淺析質量反應法測量整車重心高度的誤差及優化方法

林泛業，孔令年，梁天鍵，黃烈錦，李涇

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淺析質量反應法測量整車重心高度的誤差及優化方法

林泛業，孔令年，梁天鍵，黃烈錦，李涇

（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）

文章首先簡述質量反應法測量汽車整車重心高度的試驗方法及原理，分析該試驗方法產生的誤差及其原因。針對誤差來源，提出改進試驗的方法。通過理論分析及實車測試，驗證上述分析及優化措施的有效性。

重心高度；試驗方法；誤差修正

引言

汽車的整車重心位置是車輛的重要參數之一，對車輛的行駛安全性、操縱穩定性、駕駛性等各項性能都有較大的影響。尤其在極限行駛情況下，重心位置偏高往往導致車輛發生側翻、失控等事故。因此，在車輛開發過程中，有必要對整車重心位置進行測量及把控。在表示車輛重心空間位置的三個坐標中，兩個水平面內的坐標比較容易測得，試驗精度也較容易保證，本文不做論述。對于第三個坐標，車輛重心高度的測量，主流的試驗方法主要為質量反應法，包括縱向抬高法及側傾法。如國標GB/T 12538-2003《兩軸道路車輛重心位置的測定》所述方法即為縱向抬高法。質量反應法操作簡單、效率較高，但在實際運用中影響因素較多、誤差較大。本文分析該方法法在測量整車重心高度過程中的誤差來源及其產生原因，簡析一種從源頭上避免誤差的試驗改進方法，并通過實車試驗驗證分析結果。

1 質量反應法測量原理及誤差

1.1 縱向抬高法（國標）測試方法及公式

國標GBT 12538-2003采用的是縱向抬高法，測試時逐步抬高一軸，記錄抬高的角度及另一軸的軸載荷。

以抬高前軸為例，先將車輛置于水平面上，測量前、后軸靜態重量及車輛總重量，分別記為、及。測量車輛軸距，記為。記車輛重心到前軸輪心的距離為S，則有以下公式：

l=WS （1）

抬高前軸，使車輛縱傾一個角度θ，如圖1，測量此時后軸重量并記為。

圖1 縱向抬高法

以前軸輪心為原點取力矩平衡，則有：

式中，H為重心位置到輪心的垂直高度。

將式（1）代入（2），整理得重心高度ZCG為：

式中，r為輪胎滾動半徑r。

抬高后軸同理，公式則為：

式中，為車輛抬高后軸時的前軸重量。

1.2 側傾法測試方法及公式

側傾法是質量反應法的另一種形式，同樣是根據載荷轉移的原理。測試時，抬高一側使車輛側傾，記錄側傾角度及各個車輪載荷。需要注意的是，由于車輛前后軸的輪距往往不相等，因此需要分別測量并計算其載荷及力矩。

以抬高右側為例，先將車輛置于水平面上，測量左前、右前、左后、右后輪載荷及車輛總載荷，分別記為、、、及。測量車輛前后軸輪距，分別記為前、后。記車輛重心到車輛中心線的距離為Y（以右側為正），則有以下公式：

抬高右側，使車輛側傾一個角度θ，如圖2，測量此時左前、右前、左后、右后輪重量分別記為W'LF、W'RF、W'LR、W'RR。

以車輛重心為原點取力矩平衡，則有：

將式④代入⑤，即可整理得重心高度ZCG為：

（6）

1.3 誤差分析

根據國標GBT 12538-2003的規定，質量反應法在試驗時，要求車輛形態不發生變化，即懸架鎖死、輪胎不產生變形。但是，在實際測量中，懸架不可能完全鎖死，并且加裝鎖止機構也容易因引入夾具重量而引入新的誤差。同時輪胎、橡膠襯套等彈性件也不可避免地產生變形。

進一步分析可知，隨著車身的傾斜，車輛產生載荷轉移：抬高的一側載荷減小，懸架彈簧伸長；另一側則由于載荷增大，懸架彈簧壓縮。同理，輪胎、襯套等彈性體所受重力載荷分配也發生同樣的變化：抬高端載荷減小，彈性件變形減小，體積拉伸；另一端則載荷增大，彈性件變形增大，體積壓縮。懸架伸縮及彈性件變形兩個因素都是趨向于增加車輛實際傾斜角度。因此車輛在傾斜θ時，由于懸架及彈性件的變形，實際車身的傾斜角度為θ+δ。

