吳振昕 盧炳武 黃朝勝 付振 程悅

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法研究

吳振昕 盧炳武 黃朝勝 付振 程悅

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于乘用車(chē)雙軸K&C試驗(yàn)臺(tái)具有的乘用車(chē)懸架K&C特性測(cè)量及乘用車(chē)整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量的功能，開(kāi)發(fā)了一種用于商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了駕駛室安裝支架。針對(duì)兩款商用車(chē)駕駛室進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)車(chē)測(cè)量。結(jié)果表明，所提出的測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、測(cè)量精度高，可完全滿(mǎn)足駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精確測(cè)量的需要。

1 前言

隨著高速公路的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)重型載貨汽車(chē)在高速、長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離運(yùn)輸時(shí)的舒適性要求日益增加。影響重型載貨汽車(chē)舒適性的系統(tǒng)包括輪胎、懸架和駕駛室等。目前，我國(guó)很多企業(yè)將駕駛室懸置隔振技術(shù)引入到商用車(chē)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(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以獲取這一參數(shù)是進(jìn)行商用車(chē)駕駛室懸置匹配的前提。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)整車(chē)和動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[2～5]，但由于駕駛室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量與體積較大，尚沒(méi)有較好的技術(shù)手段對(duì)駕駛室的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行精確測(cè)量，往往根據(jù)駕駛室布置時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)估算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或參考同類(lèi)車(chē)型的經(jīng)驗(yàn)值，使得商用車(chē)駕駛室懸置匹配分析產(chǎn)生較大的誤差。

為此，本文根據(jù)乘用車(chē)雙軸K&C試驗(yàn)臺(tái)具有的乘用車(chē)懸架K&C特性測(cè)量及乘用車(chē)整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量的功能，研究開(kāi)發(fā)了一種用于商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方法，以提高商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量精度。

2 駕駛室總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試原理

2.1 基于K&C試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量原理

圖1為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量原理。如圖1所示，被測(cè)物體由試驗(yàn)夾具固定在K&C試驗(yàn)臺(tái)上，圖中A、B、C、D為固定點(diǎn)。試驗(yàn)夾具不僅起到固定作用，同時(shí)還安裝有力傳感器和力矩傳感器，可直接測(cè)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(diǎn):（FAXFAYFAZ）T，（MAXMAYMAZ）T；B點(diǎn):（FBXFBYFBZ）T，（MBXMBYMBZ）T；C點(diǎn):（FCXFCYFCZ）T，（MCXMCYMCZ）T；D點(diǎn):（FDXFDYFDZ）T，（MDXMDYMDZ）T。同時(shí)設(shè)定測(cè)量對(duì)象的質(zhì)心為o′點(diǎn)，測(cè)量對(duì)象坐標(biāo)系為xyzo′。

K&C試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)沿z方向的快速振動(dòng)及繞x軸、y軸方向的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，精確測(cè)出被測(cè)對(duì)象的質(zhì)心位置。質(zhì)心位置確定后，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由以下方式測(cè)得。

定義測(cè)量對(duì)象相對(duì)于其自身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

首先K&C試驗(yàn)臺(tái)繞z向做橫擺運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)原理，可得被測(cè)對(duì)象橫擺運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為[6～8]：

式中，δ為試驗(yàn)臺(tái)繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；分別為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角加速度，由試驗(yàn)臺(tái)給定；∑Mxz、∑Myz和∑Mzz由A、B、C、D4點(diǎn)的力和力矩確定。

對(duì)式（2）簡(jiǎn)化得：

然后K&C試驗(yàn)臺(tái)繞x向做側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，同理可得被測(cè)對(duì)象側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

對(duì)式（4）簡(jiǎn)化得：

式中，β為試驗(yàn)臺(tái)繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；分別為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角加速度，由試驗(yàn)臺(tái)給定；∑Mxx、∑Myx和∑Mzx由A、B、C、D4點(diǎn)的力和力矩確定。

最后K&C試驗(yàn)臺(tái)繞y向做俯仰運(yùn)動(dòng)，同理可得被測(cè)對(duì)象俯仰運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

對(duì)式（6）簡(jiǎn)化得：

式中，α為K&C試驗(yàn)臺(tái)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；分別為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角加速度，由試驗(yàn)臺(tái)給定；∑Mxy、∑Myy和∑Mzy由A、B、C、D4點(diǎn)的力和力矩確定。

在上述測(cè)量過(guò)程中，將Jxy、Jyx、Jxz、Jzx、Jyz及Jzy分別進(jìn)行處理。而剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣應(yīng)該是對(duì)稱(chēng)矩陣，亦即Jxy=Jyx，Jxz=Jzx，Jyz=Jzy，所以在試驗(yàn)結(jié)果處理上實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣為對(duì)稱(chēng)矩陣，由式（1）～式（7）可得被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量臺(tái)架測(cè)試方法

由于商用車(chē)駕駛室體積大、質(zhì)量重、形狀不規(guī)則，無(wú)法直接安裝在K&C試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，因此提出采用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分離法來(lái)間接測(cè)量駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其基本原理如圖2所示。

