商用車質(zhì)心測(cè)量方法分析與研究

李文海，王旭

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056)

0 前言

商用車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、專用裝置多樣，其質(zhì)量、質(zhì)心位置、傾翻穩(wěn)定角等靜態(tài)參數(shù)是影響車輛操縱穩(wěn)定性、平順性和安全性的重要指標(biāo)，而質(zhì)心位置對(duì)整車設(shè)計(jì)與專用裝置布局有著重要影響。商用車質(zhì)心位置的測(cè)量不僅是生產(chǎn)企業(yè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的重要依據(jù)，還是質(zhì)量監(jiān)督部門對(duì)車輛安全性能檢驗(yàn)的必要手段。

車輛質(zhì)心的測(cè)量方法多樣，主要根據(jù)被測(cè)體質(zhì)心的動(dòng)靜態(tài)分類。動(dòng)態(tài)質(zhì)心的測(cè)量主要采用的方法有旋轉(zhuǎn)平衡法和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量法。旋轉(zhuǎn)平衡法和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量法的原理相同，都是通過測(cè)量壓力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來計(jì)算質(zhì)心位置；但是2種方法存在著一定的誤差，誤差主要來源于測(cè)量的過程中的摩擦力和測(cè)量工具本身的振動(dòng)。動(dòng)態(tài)質(zhì)心的測(cè)量方法受制于測(cè)試設(shè)備的尺寸、設(shè)計(jì)難度等，因此在行業(yè)當(dāng)中并不常用，相比于動(dòng)態(tài)質(zhì)心，靜態(tài)質(zhì)心的測(cè)量方法比較復(fù)雜，常采用的方法有傾側(cè)試驗(yàn)臺(tái)法和起吊法等。

1 車輛質(zhì)心測(cè)量方法

國內(nèi)外均對(duì)車輛質(zhì)心進(jìn)行了長時(shí)間的研究并制定了相關(guān)質(zhì)心測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)：《汽車重心高度測(cè)定方法》(GB/T 12538—1990)中推薦使用軸升法和搖擺法進(jìn)行車輛質(zhì)心的測(cè)量，該標(biāo)準(zhǔn)適用于各類汽車；《雙軸道路車輛 重心中心測(cè)定》(ISO 10392：1992)中提出使用軸升法進(jìn)行兩軸車輛質(zhì)心高度的測(cè)量，并推薦其他類型車輛參考執(zhí)行；《兩軸道路車輛 重心位置的測(cè)定》(GB/T 12538—2003)依據(jù)ISO 10392：1992制訂，其技術(shù)內(nèi)容與ISO 10392：1992一致，都是通過軸升法進(jìn)行質(zhì)心的測(cè)量，并且替代了GB/T 12538—1990；《公路車輛 重心的測(cè)定》(ISO 10392:2011)在ISO 10392:1992的基礎(chǔ)上添加了搖擺法。

在依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)車輛質(zhì)心的過程中，受到儀器設(shè)備以及車輛接近角、車輛離去角、輪胎承載力、彈性元件變形量等多重因素的影響，測(cè)量結(jié)果并不理想。2019年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布了《重型商用車和公共汽車 重心測(cè)量 軸提升、傾斜臺(tái)和穩(wěn)定擺試驗(yàn)方法》(ISO 19380:2019)，提出了采用車輪假人代替車輛一側(cè)輪胎，并在側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行質(zhì)心高度測(cè)量的方法(簡稱“輪胎假人替代法”)。該方法充分考慮了車輛上的彈性元件變形對(duì)于車輛質(zhì)心高度測(cè)量值精度的影響。

1.1 軸升法

軸升法的測(cè)試設(shè)備簡單，易于實(shí)現(xiàn)，具體的操作規(guī)程是將車輛停置在車輪負(fù)荷計(jì)上，測(cè)量軸距、輪距、車軸負(fù)荷、輪胎負(fù)荷等數(shù)據(jù)。采用牽引鉤利用起重機(jī)吊起車尾或車頭，在一定側(cè)傾角度內(nèi)，多次測(cè)量，并且根據(jù)得到的數(shù)據(jù)利用力矩平衡計(jì)算質(zhì)心。該方法適用于測(cè)量前后單軸車輛的質(zhì)心位置，在試驗(yàn)過程中要求車輛前后懸架有效鎖死，在車軸升起的過程中，車軸負(fù)荷的轉(zhuǎn)移不應(yīng)影響質(zhì)心位置。由相關(guān)公式可知在試驗(yàn)中車輪負(fù)荷計(jì)及傾角儀是最重要的2個(gè)誤差來源；同時(shí)，軸距越長，誤差越大。

