商用車質心測量方法分析與研究

李文海，王旭

(中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056)

0 前言

商用車結構復雜、專用裝置多樣，其質量、質心位置、傾翻穩定角等靜態參數是影響車輛操縱穩定性、平順性和安全性的重要指標，而質心位置對整車設計與專用裝置布局有著重要影響。商用車質心位置的測量不僅是生產企業驗證設計結果的重要依據，還是質量監督部門對車輛安全性能檢驗的必要手段。

車輛質心的測量方法多樣，主要根據被測體質心的動靜態分類。動態質心的測量主要采用的方法有旋轉平衡法和轉動慣量法。旋轉平衡法和轉動慣量法的原理相同，都是通過測量壓力和轉動慣量來計算質心位置；但是2種方法存在著一定的誤差，誤差主要來源于測量的過程中的摩擦力和測量工具本身的振動。動態質心的測量方法受制于測試設備的尺寸、設計難度等，因此在行業當中并不常用，相比于動態質心，靜態質心的測量方法比較復雜，常采用的方法有傾側試驗臺法和起吊法等。

1 車輛質心測量方法

國內外均對車輛質心進行了長時間的研究并制定了相關質心測量的標準：《汽車重心高度測定方法》(GB/T 12538—1990)中推薦使用軸升法和搖擺法進行車輛質心的測量，該標準適用于各類汽車；《雙軸道路車輛 重心中心測定》(ISO 10392：1992)中提出使用軸升法進行兩軸車輛質心高度的測量，并推薦其他類型車輛參考執行；《兩軸道路車輛 重心位置的測定》(GB/T 12538—2003)依據ISO 10392：1992制訂，其技術內容與ISO 10392：1992一致，都是通過軸升法進行質心的測量，并且替代了GB/T 12538—1990；《公路車輛 重心的測定》(ISO 10392:2011)在ISO 10392:1992的基礎上添加了搖擺法。

在依據相關標準監測車輛質心的過程中，受到儀器設備以及車輛接近角、車輛離去角、輪胎承載力、彈性元件變形量等多重因素的影響，測量結果并不理想。2019年國際標準化組織頒布了《重型商用車和公共汽車 重心測量 軸提升、傾斜臺和穩定擺試驗方法》(ISO 19380:2019)，提出了采用車輪假人代替車輛一側輪胎，并在側傾試驗臺上進行質心高度測量的方法(簡稱“輪胎假人替代法”)。該方法充分考慮了車輛上的彈性元件變形對于車輛質心高度測量值精度的影響。

1.1 軸升法

軸升法的測試設備簡單，易于實現，具體的操作規程是將車輛停置在車輪負荷計上，測量軸距、輪距、車軸負荷、輪胎負荷等數據。采用牽引鉤利用起重機吊起車尾或車頭，在一定側傾角度內，多次測量，并且根據得到的數據利用力矩平衡計算質心。該方法適用于測量前后單軸車輛的質心位置，在試驗過程中要求車輛前后懸架有效鎖死，在車軸升起的過程中，車軸負荷的轉移不應影響質心位置。由相關公式可知在試驗中車輪負荷計及傾角儀是最重要的2個誤差來源；同時，軸距越長，誤差越大。

經過多次重復試驗可以發現：當舉升角度≤4°時，車輛的質量變化幅度大，測量的質心高度變化較大；當舉升角度過大時，質心測量結果重復性低。重型車輛在進行滿載測試時，還需要考慮前軸輪胎的負荷是否會超出該型號輪胎的承載能力，以及前后輪胎的變形情況。依據GB/T 12538—2003及ISO 10392:2011推薦的軸升法測得的質心高度，其準確性受到測試設備精度、車輛接近角、車輛離去角、輪胎承載能力等多種因素限制及影響，在實際測量中并不推薦采用該方法測量質心位置。

1.2 側傾試驗臺法

將車輛置于帶有稱重功能的側傾試驗臺上，水平靜置時測量各車輪的輪胎負荷，以及車輛靜態尺寸、軸距、輪距等參數，然后記錄不同側傾角度下輪胎負荷的變化，在空間坐標系中建立力矩平衡方程可計算得出車輛質心的位置。

在采用側傾試驗臺法時，要求車輛懸架鎖定，采用車頭向前、向后2種方式進行。然而在實際測量中，車輛懸架無法完全鎖定，因此車輛側傾時，兩側懸架形變，車身相對于側傾試驗臺偏移，其質心相對于側傾試驗臺的高度產生了變化，且不同的側傾角度下車輛質量測量結果也不同，導致最終計算結果存在一定誤差，但該方法試驗步驟簡單，效率高。

