孔令年 高峰 彭良發(fā) 林泛業(yè)

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

當(dāng)前，消費(fèi)者對(duì)汽車行駛性能的關(guān)注度不斷增加，對(duì)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(zhì)量與非簧載質(zhì)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(jì)算需要準(zhǔn)確的簧載質(zhì)量及重心位置作為輸入[2-4]。

簧載質(zhì)量或非簧載質(zhì)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(jì)算[5]。本文利用簧載部件和非簧載部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性，在測(cè)量整車重心高度的同時(shí)獲得簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量，并通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

2 整車重心高度測(cè)量

目前，測(cè)量整車重心高度需采用的設(shè)備主要有：美國MTS系統(tǒng)公司生產(chǎn)的K&C試驗(yàn)臺(tái)（簡(jiǎn)稱MTS-K&C試驗(yàn)臺(tái)）和英國AB Dynamics公司生產(chǎn)的K&C試驗(yàn)臺(tái)、抬升軸帶稱重儀、側(cè)傾試驗(yàn)臺(tái)、汽車慣量測(cè)量設(shè)備（Vehicle Inertia Measurement Facility，VIMF）等。

本文主要使用MTS-K&C試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量整車重心高度，其原理如圖1所示。將被測(cè)車輛安裝在夾具上，固定于臺(tái)架上方，通過臺(tái)架抬升前軸，設(shè)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(tái)架時(shí)產(chǎn)生繞臺(tái)架y軸的靜力矩My1，作用于后軸臺(tái)架時(shí)產(chǎn)生繞臺(tái)架y軸的靜力矩My2，通過臺(tái)架連接點(diǎn)的六分力傳感器記錄此時(shí)的總靜力矩變化。再通過后臺(tái)計(jì)算，減去因夾具質(zhì)量導(dǎo)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(jì)算公式為：

圖1 MTS-K&C試驗(yàn)臺(tái)重心高度測(cè)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(shí)車質(zhì)量；L為夾具平面高度。

整車重心高度實(shí)車測(cè)量試驗(yàn)如圖2所示，具體試驗(yàn)過程為：將實(shí)車和專用夾具安裝于臺(tái)架上；在車輛對(duì)應(yīng)的4個(gè)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(shí)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(shí)記錄繞y軸總靜力矩變化My；重復(fù)此抬升過程，共3次，計(jì)算3次測(cè)量的平均值作為此次試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 整車重心高度測(cè)量試驗(yàn)

該方法能夠可靠地鎖止車輛懸架，得到更準(zhǔn)確的整車重心高度，試驗(yàn)結(jié)果精度高、重復(fù)性好。

3 簧載質(zhì)量計(jì)算

3.1 懸架高度可調(diào)車輛的簧載質(zhì)量計(jì)算

對(duì)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(jì)算簧載質(zhì)量。如圖3所示，假設(shè)懸架調(diào)節(jié)前（低姿態(tài)）整車的質(zhì)量為M，整車重心高度為H，簧載質(zhì)量為M1，簧載部分的重心高度為h1，非簧載質(zhì)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?yàn)椋?/p>

整車質(zhì)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(zhì)量M1為：

由式（6）可以看出，簧載質(zhì)量M1與整車質(zhì)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(guān)。

3.2 懸架高度不可調(diào)車輛的簧載質(zhì)量計(jì)算

對(duì)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(duì)比計(jì)算簧載質(zhì)量，如圖5所示。假設(shè)在整車未配載狀態(tài)下，整車的質(zhì)量為M3，整車重心的高度為H3，簧載質(zhì)量為M4，簧載部分的重心高度為h4，非簧載部分的質(zhì)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(zhì)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(shí)整車重心高度為H3′,總質(zhì)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?yàn)椋?/p>

由式（7）~式（10）可得簧載質(zhì)量M4為：

由式（11）可知，簧載質(zhì)量M4與以下參數(shù)有關(guān)：配載前整車質(zhì)量M3、整車重心高度H3，配載后整車質(zhì)量M3′、整車重心高度H3′，配載物質(zhì)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(shè)法確定，以便計(jì)算簧載質(zhì)量M4。

4 相關(guān)參數(shù)測(cè)量及計(jì)算

選取某懸架高度可調(diào)車輛A，測(cè)量式（6）中與簧載質(zhì)量M1相關(guān)的參數(shù)。使用MTS-K&C試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量整車質(zhì)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(cè)量參數(shù)如表1所示。

表1 車輛A測(cè)量參數(shù)

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

選取某懸架高度不可調(diào)的車輛B，測(cè)量式（11）中與簧載質(zhì)量M4相關(guān)的參數(shù)。使用MTS-K&C試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量整車質(zhì)量及重心高度；使用高度尺測(cè)量懸架高度的變化情況；配載物使用標(biāo)準(zhǔn)水人和沙袋，其質(zhì)量及重心高度已知，其在車上的重心高度通過測(cè)量配載物上的重心標(biāo)記點(diǎn)離地高度計(jì)算；由于車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、軸承、制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)軸的質(zhì)量在非簧載質(zhì)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(diǎn)處，故配載前、后非簧載部分重心高度以輪輞中心點(diǎn)位置高度為假設(shè)高度。車輛B測(cè)量參數(shù)如表2所示。

表2 車輛B測(cè)量參數(shù)結(jié)果

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

5 結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證以上計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過拆解相同配置車輛A與車輛B，對(duì)非簧載部分相關(guān)的部件進(jìn)行稱重。與車身連接的部件按50%的質(zhì)量計(jì)入非簧載質(zhì)量，如下擺臂、彈簧、驅(qū)動(dòng)軸等；獨(dú)立連接部件的質(zhì)量全部計(jì)入非簧載質(zhì)量，如輪胎、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向節(jié)等。部件稱重統(tǒng)計(jì)結(jié)果與基于整車重心高度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 稱重結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kg

從表3中可以看出，基于整車重心高度的非簧載質(zhì)量計(jì)算結(jié)果與非簧載部分稱重結(jié)果相差約3%，表明基于整車重心高度的簧載質(zhì)量計(jì)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(jié)束語

在整車上，簧載部分與非簧載部分是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，這種相對(duì)位置關(guān)系也會(huì)影響整車重心高度。因此利用整車重心高度試驗(yàn)的結(jié)果，通過測(cè)量懸架高度變化及其他相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算出簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量。若能確定非簧載質(zhì)量的重心高度，則簧載部分的重心高度也可以計(jì)算得出。后續(xù)將繼續(xù)研究簧載質(zhì)量與非簧質(zhì)量的重心水平位置，為底盤調(diào)校開發(fā)提供更詳細(xì)的參數(shù)。