商用车驾驶室转动惯量测量方法研究

吴振昕 卢炳武 黄朝胜 付振 程悦

（中国第一汽车股份有限公司技术中心 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室）

商用车驾驶室转动惯量测量方法研究

吴振昕 卢炳武 黄朝胜 付振 程悦

（中国第一汽车股份有限公司技术中心 汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室）

基于乘用车双轴K&C试验台具有的乘用车悬架K&C特性测量及乘用车整车转动惯量测量的功能，开发了一种用于商用车驾驶室转动惯量的测量方法，并设计了驾驶室安装支架。针对两款商用车驾驶室进行了转动惯量实车测量。结果表明，所提出的测量方法原理简单、可操作性强、测量精度高，可完全满足驾驶室转动惯量精确测量的需要。

1 前言

随着高速公路的发展，用户对重型载货汽车在高速、长时间和长距离运输时的舒适性要求日益增加。影响重型载货汽车舒适性的系统包括轮胎、悬架和驾驶室等。目前，我国很多企业将驾驶室悬置隔振技术引入到商用车中以提高驾驶室平顺性[1]，因影响驾驶室悬置隔振水平的关键技术参数是驾驶室转动惯量，所以获取这一参数是进行商用车驾驶室悬置匹配的前提。对此，国内外学者对整车和动力总成转动惯量测量技术进行了相关研究[2～5]，但由于驾驶室结构复杂，质量与体积较大，尚没有较好的技术手段对驾驶室的转动惯量进行精确测量，往往根据驾驶室布置时的数据来估算其转动惯量或参考同类车型的经验值，使得商用车驾驶室悬置匹配分析产生较大的误差。

为此，本文根据乘用车双轴K&C试验台具有的乘用车悬架K&C特性测量及乘用车整车转动惯量测量的功能，研究开发了一种用于商用车驾驶室转动惯量的测量方法，以提高商用车驾驶室转动惯量测量精度。

2 驾驶室总成转动惯量测试原理

2.1 基于K&C试验台的转动惯量测量原理

图1为转动惯量测量原理。如图1所示，被测物体由试验夹具固定在K&C试验台上，图中A、B、C、D为固定点。试验夹具不仅起到固定作用，同时还安装有力传感器和力矩传感器，可直接测得平行于x、y、z轴方向的力和绕x、y、z轴方向的力矩，分别定义：A点:（FAXFAYFAZ）T，（MAXMAYMAZ）T；B点:（FBXFBYFBZ）T，（MBXMBYMBZ）T；C点:（FCXFCYFCZ）T，（MCXMCYMCZ）T；D点:（FDXFDYFDZ）T，（MDXMDYMDZ）T。同时设定测量对象的质心为o′点，测量对象坐标系为xyzo′。

K&C试验台通过沿z方向的快速振动及绕x轴、y轴方向的缓慢转动，精确测出被测对象的质心位置。质心位置确定后，转动惯量可由以下方式测得。

定义测量对象相对于其自身坐标系的转动惯量为：

首先K&C试验台绕z向做横摆运动，根据牛顿-欧拉动力学原理，可得被测对象横摆运动的动力学方程为[6～8]：

式中，δ为试验台绕z轴的转动角度；分别为转动的角速度和角加速度，由试验台给定；∑Mxz、∑Myz和∑Mzz由A、B、C、D4点的力和力矩确定。

对式（2）简化得：

然后K&C试验台绕x向做侧倾运动，同理可得被测对象侧倾运动的动力学方程为：

对式（4）简化得：

式中，β为试验台绕x轴的转动角度；分别为转动的角速度和角加速度，由试验台给定；∑Mxx、∑Myx和∑Mzx由A、B、C、D4点的力和力矩确定。

最后K&C试验台绕y向做俯仰运动，同理可得被测对象俯仰运动的动力学方程为：

对式（6）简化得：

式中，α为K&C试验台绕y轴的转动角度；分别为转动的角速度和角加速度，由试验台给定；∑Mxy、∑Myy和∑Mzy由A、B、C、D4点的力和力矩确定。

在上述测量过程中，将Jxy、Jyx、Jxz、Jzx、Jyz及Jzy分别进行处理。而刚体的转动惯量矩阵应该是对称矩阵，亦即Jxy=Jyx，Jxz=Jzx，Jyz=Jzy，所以在试验结果处理上实际输出的转动惯量矩阵为对称矩阵，由式（1）～式（7）可得被测对象转动惯量为：

2.2 转动惯量台架测试方法

由于商用车驾驶室体积大、质量重、形状不规则，无法直接安装在K&C试验台上进行测试，因此提出采用转动惯量分离法来间接测量驾驶室转动惯量，其基本原理如图2所示。

定义mS为驾驶室安装支架质量，JS为安装支架相对于其质心转动惯量，点S为安装支架相对于K&C试验台的质心，mT为安装支架与驾驶室固定在一起的总质量，JT为安装支架与驾驶室固定在一起时相对于其质心的转动惯量；点T为安装支架与驾驶室固定在一起时相对于K&C试验台的质心，mR为驾驶室质量，JR为转动惯量，R点为驾驶室相对于K&C试验台的质心。

