特種車輛質(zhì)心高度參數(shù)測試誤差及消除方法研究

吳建剛， 尹遜青， 李春風(fēng)， 張敬堂， 游建毅

(1.海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，孝感 432100；2.湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心，武漢 430040；3.中國航天科工集團(tuán)第四研究院，武漢 430040)

特種車輛質(zhì)心高度參數(shù)測試誤差及消除方法研究

吳建剛1， 尹遜青1， 李春風(fēng)2， 張敬堂2， 游建毅3

(1.海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，孝感 432100；2.湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心，武漢 430040；3.中國航天科工集團(tuán)第四研究院，武漢 430040)

通過對車輛質(zhì)心高度測試原理及測試過程的分析，指出了測試誤差主要影響因素.通過對誤差因素分析計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果修正公式.結(jié)果表明，在測試相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確地測試出特種車輛質(zhì)心高度參數(shù)，解決了側(cè)翻法測試特種車輛質(zhì)心高度誤差大的難題.

特種車輛；質(zhì)心高度；修正方法

Abstract：By analyzing the principle and procedure of special vehicle′s barycenter height test，the main influence factors of the measurement error are pointed out. Then，through the analysis of calculation and experimental verification of the error factors，the modifier formula of the vehicle′s barycenter height test results is obtained. The results show that the parameter of special vehicle′s barycenter height can be tested accurately based on other relevant parameters. It solves the difficult problem that test result of special vehicle′s barycenter height has big error in rollover method.

Keywords: special vehicle；barycenter height；correction method

目前國內(nèi)車輛質(zhì)心高度測試方法主要有：搖擺法和重量反應(yīng)法，其中搖擺法主要針對輕型車輛，重量反應(yīng)法主要針對重型或超重型車輛.重量反應(yīng)法可分為俯仰法和側(cè)翻法，目前國內(nèi)主要使用俯仰法測試兩軸車輛質(zhì)心高度.由于受特種車輛質(zhì)量、外形尺寸、多軸的限制，許多重型、超重型多軸車輛質(zhì)心高度測試很難實(shí)現(xiàn).

本研究通過對側(cè)翻法測試原理的研究，分析在特種車輛質(zhì)心高度測試過程中影響質(zhì)心高度測試結(jié)果的因素，分析推導(dǎo)出各影響因素對質(zhì)心高度測試結(jié)果的誤差，從而得到使用側(cè)翻法測試特種車輛質(zhì)心高度的修正方法，并用此方法指導(dǎo)特種車輛質(zhì)心高度的測試工作.

1 側(cè)翻法測試車輛質(zhì)心高度原理

測試平臺由16臺稱重板分為左右兩組構(gòu)成，如圖1所示.單臺稱重板的最大測量能力為20 t，測試精度為0.1%.

圖1 質(zhì)量參數(shù)測試平臺

車輛側(cè)翻前后受力示意圖如圖2所示.

以車輛向右側(cè)側(cè)翻為例，計(jì)算車輛質(zhì)心的高度.

以右輪接地點(diǎn)為支點(diǎn)，依據(jù)力矩平衡原理[1]，可得：

(1)

以左輪接地點(diǎn)為支點(diǎn)，依據(jù)力矩平衡原理，可得：

(2)

圖2 車輛側(cè)翻前后受力示意圖(不考慮輪胎側(cè)偏因素)

由式(2)減(1)式可得側(cè)翻法測量車輛質(zhì)心高度的計(jì)算公式，如式(3)和式(4)所示.

(3)

或

(4)

同理，車輛向左側(cè)側(cè)翻，可得到同樣的公式.

2 車輛質(zhì)心高度測試誤差分析

車輛質(zhì)心高度測試按側(cè)翻法進(jìn)行.受車輛輪胎、懸架影響，車輛在側(cè)翻的過程中，技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致車輛質(zhì)心高度測試時(shí)產(chǎn)生誤差.對車輛側(cè)翻過程進(jìn)行分析，判斷出導(dǎo)致車輛質(zhì)心高度產(chǎn)生誤差因素主要有3個：1) 輪胎側(cè)偏的影響；2)車輛簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角與測試平臺翻轉(zhuǎn)角不一致的影響；3)車輛車輪外傾角發(fā)生變化的影響.

