整车滑行阻力测试及优化

唐瑶 韦祖武 黎炎华

摘要： 为了量化整车阻力对汽车燃料消耗量的影响，首先采用理论计算结合测试对比的方法分析主动近气格栅对风阻的影响，并通过底盘测功机设置不同滑行阻力测试燃料消耗量;通过对比ISO 28580和SAE J2452两种测试滚动阻力的方法，分别给出了不同型号的轮胎滚动阻力系数，结果显示SAE J2452测试方法可以更好的评价滚阻系数对燃料消耗量的影响。研究结果表明，通过改善风阻和滚阻可以显著降低整车燃料消耗量，并且明确了风阻系数和滚阻系数与燃料消耗量之间的线性关系。

Abstract： In order to quantify the vehicle resistance influence on vehicle fuel consumption， the first method to test the contrast analysis is obtained by using the theory of active near the gas grill on the influence of wind resistance， and through setting different sliding resistance of chassis dynamometer test fuel consumption. By comparing ISO 28580 and SAE J2452 test methods of rolling resistance， the rolling resistance coefficient of different types of tires was given respectively. The results show that SAE J2452 test method can better evaluate the impact of rolling resistance coefficient on fuel consumption. The results show that the fuel consumption of the vehicle can be significantly reduced by improving the wind resistance and roll resistance， and the linear relationship between the wind resistance coefficient and roll resistance coefficient and fuel consumption is clarified.

关键词： 空气阻力;滚动阻力;燃油经济性

Key words： air resistance;rolling resistance;fuel economy

中图分类号：U472.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0061-04

0  引言

根据相关研究资料，二零一九全年度，中国从国外进口原油总量约5亿吨，较上一年同比增长约百分之九点五，并且该比例每年正在逐级递增，这也从一定程度说说明我国不但是石油消费大国，也是石油进口大国，我国对外每年的石油的进口依赖程度超过70%;二零一八年度，国务院发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》白皮水，计划旨在北上广深等类似的许多大型城市，要把空气污染的罪魁祸首即机动车尾气作为重点控制对象。同时在目前碳达峰、碳中和的大背景下，更要把机动车尾气的减排及处理作为重大行动计划，这也是打赢这场蓝天保卫战的重要保证。另据公安部统计，截至2020年6月，全国机动车保有量达3.6亿辆，汽车不仅消耗了大量的石油资源，也是重要的移动污染源，在目前碳达峰、碳中和的能源战略大背景下，机动车如何做到减少能源消耗和降低尾气排放，人们日益关切。因此通过降低汽车汽车行驶阻力来减少汽车用燃料消耗，从而减少汽车尾气排放在当代能源战略大背景下显得至关重要。

据国外相关专家Barrand，J等人[1]的实验室测试结果，机动车的燃油消耗总量大约有25%是用来克服其行驶阻力的。而我国国内如乐智等人[2]一些行业专家发明零一种基于汽车行驶过程中燃料消耗能量流动方向性的实验室测量方法，该方法从一定程度上可以试验得出汽车各个系统的能量消耗占比，经采用此理论对汽车主要能量消耗占比测试，表明汽车有22.1%～22.7%的能量消耗在整车空气阻力，汽车轮胎的滚动阻力、以及汽车行驶过程中的制动阻力损失等。

机动车行驶阻力主要由四部分构成：空气阻力、滚动阻力、坡度阻力、加速阻力。汽车在道路上行驶时，就需要克服来自地面施加在轮胎上的滚动阻力，以及行驶过程中气流变换引起的空气阻力。另外当汽车在具有一定坡度的道路上行駛时，还要受到坡度阻力，当汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。以上阻力中，滚动阻力和空气阻力均是汽车行驶过程中客观存在的，而加速阻力和坡度阻力仅特定的工况下才存在。本文根据造成汽车阻力产生原因和减小阻力的方法，结合汽车行驶过程中各种阻力对燃油消耗占比不同，分别对影响空气阻力的主动进气格栅和普通格栅、以及影响滚动阻力的低滚阻轮胎和普通轮胎在不同车辆状态下进行道路滑行试验，并根据道路试验得到的参数来配置实验室底盘测功机阻力，进行燃料消耗量对比测试，最终得出空气阻力、滚动阻力对整车油耗影响的一般规律。

