卡車駕駛室慣性參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)研究

周　才　鐘紹華　宋鵬飛

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1)　武漢　430070)　(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　武漢　430070)

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卡車駕駛室慣性參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)研究

周才1,2)鐘紹華1,2)宋鵬飛1,2)

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1)武漢430070)(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢430070)

以某結(jié)構(gòu)復(fù)雜的卡車駕駛室為研究對(duì)象，介紹了用于識(shí)別剛體慣性參數(shù)的成熟理論質(zhì)量線法，該方法基于模態(tài)試驗(yàn)，對(duì)頻響函數(shù)曲線的特定頻段進(jìn)行計(jì)算，求解得駕駛室慣性參數(shù)；利用LMS.Test.Lab數(shù)據(jù)分析軟件剛體模態(tài)模塊，對(duì)某卡車駕駛室的慣性參數(shù)進(jìn)行了6次測(cè)量試驗(yàn)，每次測(cè)量結(jié)果大體一致，驗(yàn)證了測(cè)量試驗(yàn)的穩(wěn)定性；分別稱量了駕駛室四邊質(zhì)量，通過(guò)力矩平衡計(jì)算了駕駛室平面質(zhì)心并與質(zhì)量線法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了質(zhì)量線法用于測(cè)量駕駛室慣性參數(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性.

卡車駕駛室；慣性參數(shù)；質(zhì)量線法；頻響函數(shù)

0　引　　言

駕駛室懸置系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是各大卡車廠商、研究院所關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]，而駕駛室的慣性參數(shù)(如質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積等)的精確測(cè)量是懸置優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的前提條件，同時(shí)對(duì)卡車進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)分析時(shí)也需要輸入駕駛室的慣性參數(shù).目前，主要用于測(cè)量汽車零部件剛體慣性參數(shù)的方法有落體法、三線扭擺法、CAE數(shù)值計(jì)算法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)法等[3]，其中試驗(yàn)?zāi)B(tài)法又分為提取剛體模態(tài)進(jìn)行慣性參數(shù)識(shí)別的模態(tài)模型法和基于剛體頻率響應(yīng)函數(shù)中的質(zhì)量導(dǎo)納線的質(zhì)量線法[4].落體法主要用于測(cè)量小型零件的慣性參數(shù)，識(shí)別精度不高；三線扭擺法往往需要制造專用的支架、測(cè)量效率低[5]、且對(duì)于大型結(jié)構(gòu)誤差較大；CAE數(shù)值計(jì)算法需要精確的建立剛體結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型并準(zhǔn)確的賦予材料，對(duì)于具有座椅、儀表、車窗等材料不一的附屬部件的駕駛室并不適用.對(duì)于駕駛室、動(dòng)力總成一類的大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀不規(guī)則剛體慣性參數(shù)的識(shí)別主要圍繞質(zhì)量線法展開(kāi)試驗(yàn)研究[6-7].

文中運(yùn)用質(zhì)量線法對(duì)某重卡駕駛室進(jìn)行慣性參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)，然后運(yùn)用稱重法測(cè)試該駕駛室的平面質(zhì)心，對(duì)比兩試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了質(zhì)量線法測(cè)量的有效性和準(zhǔn)確性.

1　質(zhì)量線法基本理論

所謂質(zhì)量線法，即為當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處于柔性懸掛狀態(tài)時(shí)，給系統(tǒng)施加激勵(lì)，在系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)線 (frequency response functions, FRFs)上，在最后一階剛體模態(tài)和第一階彈性模態(tài)之間有一條近乎水平的曲線，即為質(zhì)量線，見(jiàn)圖1.此質(zhì)量線包含系統(tǒng)所有的慣性參數(shù)，如質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性積等，將該質(zhì)量線帶入一些列運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程中，即可識(shí)別出系統(tǒng)的慣性參數(shù).

圖1　頻率響應(yīng)函數(shù)曲線

1.1求解方程的建立

以駕駛室前圍中心孔為坐標(biāo)原點(diǎn)O，+X指向駕駛室后方、+Y指向駕駛員右側(cè)、+Z垂直水平面向上，建立參考坐標(biāo)系OXYZ.

在慣性系統(tǒng)中，任何剛體系統(tǒng)都可以由以下動(dòng)力學(xué)方程表示.

(1)

式中：Ti為轉(zhuǎn)換矩陣，其取值只與點(diǎn)Pi的坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)有關(guān)；Ai可以通過(guò)布置在Pi的三向加速度傳感器直接測(cè)得，所有測(cè)點(diǎn)加速度與原點(diǎn)的加速度為

(3)

式(3)可表示為

(4)

(5)

1.2求解慣性參數(shù)

由式(1)，(4)，(5)得：

(6)

式中有質(zhì)心坐標(biāo)、慣性積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量9個(gè)未知數(shù)，而方程個(gè)數(shù)只有6個(gè)，故需要3個(gè)以上的激勵(lì)輸入，為了使結(jié)果更精確可以多設(shè)置一些激勵(lì)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法求解式中的坐標(biāo)值及慣性參數(shù).