2.1 車輛輪胎側(cè)偏的影響分析

2.1.1 車輛輪胎側(cè)偏對質(zhì)心高度測試結(jié)果誤差的影響

車輛側(cè)翻時(shí)，產(chǎn)生了一個平行于測試平臺臺面的分力，分力大小為mvgsinθ；臺面對輪胎有一個平行于臺面的摩擦力.由于車輪輪胎側(cè)向剛度影響，使車輪向側(cè)翻方向發(fā)生側(cè)向偏移，導(dǎo)致車輛整體向側(cè)翻方向偏移，使車輛y方向質(zhì)心位置參數(shù)相對于車輪受力點(diǎn)發(fā)生偏移.由質(zhì)心高度測試原理可知，這種變化結(jié)果使車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果產(chǎn)生誤差.如圖3所示.

圖3 車輛側(cè)翻前后受力示意圖(考慮輪胎側(cè)偏因素)

以車輛向右側(cè)翻轉(zhuǎn)為例，進(jìn)行誤差分析計(jì)算.

車輛側(cè)翻角度θ，車輛整備質(zhì)量為mv，車輛受到側(cè)向力mvgsinθ，此時(shí)車輛靜止不動，受到車輪輪胎側(cè)向剛度影響，車輛向左側(cè)偏移，左側(cè)車輪偏移量分別為ΔLl1、ΔLl2、……、ΔLli，右側(cè)車輪偏移量分別為ΔLr1、ΔLr2、……、ΔLri.各橋車輪平均偏移量ΔLi為：

(5)

車輛車輪側(cè)偏量的大小受各橋質(zhì)量的影響，橋的質(zhì)量越大，車輪所受側(cè)向力越大，輪胎側(cè)偏量也就越大.車輛車輪側(cè)偏量的平均值與各橋質(zhì)量大小有關(guān)，各橋車輪側(cè)偏量在車輛平均側(cè)偏量中占據(jù)的大小，與各橋在整備質(zhì)量中所占的比例有關(guān).由此可以得到，車輛車輪側(cè)偏量平均值為各橋車輪偏移量的質(zhì)量系數(shù)加權(quán)值的和ΔL胎.

(6)

式中：mi為第i橋的橋荷，kg；i為第i個橋，i可以為1、2、3、4、…；mV為車輛整備質(zhì)量，kg.

由質(zhì)心高度測試原理式(3)可得：

(7)

由式(7)轉(zhuǎn)換可得：

(8)

比較式(3)、式(8)可以得出：-ctgθ×ΔL胎即為車輛質(zhì)心高度誤差計(jì)算值.

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證車輪側(cè)偏對質(zhì)心高度測試結(jié)果影響的大小，使用3種不同型號分別測量了在質(zhì)心高度測試過程中不同翻轉(zhuǎn)角度時(shí)，各車輪的側(cè)向偏移量，按照式(6)計(jì)算出車輛車輪側(cè)偏量加權(quán)平均值，并根據(jù)式(8)計(jì)算了由此引起的誤差大小，結(jié)果見表1.

表1 基于車輪側(cè)偏量引起的質(zhì)心高度測試誤差計(jì)算值

2.2 車輛簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角與測試平臺翻轉(zhuǎn)角不一致影響分析

2.2.1 簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角誤差對質(zhì)心高度測試結(jié)果誤差的影響

車輛側(cè)翻時(shí)，質(zhì)量向側(cè)翻方向轉(zhuǎn)移，受獨(dú)立懸架、車輪靜力半徑變化影響，車輛簧上質(zhì)量繞其回轉(zhuǎn)中心向車輛側(cè)翻方向旋轉(zhuǎn)，使車輛簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角增大，與測試臺翻轉(zhuǎn)角產(chǎn)生不一致.簧上質(zhì)量的偏轉(zhuǎn)角變化，導(dǎo)致簧上質(zhì)量y方向質(zhì)心位置參數(shù)發(fā)生變化，從而影響車輛y方向質(zhì)心位置參數(shù)變化，使車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果產(chǎn)生誤差.如圖3所示，△θ為簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角誤差.

