側傾臺測量汽車質心高度的核查方法

賈曉東，向 飛

（1.柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545616；2.國家汽車質量檢驗中心（廣西），廣西 柳州 545616）

汽車質心高度作為車輛重要的基本參數之一，對車輛的整體性能有重要影響，主要體現在動力性、制動性、操縱穩定性等方面[1]。GB/T 12538、ISO 19380和ISO 10392等標準法規也對汽車質心高度的測量方法做了詳細的規定，主要有抬軸法、側傾法和穩定擺法[2-4]。側傾法可以在側傾臺上進行，由于試驗程序簡單，在測量汽車質心高度的同時，還可附帶測量側傾穩定角、輪荷、軸荷等參數而被普遍采用[5]。因此，對側傾臺測量汽車質心高度的結果進行核查，確保測量結果的準確性，就顯得非常必要。

1 側傾臺測量汽車質心高度的原理

側傾臺測量汽車質心高度的測量原理是側傾法。在試驗前，應先對側傾臺進行全角度空板標定，消除側傾臺稱重板自身重量對測量結果的影響。在試驗時，被測車輛隨側傾臺從水平位置開始側傾，達到預設的角度時停止側傾。通過記錄整個側傾過程中的側傾角及車輛的輪荷，然后結合車輛的輪距，可計算得出汽車的質心高度。以二軸車輛為例，水平位置及側傾時的車輛受力狀態如圖1、圖2所示。

圖1 車輛在水平位置時的受力狀態

圖2 側傾時的車輛受力狀態

由力矩平衡可得：

車輛在水平位置時，

車輛側傾至θ角度時，

由公式（1）（2）和（3）可得：

2 影響測量精度的因素

2.1 車輛的狀態

試驗時隨著車輛的側傾，車輛的輪荷會發生改變，引起車輛的懸掛變形量、輪胎變形量均會出現不同程度的改變，車輛內的燃油等液體位置也會變化，導致車輛質心高度在不斷變化[6]。因此，試驗前需將車輛的懸掛鎖死，油箱及其他能夠加滿的液體應當處于加滿狀態，輪胎氣壓調整至車輛制造商的規定值。對于車輛在側傾時位置會變化的部件，應在試驗前鎖定，以降低側傾時對車輛質心高度的影響。

2.2 測量設備的精度

由質心高度計算公式（5）可知，車輛的輪距、輪荷及側傾角是影響汽車質心高度測量結果的關鍵因素。GB/T 14172規定了側傾臺測量儀器的精度，但與ISO 19380相比，GB/T 14172對輪荷的測量精度要求為1%，低于ISO 19380對輪荷測量精度為0.2%的要求[3，7]。因此，采用側傾臺測量汽車質心的高度時，建議輪荷的測量精度應達到0.2%，側傾角的精度應達到0.1°。

2.3 試驗條件

車輛處于側傾狀態時，環境風速也會對車輛輪荷有影響，ISO 19380規定了環境風速不大于1.0 m/s[3]。此外，側傾過程應保持勻速平穩，側傾速度不宜過快，以避免側傾過程中的振動與沖擊對輪荷及側傾角測量的影響。

3 測量結果的核查

本次采用滿足GB 20071側面碰撞的移動變形壁障作為被測車輛，對側傾臺汽車質心高度測量結果進行核查。移動變形壁障由碰撞塊和移動車組成，移動車為帶有車輪的框架結構，前后輪距均為1500 mm，前端安裝有碰撞塊，如圖3所示[8]。移動變形壁障除輪胎之外，其余部位均為剛性結構，可以降低本次核查時車輛狀態對測量結果的影響。

圖3 側傾臺測量移動變形壁障的質心高度

側傾臺由20塊稱重板組成，分為左右兩組。單個稱重板的稱重量程為10000 kg，測量精度為0.1%，顯示分度值為1 kg；側傾角的測量精度為0.1°，顯示分度值為0.1°。側傾臺標定后，將移動變形壁障移到側傾臺上，四個車輪放置在4塊稱重板上，如圖3所示。記錄車輛在水平位置時的輪荷和車輛總質量，并由公式（4）計算得出車輛質心距車輛垂直縱向中心面的橫向距離（y），見表1。

