商用車駕駛室轉動慣量測量方法研究

吳振昕 盧炳武 黃朝勝 付振 程悅

（中國第一汽車股份有限公司技術中心 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室）

商用車駕駛室轉動慣量測量方法研究

吳振昕 盧炳武 黃朝勝 付振 程悅

（中國第一汽車股份有限公司技術中心 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室）

基于乘用車雙軸K&C試驗臺具有的乘用車懸架K&C特性測量及乘用車整車轉動慣量測量的功能，開發了一種用于商用車駕駛室轉動慣量的測量方法，并設計了駕駛室安裝支架。針對兩款商用車駕駛室進行了轉動慣量實車測量。結果表明，所提出的測量方法原理簡單、可操作性強、測量精度高，可完全滿足駕駛室轉動慣量精確測量的需要。

1 前言

隨著高速公路的發展，用戶對重型載貨汽車在高速、長時間和長距離運輸時的舒適性要求日益增加。影響重型載貨汽車舒適性的系統包括輪胎、懸架和駕駛室等。目前，我國很多企業將駕駛室懸置隔振技術引入到商用車中以提高駕駛室平順性[1]，因影響駕駛室懸置隔振水平的關鍵技術參數是駕駛室轉動慣量，所以獲取這一參數是進行商用車駕駛室懸置匹配的前提。對此，國內外學者對整車和動力總成轉動慣量測量技術進行了相關研究[2～5]，但由于駕駛室結構復雜，質量與體積較大，尚沒有較好的技術手段對駕駛室的轉動慣量進行精確測量，往往根據駕駛室布置時的數據來估算其轉動慣量或參考同類車型的經驗值，使得商用車駕駛室懸置匹配分析產生較大的誤差。

為此，本文根據乘用車雙軸K&C試驗臺具有的乘用車懸架K&C特性測量及乘用車整車轉動慣量測量的功能，研究開發了一種用于商用車駕駛室轉動慣量的測量方法，以提高商用車駕駛室轉動慣量測量精度。

2 駕駛室總成轉動慣量測試原理

2.1 基于K&C試驗臺的轉動慣量測量原理

圖1為轉動慣量測量原理。如圖1所示，被測物體由試驗夾具固定在K&C試驗臺上，圖中A、B、C、D為固定點。試驗夾具不僅起到固定作用，同時還安裝有力傳感器和力矩傳感器，可直接測得平行于x、y、z軸方向的力和繞x、y、z軸方向的力矩，分別定義：A點:（FAXFAYFAZ）T，（MAXMAYMAZ）T；B點:（FBXFBYFBZ）T，（MBXMBYMBZ）T；C點:（FCXFCYFCZ）T，（MCXMCYMCZ）T；D點:（FDXFDYFDZ）T，（MDXMDYMDZ）T。同時設定測量對象的質心為o′點，測量對象坐標系為xyzo′。

K&C試驗臺通過沿z方向的快速振動及繞x軸、y軸方向的緩慢轉動，精確測出被測對象的質心位置。質心位置確定后，轉動慣量可由以下方式測得。

定義測量對象相對于其自身坐標系的轉動慣量為：

首先K&C試驗臺繞z向做橫擺運動，根據牛頓-歐拉動力學原理，可得被測對象橫擺運動的動力學方程為[6～8]：

式中，δ為試驗臺繞z軸的轉動角度；分別為轉動的角速度和角加速度，由試驗臺給定；∑Mxz、∑Myz和∑Mzz由A、B、C、D4點的力和力矩確定。

對式（2）簡化得：

然后K&C試驗臺繞x向做側傾運動，同理可得被測對象側傾運動的動力學方程為：

對式（4）簡化得：

式中，β為試驗臺繞x軸的轉動角度；分別為轉動的角速度和角加速度，由試驗臺給定；∑Mxx、∑Myx和∑Mzx由A、B、C、D4點的力和力矩確定。

最后K&C試驗臺繞y向做俯仰運動，同理可得被測對象俯仰運動的動力學方程為：

對式（6）簡化得：

式中，α為K&C試驗臺繞y軸的轉動角度；分別為轉動的角速度和角加速度，由試驗臺給定；∑Mxy、∑Myy和∑Mzy由A、B、C、D4點的力和力矩確定。

在上述測量過程中，將Jxy、Jyx、Jxz、Jzx、Jyz及Jzy分別進行處理。而剛體的轉動慣量矩陣應該是對稱矩陣，亦即Jxy=Jyx，Jxz=Jzx，Jyz=Jzy，所以在試驗結果處理上實際輸出的轉動慣量矩陣為對稱矩陣，由式（1）～式（7）可得被測對象轉動慣量為：

2.2 轉動慣量臺架測試方法

由于商用車駕駛室體積大、質量重、形狀不規則，無法直接安裝在K&C試驗臺上進行測試，因此提出采用轉動慣量分離法來間接測量駕駛室轉動慣量，其基本原理如圖2所示。

定義mS為駕駛室安裝支架質量，JS為安裝支架相對于其質心轉動慣量，點S為安裝支架相對于K&C試驗臺的質心，mT為安裝支架與駕駛室固定在一起的總質量，JT為安裝支架與駕駛室固定在一起時相對于其質心的轉動慣量；點T為安裝支架與駕駛室固定在一起時相對于K&C試驗臺的質心，mR為駕駛室質量，JR為轉動慣量，R點為駕駛室相對于K&C試驗臺的質心。

