轻卡质心位置测量方法探究

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，但是真正操作起来的难度比较大。据此，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又可以准确测量质心高度的方法。

关键词：质心高度；平台支撑反力法；簧上质量；簧下质量

中图分类号：U469 收稿日期：2023-09-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.023

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[1]。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，在汽车试验中，正确选择测量方式和测试仪器，设法提高测试精度，便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[2]：

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。根据物体自由悬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很大，测试精度不高，因此也很少采用。

本文利用国家汽车质量监督检验中心（襄阳）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），如表1所示。

4 理论分析

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M计算（左负右正）。

质心距前轴中心距离N计算：

式中，[aL]为水平时左前轮质量；[aR]为水平时右前轮质量，bL为水平时左后轮质量；[bR]为水平时右后轮质量；G为车辆总质量；L1为前轮距；L2为后轮距；La为轴距。

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，通过下式计算质心高度[3-4]：

式中，[aL]为斜面时左前轮质量；[aR]为斜面时右左前轮质量；[bL]为斜面时左后轮质量；[bR]为斜面时右后轮质量；[aL]为水平时左前轮质量；[aR]为水平时右前轮质量；[bL]为水平时左后轮质量；[bR]为水平时右后轮质量。

由式（1）～式（3）计算可知，最终得出整车质心位置坐标（N，M，H）。

5 实际测量

5.1 数据记录

试验中，记录好所需测量的各项数据，如车辆名称、载荷状态、轴距、前轮距、后轮距、平台翻转角度以及4个轮荷仪在不同角度下的读数，如表2所示。

5.2 M、N的计算

翻转台角度为0°时，各个轮荷值使用式（1）、式（2），可以计算出所测样车质心距整车中心线距离M和质心距前轴中心距离N，如表3所示。

5.3 质心高度计算

根据翻转台在8°、10°、12°时的各轮轮荷，并使用式（3）分别计算其质心高度。以样车1为例，导入计算模板，计算出的结果如表4所示。

通过计算得出样车1质心高度为797.95 mm，但是此时并没有对样车悬架进行锁死，因此要对试验结果进行误差分析，使用下式检核不同翻转角度下的总质量：

式中，[Ga]为车辆计算总质量；[Gi]为所有轮荷仪质量之和；A为翻转台角度。

按照理想状态，整车在水平状态下（翻转角度为0°）时候的总质量G0质应该与车辆计算总质量Ga相等，但是实际上是有一定差异，因此引入误差值U，使用下式对计算质量做误差计算：

以样车1为例，对不同角度状态下的质量进行误差分析，通过式（4）和式（5）计算得出结果，如表5所示。

数据中误差计算U为负值，表示翻转台角度比实际车辆翻转角度偏小；且误差绝对值虽角度增加而增大，也意味着翻转角度越大用此种方式进行计算的误差就越大。

为了解决上述问题，在试验过程中同时增加了对车身角度的测量，即在车身上放置角度仪并在水平转台下清零，在翻转台翻转不同角度的同时记录下车身倾斜的角度，结果如表6所示。

从记录的结果看，由于未进行悬架锁死，车身实际倾斜角度比翻转台翻转角度要大，并且随着翻转角度增加，其差值也逐步增大。用车身角度进行质心高度计算，以样车1为例，结果如表7所示。

通过车身角度计算得出质心高度为701.2 mm，同样加入误差分析，如表8所示。

数据中误差计算U为正值，意为车身翻转角度大于车辆实际翻转角度；且误差随着角度增加而增大。

从计算结果看，两种计算方式之间差距为96.8 mm，对于质心高度来说，这个差异是无法接受的，但是又不能用简单的取均值进行结果计算，缺少理论依据。因此引入了两个概念：簧上质量和簧下质量。

5.4 簧上质量和簧下质量

簧上质量其实是一个相对簧下质量而言的概念，对于一辆车，可以将其分成簧上质量和簧下质量两个部分。如果给簧下质量下个定义，它是指不由悬挂系统中的弹性元件所支撑的质量，一般包括有车轮、弹簧、减震器以及其它相关部件等。