1  进气格栅状态对整车阻力的影响

汽车在行驶过程中，压力阻力约占总行驶阻力的91%，压力阻力由形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力共同组成。其中，气流流经发动机舱内阻所造成的内循环阻力占整个行驶阻力的约9%[5]。通过减少进入到发动机舱的冷却风量，能够明显降低由冷却系导腔不规则、各类拐角、障碍使流动方向发生突变所导致的摩擦和动量损失[3]。

其中：m为整备质量，a1、v1为t1时刻所对应的加速度与车速，a2、v2为t2时刻所对应的加速度与车速[4]。

五菱某手动挡MPV车型搭载主动进气格栅实车情况如图1所示。

车型在两种格栅状态下实际滑行阻力曲线测试结果如图2所示。

通过以上图表对比可以看出，带有主动进气格栅的机动车，在主动进气格栅全关闭状态下其滑行阻力比不带主动进气格栅的机动车小约28N;行车速度在20km/-90km/h之间的情况下，在主动进气格栅全关闭状态下其滑行阻力比不带主动进气格栅的机动车小约19N;行车速度在90km/-120km/h之间的情况下，在主动进气格栅全关闭状态下其滑行阻力比不带主动进气格栅的机动车小约48N。

根据公式PL=FL*v计算可得出，带有主动进气格栅的机动车在主动进气格栅全关闭状态下，相对于不带主动进气格栅的机动车，在同等行驶条件下经对他们的滑行阻力状态进行优化后，可以得出优化后的风阻功率，见图3。如图3所示在行车速度大于80km/h状态下，主动进气格栅能明显降低整车的平均滑行阻力，在车速为100km/h时，优化风阻功率约3430瓦。

另外通过整车CFD模态分析（见图4）可知，在机动车的主动进气格栅关闭状态情况下，通过进气格栅进入到汽车发动机舱内的气流量将明显减少，这样一定程度上减小了气流打在进气格栅上产生过大的空气阻力，同时能够优化紊流气阻，最终实现整车空气阻力的降低，从而减少克服空气阻力而产生的能量消耗。

由式（3）计算可得出不同格栅状态下对应的空气阻力系数，见表1。

主动进气格栅能够优化汽车在行驶过程中（特别是中高速情况下）的行驶阻力，试验表明风阻系数降低4%，NEDC油耗降低约1.1%。

2  低滚阻轮胎对整车阻力的影响

所谓滚动摩擦阻力，即当汽车轮胎在转动过程中，轮胎上的各个与地面接触的点依次与硬路产生相对运动，从而产生摩擦力就叫做滚动摩擦阻力。实践研究表明汽车的滚动摩擦阻力的一般小于轮胎滑动摩擦阻力。

滚动阻力不是摩擦力。滚动阻力尽管叫做力，但实际上是一种能量损失。轮胎滚动阻力产生的主要原因是轮胎橡胶具有粘性。如图5所示。轮胎与地面的接触处不是点和线，是一片不同的变形区域，由于轮胎和地面的接触点并非完全对称，且对应点受力方向并不完全一致，因此将分布的接触力向接触中心简化时可以得到一个合力R（这个合力可分解为摩擦力F和正压力L）和一个力偶，其力偶矩为Mf，如图5（b）所示。这个矩为Mf的力偶称为滚动摩阻力偶（简称滚阻力偶），它与主动力偶（Q，F）相平衡，方向与滚动的趋势方向相反。当将作用于A点法向反力L和滚阻力偶矩Mf合成为作用于C点的力时，易得：

f称为轮胎滚动摩擦阻力系数，通常简称滚阻系数，实为一微小距离，其单位为mm。f的大小与轮胎台面结构、胶料配方、轮胎与地面的接触面积等有关[5]。

目前常用的轮胎滚动阻力的测试标准，见表2，该标准的本身存在局限性，其仅能对固定模式下测量汽车的滚动阻力和滚阻系数。

美国机动车工程师协会制定了SAE J 2452-2017[7]标准测试不同车速、不同载荷、不同胎压下的轮胎滚动阻力，但其规定转股采用80粒度纹理表面，一般设计4种代表胎压、载荷的工况点，最大程度地在滚动表面模拟了实际道路的行驶情况。为了方便在不同试验条件下分析滚动阻力的能量消耗，SAE J 2452-2017给出的一种滚动阻力的多元非线性拟合表达式计算全工况下轮胎滚动阻力，如式（5）：

