輕卡質(zhì)心位置測量方法探究

李苗 成少波 周志明 楊劍

摘要：質(zhì)心位置是評價(jià)汽車的重要指標(biāo)，而質(zhì)心位置的測量難點(diǎn)在于質(zhì)心高度的測量。目前，為了使測量更加準(zhǔn)確，大部分試驗(yàn)方法都需要鎖緊懸架，但是真正操作起來難度比較大。本文采用平臺支撐反力法進(jìn)行測量，并通過簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量占比的方式，探索出一種在不鎖緊懸架的情況下可以準(zhǔn)確測量質(zhì)心高度的方法。

關(guān)鍵詞：輕卡質(zhì)心高度;平臺支撐反力法;測量方法

中圖分類號：U469.2

收稿日期：2021-11-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.009

1前言

汽車質(zhì)心位置對汽車操縱穩(wěn)定性、平順性和制動安全性等評價(jià)汽車性能的重要指標(biāo)都有較大的影響。只有準(zhǔn)確地確定汽車的質(zhì)心位置，才能對汽車性能指標(biāo)做出客觀的評價(jià)。在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，通常都是根據(jù)汽車各總成的質(zhì)心位置計(jì)算出整車質(zhì)心位置，但由于加工、裝配等因素的影響，計(jì)算出的質(zhì)心位置往往存在著很大的誤差。因此，在汽車定型試驗(yàn)中，正確選擇測量方式和測試儀器，設(shè)法提高測試精度，成為汽車質(zhì)心位置測試中所要解決的核心問題。

2質(zhì)心位置測量方法介紹

目前，國內(nèi)外測定汽車質(zhì)心位置主要有以下幾種方法：

a.搖擺法。試驗(yàn)時，將汽車置于試驗(yàn)平臺上，試驗(yàn)平臺相當(dāng)于一個復(fù)擺，汽車隨平臺一起自由擺動。改變復(fù)擺臂長，測量擺動周期，根據(jù)單自由度弱阻尼微振原理計(jì)算出汽車質(zhì)心高度。

b.懸掛法。根據(jù)物體自由懸掛時質(zhì)心必定通過懸掛點(diǎn)垂直平面的原理來確定質(zhì)心位置，測量時選取三個以上的懸掛點(diǎn)，利用不同懸掛點(diǎn)所確定的垂直平面交點(diǎn)，求出質(zhì)心位置。

c.零位法。根據(jù)平衡物體的質(zhì)心位于通過支撐線垂直平面內(nèi)的原理來確定質(zhì)心位置，測量時，將汽車放在具有雙支撐刃口的平臺上，將平臺傾斜至某一角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過一刃口的垂直平面，測量有關(guān)參數(shù)。再將平臺傾斜至另一角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過另一刃口的垂直平面，然后計(jì)算出汽車質(zhì)心位置。

d.平臺支撐反力法。將被測汽車放置在平臺上，試驗(yàn)時把汽車和平臺同時升到某一角度，測量質(zhì)量的重新分配值，計(jì)算出質(zhì)心高度。

在上述幾種測量方法中，搖擺法所需設(shè)備復(fù)雜，局限性很大。懸掛法無法測試大型車輛，因?yàn)殡y以選擇能夠承受整車質(zhì)量的懸掛點(diǎn)，而且懸掛后整車變形幅度很大，測試精度不高，因此也很少采用。

本文利用NAST翻轉(zhuǎn)平臺，應(yīng)用平臺支撐反力法更準(zhǔn)確地測量質(zhì)心位置。3試驗(yàn)設(shè)備所需試驗(yàn)設(shè)備包括翻轉(zhuǎn)平臺（圖1）、輪荷儀（圖2）、角度儀（圖3），見表1。

4測試方法

4.1質(zhì)心水平位置測量

將車輛放置在水平位置（即翻轉(zhuǎn)臺角度為0°），使用輪荷儀測量各個輪荷，質(zhì)心距整車中心線距離計(jì)算（左負(fù)右正）：

質(zhì)心距前軸中心距離W計(jì)算：

式中，a，為左為前輪質(zhì)量，kg;a，為右前輪質(zhì)量，kg;b，為左后輪質(zhì)量，kg;b，為右后輪質(zhì)量，kg;G為總質(zhì)量，kg;L，為前輪距，mm;L，為后輪距，mm;L，為軸距，mm。

