整车轮胎滚阻与传动系统阻力研究

徐蝉，龚春辉，刘海峰

整车轮胎滚阻与传动系统阻力研究

徐蝉，龚春辉，刘海峰

（江铃汽车股份有限公司 整车性能及测试部，江西 南昌 330044）

为了降低整车实际工况的油耗，优化排放问题，文章研究了其中的主要影响因素之一——行驶阻力。文章主要利用四驱底盘测功机台架和混合动力台架将轮胎与转鼓鼓面的滚动阻力、制动器与轮毂的摩擦阻力、传动系统内部的阻力测量出来。研究发现，整车行驶阻力主要可以分为轮胎与地面之间的滚动阻力、整车传动系统内部的传动内阻以及风阻。其中改善滚动阻力是切实可行又起到关键作用。因此，降低整车行驶阻力的有效途径即为降低整车滚动阻力。

行驶阻力；油耗；滚动阻力

引言

在社会经济发展的同时，汽车行业也随之蓬勃发展[1]。汽车为人们提供便捷的同时各种问题也随之不断涌现，大量尾气的排放直接导致空气质量急剧恶化，大量汽车涌现将整个城市堵得水泄不通，汽车油耗居高不下导致人们驾驶出行成本加大，幸福指数直线降低。随着汽车的越来越普及，车辆的油耗是车主选择购车时的一个重要参考因素，然而对于汽车主机厂来说，日益严格的排放法规，给主机厂排放问题带来的挑战也与日俱增[2]。因此，对于主机厂而言，油耗和排放问题是迫在眉睫的两个重要问题。在处理这两个问题时都需要去确定汽车行驶阻力这个重要的参数，故研究汽车行驶阻力具有重大意义。

1 整车在各状态下的受力分析

相比于四驱转鼓台架而言，混合动力总成台架在传动系统试验过程具有可以快速进行样车结构件拆装、试验操作简单、试验数据一致性好精度高等方面的优点，但是混合动力总成台架无法完成轮胎滚阻的测量，故本试验采取转鼓台架结合混合动力总成台架进行阻力分解试验，达到试验过程高效率、试验数据高精度、试验结果高质量的目标。

1.1 整车在实际道路上的受力分析

整车在实际路面上驾驶时，主要是受到轮胎与地面之间的滚动阻力、空气阻力、汽车传动系统的阻力、坡度阻力以及加速阻力等[3]。当整车在实际道路上做匀速直线运动时，其水平方向的受力示意图如图1所示：

图1 汽车实际道路行驶水平方向受力图

其在水平方向上的力学方程式为：

F=F+F+FFF1F2（1）

其中：F为发动机输出的力；F为空气阻力； F为传动系统阻力；F为加速阻力；F为坡度阻力；F1为前轮与路面的摩擦力；F2为后轮与路面的摩擦力。

1.2 整车在转鼓上的受力分析

根据GB18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》中关于实际道路滑行阻力测试方法，可以通过滑行得到汽车的行驶阻力[4]。车辆在实际道路上滑行得到的滑行数据用最小二乘法进行二次项拟合，可以得到实际道路行驶阻力系数、、值。

F=+BV+CV2（2）

其中：F为滑行阻力；V为整车速度；、、为阻力系数。

将拟合出来的阻力系数输入四驱转鼓台架进行滑行匹配试验，车辆在四驱转鼓台架上试验时，轮胎与转鼓台架的滚筒做啮合运动，车辆与转鼓台架在位置上是相对静止的，车辆的相对速度为零，鼓面替代实际道路路面，此时车辆在水平方向上的受力示意图如图2所示：

图2 汽车在四驱转鼓上行驶水平方向受力图

其在水平方向上的力学方程式为：

F= F+F+F+ F+ F1+ F2（3）

其中：F为发动机输出的力；F为四驱转鼓台架加载的阻力；F为传动系统阻力；F为测功机的内阻；F为车辆各部件的惯性阻力；F1为前轮与鼓面的摩擦力；F2为后轮与鼓面的摩擦力。