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)舉升角度≤4°時(shí)，車輛的質(zhì)量變化幅度大，測(cè)量的質(zhì)心高度變化較大；當(dāng)舉升角度過大時(shí)，質(zhì)心測(cè)量結(jié)果重復(fù)性低。重型車輛在進(jìn)行滿載測(cè)試時(shí)，還需要考慮前軸輪胎的負(fù)荷是否會(huì)超出該型號(hào)輪胎的承載能力，以及前后輪胎的變形情況。依據(jù)GB/T 12538—2003及ISO 10392:2011推薦的軸升法測(cè)得的質(zhì)心高度，其準(zhǔn)確性受到測(cè)試設(shè)備精度、車輛接近角、車輛離去角、輪胎承載能力等多種因素限制及影響，在實(shí)際測(cè)量中并不推薦采用該方法測(cè)量質(zhì)心位置。

1.2 側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法

將車輛置于帶有稱重功能的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)上，水平靜置時(shí)測(cè)量各車輪的輪胎負(fù)荷，以及車輛靜態(tài)尺寸、軸距、輪距等參數(shù)，然后記錄不同側(cè)傾角度下輪胎負(fù)荷的變化，在空間坐標(biāo)系中建立力矩平衡方程可計(jì)算得出車輛質(zhì)心的位置。

在采用側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法時(shí)，要求車輛懸架鎖定，采用車頭向前、向后2種方式進(jìn)行。然而在實(shí)際測(cè)量中，車輛懸架無法完全鎖定，因此車輛側(cè)傾時(shí)，兩側(cè)懸架形變，車身相對(duì)于側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)偏移，其質(zhì)心相對(duì)于側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)的高度產(chǎn)生了變化，且不同的側(cè)傾角度下車輛質(zhì)量測(cè)量結(jié)果也不同，導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，但該方法試驗(yàn)步驟簡單，效率高。

1.3 輪胎假人替代法

ISO 19380：2019中提出采用輪胎假人代替車輛一側(cè)輪胎，并在側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)上將車輛傾側(cè)至極限角度，然后測(cè)量車輛的質(zhì)心高度。在試驗(yàn)前需要測(cè)量并記錄每個(gè)軸的質(zhì)量，以及車輛軸距等基本參數(shù)，以便得到質(zhì)心的水平位置及橫向輪胎位置；車輛置于側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)上，將一側(cè)車輪緊靠側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)軸側(cè)，并將該側(cè)的車輪替換為輪胎假人，測(cè)量輪胎假人間的縱向距離、靜態(tài)半徑，以及每個(gè)輪胎假人邊緣距車輛縱向中心平面的距離；然后將車輛側(cè)傾至極限狀態(tài)，記錄此時(shí)角度。

輪胎假人替代法要求采用輪胎假人替換車輛一側(cè)車輪，減少垂直和橫向輪胎的形變，使用的輪胎假人半徑與待測(cè)車輛的車輪靜力半徑相同，且需要最大程度減小兩者的質(zhì)量特性差異，同時(shí)輪胎假人還需要有足夠的強(qiáng)度，在車輛側(cè)傾至極限位置時(shí)不會(huì)變形。在計(jì)算車輛的質(zhì)心高度時(shí)不需要測(cè)量各車軸負(fù)荷，降低了側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)難度，提高了測(cè)量精度。但輪胎假人替代法的試驗(yàn)過程復(fù)雜，且依據(jù)車輛類型多樣，車輪型號(hào)不同，需配置不同的輪胎假人。在側(cè)傾至極限角度時(shí)試驗(yàn)周期長，且具有一定的危險(xiǎn)性。

