李苗 成少波 周志明 楊劍

摘要：質(zhì)心位置是評(píng)價(jià)汽車(chē)的重要指標(biāo)，而質(zhì)心位置的測(cè)量難點(diǎn)在于質(zhì)心高度的測(cè)量。目前，為了使測(cè)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(lái)難度比較大。本文采用平臺(tái)支撐反力法進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)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(cè)量質(zhì)心高度的方法。

關(guān)鍵詞：輕卡質(zhì)心高度;平臺(tái)支撐反力法;測(cè)量方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.2

收稿日期：2021-11-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.009

1前言

汽車(chē)質(zhì)心位置對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、平順性和制動(dòng)安全性等評(píng)價(jià)汽車(chē)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(chē)的質(zhì)心位置，才能對(duì)汽車(chē)性能指標(biāo)做出客觀的評(píng)價(jià)。在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常都是根據(jù)汽車(chē)各總成的質(zhì)心位置計(jì)算出整車(chē)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(chē)定型試驗(yàn)中，正確選擇測(cè)量方式和測(cè)試儀器，設(shè)法提高測(cè)試精度，成為汽車(chē)質(zhì)心位置測(cè)試中所要解決的核心問(wèn)題。

2質(zhì)心位置測(cè)量方法介紹

目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)定汽車(chē)質(zhì)心位置主要有以下幾種方法：

a.搖擺法。試驗(yàn)時(shí)，將汽車(chē)置于試驗(yàn)平臺(tái)上，試驗(yàn)平臺(tái)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)擺，汽車(chē)隨平臺(tái)一起自由擺動(dòng)。改變復(fù)擺臂長(zhǎng)，測(cè)量擺動(dòng)周期，根據(jù)單自由度弱阻尼微振原理計(jì)算出汽車(chē)質(zhì)心高度。

b.懸掛法。根據(jù)物體自由懸掛時(shí)質(zhì)心必定通過(guò)懸掛點(diǎn)垂直平面的原理來(lái)確定質(zhì)心位置，測(cè)量時(shí)選取三個(gè)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(guò)支撐線垂直平面內(nèi)的原理來(lái)確定質(zhì)心位置，測(cè)量時(shí)，將汽車(chē)放在具有雙支撐刃口的平臺(tái)上，將平臺(tái)傾斜至某一角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過(guò)一刃口的垂直平面，測(cè)量有關(guān)參數(shù)。再將平臺(tái)傾斜至另一角度，使系統(tǒng)質(zhì)心通過(guò)另一刃口的垂直平面，然后計(jì)算出汽車(chē)質(zhì)心位置。

d.平臺(tái)支撐反力法。將被測(cè)汽車(chē)放置在平臺(tái)上，試驗(yàn)時(shí)把汽車(chē)和平臺(tái)同時(shí)升到某一角度，測(cè)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(cè)量方法中，搖擺法所需設(shè)備復(fù)雜，局限性很大。懸掛法無(wú)法測(cè)試大型車(chē)輛，因?yàn)殡y以選擇能夠承受整車(chē)質(zhì)量的懸掛點(diǎn)，而且懸掛后整車(chē)變形幅度很大，測(cè)試精度不高，因此也很少采用。

本文利用NAST翻轉(zhuǎn)平臺(tái)，應(yīng)用平臺(tái)支撐反力法更準(zhǔn)確地測(cè)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(tái)（圖1）、輪荷儀（圖2）、角度儀（圖3），見(jiàn)表1。

4測(cè)試方法

4.1質(zhì)心水平位置測(cè)量

將車(chē)輛放置在水平位置（即翻轉(zhuǎn)臺(tái)角度為0°），使用輪荷儀測(cè)量各個(gè)輪荷，質(zhì)心距整車(chē)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(chē)型空載為例，測(cè)得其輪距、軸距等數(shù)據(jù)（表2）。

通過(guò)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(chē)中心線距離M=0mm。

4.2質(zhì)心高度測(cè)量

將車(chē)輛置于翻轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)角度計(jì)算質(zhì)心高度。測(cè)量翻轉(zhuǎn)臺(tái)在8°、10°、12°時(shí)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(shí)，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(tái)角度，（）。

基于翻轉(zhuǎn)臺(tái)0°時(shí)的質(zhì)量G對(duì)計(jì)算質(zhì)量做誤差計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，發(fā)現(xiàn)隨著翻轉(zhuǎn)角度增大，誤差的絕對(duì)值逐漸增大，說(shuō)明翻轉(zhuǎn)臺(tái)角度偏小，則最終得到的質(zhì)心高度H偏大。

車(chē)輛隨翻轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)時(shí)，使用角度儀測(cè)得車(chē)身角度，以車(chē)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(chē)身角度增大而增大，說(shuō)明車(chē)身角度偏大（表4）。

產(chǎn)生此種誤差的原因是車(chē)輛翻轉(zhuǎn)時(shí)，其懸架系統(tǒng)發(fā)生變形，導(dǎo)致車(chē)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(chē)輛翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，真正發(fā)生變形的部位主要是板簧，因此把整車(chē)質(zhì)量分為簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量?jī)刹糠??；上沦|(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(chē)輪、彈簧、減震器以及其他相關(guān)部件等，簧上質(zhì)量就是車(chē)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(tái)角度×P+車(chē)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(shuō)明通過(guò)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(guò)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(chē)輛板簧前后端鎖緊（圖4），避免車(chē)輛隨翻轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)時(shí)板簧發(fā)生變形，保證翻轉(zhuǎn)角度最接近車(chē)輛真實(shí)側(cè)傾角度。使用輪荷儀分別測(cè)得8°、10°、12°時(shí)的輪荷，通過(guò)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(chē)數(shù)模，在templatefile中調(diào)用質(zhì)心計(jì)算模塊ctr_ofgravity，計(jì)算該車(chē)型的理論質(zhì)心高度（圖5）。如表6所示，與實(shí)測(cè)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(duì)通過(guò)翻轉(zhuǎn)角度、車(chē)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?xún)?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(yǔ)

本文基于平臺(tái)支撐反力法，通過(guò)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(cè)量的精度，并通過(guò)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(cè)量方法。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]劉建忠.測(cè)試汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角估計(jì)及仿真分析[J].汽車(chē)工程師，2017（11）：34-38.

作者簡(jiǎn)介：

李苗，男，1995年生，助理工程師，研究方向?yàn)檎?chē)試驗(yàn)。