N/ kg。很小时，要求<0.1%，故可做近似处理：

上式做简化，将（9）式带入替换，且重构（4）、（6）式，则结果如下：

4 校正误差分析

校正是为了排除环境对试验结果的干扰，但实际上环境因素对汽车阻力的影响是非线性的，模型推导中做了大量的假设，因此也同时规定了需要各环节因素上下限，在允许的范围内才能开展试验。校正技术只是滑行试验在外部环境测试中无法完全控制环境成本的一种补充手段。实际测试中各条件越接近基准状态越好。在标准中所规定的各因素的影响大小比较，是本节研究的问题。

4.1 道路阻力系数的能耗评价

试验表明，使用等效能量消耗率描述滑行阻力结果，其平均相对偏差仅为1.14%.使用等效能量消耗率描述还具备鲜明的物理意义，综合概括汽车各类阻力的大小。本文规定以中国工况为参考工况，比较每次试验的轮边能量消耗率。实测阻力下的轮边功率计算如下：

式中，mr为车辆旋转部件等效惯量;v，a分别为中国工况下的速度和加速度。

在该工况下电机输出端的能量消耗率为：

4.2 各因素极限条件下校正影响

前面分析了实测结果与修正结果的关系。下面分析各因素允许的修正极限范围内对修正后系数的影响。以某款汽车实测结果为例：该车整备质量1170kg，驾驶员质量60kg，配重40kg，旋转当量惯量为50kg，实测阻力系数分别为：f0=123.49 N;f1=0.338 N/（km/h）;f2=0.0349 N/（km/h）?。则中国工况下电机输出端能量消耗率为7.34kWh/100km。

由表2可知，各因素对试验结果的影响排序为：风速>温度>坡度>气压>湿度。当能量消耗率需要向更大方向修正时，极限状态为：温度40℃、湿度100%，气压：90kPa，风速3m/s，坡度0.1%，此时能量消耗率校正后比校正前大34.72%。当能量消耗率需要向更小方向修正时，极限状态为：温度5℃、湿度0%，气压：101.325kPa，风速-3m/s，坡度-0.1%，此时能量消耗率校正后比校正前小31.76%。

5 试验实例

某款纯电动汽车做滑行试验，该车整备质量1170kg，驾驶员质量60kg，配重40kg，旋转当量惯量为50kg。在以下环境中进行试验：

气温：T =22℃;

压力：Pair =990kPa;

湿度：RH =50%;

风速：前四次vw=0.5*cos（45°）=0.354m/s，后四次vw -0.354m/s;

坡度：=0。

共執行了8组试验，每组试验进行系数求取，根据环境条件校正为基准状态。结果如表3所示。

由表3可知，校正后能量消耗率标准差由0.12kWh/ 100km降到了0.09kWh/100km。最大偏差的是第4组，误差为0.1758/0.09=1.953σ，在3σ区间内，故所有测试点均为有效点。最终测试结果为：A=137.23N;B=0.717N/（km/h）;C=0.03528N/（km/h）?。

6 结论

汽车的节能环保一直以来都是重要课题。获取精确的汽车道路阻力系数对汽车的节能研究非常重要。经研究，本文提出一种道路阻力的修正方法，并给出了各物理条件在极限状态的修正比例。该方法相对于国六标准有如下变动：1、引入湿度校正条件;2、基准大气压修正为101.325kPa，基准温度修正为298.15K，增加基准湿度45%;3、顺风与逆风、道路坡度等在求取阻力系数后统一修正;4、中国工况计算电机输出端能量消耗率作为误差判别依据，适用于3σ区间判定法。

另外，在底盘测功机上测试时，通常要测试满载、半载、高温、低温等状态，此时沿用基准状态阻力不合理。但单独测试成本又高，故此时可以沿用基准阻力数据，通过方程组（12），逆向推导对应的阻力系数值，拓宽校正技术的逆向应用。

参考文献

[1] GB 18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[2] GB 18352.5-2013，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）[S].

[3] 罗俊.影响轮胎滚动阻力的因素分析[J].自动化仪表，2015，v.36;No. 40202：72-75.

[4] 朱爱华，朱成九，张卫华.滚动轴承摩擦力矩的计算分析[J].轴承， 2008，No.34407：1-3.

[5] 阚振广，马彪.车辆传动装置功率损失建模计算[J].车辆与动力技术，2003，02：25-28+34.

[6] 张富兴，刘桂彬，高海洋，郝剑虹.我国汽车滑行试验标准分析与改进建议[J].北京汽车，2012，No.17902：1-4.