定義mS為駕駛室安裝支架質(zhì)量，JS為安裝支架相對(duì)于其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，點(diǎn)S為安裝支架相對(duì)于K&C試驗(yàn)臺(tái)的質(zhì)心，mT為安裝支架與駕駛室固定在一起的總質(zhì)量，JT為安裝支架與駕駛室固定在一起時(shí)相對(duì)于其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；點(diǎn)T為安裝支架與駕駛室固定在一起時(shí)相對(duì)于K&C試驗(yàn)臺(tái)的質(zhì)心，mR為駕駛室質(zhì)量，JR為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，R點(diǎn)為駕駛室相對(duì)于K&C試驗(yàn)臺(tái)的質(zhì)心。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量分為以下3步。

a.測(cè)量駕駛室安裝支架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

當(dāng)駕駛室安裝支架單獨(dú)固定在K&C試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，可利用式（8）測(cè)得其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS：

b.測(cè)量駕駛室安裝支架與駕駛室整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

將被測(cè)駕駛室安裝在支架上并固定在K&C試驗(yàn)臺(tái)上，同樣利用式（8）測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JT：

c.分離駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

駕駛室的質(zhì)量計(jì)算式為：

利用式（11）確定駕駛室質(zhì)心位置：

由多體動(dòng)力學(xué)慣量移點(diǎn)定理求得駕駛室相對(duì)于其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JR為：

3 安裝支架設(shè)計(jì)及駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量

3.1 駕駛室安裝支架設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)駕駛室安裝支架時(shí)，要求其強(qiáng)度好、剛度高、自身質(zhì)量慣性參數(shù)相對(duì)于駕駛室慣性參數(shù)盡可能小、與力夾具配合裝夾部分位置可調(diào)。經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后設(shè)計(jì)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(gè)支撐板，通過(guò)螺栓固定在左、右縱梁上，可沿縱梁水平調(diào)整位置，在K&C試驗(yàn)臺(tái)力夾具與夾緊連接板夾緊前起支撐作用，以方便調(diào)整力夾具夾緊部分深度（高度方向），當(dāng)4個(gè)力夾具夾緊后拆卸掉框架支撐板；夾緊連接板總成共4個(gè)，通過(guò)螺栓與下橫梁固定在一起，可通過(guò)工藝螺栓調(diào)整其位置，以實(shí)現(xiàn)與K&C臺(tái)架上的4個(gè)夾具位置對(duì)應(yīng)，并在左、右方向可以微調(diào)以調(diào)整夾緊連接板與力夾具結(jié)合面的貼合度；前支架焊接總成共2個(gè)，與駕駛室前端通過(guò)螺栓固定；后支架焊接總成1個(gè)，與駕駛室后端通過(guò)螺栓固定。前、后支架焊接總成均可通過(guò)固定架沿橫梁調(diào)整其位置到最佳狀態(tài)，并隨不同駕駛室連接結(jié)構(gòu)的不同有所變化。

3.2 駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試過(guò)程

為驗(yàn)證所提出的駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法的有效性，分別對(duì)國(guó)產(chǎn)某車(chē)型和國(guó)外某車(chē)型進(jìn)行了駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量。圖4和圖5為兩車(chē)型駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量實(shí)際安裝圖，其中安裝支架的部分結(jié)構(gòu)因不同駕駛室連接結(jié)構(gòu)的不同有所不同。

首先對(duì)駕駛室安裝支架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，測(cè)試完成后將駕駛室固定在安裝支架上，重復(fù)測(cè)試過(guò)程，對(duì)駕駛室和安裝支架一起進(jìn)行測(cè)量，獲取二者固定在一起的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。然后利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分離方法最終得到商用車(chē)駕駛室相對(duì)其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

按照上述測(cè)試步驟，結(jié)合式（9）～式（13）得到兩種車(chē)型安裝支架和整體相對(duì)K&C試驗(yàn)臺(tái)的質(zhì)心位置以及相對(duì)各自質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而進(jìn)一步分離求得駕駛室相對(duì)本身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 國(guó)產(chǎn)某車(chē)型駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量結(jié)果

表2 國(guó)外某車(chē)型駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量結(jié)果

從表1和表2可知，通過(guò)本文所述的駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法可以精確測(cè)得兩輛商用車(chē)駕駛室的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，避免了以往通過(guò)經(jīng)驗(yàn)對(duì)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行估算而導(dǎo)致的問(wèn)題，為依托轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的商用車(chē)性能分析提供了可靠的依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于乘用車(chē)K&C試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了用于商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了駕駛室安裝支架，該支架實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有剛度大、質(zhì)量輕、慣量相對(duì)較小的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的試驗(yàn)需求。通過(guò)對(duì)兩款商用車(chē)駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行的實(shí)車(chē)測(cè)試表明，該方法測(cè)量原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、測(cè)量精度高，完全滿(mǎn)足駕駛室轉(zhuǎn)動(dòng)慣量精確測(cè)量的需要，為依托轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的商用車(chē)性能分析提供了可靠的依據(jù)。

1 龐輝,李紅艷,等.駕駛室懸置系統(tǒng)對(duì)重型車(chē)輛平順性影響的試驗(yàn)研究.汽車(chē)技術(shù),2011（11）:52～56.

2 于彥,謝里陽(yáng),等.汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定.東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,25（3）:280～282.

3 杜登惠,汪曉虎,等.動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量及誤差分析.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù).2007（4）:10～13.

4 高永源,余卓平,等.汽車(chē)三軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).1997,25（4）:492～496.

5 郭峰,呂振華,等.動(dòng)力總成剛體慣性參數(shù)的識(shí)別方法研究.汽車(chē)技術(shù),2004（8）:15～19.

6 郭孔輝.汽車(chē)操縱動(dòng)力學(xué)原理.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

7 Manfrde Mitschke著,陳蔭三譯.汽車(chē)動(dòng)力學(xué).北京：清華大學(xué)出版社，2009.

8 洪嘉振.計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).北京：高等教育出版社, 2002.

（責(zé)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(chē)駕駛室 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 測(cè)量方法

U463.81

A

1000-3703（2015）10-0044-04