淺析質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量整車重心高度的誤差及優(yōu)化方法

林泛業(yè)，孔令年，梁天鍵，黃烈錦，李涇

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淺析質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量整車重心高度的誤差及優(yōu)化方法

林泛業(yè)，孔令年，梁天鍵，黃烈錦，李涇

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院試驗(yàn)認(rèn)證部，廣東 廣州 511434）

文章首先簡(jiǎn)述質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量汽車整車重心高度的試驗(yàn)方法及原理，分析該試驗(yàn)方法產(chǎn)生的誤差及其原因。針對(duì)誤差來(lái)源，提出改進(jìn)試驗(yàn)的方法。通過(guò)理論分析及實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證上述分析及優(yōu)化措施的有效性。

重心高度；試驗(yàn)方法；誤差修正

引言

汽車的整車重心位置是車輛的重要參數(shù)之一，對(duì)車輛的行駛安全性、操縱穩(wěn)定性、駕駛性等各項(xiàng)性能都有較大的影響。尤其在極限行駛情況下，重心位置偏高往往導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻、失控等事故。因此，在車輛開發(fā)過(guò)程中，有必要對(duì)整車重心位置進(jìn)行測(cè)量及把控。在表示車輛重心空間位置的三個(gè)坐標(biāo)中，兩個(gè)水平面內(nèi)的坐標(biāo)比較容易測(cè)得，試驗(yàn)精度也較容易保證，本文不做論述。對(duì)于第三個(gè)坐標(biāo)，車輛重心高度的測(cè)量，主流的試驗(yàn)方法主要為質(zhì)量反應(yīng)法，包括縱向抬高法及側(cè)傾法。如國(guó)標(biāo)GB/T 12538-2003《兩軸道路車輛重心位置的測(cè)定》所述方法即為縱向抬高法。質(zhì)量反應(yīng)法操作簡(jiǎn)單、效率較高，但在實(shí)際運(yùn)用中影響因素較多、誤差較大。本文分析該方法法在測(cè)量整車重心高度過(guò)程中的誤差來(lái)源及其產(chǎn)生原因，簡(jiǎn)析一種從源頭上避免誤差的試驗(yàn)改進(jìn)方法，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果。

1 質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量原理及誤差

1.1 縱向抬高法（國(guó)標(biāo)）測(cè)試方法及公式

國(guó)標(biāo)GBT 12538-2003采用的是縱向抬高法，測(cè)試時(shí)逐步抬高一軸，記錄抬高的角度及另一軸的軸載荷。

以抬高前軸為例，先將車輛置于水平面上，測(cè)量前、后軸靜態(tài)重量及車輛總重量，分別記為、及。測(cè)量車輛軸距，記為。記車輛重心到前軸輪心的距離為S，則有以下公式：

l=WS （1）

抬高前軸，使車輛縱傾一個(gè)角度θ，如圖1，測(cè)量此時(shí)后軸重量并記為。

圖1 縱向抬高法

以前軸輪心為原點(diǎn)取力矩平衡，則有：

式中，H為重心位置到輪心的垂直高度。

將式（1）代入（2），整理得重心高度ZCG為：

式中，r為輪胎滾動(dòng)半徑r。

抬高后軸同理，公式則為：

式中，為車輛抬高后軸時(shí)的前軸重量。

1.2 側(cè)傾法測(cè)試方法及公式

側(cè)傾法是質(zhì)量反應(yīng)法的另一種形式，同樣是根據(jù)載荷轉(zhuǎn)移的原理。測(cè)試時(shí)，抬高一側(cè)使車輛側(cè)傾，記錄側(cè)傾角度及各個(gè)車輪載荷。需要注意的是，由于車輛前后軸的輪距往往不相等，因此需要分別測(cè)量并計(jì)算其載荷及力矩。

以抬高右側(cè)為例，先將車輛置于水平面上，測(cè)量左前、右前、左后、右后輪載荷及車輛總載荷，分別記為、、、及。測(cè)量車輛前后軸輪距，分別記為前、后。記車輛重心到車輛中心線的距離為Y（以右側(cè)為正），則有以下公式：

抬高右側(cè)，使車輛側(cè)傾一個(gè)角度θ，如圖2，測(cè)量此時(shí)左前、右前、左后、右后輪重量分別記為W'LF、W'RF、W'LR、W'RR。

以車輛重心為原點(diǎn)取力矩平衡，則有：

將式④代入⑤，即可整理得重心高度ZCG為：

（6）

1.3 誤差分析

根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT 12538-2003的規(guī)定，質(zhì)量反應(yīng)法在試驗(yàn)時(shí)，要求車輛形態(tài)不發(fā)生變化，即懸架鎖死、輪胎不產(chǎn)生變形。但是，在實(shí)際測(cè)量中，懸架不可能完全鎖死，并且加裝鎖止機(jī)構(gòu)也容易因引入夾具重量而引入新的誤差。同時(shí)輪胎、橡膠襯套等彈性件也不可避免地產(chǎn)生變形。

進(jìn)一步分析可知，隨著車身的傾斜，車輛產(chǎn)生載荷轉(zhuǎn)移：抬高的一側(cè)載荷減小，懸架彈簧伸長(zhǎng)；另一側(cè)則由于載荷增大，懸架彈簧壓縮。同理，輪胎、襯套等彈性體所受重力載荷分配也發(fā)生同樣的變化：抬高端載荷減小，彈性件變形減小，體積拉伸；另一端則載荷增大，彈性件變形增大，體積壓縮。懸架伸縮及彈性件變形兩個(gè)因素都是趨向于增加車輛實(shí)際傾斜角度。因此車輛在傾斜θ時(shí)，由于懸架及彈性件的變形，實(shí)際車身的傾斜角度為θ+δ。

