側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的核查方法

賈曉東，向 飛

（1.柳州汽車檢測(cè)有限公司，廣西 柳州 545616；2.國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)中心（廣西），廣西 柳州 545616）

汽車質(zhì)心高度作為車輛重要的基本參數(shù)之一，對(duì)車輛的整體性能有重要影響，主要體現(xiàn)在動(dòng)力性、制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性等方面[1]。GB/T 12538、ISO 19380和ISO 10392等標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)也對(duì)汽車質(zhì)心高度的測(cè)量方法做了詳細(xì)的規(guī)定，主要有抬軸法、側(cè)傾法和穩(wěn)定擺法[2-4]。側(cè)傾法可以在側(cè)傾臺(tái)上進(jìn)行，由于試驗(yàn)程序簡(jiǎn)單，在測(cè)量汽車質(zhì)心高度的同時(shí)，還可附帶測(cè)量側(cè)傾穩(wěn)定角、輪荷、軸荷等參數(shù)而被普遍采用[5]。因此，對(duì)側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的結(jié)果進(jìn)行核查，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，就顯得非常必要。

1 側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的原理

側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的測(cè)量原理是側(cè)傾法。在試驗(yàn)前，應(yīng)先對(duì)側(cè)傾臺(tái)進(jìn)行全角度空板標(biāo)定，消除側(cè)傾臺(tái)稱重板自身重量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在試驗(yàn)時(shí)，被測(cè)車輛隨側(cè)傾臺(tái)從水平位置開(kāi)始側(cè)傾，達(dá)到預(yù)設(shè)的角度時(shí)停止側(cè)傾。通過(guò)記錄整個(gè)側(cè)傾過(guò)程中的側(cè)傾角及車輛的輪荷，然后結(jié)合車輛的輪距，可計(jì)算得出汽車的質(zhì)心高度。以二軸車輛為例，水平位置及側(cè)傾時(shí)的車輛受力狀態(tài)如圖1、圖2所示。

圖1 車輛在水平位置時(shí)的受力狀態(tài)

圖2 側(cè)傾時(shí)的車輛受力狀態(tài)

由力矩平衡可得：

車輛在水平位置時(shí)，

車輛側(cè)傾至θ角度時(shí)，

由公式（1）（2）和（3）可得：

2 影響測(cè)量精度的因素

2.1 車輛的狀態(tài)

試驗(yàn)時(shí)隨著車輛的側(cè)傾，車輛的輪荷會(huì)發(fā)生改變，引起車輛的懸掛變形量、輪胎變形量均會(huì)出現(xiàn)不同程度的改變，車輛內(nèi)的燃油等液體位置也會(huì)變化，導(dǎo)致車輛質(zhì)心高度在不斷變化[6]。因此，試驗(yàn)前需將車輛的懸掛鎖死，油箱及其他能夠加滿的液體應(yīng)當(dāng)處于加滿狀態(tài)，輪胎氣壓調(diào)整至車輛制造商的規(guī)定值。對(duì)于車輛在側(cè)傾時(shí)位置會(huì)變化的部件，應(yīng)在試驗(yàn)前鎖定，以降低側(cè)傾時(shí)對(duì)車輛質(zhì)心高度的影響。

2.2 測(cè)量設(shè)備的精度

由質(zhì)心高度計(jì)算公式（5）可知，車輛的輪距、輪荷及側(cè)傾角是影響汽車質(zhì)心高度測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素。GB/T 14172規(guī)定了側(cè)傾臺(tái)測(cè)量?jī)x器的精度，但與ISO 19380相比，GB/T 14172對(duì)輪荷的測(cè)量精度要求為1%，低于ISO 19380對(duì)輪荷測(cè)量精度為0.2%的要求[3，7]。因此，采用側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心的高度時(shí)，建議輪荷的測(cè)量精度應(yīng)達(dá)到0.2%，側(cè)傾角的精度應(yīng)達(dá)到0.1°。

2.3 試驗(yàn)條件

車輛處于側(cè)傾狀態(tài)時(shí)，環(huán)境風(fēng)速也會(huì)對(duì)車輛輪荷有影響，ISO 19380規(guī)定了環(huán)境風(fēng)速不大于1.0 m/s[3]。此外，側(cè)傾過(guò)程應(yīng)保持勻速平穩(wěn)，側(cè)傾速度不宜過(guò)快，以避免側(cè)傾過(guò)程中的振動(dòng)與沖擊對(duì)輪荷及側(cè)傾角測(cè)量的影響。

3 測(cè)量結(jié)果的核查

本次采用滿足GB 20071側(cè)面碰撞的移動(dòng)變形壁障作為被測(cè)車輛，對(duì)側(cè)傾臺(tái)汽車質(zhì)心高度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行核查。移動(dòng)變形壁障由碰撞塊和移動(dòng)車組成，移動(dòng)車為帶有車輪的框架結(jié)構(gòu)，前后輪距均為1500 mm，前端安裝有碰撞塊，如圖3所示[8]。移動(dòng)變形壁障除輪胎之外，其余部位均為剛性結(jié)構(gòu)，可以降低本次核查時(shí)車輛狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖3 側(cè)傾臺(tái)測(cè)量移動(dòng)變形壁障的質(zhì)心高度

側(cè)傾臺(tái)由20塊稱重板組成，分為左右兩組。單個(gè)稱重板的稱重量程為10000 kg，測(cè)量精度為0.1%，顯示分度值為1 kg；側(cè)傾角的測(cè)量精度為0.1°，顯示分度值為0.1°。側(cè)傾臺(tái)標(biāo)定后，將移動(dòng)變形壁障移到側(cè)傾臺(tái)上，四個(gè)車輪放置在4塊稱重板上，如圖3所示。記錄車輛在水平位置時(shí)的輪荷和車輛總質(zhì)量，并由公式（4）計(jì)算得出車輛質(zhì)心距車輛垂直縱向中心面的橫向距離（y），見(jiàn)表1。