公式相應調整為：

在該狀態下，由于車輛自身內部形狀改變，通過以上公式所測得的重心位置也只是車輛正常形態下的近似值。

2 試驗方法優化

通過以上分析可以得知，質量反應法測量整車重心高度的誤差主要來源于車輛在傾斜過程中懸架及輪胎等彈性的變形。因此，在車輛傾斜過程中，固定車輛，使車輛姿態保持不變，其懸架彈性件不產生變形是一種有效的消除誤差方式。

如圖3所示，通過夾持車身翻邊將車輛以不變的姿態固定在一個平臺上，傾斜平臺，將車輛及平臺作為一個固結的整體來進行試驗，則載荷轉移的同時車輛懸架、輪胎不產生變形。測量車輛及平臺組合體的重心高度，再刨除平臺本身的重心高度，即可得到車輛本身的重心高度。

圖3 測試平臺及裝夾

平臺下端的支撐圓柱體與平臺之間，使用銷連接，目的是使平臺傾斜時支撐圓柱體通過自由旋轉保持垂直狀態，以測得其垂直載荷并消除切向力的影響。連接銷到地面高度為a，支撐圓柱體前后距離為L（根據試驗車輛軸距調整），如圖3所示。

則通過縱向抬高法，可測得車輛及平臺組合體的重心高度為：

式中：

1——為車輛及平臺傾斜時后軸重量；

1——為車輛及平臺水平放置時后軸重量；

1——為車輛及平臺水平放置時總重量；

同理，取掉車輛，僅對平臺進行測試，可測得平臺自身重心高度為：

式中：

2——為平臺傾斜時后軸重量；

2——為平臺水平放置時后軸重量；

——為平臺總重量；

對于車輛及平臺組合體，根據力矩平衡，有：

可得：

3 實車驗證

選取一臺城市SUV進行試驗驗證。將車輛放置在平臺上，采用上述的優化試驗方法進行試驗，測得該車重心高度為H1=662mm。

同時，對同一輛試驗車輛在側翻試驗臺上采用常規的質量反應法——側傾法進行重心測量試驗。試驗時，在接近車輛中心線位置處放置一個傾角儀，觀察車身實際側傾角度。在側翻試驗臺側傾角度為12.1°時，由于懸架及輪胎變形，車身實際側傾角度為12.8°，即θ=12.1°，（θ+δ）=12.8°。

通過側翻試驗臺測量得出該車質心高度為H2=698mm。可見，由于懸架及輪胎的變形，常規的質量反應法測量整車重心誤差可達36mm，對于整車重心的評估有較大影響。

4 小結

由上述實車驗證可見，質量反應法測量整車重心高度的主要誤差來源，為懸架及輪胎、橡膠襯套等彈性件的變形。車輛傾斜時，由于載荷轉移，懸架及彈性件的變形不可避免。國標GBT 12538-2003中雖有“車輛懸架應當鎖死，避免車輛傾斜改變變形狀況”的規定，但并沒有指出鎖死的方法。同時，從地面到車身的整套懸架系統包含彈簧、減振器、橡膠襯套、輪胎等彈性件，逐個鎖止既不現實也會因引入夾具質量而干擾試驗結果。而通過本文介紹的平臺固定法，針對誤差來源修正試驗方法，則是從源頭上避免誤差的產生，不失為一種理想的解決之道。

[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].北京:中國標準出版社,2003.

[2] 劉建忠,測試汽車質心高度的幾種主要方法及其比較[J].濟南:遼寧交通科技,1995.123:43-46.

The error and optimization method of measuring height of center of gravity ofvehicle by mass reaction method are analyzed

Lin Fanye, Kong Lingnian, Liang Tianjian, Huang Liejin, Li Jing

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

This paper discusses the test method of the CG height of vehicle based on gravity reaction, then analyses it’s deviation. Aiming at that deviation, an optimization method is proposed. At last, the efficiency of that optimization method is validated in both theory and experiment.

CG height; Method of test; Deviation correction

U462

A

1671-7988(2019)08-77-03

U462

A

1671-7988(2019)08-77-03

林泛業，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.1671-7988.2019.08.024