式中：Fr为滚动阻力，N;P为胎压，kPa;L为载荷，N; V为车速，km/h。

以上述2号轮胎测试结果为例说明SAE J 2452-2017滚阻系数测试结果，见表3。

各编号轮胎测试结果按公式（5）拟合，结果见表4。

以上汽通用五菱某手动挡MPV车型为例，该车整备质量1260kg，充气胎压260kPa，最高车速160km/h，带入表4的滚动阻力拟合式中，计算整车滚动阻力差异对比，见图6。

1号低滚阻轮胎与2号非低滚阻轮胎滚动阻力相比，单条轮胎滚动阻力降低10～11N，整车滚动阻力降低43.0～46.3N，降幅24.3%～32.0%;3号低滚阻轮胎与2号非低滚阻轮胎滚动阻力相比，单条轮胎滚动阻力降低8～9N，整车滚动阻力降低34.8～38.3N，降幅19.0%～26.8%。

道路滑行阻力测试前对轮胎花纹深度进行精确控制，并测量、记录轮胎花纹深度，花纹深度控制情况见图7a，测量点选择见图7b。

同一样车上分别安装上述2号轮胎和3号轮胎，并择机（气温波动小于2℃，相对湿度变化5%以内，风速波动<0.5m/s）在同一试验道路分别开展滑行阻力测试，测试结果见图8。

增加低滚阻轮胎后，相比原车轮胎，整车阻力降低30.2～37.2N，与前述按滚阻系数计算的轮胎滚动阻力下降幅度误差约5～6%。分别按上述滑行阻力系数设置底盘测功机吸收功率，并测试NEDC工况油耗，得到不同轮胎滚阻系数对应的油耗测试值，见表5。可见1号轮胎相比2号轮胎滚动阻力降幅24.3%～32.0%，对应NEDC油耗降幅约2.7%。

3  结论

①根据空气动力学基本公式可以推导出计算风阻系数的简便方法，与CFD分析软件计算结果基本吻合，本文提供了根据道路滑行数据估算整车风阻系数的简便方法。②主动进气格栅可以有效降低整车风阻系数，进而降低整车油耗，提高燃料经济性，试验表明，整车风阻系数降低4%，整车油耗约改善1.1%。③轮胎供应商通过优化轮胎胶料配方降低滚阻系数，可以有效降低整车阻力，进而降低整车油耗，试验表明，轮胎滚动阻力降低24.3%～32.0%，对应NEDC油耗降幅约2.7%。④同时增加主动进气格栅以及低滚阻轮胎，可降低整车阻力35.9N～88.7N，降幅达11%～29%，中低速段改善明显，并实现整车油耗下降约0.26L/100km，降幅达3.8%。⑤试验MPV车型每年的销量约20万辆，则按目前双积分单价估算（2000元/分），约相当于每年创造双积分等效价值约1.04亿元。

参考文献：

[1]Barrand， J， Jason Bokar. Reducing Tire Rolling Resistance to Save Fuel and Lower Emissions [A]. SAE 2008 world congress. PAPERS-Society of Automotive Engineers 2008 [C]. Society of Automotive Engineers，2008，0154.

[2]乐智，盛俏，陈龙，等.整车能量流分析在燃油经济性开发中的应用[A].中国汽车工程学会.2015中国汽车工程学会年会论文集（Volume4）[C].中国汽车工程学会，2015：3.

[3]Hussein Jama， Simon Watkins， et al. Reduced Drag and Adequate Cooling for Passenger Vehicles Using Variable Area Front Air Intakes [C]. SAE 2006-01-0342， 2006.

[4]Bing Xu， Michael Leffert， et al. Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan [C].SAE 2013-01-0857，2013.

[5]高勇.微型汽車变速器传动效率的影响因素分析及试验研究[D].武汉理工大学，2013.

[6]ISO 28580—2009.Passenger car， truck and bus tyres-Methods of measuring rolling resistance - Single point test and correlation of measurement results[S].

[7]SAE J 2452—1999. Stepwise Coastdown Methodology for Measuring Tire Rolling Resistance [S].