2 質(zhì)心高度測(cè)量及計(jì)算

2.1 仿真模型測(cè)量

以某型號(hào)兩軸客車作為試驗(yàn)樣車，其整備質(zhì)量為9 200 kg，軸距為4 000 mm，前后輪距為2 070 mm/1 860 mm，輪胎型號(hào)為275/70 R22.5 16PR。

利用CATIA軟件建立整車模型，裝配底盤及各零部件模型，輸入各部件尺寸及密度等參數(shù)，測(cè)量模型慣量可得出質(zhì)心高度為1 220.25 mm。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量

采用帶稱重功能的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，將樣車置于試驗(yàn)臺(tái)上，水平時(shí)記錄4個(gè)車輪的輪胎負(fù)荷。將樣車分別側(cè)傾10°、12°，并采用車頭向前、向后2種方式，計(jì)算所得樣車質(zhì)心高度如表1所示。

表1 樣車質(zhì)心高度

當(dāng)車輛側(cè)傾一定角度時(shí)，質(zhì)心高度轉(zhuǎn)移較小，計(jì)算出4次試驗(yàn)的質(zhì)心高度，再取平均值可得出樣車質(zhì)心高度為1 167.37 mm。

采用ISO 19380：2019中的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法，在車輛水平放置時(shí)測(cè)量樣車的輪距、軸距、輪胎負(fù)荷半徑等靜態(tài)參數(shù)。得出水平方向上樣車質(zhì)心距樣車中心對(duì)稱平面的距離為10.34 mm，樣車質(zhì)心距前軸的距離為2 701.41 mm。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)方法(但未將支撐車輪替換為輪胎假人)，在樣車翻轉(zhuǎn)一側(cè)的車輪下方插入紙片，將樣車進(jìn)行傾側(cè)直至該紙片可輕松抽出，此時(shí)可判定為樣車側(cè)傾至極限位置。記錄樣車側(cè)傾至極限位置的角度為38.6°。計(jì)算得出樣車的質(zhì)心高度為1 181.57 mm。

2.3 結(jié)果分析

建模計(jì)算及樣車2次測(cè)試可知：采用帶稱重功能的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法和ISO 19380:2019中的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法得出的質(zhì)心高度結(jié)果都很接近；第一種試驗(yàn)方案試驗(yàn)過程簡單，危險(xiǎn)性較小；ISO 19380:2019的試驗(yàn)過程復(fù)雜，采用特定的輪胎假人代替車輪，減少車輛彈性形變，但需要將車輛側(cè)傾至極限位置，存在一定危險(xiǎn)性。且需要注意的是，現(xiàn)階段關(guān)于車輛的質(zhì)心測(cè)量方法都存在著一定誤差，因?yàn)椴煌能囕v存在的不確定因素過多，所以在測(cè)量精度上不同測(cè)試方法會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有不同的影響。

3 結(jié)語

我國商用車種類多樣，上裝部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車輛質(zhì)心位置的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于車輛操縱穩(wěn)定性、安全性等方面有著重要影響。本文介紹了國內(nèi)外常用的質(zhì)心測(cè)量方法，分析了實(shí)際測(cè)試過程中的各方法的影響因素，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。采用側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法和ISO 19380:2019中的側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)法，對(duì)某樣車進(jìn)行車輛質(zhì)心的實(shí)測(cè)，對(duì)比分析2次試驗(yàn)的過程及質(zhì)心高度。結(jié)果表明：基于2種不同測(cè)試原理得出的質(zhì)心結(jié)果相差很小，可以在后續(xù)進(jìn)行多次多車型的質(zhì)心對(duì)比試驗(yàn)。若試驗(yàn)結(jié)果依然相差很小，可以將現(xiàn)有2種標(biāo)準(zhǔn)推薦的試驗(yàn)方案相結(jié)合，取其各自的優(yōu)點(diǎn)：在采用輪胎假人，但不將車輛側(cè)傾至極限位置下，記錄各車輪的輪胎負(fù)荷，再進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算。采用該方案進(jìn)行測(cè)試，既可以精簡試驗(yàn)流程，又可以降低試驗(yàn)危險(xiǎn)性，提高測(cè)試效率，為商用車輛質(zhì)心測(cè)量方法的發(fā)展方向提出新的思路。