1.3 輪胎假人替代法

ISO 19380：2019中提出采用輪胎假人代替車輛一側輪胎，并在側傾試驗臺上將車輛傾側至極限角度，然后測量車輛的質心高度。在試驗前需要測量并記錄每個軸的質量，以及車輛軸距等基本參數，以便得到質心的水平位置及橫向輪胎位置；車輛置于側傾試驗臺上，將一側車輪緊靠側傾試驗臺翻轉軸側，并將該側的車輪替換為輪胎假人，測量輪胎假人間的縱向距離、靜態半徑，以及每個輪胎假人邊緣距車輛縱向中心平面的距離；然后將車輛側傾至極限狀態，記錄此時角度。

輪胎假人替代法要求采用輪胎假人替換車輛一側車輪，減少垂直和橫向輪胎的形變，使用的輪胎假人半徑與待測車輛的車輪靜力半徑相同，且需要最大程度減小兩者的質量特性差異，同時輪胎假人還需要有足夠的強度，在車輛側傾至極限位置時不會變形。在計算車輛的質心高度時不需要測量各車軸負荷，降低了側傾試驗臺的技術難度，提高了測量精度。但輪胎假人替代法的試驗過程復雜，且依據車輛類型多樣，車輪型號不同，需配置不同的輪胎假人。在側傾至極限角度時試驗周期長，且具有一定的危險性。

2 質心高度測量及計算

2.1 仿真模型測量

以某型號兩軸客車作為試驗樣車，其整備質量為9 200 kg，軸距為4 000 mm，前后輪距為2 070 mm/1 860 mm，輪胎型號為275/70 R22.5 16PR。

利用CATIA軟件建立整車模型，裝配底盤及各零部件模型，輸入各部件尺寸及密度等參數，測量模型慣量可得出質心高度為1 220.25 mm。

2.2 試驗臺測量

采用帶稱重功能的側傾試驗臺進行測量，將樣車置于試驗臺上，水平時記錄4個車輪的輪胎負荷。將樣車分別側傾10°、12°，并采用車頭向前、向后2種方式，計算所得樣車質心高度如表1所示。

表1 樣車質心高度

當車輛側傾一定角度時，質心高度轉移較小，計算出4次試驗的質心高度，再取平均值可得出樣車質心高度為1 167.37 mm。

采用ISO 19380：2019中的側傾試驗臺法，在車輛水平放置時測量樣車的輪距、軸距、輪胎負荷半徑等靜態參數。得出水平方向上樣車質心距樣車中心對稱平面的距離為10.34 mm，樣車質心距前軸的距離為2 701.41 mm。

按照標準規定試驗方法(但未將支撐車輪替換為輪胎假人)，在樣車翻轉一側的車輪下方插入紙片，將樣車進行傾側直至該紙片可輕松抽出，此時可判定為樣車側傾至極限位置。記錄樣車側傾至極限位置的角度為38.6°。計算得出樣車的質心高度為1 181.57 mm。

2.3 結果分析

建模計算及樣車2次測試可知：采用帶稱重功能的側傾試驗臺法和ISO 19380:2019中的側傾試驗臺法得出的質心高度結果都很接近；第一種試驗方案試驗過程簡單，危險性較??；ISO 19380:2019的試驗過程復雜，采用特定的輪胎假人代替車輪，減少車輛彈性形變，但需要將車輛側傾至極限位置，存在一定危險性。且需要注意的是，現階段關于車輛的質心測量方法都存在著一定誤差，因為不同的車輛存在的不確定因素過多，所以在測量精度上不同測試方法會對測量結果有不同的影響。

3 結語

我國商用車種類多樣，上裝部分結構復雜，車輛質心位置的準確測量對于車輛操縱穩定性、安全性等方面有著重要影響。本文介紹了國內外常用的質心測量方法，分析了實際測試過程中的各方法的影響因素，并比較其優缺點。采用側傾試驗臺法和ISO 19380:2019中的側傾試驗臺法，對某樣車進行車輛質心的實測，對比分析2次試驗的過程及質心高度。結果表明：基于2種不同測試原理得出的質心結果相差很小，可以在后續進行多次多車型的質心對比試驗。若試驗結果依然相差很小，可以將現有2種標準推薦的試驗方案相結合，取其各自的優點：在采用輪胎假人，但不將車輛側傾至極限位置下，記錄各車輪的輪胎負荷，再進行質心計算。采用該方案進行測試，既可以精簡試驗流程，又可以降低試驗危險性，提高測試效率，為商用車輛質心測量方法的發展方向提出新的思路。