汽车质心高度计算及误差分析方法研究

李多，王帅，李飞，门立忠

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

汽车质心高度计算及误差分析方法研究

李多，王帅，李飞，门立忠

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

在整车前期开发过程中，质心参数扮演着重要的角色，直接影响到整车性能。为了更好的提高质心高度评估的准确性，在前期开发阶段以某款SUV为研究对象，提出一种质心计算方法，根据车型3D数据计算出该车型各系统的质心高度，同时比较同平台其他车型各系统质心高度差异，分析系统质心高度不一致原因，并建立一种质心误差评估方法，结合布置数据实现整车质心高度的评估。提高了整车质心评估的准确性及可靠性。

质心高度；计算方法；误差评估

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-79-03

前言

汽车的操作稳定性、平顺性及安全性已经成为评价整车性能的重要指标，而整车性能中的质心高度会对这些指标产生重大影响。但一直以来，质心高度的评估仅仅通过参考几辆竞品车的质心高度进行简单定义，没有一种系统的评估方法，这样在整车的开发前期，会对底盘的性能计算的准确性（直接反映到后期的操作稳定性、平顺性及安全性）带来巨大影响。因此制定一种可靠的、准确的质心高度评估方法显得尤为必要。文章以某款SUV车型为研究对象，提出一种质心计算方法及误差分析方法，在车辆开发前期提高了质心评估的准确性[1]。

1 系统质心计算及分析方法

整车质心高度计算方法基于系统质心高度求和而得到，在整车坐标系下，计算各系统零部件的质心高度，然后再通过分析计算得到系统质心高度。

1.1 系统质心计算基本方法

汽车可以分为10大系统，车身、闭合件、附件、内饰、外饰、电气、动力、传动、底盘及安全。在整车坐标系下，以轮心为坐标原点，利用 Catia量取各系统的质心坐标及质量。

对于单一材质的零部件，可以简单的赋予材料密度，得到质心高度及质量，对于多材料零部件及油液，可根据以下规则来确定零部件质心：

（1）对于整车油液的质心计算，这里以汽油为例，在Catia中绘制出油液的实体同时赋予其油液密度测出油液质心信息；

（2）对于多材料及复合材料的质心计算根据密度设置方式的不同一般分为两种。第一种，可以采用供应商提供的零件整体密度进行计算，第二种，根据零部件不同部位分别赋予密度来实现质心高度及质量的计算。

系统零部件的质心计算完成以后，采用质心计算公式来实现系统质心的计算，质心计算公式[2-3]如下：

式中：xj——系统x向坐标，其中j取1，2，…，10；

mi——零部件质量，i取1，2，…；

xi——零部件x向坐标，i取1，2，…；

式中：zj——系统质心高度，其中j取1，2，…，10；

mi——零部件质量，i取1，2，…；

zi——零部件z向坐标，i取1，2，…；

以某款SUV车型为研究对象，通过上述计算方法得到各系统的x向及z向质心坐标及质量，如下表1所示。

表1 P2车型质心信息

1.2 同平台车型系统质心对比分析

针对质心数据而然，同平台其他车型的质心数据具有很大的参考意义，因此，这里参考同平台另一款车型的质心计算数据进行对比分析，可得到如下表2所示。

根据表2可以发现同平台两款车型系统质心坐标的差距明显。这里采用另一种方式分析各系统的质心坐标能够更直观分析质心差距，如图1所示，用来表示两款车型的系统质心差距，发现闭合件、附件、安全及传动系统质心高度差距较大，分析原因可以归类为以下三点：

图1 P1与P2车型系统质心高度对比分析

（1）P1车型的整体车身高度高于现开发车型P2，但是由于 P2车型白车身地板整体向上突起，导致闭合件、附件和安全系统质心较高；

表2 P1与P2车型质心信息对比

（2）系统质心计算方法共有两种，由于系统质心计算方法的不同进而导致了质心高度的差异；

（3）P2车型为新开发车型，整体布置情况与P1车型有所不同，导致其质心位置略有差异。

这些原因都会对 P2车型质心高度评估的准确性造成影响，而且若将其量化到一个具体数值将更加困难，因此避免这些不确定因素的最直接途径就是建立一种质心误差评估分析方法，给出一个合理的质心范围，而不仅仅是一个单一数值，来增加质心高度评估的准确性。

