重心高度對車輛動力學性能的影響

李濤，盧海波，林泛業，孔令年

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重心高度對車輛動力學性能的影響

李濤，盧海波，林泛業，孔令年

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院試驗認證部，廣東 廣州 511434）

文章首先介紹了常用的幾種重心高度測量方法，然后討論了重心高度對車輛動力性、制動性、操縱穩定性等動力學性能的影響。

重心高度；動力性；制動性；操縱穩定性

1 引言

整車重心高度作為車輛重要基本參數之一，對車輛的動力學性能有著重要影響，主要體現在動力性、制動性、操縱穩定性等方面，例如加速、制動、轉向時車身的姿態、懸架狀態、轉向特性都會受到車輛重心高度的影響；尤其是在高速過彎時，重心過高極有可能發生側翻事故。因此，GB/T 12538、ISO 10392等標準法規對重心高度測試方法做了詳細規定[1][2]，GB/T 14172采用最大側翻穩定角來評價汽車靜態側翻穩定性；此外，美國NCAP還專門針對SSF（Static Stability Factor）制定了測試程序用于評價車輛的抗側翻性能[5]。這些標準的制定均與重心高度強相關。鑒于重心高度對車輛動力學性能的重要性，本文將詳細論述重心高度對動力性—等效爬坡度、制動性—同步附著系數、操縱穩定性—靜態穩定系數SSF及動態穩定系數DSF等關鍵動力學性能的影響。

2 重心高度測量方法介紹

根據本院統計，一般轎車重心高度500mm~600mm，SUV的重心高度650mm~750mm。對重心高度的測試方法有舉升法、側傾法、固定擺法、質量反應法等。

2.1 舉升法

舉升法測量重心高度，在GB/T 12538[1]、ISO 10392[2]中均有介紹；測試過程主要是鎖死懸架，將前軸或后軸抬高一定角度，測量軸荷變化；然后由規定公式（1）或（2）確定重心高度。

或

式中：—軸距；r—前輪靜力半徑；r—后輪靜力半徑；m—車輛總質量；m—后軸載質量；m—前軸載質量；—縱向舉升角度。

舉升法雖然設備成本低，操作簡單，但是測量誤差較大；因為測試過程中，懸架襯套、輪胎等的變形無法避免。這一點在ISO 10392前言中就明確指出：“The axle lift method can generally provide CG height accuracy in the range of a few percent”。此外，還有側傾法與舉升法相類似，由于測試過程中，懸架襯套、輪胎等變形無法避免，造成測量誤差較大[3]。

2.2 其他測試方法

ISO 10392-2011在保留舉升法的基礎上增加了固定擺測試法，由于不受懸架、輪胎變形影響，測試精度可達0.5%以上。

對于質心高度的測試設備，還有沒有MTS公司KC試驗臺VIMM測量模塊、英國ABD公司KC試驗臺VIMM測量模塊、德國CFM公司VIMM測量設備等。測試原理均基于質量反應法，并且測量時車身與工作平臺固定，消除懸架、輪胎等的變形，達到高精度測量的效果，但不足之處在于設備昂貴。

3 重心高度對車輛性能的影響

3.1 重心高度對動力性的影響

汽車的動力性主要有最高車速、加速時間、最大爬坡度來衡量，也可以用汽車能通過的最大等效坡度來衡量，即在一定附著系數路面上行駛時，車輛抵抗慣性、路面坡度引起的車輛重力分力、風阻、滾阻等的能力。前驅車最大等效坡度可由式（3）[4]確定。

式中：—重心至前軸距離；—路面附著系數；h—重心高度；—軸距；

從式（6）可見，重心高度h越高，最大等效坡度越小。究其原因，主要是因為車輛處于斜坡上重力分量以及加速度造成軸荷轉移，前軸荷降低，作用在驅動輪上的最大地面切向反作用力降低。反之，后驅車在爬坡、加速時，由于軸荷后移，反而可以增大最大等效爬坡度。

3.2 重心高度對制動性的影響

制動效能（制動距離與制動減速度）是制動性關鍵評價指標之一，對行車安全有著重要影響。同步附著系數是反映汽車制動性的關鍵參數，可由式（4）[4]確定。

式中：0—同步附著系數；—重心至后軸距離；h—重心高度；—軸距；—制動器制動力分配系數。

從式（7）可見，重心高度h越高，同步附著系數越小，制動性能越差。其根本原因是重心高度越高，制動時前后軸軸荷轉移越大，在同等附著系數道路上的制動效能降低。

3.3 重心高度對操縱穩定性的影響

國標GB/T 14172-2009《汽車靜側翻穩定性試驗方法》[5]采用側翻試驗臺測量汽車最大側翻穩定角，以表征汽車靜態側翻穩定性。美國NHTSA（National Highway Traffic Safety Administration）在US-NCAP評價中，對靜態穩定系數SSF(Static Stability Factor) 有相關規定，以便對車輛抗側翻性能進行評級。SSF由式（5）[6]確定。

式（8）表征了純剛性汽車的準靜態側翻性能，重心高度越高，性能越差。NHTSA(美國國家公路交通安全局)2005年公布的SSF發展趨勢報告，表明轎車、SUV、輕型貨車的SSF都有明顯增大[7]。轎車SSF均值隨年份的變化趨勢見圖1[8]。