转动惯量的测量分为以下3步。

a.测量驾驶室安装支架的转动惯量

当驾驶室安装支架单独固定在K&C试验台上时，可利用式（8）测得其转动惯量JS：

b.测量驾驶室安装支架与驾驶室整体的转动惯量

将被测驾驶室安装在支架上并固定在K&C试验台上，同样利用式（8）测得转动惯量JT：

c.分离驾驶室转动惯量

驾驶室的质量计算式为：

利用式（11）确定驾驶室质心位置：

由多体动力学惯量移点定理求得驾驶室相对于其质心的转动惯量JR为：

3 安装支架设计及驾驶室转动惯量测量

3.1 驾驶室安装支架设计

在设计驾驶室安装支架时，要求其强度好、刚度高、自身质量惯性参数相对于驾驶室惯性参数尽可能小、与力夹具配合装夹部分位置可调。经过多次改进后设计出了符合上述要求的驾驶室安装支架，如图3所示。

驾驶室安装支架框架中共有4个支撑板，通过螺栓固定在左、右纵梁上，可沿纵梁水平调整位置，在K&C试验台力夹具与夹紧连接板夹紧前起支撑作用，以方便调整力夹具夹紧部分深度（高度方向），当4个力夹具夹紧后拆卸掉框架支撑板；夹紧连接板总成共4个，通过螺栓与下横梁固定在一起，可通过工艺螺栓调整其位置，以实现与K&C台架上的4个夹具位置对应，并在左、右方向可以微调以调整夹紧连接板与力夹具结合面的贴合度；前支架焊接总成共2个，与驾驶室前端通过螺栓固定；后支架焊接总成1个，与驾驶室后端通过螺栓固定。前、后支架焊接总成均可通过固定架沿横梁调整其位置到最佳状态，并随不同驾驶室连接结构的不同有所变化。

3.2 驾驶室转动惯量测试过程

为验证所提出的驾驶室转动惯量测试方法的有效性，分别对国产某车型和国外某车型进行了驾驶室转动惯量测量。图4和图5为两车型驾驶室转动惯量测量实际安装图，其中安装支架的部分结构因不同驾驶室连接结构的不同有所不同。

首先对驾驶室安装支架的转动惯量进行单独测量，测试完成后将驾驶室固定在安装支架上，重复测试过程，对驾驶室和安装支架一起进行测量，获取二者固定在一起的转动惯量。然后利用转动惯量分离方法最终得到商用车驾驶室相对其质心的转动惯量。

按照上述测试步骤，结合式（9）～式（13）得到两种车型安装支架和整体相对K&C试验台的质心位置以及相对各自质心的转动惯量，从而进一步分离求得驾驶室相对本身质心的转动惯量。试验结果见表1和表2。

表1 国产某车型驾驶室转动惯量测量结果

表2 国外某车型驾驶室转动惯量测量结果

从表1和表2可知，通过本文所述的驾驶室转动惯量测试方法可以精确测得两辆商用车驾驶室的转动惯量，避免了以往通过经验对驾驶室转动惯量进行估算而导致的问题，为依托转动惯量的商用车性能分析提供了可靠的依据。

4 结束语

基于乘用车K&C试验台，开发设计了用于商用车驾驶室转动惯量的测量方法，并设计了驾驶室安装支架，该支架实现了预期的设计目标，具有刚度大、质量轻、惯量相对较小的特点，能够满足测量转动惯量的试验需求。通过对两款商用车驾驶室转动惯量进行的实车测试表明，该方法测量原理简单、可操作性强、测量精度高，完全满足驾驶室转动惯量精确测量的需要，为依托转动惯量的商用车性能分析提供了可靠的依据。

1 庞辉,李红艳,等.驾驶室悬置系统对重型车辆平顺性影响的试验研究.汽车技术,2011（11）:52～56.

2 于彦,谢里阳,等.汽车转动惯量的测定.东北大学学报(自然科学版),2004,25（3）:280～282.

3 杜登惠,汪晓虎,等.动力总成转动惯量测量及误差分析.车辆与动力技术.2007（4）:10～13.

4 高永源,余卓平,等.汽车三轴向转动惯量测量方法研究.同济大学学报.1997,25（4）:492～496.

5 郭峰,吕振华,等.动力总成刚体惯性参数的识别方法研究.汽车技术,2004（8）:15～19.

6 郭孔辉.汽车操纵动力学原理.南京：江苏科学技术出版社，2011.

7 Manfrde Mitschke著,陈荫三译.汽车动力学.北京：清华大学出版社，2009.

8 洪嘉振.计算多体系统动力学.北京：高等教育出版社, 2002.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

商用车驾驶室 转动惯量 测量方法

U463.81

A

1000-3703（2015）10-0044-04