卡車駕駛室慣性參數識別試驗研究

周　才　鐘紹華　宋鵬飛

(武漢理工大學汽車工程學院1)　武漢　430070)　(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)　武漢　430070)

?

卡車駕駛室慣性參數識別試驗研究

周才1,2)鐘紹華1,2)宋鵬飛1,2)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢430070)(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)武漢430070)

以某結構復雜的卡車駕駛室為研究對象，介紹了用于識別剛體慣性參數的成熟理論質量線法，該方法基于模態試驗，對頻響函數曲線的特定頻段進行計算，求解得駕駛室慣性參數；利用LMS.Test.Lab數據分析軟件剛體模態模塊，對某卡車駕駛室的慣性參數進行了6次測量試驗，每次測量結果大體一致，驗證了測量試驗的穩定性；分別稱量了駕駛室四邊質量，通過力矩平衡計算了駕駛室平面質心并與質量線法進行了對比，驗證了質量線法用于測量駕駛室慣性參數的準確性與可靠性.

卡車駕駛室；慣性參數；質量線法；頻響函數

0　引　　言

駕駛室懸置系統的優化設計一直是各大卡車廠商、研究院所關注的熱點問題[1-2]，而駕駛室的慣性參數(如質心位置、轉動慣量、慣性積等)的精確測量是懸置優化設計時必不可少的前提條件，同時對卡車進行整車動力學分析時也需要輸入駕駛室的慣性參數.目前，主要用于測量汽車零部件剛體慣性參數的方法有落體法、三線扭擺法、CAE數值計算法和試驗模態法等[3]，其中試驗模態法又分為提取剛體模態進行慣性參數識別的模態模型法和基于剛體頻率響應函數中的質量導納線的質量線法[4].落體法主要用于測量小型零件的慣性參數，識別精度不高；三線扭擺法往往需要制造專用的支架、測量效率低[5]、且對于大型結構誤差較大；CAE數值計算法需要精確的建立剛體結構三維數值模型并準確的賦予材料，對于具有座椅、儀表、車窗等材料不一的附屬部件的駕駛室并不適用.對于駕駛室、動力總成一類的大型、結構復雜、形狀不規則剛體慣性參數的識別主要圍繞質量線法展開試驗研究[6-7].

文中運用質量線法對某重卡駕駛室進行慣性參數識別試驗，然后運用稱重法測試該駕駛室的平面質心，對比兩試驗結果，驗證了質量線法測量的有效性和準確性.

1　質量線法基本理論

所謂質量線法，即為當系統結構處于柔性懸掛狀態時，給系統施加激勵，在系統的頻率響應函數線 (frequency response functions, FRFs)上，在最后一階剛體模態和第一階彈性模態之間有一條近乎水平的曲線，即為質量線，見圖1.此質量線包含系統所有的慣性參數，如質心位置、轉動慣量、慣性積等，將該質量線帶入一些列運動學和動力學方程中，即可識別出系統的慣性參數.

圖1　頻率響應函數曲線

1.1求解方程的建立

以駕駛室前圍中心孔為坐標原點O，+X指向駕駛室后方、+Y指向駕駛員右側、+Z垂直水平面向上，建立參考坐標系OXYZ.

在慣性系統中，任何剛體系統都可以由以下動力學方程表示.

(1)

式中：Ti為轉換矩陣，其取值只與點Pi的坐標(Xi,Yi,Zi)有關；Ai可以通過布置在Pi的三向加速度傳感器直接測得，所有測點加速度與原點的加速度為

(3)

式(3)可表示為

(4)

(5)

1.2求解慣性參數

由式(1)，(4)，(5)得：

(6)

式中有質心坐標、慣性積、轉動慣量9個未知數，而方程個數只有6個，故需要3個以上的激勵輸入，為了使結果更精確可以多設置一些激勵點，通過最小二乘法求解式中的坐標值及慣性參數.

將剛體系統的慣性張量I對角化，即可求得系統的主慣性矩和主慣軸，3個特征值對應3個主轉動慣量，3個特征向量分別為主慣性軸和參考坐標系中各軸夾角的方向余弦.