以某車型空載為例，測得其輪距、軸距等數(shù)據(jù)（表2）。

通過以上數(shù)據(jù)，使用式（1）、式（2）計(jì)算質(zhì)心距前軸中心距離W=1447.27mm，距整車中心線距離M=0mm。

4.2質(zhì)心高度測量

將車輛置于翻轉(zhuǎn)臺上，沿X方向翻轉(zhuǎn)角度A，計(jì)算質(zhì)心高度H：

式中，各變量含義同式（2）。

以翻轉(zhuǎn)臺角度計(jì)算質(zhì)心高度。測量翻轉(zhuǎn)臺在8°、10°、12°時的各輪輪荷，并使用式（3）分別計(jì)算其質(zhì)心高度，取均值得到質(zhì)心高度H=797.95mm。同時，檢核不同翻轉(zhuǎn)角度下的總質(zhì)量：

式中，G，為計(jì)算質(zhì)量，kg;G為輪荷儀質(zhì)量，kg;A為翻轉(zhuǎn)臺角度，（）。

基于翻轉(zhuǎn)臺0°時的質(zhì)量G對計(jì)算質(zhì)量做誤差計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果見表3，發(fā)現(xiàn)隨著翻轉(zhuǎn)角度增大，誤差的絕對值逐漸增大，說明翻轉(zhuǎn)臺角度偏小，則最終得到的質(zhì)心高度H偏大。

車輛隨翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)時，使用角度儀測得車身角度，以車身角度計(jì)算質(zhì)心高度H=701.23mm。同樣進(jìn)行誤差計(jì)算，誤差值隨著車身角度增大而增大，說明車身角度偏大（表4）。

產(chǎn)生此種誤差的原因是車輛翻轉(zhuǎn)時，其懸架系統(tǒng)發(fā)生變形，導(dǎo)致車身角度比實(shí)際翻轉(zhuǎn)角度大，最終得到的質(zhì)心高度值偏小。

在車輛翻轉(zhuǎn)的時候，真正發(fā)生變形的部位主要是板簧，因此把整車質(zhì)量分為簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量兩部分。簧下質(zhì)量指不由懸架系統(tǒng)的彈性元件所支撐的質(zhì)量，一般包括車輪、彈簧、減震器以及其他相關(guān)部件等，簧上質(zhì)量就是車輛剩余部分的質(zhì)量。

定義簧下質(zhì)量占比P=簧下質(zhì)量/整備質(zhì)量，計(jì)算角度=翻轉(zhuǎn)臺角度×P+車身角度×（1-P）。使用計(jì)算角度計(jì)算質(zhì)心高度H=719.57mm。做質(zhì)量校核后，不同翻轉(zhuǎn)角度下的誤差均降到0.1%以下，說明通過計(jì)算角度得到的質(zhì)心高度最貼近真實(shí)值（表5）。

4.3鎖緊懸架后的質(zhì)心高度

為驗(yàn)證通過計(jì)算角度得到的質(zhì)心高度的準(zhǔn)確性，使用U型螺栓將車輛板簧前后端鎖緊（圖4），避免車輛隨翻轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)時板簧發(fā)生變形，保證翻轉(zhuǎn)角度最接近車輛真實(shí)側(cè)傾角度。使用輪荷儀分別測得8°、10°、12°時的輪荷，通過式（3）得到質(zhì)心高度H=717.26mm，與使用計(jì)算角度得到的質(zhì)心高度差值僅為2.31mm。

4.4使用CAE軟件計(jì)算理論質(zhì)心高度

在Hyperm㎡esh軟件中導(dǎo)入整車數(shù)模，在templatefile中調(diào)用質(zhì)心計(jì)算模塊ctr_ofgravity，計(jì)算該車型的理論質(zhì)心高度（圖5）。如表6所示，與實(shí)測質(zhì)心高度的誤差值為7.04mm。

4.5質(zhì)心高度誤差計(jì)算

基于Iypermesh計(jì)算的質(zhì)心高度值，對通過翻轉(zhuǎn)角度、車身角度、計(jì)算角度和鎖緊懸架后得到的質(zhì)心高度做誤差計(jì)算（表7）。使用計(jì)算角度和鎖緊懸架兩種方式得到的質(zhì)心高度誤差均在1%以內(nèi)，論證了使用計(jì)算角度計(jì)算質(zhì)心高度的準(zhǔn)確性。

5結(jié)語

本文基于平臺支撐反力法，通過引入簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量占比的方式大大提高了質(zhì)心高度測量的精度，并通過鎖緊懸架、CAE軟件計(jì)算兩種方式加以證明，探索出了一種可推廣、可操作的質(zhì)心位置測量方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].第6版北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[2]劉建忠.測試汽車質(zhì)心高度的幾種主要方法及其比較[J]遼寧交通科技，1995（6）.43-46.

[3]方春杰.純電動汽車質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)及仿真分析[J].汽車工程師，2017（11）：34-38.

作者簡介：

李苗，男，1995年生，助理工程師，研究方向?yàn)檎囋囼?yàn)。