把簧下质量在整车质量中的占比定义为P，收集了几个样车的质量分布及其簧下质量的占比，如表9所示。

从各个车型簧下质量的占比看，簧下质量约占整车质量的1/4，也就是P≈25%。同时不难得出，簧下部分与翻转台直接接触，可视为与翻转台角度相同；簧上部分即与车身角度相同，按照质量比例对整车角度进行加权计算，即：

Ai=A下P+A上（1-P） （6）

式中，Ai为加权后计算角度；A下为簧下角度（即翻转台角度）；A上为簧上角度（即车身角度）。

以样车1为例，得出加权后计算角度如表10所示。

用计算角度进行质心高度计算，得出质心高度为719.6 mm，同时加入误差分析，如表11所示。

用同样的方法，将其余3台车进行计算和误差分析并汇总，结果如表12所示。

从误差值U可以看出，此时误差较前两次有较大降低，并且是一个波动值，并没有一个规律的趋势。从而得出初步结论：用计算角度得出的质心高度更接近真实值。

5.5 数据检验

为了验证以上结论，以样车1为例对其进行悬架锁死，锁死方法为通过千斤顶锁死悬架压缩方向，用U形螺栓锁死悬架拉伸方向，如图4所示。

在对悬架锁死后，对样车1进行质心高度测量，实测值为716.5 mm，如表13所示。

对样车1通过仿真工具软件进行计算理论质心高度。在Hypermesh软件中导入整车有限元模型，使用Post工具菜单中的Summary命令，计算模型的质量和质心坐标。计算时，在template file中调用质量质心计算模块ctr_of_gravity，如图5所示，将计算的质心Z向坐标减去地面Z向坐标，即可得到理论质心高度为712.53 mm。

最后，对所有试验结果进行对比分析，将锁死悬架测得的质心高度视为真实值，对比结果如表14所示。

通过计算角度得出的结果与锁死悬架测得结果误差为0.32%，符合尺寸参数测量误差小于1%的要求。

6 方法拓展

在进行质心高度测量试验过程中，需要对车辆进行翻转一定角度，除了借助翻转台进行侧向翻转（沿X轴翻转），还可以对车辆进行正向翻转（沿Y轴翻转），如图6所示，这样就可以借助坡道或者地沟完成测试，试验方法更加简单易行，下面对正向翻转测试方法进行介绍。

6.1 计算及实测

分别测试水平转台和翻转状态的前后轴荷，即可计算出被测车辆的质心高度，公式如下{5}：

式中，[a1]为水平位置前轴重量；[a2]为翻转状态前轴重量；A为车辆翻转角度；La为轴距；G为车辆总重。

同样，对样车1进行实测检验，测得数据如表15所示。

通过式（7）计算出质心高度为712.3 mm；与前期用侧翻方法测量的结果基本保持一致，误差在1%之内。

6.2 借助辅助工具测量及计算

为了提高测量准确性，开发出一种质心测量辅助工具，如图7所示。

该工具的主要作用是，在车辆正方翻转时，通过调节工具能够将4个车轮调整成为水平受力，如图8所示。

计算公式可采用下式：

式中，[a1]为水平位置前轴重量；[a2]为翻转状态前轴重量；A为车辆翻转角度；[La]为轴距；G为车辆总重。

应用工具的优势是能够避免由于坡道不平整而产生的测量和计算误差，提高了试验结果的准确性，该工具及其使用方法已经获得国家发明专利授权，专利号为：ZL202010523019.X，如图9所示。

7 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对比证明，探索出了一种可推广性、可操作性兼优的质心位置测量方法。

在原有试验方法的基础上，拓展出通过坡道即可进行质心高度的测试方法，并通过理论分析及实测对比后，试验方法可行性较高；同时为了增加测量精度，开发出一种质心高度测量工具及其测量方法，并获得了国家发明专利。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[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）：44-45.

[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）：35-36.

[4]杜文杰.汽车质心高度测量及不确定度评定[J].电子世界，2015（16）：124-125.

[5]JTT887 营运车辆质心位置测量方法[S].

作者简介：

周志明，男，1986年生，工程师，研究方向为整车耐久及性能试验技术。