孔令年 高峰 彭良發(fā) 林泛業(yè)

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

當前，消費者對汽車行駛性能的關注度不斷增加，對汽車制造商在車輛操縱穩(wěn)定性和平順性調(diào)校方面的能力提出了更高的要求。影響車輛操縱穩(wěn)定性和平順性的因素有很多，其中簧載質量與非簧載質量之比是重要因素之一[1]，特別是在開發(fā)仿真階段，懸架特性計算需要準確的簧載質量及重心位置作為輸入[2-4]。

簧載質量或非簧載質量在仿真階段一般采用估算法，若需要精確數(shù)據(jù)則需拆解后稱重計算[5]。本文利用簧載部件和非簧載部件的相對運動特性，在測量整車重心高度的同時獲得簧載質量與非簧載質量，并通過實車試驗驗證該方法的可行性。

2 整車重心高度測量

目前，測量整車重心高度需采用的設備主要有：美國MTS系統(tǒng)公司生產(chǎn)的K&C試驗臺（簡稱MTS-K&C試驗臺）和英國AB Dynamics公司生產(chǎn)的K&C試驗臺、抬升軸帶稱重儀、側傾試驗臺、汽車慣量測量設備（Vehicle Inertia Measurement Facility，VIMF）等。

本文主要使用MTS-K&C試驗臺測量整車重心高度，其原理如圖1所示。將被測車輛安裝在夾具上，固定于臺架上方，通過臺架抬升前軸，設車輛的仰角為α，在整車x軸向產(chǎn)生整體重力的分力Fx，F(xiàn)x作用于前軸臺架時產(chǎn)生繞臺架y軸的靜力矩My1，作用于后軸臺架時產(chǎn)生繞臺架y軸的靜力矩My2，通過臺架連接點的六分力傳感器記錄此時的總靜力矩變化。再通過后臺計算，減去因夾具質量導致的靜力矩變化，即可得出整車的重心高度[6]。整車重心高度h的計算公式為：

圖1 MTS-K&C試驗臺重心高度測量原理

式中，P1為總靜力矩變化；P2為夾具靜力矩變化；m為實車質量；L為夾具平面高度。

整車重心高度實車測量試驗如圖2所示，具體試驗過程為：將實車和專用夾具安裝于臺架上；在車輛對應的4個車輪附近安裝可靠的夾持裝置，將車輛固定在夾具上；抬升前軸、降低后軸，使車身縱向后仰約6°，此時記錄繞y軸的總靜力矩變化My；抬升后軸降低前軸，使車身縱向前俯約6°，此時記錄繞y軸總靜力矩變化My；重復此抬升過程，共3次，計算3次測量的平均值作為此次試驗結果。

圖2 整車重心高度測量試驗

該方法能夠可靠地鎖止車輛懸架，得到更準確的整車重心高度，試驗結果精度高、重復性好。

3 簧載質量計算

3.1 懸架高度可調(diào)車輛的簧載質量計算

對于懸架高度可調(diào)的車輛，主要通過懸架高度調(diào)整前、后的整車重心高度來計算簧載質量。如圖3所示，假設懸架調(diào)節(jié)前（低姿態(tài)）整車的質量為M，整車重心高度為H，簧載質量為M1，簧載部分的重心高度為h1，非簧載質量為M2，非簧載部分的重心高度為h2，根據(jù)靜力矩平衡原理，有：

圖3 懸架高度可調(diào)車輛懸架高度調(diào)整前（低姿態(tài)）

又因為：

整車質量不變，調(diào)整懸架高度（高姿態(tài)）使簧載部分整體高度增加a，整車重心的高度為H′，簧載部分的重心高度為H1，如圖4所示。調(diào)高后整車的靜力矩平衡公式為：

圖4 懸架高度可調(diào)車輛懸架高度調(diào)整后（高姿態(tài)）

其中：

由式（2）~式（5）可得簧載質量M1為：

由式（6）可以看出，簧載質量M1與整車質量M、懸架高度調(diào)整前整車重心高度H、懸架高度調(diào)整后整車重心高度H′及懸架調(diào)整的總體高度a有關。