轉動慣量的測量分為以下3步。

a.測量駕駛室安裝支架的轉動慣量

當駕駛室安裝支架單獨固定在K&C試驗臺上時，可利用式（8）測得其轉動慣量JS：

b.測量駕駛室安裝支架與駕駛室整體的轉動慣量

將被測駕駛室安裝在支架上并固定在K&C試驗臺上，同樣利用式（8）測得轉動慣量JT：

c.分離駕駛室轉動慣量

駕駛室的質量計算式為：

利用式（11）確定駕駛室質心位置：

由多體動力學慣量移點定理求得駕駛室相對于其質心的轉動慣量JR為：

3 安裝支架設計及駕駛室轉動慣量測量

3.1 駕駛室安裝支架設計

在設計駕駛室安裝支架時，要求其強度好、剛度高、自身質量慣性參數相對于駕駛室慣性參數盡可能小、與力夾具配合裝夾部分位置可調。經過多次改進后設計出了符合上述要求的駕駛室安裝支架，如圖3所示。

駕駛室安裝支架框架中共有4個支撐板，通過螺栓固定在左、右縱梁上，可沿縱梁水平調整位置，在K&C試驗臺力夾具與夾緊連接板夾緊前起支撐作用，以方便調整力夾具夾緊部分深度（高度方向），當4個力夾具夾緊后拆卸掉框架支撐板；夾緊連接板總成共4個，通過螺栓與下橫梁固定在一起，可通過工藝螺栓調整其位置，以實現與K&C臺架上的4個夾具位置對應，并在左、右方向可以微調以調整夾緊連接板與力夾具結合面的貼合度；前支架焊接總成共2個，與駕駛室前端通過螺栓固定；后支架焊接總成1個，與駕駛室后端通過螺栓固定。前、后支架焊接總成均可通過固定架沿橫梁調整其位置到最佳狀態，并隨不同駕駛室連接結構的不同有所變化。

3.2 駕駛室轉動慣量測試過程

為驗證所提出的駕駛室轉動慣量測試方法的有效性，分別對國產某車型和國外某車型進行了駕駛室轉動慣量測量。圖4和圖5為兩車型駕駛室轉動慣量測量實際安裝圖，其中安裝支架的部分結構因不同駕駛室連接結構的不同有所不同。

首先對駕駛室安裝支架的轉動慣量進行單獨測量，測試完成后將駕駛室固定在安裝支架上，重復測試過程，對駕駛室和安裝支架一起進行測量，獲取二者固定在一起的轉動慣量。然后利用轉動慣量分離方法最終得到商用車駕駛室相對其質心的轉動慣量。

按照上述測試步驟，結合式（9）～式（13）得到兩種車型安裝支架和整體相對K&C試驗臺的質心位置以及相對各自質心的轉動慣量，從而進一步分離求得駕駛室相對本身質心的轉動慣量。試驗結果見表1和表2。

表1 國產某車型駕駛室轉動慣量測量結果

表2 國外某車型駕駛室轉動慣量測量結果

從表1和表2可知，通過本文所述的駕駛室轉動慣量測試方法可以精確測得兩輛商用車駕駛室的轉動慣量，避免了以往通過經驗對駕駛室轉動慣量進行估算而導致的問題，為依托轉動慣量的商用車性能分析提供了可靠的依據。

4 結束語

基于乘用車K&C試驗臺，開發設計了用于商用車駕駛室轉動慣量的測量方法，并設計了駕駛室安裝支架，該支架實現了預期的設計目標，具有剛度大、質量輕、慣量相對較小的特點，能夠滿足測量轉動慣量的試驗需求。通過對兩款商用車駕駛室轉動慣量進行的實車測試表明，該方法測量原理簡單、可操作性強、測量精度高，完全滿足駕駛室轉動慣量精確測量的需要，為依托轉動慣量的商用車性能分析提供了可靠的依據。

1 龐輝,李紅艷,等.駕駛室懸置系統對重型車輛平順性影響的試驗研究.汽車技術,2011（11）:52～56.

2 于彥,謝里陽,等.汽車轉動慣量的測定.東北大學學報(自然科學版),2004,25（3）:280～282.

3 杜登惠,汪曉虎,等.動力總成轉動慣量測量及誤差分析.車輛與動力技術.2007（4）:10～13.

4 高永源,余卓平,等.汽車三軸向轉動慣量測量方法研究.同濟大學學報.1997,25（4）:492～496.

5 郭峰,呂振華,等.動力總成剛體慣性參數的識別方法研究.汽車技術,2004（8）:15～19.

6 郭孔輝.汽車操縱動力學原理.南京：江蘇科學技術出版社，2011.

7 Manfrde Mitschke著,陳蔭三譯.汽車動力學.北京：清華大學出版社，2009.

8 洪嘉振.計算多體系統動力學.北京：高等教育出版社, 2002.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月3日。

Research on Measuring Method of Inertia Moment of Commercial Vehicle Cab

Wu Zhenxin,Lu Bingwu,Huang Chaosheng,Fu Zhen,Cheng Yue
（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise&Safety Control, China FAW Co.,Ltd R&D Center）

Based on the functions of passenger vehicle suspension K&C characteristic measuring and passenger vehicle inertia moment measurement of passenger vehicle dual-shaft K&C bench,a method to measure the inertia moment of commercial vehicle cab is developed,and cab mounting bracket is designed.Inertia moment of two commercial vehicle cabs has been measured with this method.The results show that the proposed measurement method is simple and easy to operate with high accuracy,which can accurately measure the inertia moment of cab.

Commercial Vehicle Cab，Inertia Moment，Measurement Method

商用車駕駛室 轉動慣量 測量方法

U463.81

A

1000-3703（2015）10-0044-04