2 整车行驶阻力分解试验步骤、理论及数据分析

2.1 整车行驶阻力分解试验步骤

阻力分解试验主要分析了轮胎与鼓面的阻力、制动器的阻力、车桥的阻力、变速箱轴系的阻力、离合器的阻力、发动机系的阻力等。

图3 整车结构示意图

图4 试验流程图

整车在转鼓台架上进行滑行测试，可以将轮胎滚阻、制动器摩擦阻力和传动系统的阻力测出来。混合动力总成台架在试验搭建时必须将试验车辆的车轮卸下，故在混合动力总成台架上可以通过倒拖的方式测量出制动器摩擦阻力及传动系统阻力，而转鼓台架测量出来的试验数据减去混合动力台架测量出来的数据即为轮胎的滚阻。在混合动力总成台架上分别测量不拆制动器以及拆制动器两种情况下的阻力可以将制动器的摩擦阻力测量出来。用相同的办法将传动系统的内部各阻力部分测试出来，然后进行数据分析，找到汽车在行驶时阻力最大的部分，并加以优化，进而达到降低行驶阻力降低整车实际油耗的目标。

2.2 试验理论及数据分析

本文以某品牌皮卡车为试验对象，分解了该车整车阻力，主要分为轮胎滚动阻力、制动器摩擦阻力、传动系统阻力三大部分。其中传动系统阻力又细分为车桥阻力、变速箱系统阻力、发动机系统阻力三个部分。

2.2.1轮胎滚动阻力分析

车轮在转鼓上行驶过程与在道路上是一致的，轮胎与鼓面之间会产生摩擦阻力和滚动阻力，轮胎滚动阻力数学模型如下：

F=L(++2)（4）

其中：F为轮胎滚动阻力；为轮胎胎压；为作用在轮胎上的力；为测功机的内阻；为负值系数；为正值系数；为常数。

从式中可以看出，轮胎滚动阻力与速度成二次项关系。

表1 轮胎滚阻扭矩值－速度关系表

速度/kph 102030405060708090100110120 轮胎阻力扭矩值/nm21.826.730.333.837.540.343.64647.347.947.345.9

从上图中可以看出，轮胎的滚动阻力与速度成二次项关系，且2值为0.993 4，说明该试验结果与轮胎滚动阻力数学模型极其吻合。

2.2.2制动器摩擦阻力及传动系统阻力分析

制动器的摩擦阻力是一个定值。传动系统的阻力由两部分组成，机械阻力与液力阻力。传动系统各部件之间的相对运动摩擦会产生传动系统机械阻力，阻力值的大小与部件的加工质量、装配质量、工作状态密切相关。传动系统内各零部件在运行时，润滑油会充斥在各零部件间隙中。润滑油与各零部件表面的摩擦力以及润滑液本身的流动阻力共同构成了液力阻力。液力阻力大小与润滑油的质量、覆盖深度、温度以及零部件的旋转速度有关。研究表明，传动系统的内阻与车速正相关且成一次项关联。

F=A+BV（5）

表2 制动器扭矩值－速度关系表

速度/kph 102030405060708090100110120 制动器扭矩值/nm13.713.613.914.11413.614.113.914.213.813.714.1

表3 传动系统阻力扭矩值－速度关系表

速度/kph传动阻力扭矩值/nm车桥阻力扭矩值/nm变速箱阻力扭矩值/nm发动机阻力扭矩值/nm 1016.67.54.94.2 2020.19.26.54.4 3022.710.97.84.1 4025.511.79.93.9 5028.513.411.14 6031.214.612.34.3 7033.315.713.73.9 8035.516.814.93.8 9037.617.515.84.3 10039.318.616.83.9 11041.619.817.84 1204420.919.23.9

图6 传动系统阻力扭矩值－速度关系图

从图中可见传动系阻力与速度成一次项正相关，其中机械阻力主要存在于发动机系统阻力部分，而液力阻力由于主要影响因素为润滑油，所以主要体现在车桥及变速箱系统中。

表4 车桥阻力扭矩值－速度关系表

速度/kph 102030405060708090100110120 车桥扭矩值/nm7.59.210.911.713.414.615.716.817.518.619.820.9