3.2 懸架高度不可調(diào)車輛的簧載質量計算

對于懸架高度不可調(diào)的車輛，通過配載來壓縮懸架高度調(diào)整簧載部分的位置，利用配載前、后的整車重心高度對比計算簧載質量，如圖5所示。假設在整車未配載狀態(tài)下，整車的質量為M3，整車重心的高度為H3，簧載質量為M4，簧載部分的重心高度為h4，非簧載部分的質量為M5，非簧載部分的高度為h5，根據(jù)靜力矩平衡原理，有：

圖5 懸架高度不可調(diào)車輛整備狀態(tài)

在整車配載狀態(tài)下，車內(nèi)座椅配載物質量為m′，配載物重心高度為h6，配載增重后車體懸架壓縮高度為a1，配載前的整備簧載部分重心高為H2，非簧載部分的重心高度也因輪胎變形減小為h5′，此時整車重心高度為H3′,總質量為M3′，如圖6所示[7]。配載后整車的靜力矩平衡公式為：

圖6 懸架高度不可調(diào)車輛配載狀態(tài)

其中:

又因為：

由式（7）~式（10）可得簧載質量M4為：

由式（11）可知，簧載質量M4與以下參數(shù)有關：配載前整車質量M3、整車重心高度H3，配載后整車質量M3′、整車重心高度H3′，配載物質量m′、重心高度h6，懸架壓縮量a1，配載前、后非簧載部分重心高度h5、h5′。其中h5、h5′未知，可以使用假設法確定，以便計算簧載質量M4。

4 相關參數(shù)測量及計算

選取某懸架高度可調(diào)車輛A，測量式（6）中與簧載質量M1相關的參數(shù)。使用MTS-K&C試驗臺測量整車質量及重心高度；用輪眉離地高度變化情況表征懸架高度的變化。車輛A測量參數(shù)如表1所示。

表1 車輛A測量參數(shù)

根據(jù)式（3）、式（6）可得車輛A的簧載質量M1=2147.1 kg，非簧載質量M2=300.9 kg。

選取某懸架高度不可調(diào)的車輛B，測量式（11）中與簧載質量M4相關的參數(shù)。使用MTS-K&C試驗臺測量整車質量及重心高度；使用高度尺測量懸架高度的變化情況；配載物使用標準水人和沙袋，其質量及重心高度已知，其在車上的重心高度通過測量配載物上的重心標記點離地高度計算；由于車輪、轉向節(jié)、軸承、制動器和驅動軸的質量在非簧載質量中占比超過80%，這些部件的重心位置高度均在輪輞中心點處，故配載前、后非簧載部分重心高度以輪輞中心點位置高度為假設高度。車輛B測量參數(shù)如表2所示。

表2 車輛B測量參數(shù)結果

根據(jù)式（10）、式（11）可得車輛B簧載質量M4=1727.7 kg，非簧載質量M5=282.3 kg。

5 結果對比

為驗證以上計算結果的準確性，通過拆解相同配置車輛A與車輛B，對非簧載部分相關的部件進行稱重。與車身連接的部件按50%的質量計入非簧載質量，如下擺臂、彈簧、驅動軸等；獨立連接部件的質量全部計入非簧載質量，如輪胎、制動器、轉向節(jié)等。部件稱重統(tǒng)計結果與基于整車重心高度的計算結果對比如表3所示。

表3 稱重結果與計算結果對比 kg

從表3中可以看出，基于整車重心高度的非簧載質量計算結果與非簧載部分稱重結果相差約3%，表明基于整車重心高度的簧載質量計算方法可行。獲得非簧載部分的重心高度后，通過式（2）、式（7）即可得到簧載部分的重心高度。

6 結束語

在整車上，簧載部分與非簧載部分是相對運動的，這種相對位置關系也會影響整車重心高度。因此利用整車重心高度試驗的結果，通過測量懸架高度變化及其他相關參數(shù)，可計算出簧載質量與非簧載質量。若能確定非簧載質量的重心高度，則簧載部分的重心高度也可以計算得出。后續(xù)將繼續(xù)研究簧載質量與非簧質量的重心水平位置，為底盤調(diào)校開發(fā)提供更詳細的參數(shù)。