然而，由于懸架、輪胎等的變形，在穩態回轉時抗側翻性能會降低約5%[4]；考慮懸架、輪胎等變形影響的準靜態穩定系數由式（6）[4]確定。

式中：—輪距；—重心高度；—側傾率（/）；h—側傾中心高度；

不僅如此，美國NHTSA在US-NCAP評價中，還規定有Fish-Hook、J-turn等動態測試。國標GB/T 6323-2014 《汽車操縱穩定性試驗方法》也對操縱穩定性測試方法做了規定，如蛇形試驗、轉向瞬態響應試驗等動態測試。“汽車的瞬態側傾閾值比準靜態時的小。對于轎車和多用途車輛，階躍轉向時的側傾閾值比B/(2Hg)低約30%，而貨車則低約50%。”[4]

為了準確的描述汽車動態抗側翻性能，南京航空航天大學金智林博士在其博士論文《運動型多功能汽車側翻穩定性及防側翻控制》中給出了汽車側翻動態穩定因子(Dynamic Stability Factor，DSF)（式7）[9]。

參數定義詳見參考文獻[6]。根據作者分析，DSF可以分成靜態穩定因子（）和動態因素兩部分，且動態因素部分（含負號）總是小于零，即動態穩定性總是比靜態穩定性差。從式10可見，重心高度是影響DSF動、靜兩部份的關鍵參數，H越大，DSF越小，即車輛穩定性越差。隨后，文中還對重心高度和輪距對汽車側翻穩定區域的影響進行了分析（如圖2、圖3）[9]；得出結論：“隨著重心高度增加，橫向加速度極限值減小，但由動態穩定因子得到汽車側翻橫向加速度極限值隨著重心高度減小的更快，即受重心高度變化的影響更大……由動態穩定因子和靜態穩定因子得到汽車側翻橫向加速度極限值受輪距寬度的影響程度是一致的。因此，由動態穩定因子定義可知，在汽車設計中提高汽車側翻穩定性時，適當的減小汽車重心高度比同比增大輪距寬度的措施更有效。而根據靜態穩定因子定義同比減小重心高度或增大輪距寬度對改善汽車防側翻穩定性效果相同。” [9]

圖3 (ay，T ) 參數平面內汽車側翻穩定區域比較

3.4 重心高度對車輛其他性能的影響

重心高度不僅對動力性、制動性、操縱穩定性有很大影響，對駕乘舒適性、碰撞安全性、通過性等性能也有影響。

對駕乘舒適性的影響主要體現在制動點頭、加速抬頭、轉向側傾等工況；雖然提高懸架剛度，可以減少車身姿態的變化，但會降低平順性。發生前碰時，若質心高度太高，車輛在劇烈減速度作用下后軸可能翹起，加劇駕乘人員下潛，進而降低碰撞安全性。對于通過性的影響，例如通過“V”形溝，車輛進入時軸荷前移，懸架變形而降低了接近角度；駛出時軸荷后移，懸架變形而降低了離去角。重心高度越高，這些影響越明顯。

4 小結

通過以上分析，可見重心高度對車輛動力性、制動性、操縱穩定性等眾多關鍵性能有著重要影響，因此在車輛開發過程中要盡量降低重心高度。

在豐田全新的造車理念TNGA（Toyota New Global Architecture）中，為了提升乘坐舒適性、駕駛操控性等動力學性能，將重心高度作為關鍵指標之一；重心高度控制技術在第四代普銳斯、第八代凱美瑞等車型上得以應用，取得了良好效果。

[1] 葛在,趙創林,等.GB/T 12538-2003兩軸道路車輛重心位置的測定[s].

[2] ISO 10392-2011 Road vehicles- Determination of centre of gravity [s].

[3] 吳建剛,尹遜青,李春風,等.特種車輛質心高度參數測試誤差及消除方法研究[J].車輛與動力技術,2017.

[4] 余志生,夏群生,等.汽車理論（第5版）[M].機械工業出版社.2009.3.

[5] 朱鑫,汪祖國,等.GB/T 14172-2009 汽車靜側翻穩定性試驗方法[s].

[6] NHSA.U.S. Department of Transportation. National Highway Traffic Safety Administration.Laboratory Test Procedure for Rollover Stability Measurement for New Car Assessment Program (NCAP). Static Stability Factor (SSF) Measurement. March 2013.

[7] NHSA.trends in the static stability factor of passenger cars,light trucks,and vans[R].2005.

[8] 余經歷,劉卡,許利峰.常用車輛側翻評價標準及其發揮的作用[J]. 農業裝備與車輛工程,2016.

[9] 金智林.運動型多功能汽車側翻穩定性及防側翻控制[D].南京航空航天大學.2008.

The Effect of CG Height on Vehicle Dynamic Performance

Li Tao, Lu Haibo, Lin Fanye, Kong Lingnian

( Testing& Validation Div., Automotive Engineering Institute, Gunagzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

Firstly, this paper introduced several commonly measurement methods of CG height, and then discussed the effects of CG height on vehicle dynamic performance,such as power performance, braking performance, handling stability.

CG height;power performance;braking performance;handling stability

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1671-7988(2019)03-110-03

U462

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1671-7988(2019)03-110-03

U462

李濤，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院試驗認證部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.034