表1 水平位置時(shí)被測(cè)車輛數(shù)據(jù)

為盡可能消除外部因素影響，移動(dòng)變形壁障放置在側(cè)傾臺(tái)上時(shí)，未安裝車輪擋塊和其他影響車輛狀態(tài)的附件。同時(shí)，為確保試驗(yàn)車輛不發(fā)生側(cè)滑，并結(jié)合側(cè)傾臺(tái)的測(cè)量程序，本次試驗(yàn)車輛的側(cè)傾角范圍為0～12°。啟動(dòng)側(cè)傾臺(tái)以3°/min的速度勻速側(cè)傾至12°，并以0.1°的角度間隔采集車輛的輪荷?？紤]到側(cè)傾臺(tái)啟動(dòng)時(shí)的沖擊與振動(dòng)會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾，選擇2°～12°之間的輪荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由公式（5）計(jì)算得出車輛的質(zhì)心高度與側(cè)傾角度的曲線，如圖4所示。

圖4 質(zhì)心高度與側(cè)傾角度曲線

通過(guò)圖4的曲線可以看出，隨著側(cè)傾角度的增大，質(zhì)心高度也逐漸趨于穩(wěn)定，在10°～12°之間，質(zhì)心高度的波動(dòng)最小且最穩(wěn)定，并接近被測(cè)車輛質(zhì)心的設(shè)計(jì)值。當(dāng)側(cè)傾臺(tái)的側(cè)傾角度也設(shè)定為10°～12°，側(cè)傾臺(tái)測(cè)得的車輛質(zhì)心高度為488 mm，如圖5所示。

圖5 側(cè)傾臺(tái)測(cè)得的質(zhì)心高度

盡管在試驗(yàn)前已經(jīng)對(duì)側(cè)傾臺(tái)進(jìn)行了全角度的空板標(biāo)定，但由于側(cè)傾臺(tái)的稱重傳感器是在側(cè)傾臺(tái)水平位置進(jìn)行的校準(zhǔn)，而在側(cè)傾過(guò)程中，稱重傳感器處于傾斜狀態(tài)且是在動(dòng)態(tài)情況下采集輪荷數(shù)據(jù)，因此，需對(duì)側(cè)傾臺(tái)在側(cè)傾過(guò)程中的動(dòng)態(tài)稱重精度進(jìn)行核查。在側(cè)傾過(guò)程中，由于車輛輪胎直接與側(cè)傾臺(tái)的稱重板接觸，難以對(duì)每個(gè)輪荷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行獨(dú)立的核查確認(rèn)，因此，本次只對(duì)側(cè)傾臺(tái)對(duì)總輪荷的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行核查，對(duì)比差異。根據(jù)三角函數(shù)定理：

根據(jù)側(cè)傾臺(tái)在10～12°測(cè)得的輪荷及按照公式（5）計(jì)算得到質(zhì)心高度，見(jiàn)表2。根據(jù)公式（6）（7），結(jié)合表2中的輪荷，計(jì)算得出在不同側(cè)傾角下，車輛重力在垂直于側(cè)傾臺(tái)方向的總輪荷的實(shí)測(cè)值和理論值的分布曲線，如圖6所示。經(jīng)計(jì)算，在10°～12°之間，側(cè)傾臺(tái)測(cè)得的總輪荷的實(shí)際值和理論值的最大差異量為1.5 kg，平均差異量為0.5 kg。因此，側(cè)傾臺(tái)在側(cè)傾過(guò)程中的對(duì)輪荷的動(dòng)態(tài)稱重精度是比較準(zhǔn)確的。

表2 10°～12°之間的輪荷和質(zhì)心高度

圖6 側(cè)傾角度與垂直于側(cè)傾臺(tái)方向的總輪荷分布圖

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可知，在側(cè)傾角為10～12°時(shí)，質(zhì)心高度計(jì)算結(jié)果的平均值為486.5 mm，與設(shè)備的測(cè)量值488 mm接近，相對(duì)誤差約為0.3%，因此，側(cè)傾臺(tái)對(duì)汽車質(zhì)心高度的測(cè)量結(jié)果也是準(zhǔn)確的。在側(cè)傾角為10°～12°時(shí)，輪荷的變化量在3～8 kg之間，變化量相對(duì)不大，但計(jì)算所得的質(zhì)心高度的最大差異量達(dá)到了7.4 mm；根據(jù)式（5）可知，質(zhì)心高度的測(cè)量精度也與車輛質(zhì)心距車輛垂直縱向中心面的橫向距離（y）有關(guān)，比如當(dāng)側(cè)傾角為11°時(shí)，cot（11°）的值為5.14，意味著y值偏差1 mm，對(duì)質(zhì)心高度的影響有5.14 mm。由此可見(jiàn)，采用側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度時(shí)，側(cè)傾臺(tái)必須具備較高的測(cè)量精度及精確的顯示分度值。否則，即使1 kg或0.1°的測(cè)量誤差，也對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不可忽略的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的原理，采用了滿足GB 20071側(cè)面碰撞的移動(dòng)變形壁障剛性小車，對(duì)側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度的精度進(jìn)行核查，驗(yàn)證了側(cè)傾臺(tái)測(cè)量汽車質(zhì)心高度結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用側(cè)傾臺(tái)測(cè)量質(zhì)心高度時(shí)，應(yīng)提高側(cè)傾臺(tái)稱重和側(cè)傾角的測(cè)量精度及分度值，并推薦選擇10°～12°的側(cè)傾角度，才能得到更加準(zhǔn)確的汽車質(zhì)心高度。