表1 水平位置時被測車輛數據

為盡可能消除外部因素影響，移動變形壁障放置在側傾臺上時，未安裝車輪擋塊和其他影響車輛狀態的附件。同時，為確保試驗車輛不發生側滑，并結合側傾臺的測量程序，本次試驗車輛的側傾角范圍為0～12°。啟動側傾臺以3°/min的速度勻速側傾至12°，并以0.1°的角度間隔采集車輛的輪荷。考慮到側傾臺啟動時的沖擊與振動會對測量數據的干擾，選擇2°～12°之間的輪荷數據進行分析，由公式（5）計算得出車輛的質心高度與側傾角度的曲線，如圖4所示。

圖4 質心高度與側傾角度曲線

通過圖4的曲線可以看出，隨著側傾角度的增大，質心高度也逐漸趨于穩定，在10°～12°之間，質心高度的波動最小且最穩定，并接近被測車輛質心的設計值。當側傾臺的側傾角度也設定為10°～12°，側傾臺測得的車輛質心高度為488 mm，如圖5所示。

圖5 側傾臺測得的質心高度

盡管在試驗前已經對側傾臺進行了全角度的空板標定，但由于側傾臺的稱重傳感器是在側傾臺水平位置進行的校準，而在側傾過程中，稱重傳感器處于傾斜狀態且是在動態情況下采集輪荷數據，因此，需對側傾臺在側傾過程中的動態稱重精度進行核查。在側傾過程中，由于車輛輪胎直接與側傾臺的稱重板接觸，難以對每個輪荷數據的準確性進行獨立的核查確認，因此，本次只對側傾臺對總輪荷的實測值與理論值進行核查，對比差異。根據三角函數定理：

根據側傾臺在10～12°測得的輪荷及按照公式（5）計算得到質心高度，見表2。根據公式（6）（7），結合表2中的輪荷，計算得出在不同側傾角下，車輛重力在垂直于側傾臺方向的總輪荷的實測值和理論值的分布曲線，如圖6所示。經計算，在10°～12°之間，側傾臺測得的總輪荷的實際值和理論值的最大差異量為1.5 kg，平均差異量為0.5 kg。因此，側傾臺在側傾過程中的對輪荷的動態稱重精度是比較準確的。

表2 10°～12°之間的輪荷和質心高度

圖6 側傾角度與垂直于側傾臺方向的總輪荷分布圖

通過表2的數據可知，在側傾角為10～12°時，質心高度計算結果的平均值為486.5 mm，與設備的測量值488 mm接近，相對誤差約為0.3%，因此，側傾臺對汽車質心高度的測量結果也是準確的。在側傾角為10°～12°時，輪荷的變化量在3～8 kg之間，變化量相對不大，但計算所得的質心高度的最大差異量達到了7.4 mm；根據式（5）可知，質心高度的測量精度也與車輛質心距車輛垂直縱向中心面的橫向距離（y）有關，比如當側傾角為11°時，cot（11°）的值為5.14，意味著y值偏差1 mm，對質心高度的影響有5.14 mm。由此可見，采用側傾臺測量汽車質心高度時，側傾臺必須具備較高的測量精度及精確的顯示分度值。否則，即使1 kg或0.1°的測量誤差，也對測量結果產生不可忽略的影響。

4 結語

結合側傾臺測量汽車質心高度的原理，采用了滿足GB 20071側面碰撞的移動變形壁障剛性小車，對側傾臺測量汽車質心高度的精度進行核查，驗證了側傾臺測量汽車質心高度結果的準確性。采用側傾臺測量質心高度時，應提高側傾臺稱重和側傾角的測量精度及分度值，并推薦選擇10°～12°的側傾角度，才能得到更加準確的汽車質心高度。