表5 变速箱系统阻力扭矩值－速度关系表

速度/kph 102030405060708090100110120 变速箱扭矩值/nm4.96.57.89.911.112.313.714.915.816.817.819.2

图7 车桥阻力扭矩－速度关系图

车桥系统需要润滑，所以液力阻力在其中得到了体现，主要表现为与速度成一次正相关。

图8 变速箱系统阻力扭矩－速度关系图

表6 整车行驶阻力各部分占比表

车速/(km/h)轮胎滚动阻力占比制动器阻力占比传动系统阻力占比整车内阻 车桥阻力占比变速箱阻力占比发动机阻力占比 1041.826.314.49.48.1100 2044.322.515.210.87.3100 3045.320.816.211.66.1100 404619.21613.55.3100 5046.917.516.813.95100 6047.41617.114.55.1100 7047.915.517.215.14.3100 8048.214.617.615.64100 9047.814.317.715.94.3100 10047.413.718.416.63.9100 11046.113.419.317.33.9100 12044.113.620.118.53.8100

变速箱在工作时需要大量的变速箱油提供润滑和散热。从试验数据中可以看出，变速箱系统阻力数据拟合的一次项系数为0.127 4，而车桥的一次项系数为0.117 8，所以，相对于车桥来说，变速箱系统液力阻力表现得更为明显。

图9 整车行驶阻力各部分占比图

从整车阻力角度来看，汽车行驶过程中的阻力主要是轮胎滚阻、制动器摩擦阻力、传动系统阻力三个部分组成，其中各部分占比分别约为46.1%、17.3%、36.6%，而其中传动系统中车桥阻力、变速箱系统阻力、发动机系统阻力又分别约为17.2%、14.3%、5.1%。站在降低整车行驶阻力的角度，改善轮胎滚动阻力是非常必要且可行性非常高的一个方案。从经济性的角度来说，改变轮胎滚阻的方案同样是最经济有效的，从可行性上来说也一致。

3 结束语

整车在行驶过程中产生阻力是不可避免的，切实有效地去降低阻力，是一个长期的工作。即使通过数据分析出了有效地改善方案，但是滚动阻力不可能无限小，否则车辆就会打滑，无法正常工作，找到那个改善的平衡点至关重要。后续也可以从改善制动器与轮毂之间的摩擦力，提升车桥、变速箱制造装配精度、选用更契合的润滑油等方面去探索有效降低整车行驶阻力的方案。

[1] 吴海燕,石晶.汽车控制的研究现状与展望[J].现代工业经济和信息化,2018,8(08):8-9.

[2] 于志鹏,于洋洋.底盘测功机阻力设定对油耗试验的影响[J].汽车实用技术,2018(16):96-98.

[3] 罗雄,刘易斯.汽车道路滑行阻力的研究[J].汽车科技,2019(06): 19-22.

[4] 环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法:GB18352. 6—2016[S].北京:中国环境出版社,2016.

Research on Vehicle Tire Rolling Resistance and Transmission Resistance

XU Chan, GONG Chunhui, LIU Haifeng

（Jiangling Motors Co., Ltd., Vehicle Performance and Testing Department, Jiangxi Nanchang 330044）

In order to reduce the fuel consumption and optimize the emission of the whole vehicle, this paper studies one of the main influencing factors-running resistance. In this paper, the rolling resistance of tire and drum surface, the friction resistance of brake and wheel hub, and the internal resistance of transmission system are measured by four-wheel-drive Chassis dynamometer and hybrid power bench. It is found that the driving resistance of the whole vehicle can be mainly attributed to the rolling resistance between the tire and the ground, the internal resistance of the transmission system and the wind resistance. Among them, the improvement of rolling resistance is feasible and plays a key role. Therefore, the effective way to reduce the vehicle running resistance is to reduce the vehicle rolling resistance.

Driving resistance;Fuel consumption;Rolling resistance

U463.341

A

1671-7988(2021)24-86-04

U463.341

A

1671-7988(2021)24-86-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.019

徐蝉（1990—），男，江西南昌人，硕士，中级机械工程师，就职于江铃汽车股份有限公司，主要从事整车环境模拟试验方面的研究。