2　慣性參數識別試驗

2.1試驗系統搭建

該試驗系統主要基于獲得頻率響應函數曲線求解駕駛室慣性參數，主要由1個PCB公司的模態力錘、8個PCB公司的ICP三向加速度傳感器、LMS.Test.Lab數采系統以及LMS.Test.Lab數據分析軟件組成.所有傳感器都滿足國家標準，且其測量精度、測量范圍都滿足本試驗要求.鑒于駕駛室結構較大，選用500kg力垂，配備較軟的塑料錘頭，靈敏度為 0.228 4mV/N，能產生足夠大的力，以激起駕駛室的所有剛體模態.圖2為該駕駛室慣性參數測量試驗系統框圖.

圖2　試驗系統框圖

本次試驗駕駛室采用3點支撐，每個支撐點由兩個卡車充氣內胎堆疊，所組成的駕駛室懸掛系統固有頻率約為2.5Hz，小于駕駛室一階彈性模態頻率24.8Hz的20%，能較好的滿足試驗要求，且操作簡便、安全.試驗施加在駕駛室的激勵采用力錘錘擊產生的猝發性激勵，為了更能激出駕駛室的各階模態，試驗激勵點應選取駕駛室度較大的位置，同時為了增大測量準確性，應多選取激勵點.本次試驗選取激勵點為駕駛室兩縱梁前后4點以及駕駛室頂4個角點，每個激勵點分別施加X、Y、Z 3個方向激勵(相當于24個激勵).

為盡量減小試驗誤差，響應點的傳感器各軸應盡量和參考坐標系各坐標軸平行；同時在錘擊時，錘頭盡量靠近所設的激勵點，且每次錘擊干凈利落、用力均勻，本次試驗錘擊頻率帶寬為512Hz、譜線數為2 048、分辨率為0.25Hz、采樣時間為4s，每處激勵都錘擊3次求響應的平均值，針對不同激振點，即使同一響應點的響應幅值也會有很大差別，所以每次試驗都對激勵和響應的幅值進行調整，以獲得高質量的頻率響應曲線；加速度傳感器信號為猝發性階躍信號，為了減少信號衰減對試驗的影響，采用指數窗對響應信號進行加窗處理；在LMS.Test.Lab數據分析軟件中輸入每一個傳感器的靈敏度，以對錘頭的錘擊力進行標定.

2.2試驗結果處理

在試驗時，每次錘擊結束后，都要檢查各個響應的相干性，確保每次錘擊都能使各響應的相干系數盡量的接近1，以獲得更準確的測量結果.同時當試驗完成后，可以在LMS.Test.Lab數據分析軟件的數據選擇模塊(modaldataselection)中剔除那些相干性較差的響應曲線.通過剩余的頻率響應函數曲線構造頻率響應和函數曲線，見圖3.由圖3可知，在低頻段，駕駛室的剛體模態得到了很好的激發，駕駛室的彈性模態激發效果不是很好，但在彈性模態和剛體模態之間的得到了一條水平的質量線，可選取6～11Hz段計算駕駛室的慣性參數.

圖3　頻率響應和函數曲線

為研究該測量方法的穩定性，本次測量一共做了6次試驗，將每次試驗所得的質心坐標值繪制成曲線進行比較，見圖4.

圖4　質心位置6次測量結果

由圖4可知，每次測量的坐標值基本一致.其中X向最大偏差為0.019m，Y方向最大偏差為0.011m，Z方向最大偏差為0.017m.該偏差能滿足一般工程應用的精度范圍，證明了測試結果穩定可靠、可重復性好.造成該偏差的主要原因可能是每次測量時錘擊的力度不一，以及錘擊點或多或少有一定偏差，其次也有可能是試驗數據處理時選取的分析質量線頻帶不一樣而引入的誤差.對6次測量的質心結果取平均值，見表1，駕駛室的繞質心的轉動慣量及慣性積見表2.