2 系统质心误差分析

通过以上对系统质心高度的分析可以将误差归为两大类，一是质心的理论计算所引起的，二是由于设计变更情况引起的，这两种情况的影响实质是系统质心的变化量和系统质量的变化量[4]。这里引入系统质量变化量Aj，系统质心的变化量Bj，整车知心高度用Zp来表示，系统质心变化引起的整车质心变化用来表示，得：

式中：mj——系统质量，j取1，2，…，10；

当Aj=0时，即系统的质量变化为零时，仅有系统质心发生变化时，上式：

（6）式中每一项为该系统质量占整车质量的比值与系统质心变化量的乘积。

表3 P2车型质心影响因素

如表2所示，比较P1与P2车型各系统质心高度，预测各系统的质心变化量分析得到 P2车型各系统的质心影响系数，如表3所示。车身、闭合件、动力总成及底盘对整车质心高度影响较大，占比达到50%以上。各系统质心预计变化之和为15.37mm。

3 整车质心计算及误差分析

结合式（1）与（2），同时应用表2中的数据得到该SUV车型的质心参数信息为X=1182.55mm，Z=345.07mm，其中X表示整车质心距离前轴水平距离，Z表示整车质心距离轮心的垂直距离。在布置图Z-X平面中建立点坐标A（1211.396，349.7981），得到质心 A距离地面线的的垂直距离为683.74mm，如图2所示。

图2 SUV整车质心坐标计算

现有车型P1的质心实际测量高度为676mm，同平台研发车型P2理论计算结果为683.74mm，满足同平台车型质心高度相近趋势。根据表3，P2车型理论计算误差为2.25%，因此得到 P2车型的理论质心高度评估结果为 683.74±15.37mm。在质心评估过程中，增加了误差分析，提高了整车质心评估的准确性。

4 结论

文章通过建立一种整车质心计算方法，在前期开发阶段通过计算各系统质心参数，分析车型布置数据，确定了 P2车型的整车质心高度信息。提出一种质心误差分析方法，将现有P1车型各系统质心参数与P2车型各系统质心参数进行对比分析，评估出质心变化范围，增强了质心参数计算的准确性与可靠性。

[1] 鲍晓峰,丁德榜.汽车质心位置测试方法的研究[J].汽车技术,1997年11期.

[2] 张健. 汽车乘员人体质心位置计算方法研究[J].人类工效学,2014年10月第20卷第4期.

[3] 赵国晴. 刚体质心公式的意义及推导[J]. 邯郸质心公式的意义及推导,2002年9月第12卷第3期.

[4] 叶建斌.试验平台测量汽车质心高度的误差分析[J].专用汽车,1997年第1期.

Vehicle Centroid Height Calculation and Research on Deviation Analysis

Li Duo, Wang Shuai, Li Fei, Men Lizhong
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The vehicle centroid plays an important role which effects the performance of vehicle during the early development stage of vehicle.In order to better improve the accuacy of centroid evaluation, SUV is taken as the research object during the early development stage of vehicle, a method for calculating centroid is proposed,which will be used to calculate the centroid height of every system in the vehicle,and comparing the centroid height of other vehicles at the same vehicle platform,analyzing the reason that different centroid height between them,then building a way of centroid deviation evaluation while evaluating the centroid height of vehicle by layout date.Improving the accuracy and reliability of vehicle centroid evaluation.

Centroid height; Method of calculation; Deviation evaluation

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-79-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.027

李多，就职于华晨汽车工程研究院，重量管理工程师，主要从事整车重量管理、轻量化的相关工作。