將剛體系統(tǒng)的慣性張量I對(duì)角化，即可求得系統(tǒng)的主慣性矩和主慣軸，3個(gè)特征值對(duì)應(yīng)3個(gè)主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，3個(gè)特征向量分別為主慣性軸和參考坐標(biāo)系中各軸夾角的方向余弦.

2　慣性參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

該試驗(yàn)系統(tǒng)主要基于獲得頻率響應(yīng)函數(shù)曲線求解駕駛室慣性參數(shù)，主要由1個(gè)PCB公司的模態(tài)力錘、8個(gè)PCB公司的ICP三向加速度傳感器、LMS.Test.Lab數(shù)采系統(tǒng)以及LMS.Test.Lab數(shù)據(jù)分析軟件組成.所有傳感器都滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且其測(cè)量精度、測(cè)量范圍都滿足本試驗(yàn)要求.鑒于駕駛室結(jié)構(gòu)較大，選用500kg力垂，配備較軟的塑料錘頭，靈敏度為 0.228 4mV/N，能產(chǎn)生足夠大的力，以激起駕駛室的所有剛體模態(tài).圖2為該駕駛室慣性參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)框圖.

圖2　試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

本次試驗(yàn)駕駛室采用3點(diǎn)支撐，每個(gè)支撐點(diǎn)由兩個(gè)卡車充氣內(nèi)胎堆疊，所組成的駕駛室懸掛系統(tǒng)固有頻率約為2.5Hz，小于駕駛室一階彈性模態(tài)頻率24.8Hz的20%，能較好的滿足試驗(yàn)要求，且操作簡(jiǎn)便、安全.試驗(yàn)施加在駕駛室的激勵(lì)采用力錘錘擊產(chǎn)生的猝發(fā)性激勵(lì)，為了更能激出駕駛室的各階模態(tài)，試驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)應(yīng)選取駕駛室度較大的位置，同時(shí)為了增大測(cè)量準(zhǔn)確性，應(yīng)多選取激勵(lì)點(diǎn).本次試驗(yàn)選取激勵(lì)點(diǎn)為駕駛室兩縱梁前后4點(diǎn)以及駕駛室頂4個(gè)角點(diǎn)，每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)分別施加X(jué)、Y、Z 3個(gè)方向激勵(lì)(相當(dāng)于24個(gè)激勵(lì)).

為盡量減小試驗(yàn)誤差，響應(yīng)點(diǎn)的傳感器各軸應(yīng)盡量和參考坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸平行；同時(shí)在錘擊時(shí)，錘頭盡量靠近所設(shè)的激勵(lì)點(diǎn)，且每次錘擊干凈利落、用力均勻，本次試驗(yàn)錘擊頻率帶寬為512Hz、譜線數(shù)為2 048、分辨率為0.25Hz、采樣時(shí)間為4s，每處激勵(lì)都錘擊3次求響應(yīng)的平均值，針對(duì)不同激振點(diǎn)，即使同一響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)幅值也會(huì)有很大差別，所以每次試驗(yàn)都對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)的幅值進(jìn)行調(diào)整，以獲得高質(zhì)量的頻率響應(yīng)曲線；加速度傳感器信號(hào)為猝發(fā)性階躍信號(hào)，為了減少信號(hào)衰減對(duì)試驗(yàn)的影響，采用指數(shù)窗對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行加窗處理；在LMS.Test.Lab數(shù)據(jù)分析軟件中輸入每一個(gè)傳感器的靈敏度，以對(duì)錘頭的錘擊力進(jìn)行標(biāo)定.

2.2試驗(yàn)結(jié)果處理

在試驗(yàn)時(shí)，每次錘擊結(jié)束后，都要檢查各個(gè)響應(yīng)的相干性，確保每次錘擊都能使各響應(yīng)的相干系數(shù)盡量的接近1，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果.同時(shí)當(dāng)試驗(yàn)完成后，可以在LMS.Test.Lab數(shù)據(jù)分析軟件的數(shù)據(jù)選擇模塊(modaldataselection)中剔除那些相干性較差的響應(yīng)曲線.通過(guò)剩余的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線構(gòu)造頻率響應(yīng)和函數(shù)曲線，見(jiàn)圖3.由圖3可知，在低頻段，駕駛室的剛體模態(tài)得到了很好的激發(fā)，駕駛室的彈性模態(tài)激發(fā)效果不是很好，但在彈性模態(tài)和剛體模態(tài)之間的得到了一條水平的質(zhì)量線，可選取6～11Hz段計(jì)算駕駛室的慣性參數(shù).