表1　駕駛室質心坐標

表2　駕駛室相對于質心轉動慣量及慣性積

3　稱重法測量駕駛室平面質心

為驗證試驗所測得的慣性參數的準確性，本文運用稱重法測量待測駕駛室在OXY平面內的質心位置.將駕駛室置于安裝支架上，使駕駛室盡量處于水平狀態，用地磅分別測量并記錄駕駛室前后左右4個側面的重力，根據力矩平衡關系即可計算出駕駛室質心在OXY平面內的坐標值，但該方法不能測出質心在Z軸方向的值.

表3　2種方法測量質心位置對比

將2種方法測得質心位置進行對比分析，見表3.在X方向上，2種測量方法所測得質心位置相差0.044m，在Y方向上相差0.016m,該誤差在一般工程應用的允許范圍內.一方面，因駕駛室質量較大，稱重法測量質心位置時，在實際操作中很難保證駕駛完全水平，且駕駛室坐標軸X，Y不一定和所選取參考坐標系的X，Y軸完全吻合；另一方面，質量線法在測量慣性參數的過程中也不可避免地會引入由試驗者以及設備自身所造成的誤差，如錘擊時，錘擊點和預定激勵點有細微偏差、響應信號混有干擾噪聲等.總體來說，該測量誤差在允許的范圍內，能滿足一般工程應用.證明了質量線法的準確性與有效性.相比于傳統的三線扭擺法，質量線法操作簡單、效率更高.

4　結束語

運用質量線法測得了重卡車駕駛室的慣性參數，詳細介紹了試驗步驟并進行了3次測量試驗，3次測量結果都非常接近，證明了質量線法的穩定性.通過稱重法測得駕駛室在OXY平面內的質心位置，驗證了質量線法的準確性與有效性.

[1]沈穎剛,楊文釗.汽車懸置系統研究綜述[J].中國機械工程,2015,31(6):131-139.

[2]楊輝,張瑞亮,王鐵,等.自卸車駕駛室懸置系統試驗與優化[J].汽車技術,2015(2):4-7.

[3]田哲文,司豪杰,于根穩,等.商用車駕駛室慣性參數辨識[J].噪聲與振動控制,2014(1):183-187.

[4]TOIVOLAJ,NUUTILAO.Comparisonofthreemethodsfordeterminingrigidbodyinertiapropertiesfromfrequencyresponsefunctions[J].ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering, 1993 (2):1126-1132.

[5]龍江啟,徐傳燕,高建勛,等.基于頻響函數數據篩選的發動機慣性參數識別[J].中國機械工程,2014(2):215-217.

[6]曾發林,葛平瑩.客車動力總成慣性參數的辨識[J].鄭州大學學報(工學版),2015(6):99-103.

[7]龍巖，史文庫，蘭靛靛，等.動力總成慣性參數識別的試驗研究[J].噪聲與振動控制，2009，22(1)：73-76.

StudyontheIdentificationofInertialParametersoftheTruckCab

ZHOUCai1,2)ZHONGShaohua1,2)SONGPengfei1,2)

(School of Automotive, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)1)(Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts, Wuhan 430070, China)2)

Withacomplex-structuretruckcabastheresearchobject,thefull-blownmethodofmasslineusedtoidentifyinertiaparametersofrigidbodyisintroducedinthispaper.Basedonmodaltest,theinertiaparametersoftruckcabareobtainedthroughcalculatingthecriticalfrequencybandofthefrequencyresponsefunctions.Basedontherigid-bodymoduleofLMSTestLabdataanalysissoftware,sixmeasurementtestsareconductedandthestabilityofthemeasurementtestisverified.Throughweighingthefoursidesofthecab,theplanecentroidiscalculatedbymomentbalance,whichiscomparedwiththecalculationusingthemasslinemethod.Withcomparisonoftwomethods,theaccuracyandreliabilityoftheinertiaparametersusingthemasslinemethodisverified.

truckcab;inertialparameter;methodofmassline;frequencyresponsefunction

2016-06-15

U467.4

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.037

周才(1988- )：男，碩士生，主要研究領域為車輛工程