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风洞法测量汽车道路行驶阻力

2020-03-07 00:57:48·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
汽车道路行驶阻力测定的传统方法为道路滑行法，由于其在室外进行，受制于外界环境（天气、温度等因素），较难获得比较理想的试验结果。GB18352.62016《轻型汽车
汽车道路行驶阻力测定的传统方法为道路滑行法，由于其在室外进行，受制于外界环境（天气、温度等因素），较难获得比较理想的试验结果。
 
GB18352.6——2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段），简称国六，引用了《Global technical regulation on Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures》（WLTP）中一种新的汽车行驶阻力测量方法——风洞法。风洞法是将风洞与底盘测功机或平带式测功机相结合确定汽车道路行驶阻力的测量方法，其中行驶阻力中的空气阻力由风洞天平测得，滚动阻力由底盘测功机或平带式测功机测得。


相比于滑行法，风洞法的测试完全在试验室内进行，摆脱了外界环境的束缚，试验结果的重复性好，试验效率高。
 
我们选取两款汽车作为测试对象，依据国六中规定的行驶阻力测量规程，分别进行了风洞法和道路滑行法的行驶阻力测量试验，对这两种方法及试验结果进行了研究。
 
1、试验方法与数据处理
 
滑行法
 
道路滑行试验在国内某试验场内进行，测得的行驶阻力曲线修正到基准状态。（试验温度：17.31℃，大气压：100.97kpa）


滑行阻力曲线基准状态修正前后对比
 
风洞法
 

空气阻力FAj测量
  • 空气阻力测量是在一座全尺寸汽车风洞内完成的，风洞的流场指标满足国六标准中的要求。
  • 将试验车辆固定在测力天平上，调整轮眉高度，确保该参数与滑行法测量时一致。
  • 试验测量了每一基准速度V j 下的C Dj *A f 值，并分别基于每一基准速度V j 下的C Dj *A f 值和基于基准速度为130km/h时的C D130 *A f 值计算得到汽车的行驶阻力，进行了比较。发现基于二者算得的行驶阻力差异极小，具体结果下面将分析。

滚动阻力FDj测量
  • 将车辆装载至测试质量，保证轮眉高度与滑行法保持一致。按照规范要求将车辆固定在底盘测功机上，车辆垂直方向不应增加额外的约束力。
  • 将底盘测功机的等效惯量设置成车辆的测试质量，将确定的空气阻力项系数 c d 输入到底盘测功机。
  • 底盘测功机对滚动阻力的测量有两种方法——等速法和减速法。我们也对这两种方法进行了对比试验。

等速法：稳定车速下的测量，即当车速稳定在每一基准速度时，底盘测功机对该基准速度下的滚动阻力F jDyno 进行直接测量，从前一基准速度应平滑过渡到下一基准速度点，每一基准速度稳定时间为4~10s。测试工况130km/h，120km/h......20km/h 。
 
减速法：减速下的测量，即试验车辆在底盘测功机上进行减速滑行。车辆预热后，将车速提高到比最高基准速度至少高10km/h（即140km/h），开始滑行。若连续两次滑行试验测得的力的偏差都在+/-10N内，则试验结束。按照下式计算每个基准速度点Vj的滚动阻力fjDyno：
FjDecel是在底盘测功机上滑行时速度Vj下的行驶阻力。

 
cd是输入底盘测功机的空气阻力项系数。
  • 将得到的滚动阻力数据进行滚筒曲面修正，并修正至基准状态。试验温度：20℃，大气压力：101.1kPa。
等速法所测滚动阻力FD
减速法所测滚动阻力FD

2、结果与分析
 
不同基准速度下的CDj*Af值对行驶阻力的影响
 
为验证不同基准速度下的CDj*Af值对行驶阻力的影响，我们对每一基准速度Vj下的CDj*Af值进行了测量，测量结果如下：
 
将每一基准速度下CD*A值计算得到的行驶阻力与基准速度为130km/h的CD130*Af值计算得到的行驶阻力进行对比。A车的相对偏差在0.586%（2.6N）以内，B车的相对偏差在0.6%（1.8N）以内，偏差极小，其对测量结果的影响基本可以忽略。


从试验时间和成本的角度考虑，在汽车无随车速而改变的空气动力学套件的前提下，可选择只对某一基准速度下的CD*A值进行测量。基准速度的选择建议在高速段，因低速段（20km/h~60km/h）风洞流场的稳定性下降，汽车的空气阻力数值过小，导致CD*A波动较大。基于本次的试验数据，建议在60km/h~130km/h范围内进行选择。
 
风洞法与滑行法所测得的行驶阻力对比
 
A车与B车的风洞法与滑行法所测行驶阻力曲线趋势一致，随着速度的增加，风洞法与滑行法所测行驶阻力的差值有所增大。


风洞法中，等速法与减速法相比，等速法测得的行驶阻力更接近滑行。


循环能量
 
循环能量E指在整个测试循环中车辆所需要的能量，与车辆的行驶阻力、行驶距离有关。
 
依据国六的规定，风洞法与滑行法之间的循环能量差在+/-5%以内，才能证明所使用设备或者设备组合的测量结果有效。循环能量差 的计算公式 ：
  车辆在WLTC测试循环下，风洞法与滑行法的循环能量差，百分比。
Ek,WTM车辆k基于风洞法获得的，基于WLTC循环的道路循环能量，J;
Ek,coastdown车辆k基于滑行法获得的，基于WLTC循环的道路循环能量，J。
基于WLTC测试循环对循环能量差进行了计算，结果表明本次测试设备及这种设备组合所测出的结果是有效的。


3、结论与建议
  • 不同车速下的CD*A值差异很小，对行驶阻力的影响也极小。本次试验中，综合两辆车的结果，相对偏差在0.6%以内。从节省试验时间和成本的角度考虑，在汽车无随车速变化而改变的空气动力学套件的前提下，可选择只测量某一基准速度下的CD*A值。基于本次试验，建议选择的速度范围是60km/h~130km/h。
  • 综合A、B两辆试验车辆的测试结果，基于风洞法所测得的行驶阻力曲线与基于滑行法所测得的行驶阻力曲线，二者趋势一致，数值上十分接近，风洞法相对于滑行法的测量偏差在4%以内（平均15N以内），循环能量差在+/-5%以内。
  • 在本次试验中，风洞法中的等速法与减速法相比，等速法的测试结果更接近于滑行法。
  • 等速法测滚动阻力，数据采集时需等待车速、测力值进入稳定状态后再开始采集，否则会引起较大结果偏差，因底盘测功机所测得行驶阻力在稳定前会有比较大的波动。
  • 进行风洞法与滑行法的对比试验时，确保车身姿态一致非常重要，因为车身姿态对汽车的行驶阻力有着直接且显著的影响。建议后续标准中应给出车辆载荷分布的统一要求。

风洞法测量可采用文中所介绍，分别使用风洞天平及底盘测功机，也可以“使用集成了两者功能的设备”（WLTP）。中汽中心气动声学风洞中配备的高精度六分力天平及地面模拟系统，不仅能够精确测量气动力，同时具备测量汽车滚动阻力的功能，是“集成了两者功能的设备”。可进行一站式的风洞法行驶阻力测定试验，无需再单独将车辆置于底盘测功机上测量，极大地提高了试验效率。
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