圖3　頻率響應(yīng)和函數(shù)曲線

為研究該測(cè)量方法的穩(wěn)定性，本次測(cè)量一共做了6次試驗(yàn)，將每次試驗(yàn)所得的質(zhì)心坐標(biāo)值繪制成曲線進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4.

圖4　質(zhì)心位置6次測(cè)量結(jié)果

由圖4可知，每次測(cè)量的坐標(biāo)值基本一致.其中X向最大偏差為0.019m，Y方向最大偏差為0.011m，Z方向最大偏差為0.017m.該偏差能滿足一般工程應(yīng)用的精度范圍，證明了測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠、可重復(fù)性好.造成該偏差的主要原因可能是每次測(cè)量時(shí)錘擊的力度不一，以及錘擊點(diǎn)或多或少有一定偏差，其次也有可能是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)選取的分析質(zhì)量線頻帶不一樣而引入的誤差.對(duì)6次測(cè)量的質(zhì)心結(jié)果取平均值，見(jiàn)表1，駕駛室的繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性積見(jiàn)表2.

表1　駕駛室質(zhì)心坐標(biāo)

表2　駕駛室相對(duì)于質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性積

3　稱重法測(cè)量駕駛室平面質(zhì)心

為驗(yàn)證試驗(yàn)所測(cè)得的慣性參數(shù)的準(zhǔn)確性，本文運(yùn)用稱重法測(cè)量待測(cè)駕駛室在OXY平面內(nèi)的質(zhì)心位置.將駕駛室置于安裝支架上，使駕駛室盡量處于水平狀態(tài)，用地磅分別測(cè)量并記錄駕駛室前后左右4個(gè)側(cè)面的重力，根據(jù)力矩平衡關(guān)系即可計(jì)算出駕駛室質(zhì)心在OXY平面內(nèi)的坐標(biāo)值，但該方法不能測(cè)出質(zhì)心在Z軸方向的值.

表3　2種方法測(cè)量質(zhì)心位置對(duì)比

將2種方法測(cè)得質(zhì)心位置進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3.在X方向上，2種測(cè)量方法所測(cè)得質(zhì)心位置相差0.044m，在Y方向上相差0.016m,該誤差在一般工程應(yīng)用的允許范圍內(nèi).一方面，因駕駛室質(zhì)量較大，稱重法測(cè)量質(zhì)心位置時(shí)，在實(shí)際操作中很難保證駕駛完全水平，且駕駛室坐標(biāo)軸X，Y不一定和所選取參考坐標(biāo)系的X，Y軸完全吻合；另一方面，質(zhì)量線法在測(cè)量慣性參數(shù)的過(guò)程中也不可避免地會(huì)引入由試驗(yàn)者以及設(shè)備自身所造成的誤差，如錘擊時(shí)，錘擊點(diǎn)和預(yù)定激勵(lì)點(diǎn)有細(xì)微偏差、響應(yīng)信號(hào)混有干擾噪聲等.總體來(lái)說(shuō)，該測(cè)量誤差在允許的范圍內(nèi)，能滿足一般工程應(yīng)用.證明了質(zhì)量線法的準(zhǔn)確性與有效性.相比于傳統(tǒng)的三線扭擺法，質(zhì)量線法操作簡(jiǎn)單、效率更高.

4　結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用質(zhì)量線法測(cè)得了重卡車駕駛室的慣性參數(shù)，詳細(xì)介紹了試驗(yàn)步驟并進(jìn)行了3次測(cè)量試驗(yàn)，3次測(cè)量結(jié)果都非常接近，證明了質(zhì)量線法的穩(wěn)定性.通過(guò)稱重法測(cè)得駕駛室在OXY平面內(nèi)的質(zhì)心位置，驗(yàn)證了質(zhì)量線法的準(zhǔn)確性與有效性.

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StudyontheIdentificationofInertialParametersoftheTruckCab

ZHOUCai1,2)ZHONGShaohua1,2)SONGPengfei1,2)

(School of Automotive, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)1)(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts, Wuhan 430070, China)2)

Withacomplex-structuretruckcabastheresearchobject,thefull-blownmethodofmasslineusedtoidentifyinertiaparametersofrigidbodyisintroducedinthispaper.Basedonmodaltest,theinertiaparametersoftruckcabareobtainedthroughcalculatingthecriticalfrequencybandofthefrequencyresponsefunctions.Basedontherigid-bodymoduleofLMSTestLabdataanalysissoftware,sixmeasurementtestsareconductedandthestabilityofthemeasurementtestisverified.Throughweighingthefoursidesofthecab,theplanecentroidiscalculatedbymomentbalance,whichiscomparedwiththecalculationusingthemasslinemethod.Withcomparisonoftwomethods,theaccuracyandreliabilityoftheinertiaparametersusingthemasslinemethodisverified.

truckcab;inertialparameter;methodofmassline;frequencyresponsefunction

2016-06-15

U467.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.037

周才(1988- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐囕v工程