以車輛右側(cè)側(cè)翻為例，進(jìn)行誤差分析計(jì)算.

1)車輛水平狀態(tài)簧上質(zhì)量質(zhì)心y方向偏移量計(jì)算.

設(shè)簧上質(zhì)量為m上，簧下質(zhì)量為m下，車輛整備質(zhì)量為mV，簧上質(zhì)量回轉(zhuǎn)半徑為R.簧上質(zhì)量質(zhì)心y方向偏移量為Y上，簧下質(zhì)量y方向質(zhì)心位置在車輛縱向中心面上，Y下=0，車輛質(zhì)心y方向位置參數(shù)為YV.根據(jù)力矩平衡原理可以得出：

m上×Y上+m下×Y下=mV×YV.

(9)

整理式(9)得：

(10)

簧上質(zhì)量質(zhì)心和回轉(zhuǎn)中心連線與車輛縱向中心面夾角θ0為：

(11)

2)車輛側(cè)翻一定角度后簧上質(zhì)量質(zhì)心y方向偏移誤差計(jì)算.

車輛側(cè)翻一定角度，設(shè)簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角與測試臺翻轉(zhuǎn)角誤差為Δθ，簧上質(zhì)量y方向偏移量ΔY上為：

ΔY上=sin(θ0+Δθ)×R-Y上.

(12)

3)車輛質(zhì)心y方向偏移誤差計(jì)算.

車輛質(zhì)心y方向位置參數(shù)偏移誤差ΔY計(jì)算.根據(jù)力矩平衡原理可以得出：

m上×ΔY上+m下×ΔY下=mV×ΔY.

(13)

整理式(13)得：

(14)

把式(12)代入式(14)中得車輛質(zhì)心y方向偏移誤差：

(15)

4)車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果誤差計(jì)算.

依據(jù)車輛質(zhì)心高度測試原理式(3)可得：

(16)

將式(15)代入式(16)可得：

(17)

比較式(3)、式(17)可以得出：

2.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角誤差對質(zhì)心高度測試結(jié)果影響的大小，使用3種不同型號車輛分別測量了在質(zhì)心高度測試過程中不同翻轉(zhuǎn)角度時(shí)，簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角誤差值，并按照式(15)計(jì)算出由此引起的車輛y方向質(zhì)心偏移量，并根據(jù)式(17)計(jì)算了由此引起的誤差，結(jié)果見表2.

表2 簧上質(zhì)量偏轉(zhuǎn)角誤差引起質(zhì)心高度測試結(jié)果的誤差計(jì)算值

2.3 車輛車輪外傾角變化影響分析

2.3.1 車輪外傾角變化對質(zhì)心高度測試結(jié)果誤差的影響

車輛向左側(cè)側(cè)翻，車輛質(zhì)量向左側(cè)方向發(fā)生轉(zhuǎn)移，使車輛左側(cè)質(zhì)量增大，車輛右側(cè)質(zhì)量減小.由于受車輛獨(dú)立懸架影響，車輛車身發(fā)生傾斜，車輛左側(cè)簧上質(zhì)量向下移動，車輛右側(cè)簧上質(zhì)量向上移動，懸掛臂牽引車輪向內(nèi)收斂，所以導(dǎo)致左側(cè)車輪外傾角變小，使車輪受力點(diǎn)向右側(cè)偏移；同時(shí)，懸掛臂牽引車輪向外傾斜，導(dǎo)致車輛右側(cè)車輪外傾角變大,使車輪受力點(diǎn)向右側(cè)偏移.由于車輪外傾角變化使車輪受力點(diǎn)發(fā)生變化，導(dǎo)致車輛y方向質(zhì)心位置參數(shù)變化，使車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果產(chǎn)生誤差.