公式相應(yīng)調(diào)整為：

在該狀態(tài)下，由于車輛自身內(nèi)部形狀改變，通過(guò)以上公式所測(cè)得的重心位置也只是車輛正常形態(tài)下的近似值。

2 試驗(yàn)方法優(yōu)化

通過(guò)以上分析可以得知，質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量整車重心高度的誤差主要來(lái)源于車輛在傾斜過(guò)程中懸架及輪胎等彈性的變形。因此，在車輛傾斜過(guò)程中，固定車輛，使車輛姿態(tài)保持不變，其懸架彈性件不產(chǎn)生變形是一種有效的消除誤差方式。

如圖3所示，通過(guò)夾持車身翻邊將車輛以不變的姿態(tài)固定在一個(gè)平臺(tái)上，傾斜平臺(tái)，將車輛及平臺(tái)作為一個(gè)固結(jié)的整體來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，則載荷轉(zhuǎn)移的同時(shí)車輛懸架、輪胎不產(chǎn)生變形。測(cè)量車輛及平臺(tái)組合體的重心高度，再刨除平臺(tái)本身的重心高度，即可得到車輛本身的重心高度。

圖3 測(cè)試平臺(tái)及裝夾

平臺(tái)下端的支撐圓柱體與平臺(tái)之間，使用銷連接，目的是使平臺(tái)傾斜時(shí)支撐圓柱體通過(guò)自由旋轉(zhuǎn)保持垂直狀態(tài)，以測(cè)得其垂直載荷并消除切向力的影響。連接銷到地面高度為a，支撐圓柱體前后距離為L(zhǎng)（根據(jù)試驗(yàn)車輛軸距調(diào)整），如圖3所示。

則通過(guò)縱向抬高法，可測(cè)得車輛及平臺(tái)組合體的重心高度為：

式中：

1——為車輛及平臺(tái)傾斜時(shí)后軸重量；

1——為車輛及平臺(tái)水平放置時(shí)后軸重量；

1——為車輛及平臺(tái)水平放置時(shí)總重量；

同理，取掉車輛，僅對(duì)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，可測(cè)得平臺(tái)自身重心高度為：

式中：

2——為平臺(tái)傾斜時(shí)后軸重量；

2——為平臺(tái)水平放置時(shí)后軸重量；

——為平臺(tái)總重量；

對(duì)于車輛及平臺(tái)組合體，根據(jù)力矩平衡，有：

可得：

3 實(shí)車驗(yàn)證

選取一臺(tái)城市SUV進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將車輛放置在平臺(tái)上，采用上述的優(yōu)化試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得該車重心高度為H1=662mm。

同時(shí)，對(duì)同一輛試驗(yàn)車輛在側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)上采用常規(guī)的質(zhì)量反應(yīng)法——側(cè)傾法進(jìn)行重心測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在接近車輛中心線位置處放置一個(gè)傾角儀，觀察車身實(shí)際側(cè)傾角度。在側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)側(cè)傾角度為12.1°時(shí)，由于懸架及輪胎變形，車身實(shí)際側(cè)傾角度為12.8°，即θ=12.1°，（θ+δ）=12.8°。

通過(guò)側(cè)翻試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量得出該車質(zhì)心高度為H2=698mm。可見(jiàn)，由于懸架及輪胎的變形，常規(guī)的質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量整車重心誤差可達(dá)36mm，對(duì)于整車重心的評(píng)估有較大影響。

4 小結(jié)

由上述實(shí)車驗(yàn)證可見(jiàn)，質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)量整車重心高度的主要誤差來(lái)源，為懸架及輪胎、橡膠襯套等彈性件的變形。車輛傾斜時(shí)，由于載荷轉(zhuǎn)移，懸架及彈性件的變形不可避免。國(guó)標(biāo)GBT 12538-2003中雖有“車輛懸架應(yīng)當(dāng)鎖死，避免車輛傾斜改變變形狀況”的規(guī)定，但并沒(méi)有指出鎖死的方法。同時(shí)，從地面到車身的整套懸架系統(tǒng)包含彈簧、減振器、橡膠襯套、輪胎等彈性件，逐個(gè)鎖止既不現(xiàn)實(shí)也會(huì)因引入夾具質(zhì)量而干擾試驗(yàn)結(jié)果。而通過(guò)本文介紹的平臺(tái)固定法，針對(duì)誤差來(lái)源修正試驗(yàn)方法，則是從源頭上避免誤差的產(chǎn)生，不失為一種理想的解決之道。

[1] 葛在,趙創(chuàng)林等,GB/T 12538-2003《兩軸道路車輛重心位置的測(cè)定》[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[2] 劉建忠,測(cè)試汽車質(zhì)心高度的幾種主要方法及其比較[J].濟(jì)南:遼寧交通科技,1995.123:43-46.

The error and optimization method of measuring height of center of gravity ofvehicle by mass reaction method are analyzed

Lin Fanye, Kong Lingnian, Liang Tianjian, Huang Liejin, Li Jing

（Testing&Validation Div., Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co., LTD.,Guangdong Guangzhou 511434）

This paper discusses the test method of the CG height of vehicle based on gravity reaction, then analyses it’s deviation. Aiming at that deviation, an optimization method is proposed. At last, the efficiency of that optimization method is validated in both theory and experiment.

CG height; Method of test; Deviation correction

U462

A

1671-7988(2019)08-77-03

U462

A

1671-7988(2019)08-77-03

林泛業(yè)，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院試驗(yàn)認(rèn)證部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.024