轻卡质心位置测量方法探究

李苗 成少波 周志明 杨剑

摘要：质心位置是评价汽车的重要指标，而质心位置的测量难点在于质心高度的测量。目前，为了使测量更加准确，大部分试验方法都需要锁紧悬架，但是真正操作起来难度比较大。本文采用平台支撑反力法进行测量，并通过簧上质量、簧下质量占比的方式，探索出一种在不锁紧悬架的情况下可以准确测量质心高度的方法。

关键词：轻卡质心高度;平台支撑反力法;测量方法

中图分类号：U469.2

收稿日期：2021-11-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.009

1前言

汽车质心位置对汽车操纵稳定性、平顺性和制动安全性等评价汽车性能的重要指标都有较大的影响。只有准确地确定汽车的质心位置，才能对汽车性能指标做出客观的评价。在汽车产品开发过程中，通常都是根据汽车各总成的质心位置计算出整车质心位置，但由于加工、装配等因素的影响，计算出的质心位置往往存在着很大的误差。因此，在汽车定型试验中，正确选择测量方式和测试仪器，设法提高测试精度，成为汽车质心位置测试中所要解决的核心问题。

2质心位置测量方法介绍

目前，国内外测定汽车质心位置主要有以下几种方法：

a.摇摆法。试验时，将汽车置于试验平台上，试验平台相当于一个复摆，汽车随平台一起自由摆动。改变复摆臂长，测量摆动周期，根据单自由度弱阻尼微振原理计算出汽车质心高度。

b.悬挂法。根据物体自由懸挂时质心必定通过悬挂点垂直平面的原理来确定质心位置，测量时选取三个以上的悬挂点，利用不同悬挂点所确定的垂直平面交点，求出质心位置。

c.零位法。根据平衡物体的质心位于通过支撑线垂直平面内的原理来确定质心位置，测量时，将汽车放在具有双支撑刃口的平台上，将平台倾斜至某一角度，使系统质心通过一刃口的垂直平面，测量有关参数。再将平台倾斜至另一角度，使系统质心通过另一刃口的垂直平面，然后计算出汽车质心位置。

d.平台支撑反力法。将被测汽车放置在平台上，试验时把汽车和平台同时升到某一角度，测量质量的重新分配值，计算出质心高度。

在上述几种测量方法中，摇摆法所需设备复杂，局限性很大。悬挂法无法测试大型车辆，因为难以选择能够承受整车质量的悬挂点，而且悬挂后整车变形幅度很大，测试精度不高，因此也很少采用。

本文利用NAST翻转平台，应用平台支撑反力法更准确地测量质心位置。3试验设备所需试验设备包括翻转平台（图1）、轮荷仪（图2）、角度仪（图3），见表1。

4测试方法

4.1质心水平位置测量

将车辆放置在水平位置（即翻转台角度为0°），使用轮荷仪测量各个轮荷，质心距整车中心线距离计算（左负右正）：

质心距前轴中心距离W计算：

式中，a，为左为前轮质量，kg;a，为右前轮质量，kg;b，为左后轮质量，kg;b，为右后轮质量，kg;G为总质量，kg;L，为前轮距，mm;L，为后轮距，mm;L，为轴距，mm。

以某车型空载为例，测得其轮距、轴距等数据（表2）。

通过以上数据，使用式（1）、式（2）计算质心距前轴中心距离W=1447.27mm，距整车中心线距离M=0mm。

4.2质心高度测量

将车辆置于翻转台上，沿X方向翻转角度A，计算质心高度H：

式中，各变量含义同式（2）。

以翻转台角度计算质心高度。测量翻转台在8°、10°、12°时的各轮轮荷，并使用式（3）分别计算其质心高度，取均值得到质心高度H=797.95mm。同时，检核不同翻转角度下的总质量：

式中，G，为计算质量，kg;G为轮荷仪质量，kg;A为翻转台角度，（）。

基于翻转台0°时的质量G对计算质量做误差计算：

计算结果见表3，发现随着翻转角度增大，误差的绝对值逐渐增大，说明翻转台角度偏小，则最终得到的质心高度H偏大。

车辆随翻转台翻转时，使用角度仪测得车身角度，以车身角度计算质心高度H=701.23mm。同样进行误差计算，误差值随着车身角度增大而增大，说明车身角度偏大（表4）。

产生此种误差的原因是车辆翻转时，其悬架系统发生变形，导致车身角度比实际翻转角度大，最终得到的质心高度值偏小。

在车辆翻转的时候，真正发生变形的部位主要是板簧，因此把整车质量分为簧下质量和簧上质量两部分。簧下质量指不由悬架系统的弹性元件所支撑的质量，一般包括车轮、弹簧、减震器以及其他相关部件等，簧上质量就是车辆剩余部分的质量。

定义簧下质量占比P=簧下质量/整备质量，计算角度=翻转台角度×P+车身角度×（1-P）。使用计算角度计算质心高度H=719.57mm。做质量校核后，不同翻转角度下的误差均降到0.1%以下，说明通过计算角度得到的质心高度最贴近真实值（表5）。

4.3锁紧悬架后的质心高度

为验证通过计算角度得到的质心高度的准确性，使用U型螺栓将车辆板簧前后端锁紧（图4），避免车辆随翻转台翻转时板簧发生变形，保证翻转角度最接近车辆真实侧倾角度。使用轮荷仪分别测得8°、10°、12°时的轮荷，通过式（3）得到质心高度H=717.26mm，与使用计算角度得到的质心高度差值仅为2.31mm。

4.4使用CAE软件计算理论质心高度

在Hyperm㎡esh软件中导入整车数模，在templatefile中调用质心计算模块ctr_ofgravity，计算该车型的理论质心高度（图5）。如表6所示，与实测质心高度的误差值为7.04mm。

4.5质心高度误差计算

基于Iypermesh计算的质心高度值，对通过翻转角度、车身角度、计算角度和锁紧悬架后得到的质心高度做误差计算（表7）。使用计算角度和锁紧悬架两种方式得到的质心高度误差均在1%以内，论证了使用计算角度计算质心高度的准确性。

5结语

本文基于平台支撑反力法，通过引入簧上质量、簧下质量占比的方式大大提高了质心高度测量的精度，并通过锁紧悬架、CAE软件计算两种方式加以证明，探索出了一种可推广、可操作的质心位置测量方法。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].第6版北京：机械工业出版社，2018.

[2]刘建忠.测试汽车质心高度的几种主要方法及其比较[J]辽宁交通科技，1995（6）.43-46.

[3]方春杰.纯电动汽车质心侧偏角估计及仿真分析[J].汽车工程师，2017（11）：34-38.

作者简介：

李苗，男，1995年生，助理工程师，研究方向为整车试验。