以車輛左側(cè)側(cè)翻為例，進(jìn)行誤差分析計(jì)算.

車輛左側(cè)翻轉(zhuǎn)，左側(cè)車輪受力點(diǎn)向內(nèi)偏移δli；同時(shí)右側(cè)車輪受力點(diǎn)向外偏移δri，各車輪受力點(diǎn)變化量δi為：

(18)

車輛車輪受力點(diǎn)偏移量的大小受各橋質(zhì)量影響，橋的質(zhì)量越大，質(zhì)量偏移量越大，車輪外傾角變化越大，車輪受力點(diǎn)變化越大.車輛車輪受力點(diǎn)偏移量的平均值與各橋質(zhì)量大小有關(guān)，各橋車輪受力點(diǎn)偏移量在車輪受力點(diǎn)平均偏移量中占據(jù)大小，與各橋在整備質(zhì)量中所占的比例有關(guān).由此可以得到，車輛車輪受力點(diǎn)偏移量質(zhì)量系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算值δ.

(19)

式中：mi為第i橋的載荷，kg；i為第i個橋，i可以為1、2、3、4、….

由質(zhì)心高度測試原理式(3)可得：

(20)

由式(20)轉(zhuǎn)換可得：

(21)

由式(3)、(21)可以看出：-ctgθ×δ即為車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果的誤差值.

2.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測量質(zhì)心高度車輛側(cè)翻時(shí)車輪外傾角變化對質(zhì)心高度測試結(jié)果影響的大小，使用3種不同型號車輛分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果見表3.

3 車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果修正方法

通過上述分析得出3種因素對車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果的影響，按誤差傳遞的線性疊加法則，可得車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果總誤差，并對車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果進(jìn)行修正.車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果修正公式：

(22)

4 修正方法驗(yàn)證

使用3種不同型號車輛分別測試質(zhì)心高度參數(shù)，直接測試結(jié)果明顯高于設(shè)計(jì)計(jì)算值，測試相關(guān)參數(shù)后利用式(22)進(jìn)行修正，修正結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算值基本一致.利用完整的車輛三維模型進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果與修正后計(jì)算值一致，證明此修正方法正確有效.

5 結(jié) 論

通過對車輛質(zhì)心高度測試過程的誤差影響因素分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了車輛質(zhì)心高度測試結(jié)果的修正公式.在測試相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上可以準(zhǔn)確地測試出特種車輛質(zhì)心高度，解決了側(cè)翻法測試特種車輛質(zhì)心高度誤差大的難題.

[1] 張鳳鳴. 質(zhì)心位置測試裝置原理及精度分析[R].武漢：中國國防科學(xué)技術(shù)報(bào)告，2011.

ResearchonMeasurementErrorofSpecialVehicle′sBarycenterHeightandEliminationMethod

WU Jian-gang1， YIN Xun-qing1， LI Chun-feng2， ZHANG Jing-tang2， YOU Jian-yi3

(1.PLA Navy Military Delegacy in Wuhan San jiang Space Group，Xiaogan 432100，China；2.Hubei Space Technology Academe Special Vehicle Technology Center，Wuhan 430040，China；3.the Fourth Academy of China Aerospace Science & Industry CORP，Wuhan 430040，China)

U467.4+99

A

1009-4687(2017)03-0049-05

2017-04-25.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-08-08.

10.16599/j.cnki.1009-4687.20170808.001.

吳建剛(1979-)，男，工程師,主要研究方向?yàn)檐囕v工程；尹遜青(1985-)，男，工程師,主要研究方向?yàn)檐囕v工程；李春風(fēng)(1976-)，男，高級工程師,主要研究方向?yàn)檐囕v工程；張敬堂(1971-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N車輛試驗(yàn)；游建毅(1972-)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N車輛綜合保障.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4493.TH.20170808.1701.002.html