一种两轴车辆质心高度的静态测量方法与流程

本发明属于车辆测量技术领域，具体涉及一种两轴车辆质心高度的静态测量方法的专利申请。

背景技术：

汽车质心高度是汽车动力控制中的一个重要参数，其对汽车的侧倾稳定性、操纵稳定性有着非常重要的作用。特别是罐车、泵车及 SUV 等质心较高的车辆，在极限工况下极易侧翻，且侧翻事故的危害程度通常极大。

配置主动侧倾控制系统的现代车辆往往需要准确测量质心高度，由于质心高度的测量是最为重要但又最为不易测量的参数之一，因此对汽车质心高度的精确测量具有重要的应用意义。

目前，国内外测定汽车质心高度的方法主要有摇摆法、质量反应法、划线法等静态测量法和动态测量法等。现有的静态测量方法，往往需要固定悬架，因而使得测量过程较为费时费力，并且固定不牢时会产生测量误差，并且这种测定方法无法测量簧载质量和非簧载质量的质心位置；而采用动态法测量时往往需要昂贵的传感器和采集处理系统，并且易于受信号噪声的影响，使得测量精度不高。因此研究、开发一种测量精度较好、成本较低、且测定较为快速的汽车质心高度测量方法，具有重要的实用意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种车辆质心高度静态精确测量方法，从而较好解决现有车辆质心静态测量中需要固定悬架、无法区分测量簧载质量和非簧载质量质心位置、费时费力等弊端。

本申请所采取的技术方案详述如下。

一种两轴车辆质心高度的静态测量方法，该方法包括如下步骤：

（1）首先，确保测试路面水平，然后根据被测车辆轮距和轴距摆放好轴重仪；车辆驶入轴重仪后，熄火发动机，并将车辆挂空挡和驻车档；

通过铅锤仪或钢直尺分别在前轮接地点、轮心及翼子板处用记号笔标注点 A、O_f 和 P_f，并确保这三点在一条直线上；

同样在后轮接地点、轮心及翼子板处标注出点 B、O_r和 P_r，测出或根据汽车出厂参数确定轴距 L；

记录如下测量数据：前轮压扁半径 AO_f、前轮中心到前标记点 P_f距离 O_fP_f、后轮压扁半径 BO_r、后轮中心到后标记点 P_r 的距离 O_rP_r；

（2）首先，根据前后轴重仪的读数，分别记录为 N_f 和 N_r，根据下述公式计算得出整车质量，计算公式为：

m=(N_f+N_r)/g，

式中，g 为重力加速度；

其次，根据力矩平衡方程，确定整车质心距前轴距离：

；

最后，设整车质心为点 O，通过铅锤仪在车身上画出一铅垂线 OC，即该铅垂线通过整车质心O，质心高度 h_x即为待测参数；

（3）通过滚下法进行偏频实验，具体为：

将汽车驶上台阶，熄火发动机，停车挂空挡，将汽车从台阶上推下，推下时应尽量保证左右车轮同时落地，在车身处和轮心处布置加速度传感器；

考虑到轮胎径向刚度远大于悬架刚度，可将单轴两自由度垂直振动模型简化为单轴单自由度振动模型，这样便于利用后续步骤识别出前、后轴的簧载质量m_sf和m_sr；

（4）根据车身处加速度时域曲线，可以得到系统有阻尼振荡周期 T_d，第 i 个波峰幅值 A_i，第 i+n个波峰幅值 A_i+n；

根据如下公式求得阻尼比ξ：

；

根据如下公式求得固有频率ω_n：

；

悬架弹簧刚度系数 K_s根据如下方法测量获得：改变前轴或后轴载荷，测得轮心与车身标记点之间距离变化获得；

然后根据如下公式求得前后轴的簧载质量 m_sf 和 m_sr：

；

再求得整车簧载质量：m_s=m_sf+m_sr；

根据质量平衡原理，求出整车簧载质量m_s质心距后轴的距离L_sr ：

；

设簧载质心为 O_s，待求参数整车簧载质心高度h_s；

（5）求出非簧载质量m_u：

m_u=m-m_s；

设非簧载质量 m_u质心为 O_u，且该点必在直线 O_sO 上；

根据质量平衡原理，计算获得非簧载质量质心 O_u 距前轴的距离 L_uf ：

；

计算获得非簧载质量 m_u的质心高度h_u：

；

即，下一步通过实验确定两个未知量 h_x和 h_s 的值即可；

（6）通过举升机构托起前轴重仪一定高度Δ，并通过式如下公式计算出汽车倾斜角度α：

；

考虑到驻车安全性，车辆倾斜角度不宜超过 30%；

读出前后轴重仪读数 N_fi和 N_ri；

记录如下测量数据：

前轮压扁半径 AO_fi、前轮中心到前标记点 P_fi距离 O_fiP_fi，后轮压扁半径 BO_ri、后轮中心到后标记点 P_ri距离 O_riP_ri；

计算获得汽车前轮压扁半径变化量Δr_fi=AO_fi -AO_f；

计算获得前轴悬架高度变化量Δs_fi=O_fiP_fi-O_fP_f；

计算获得后轮压扁半径变化量Δr_ri=AO_ri -AO_r；

计算获得后轴悬架高度变化量Δs_ri=O_riP_ri-O_rP_r；

进而做出因轮胎压扁半径变化引起的非簧载质量质心高度变化量Δh_ui的几何图，并得出：

；

做出因悬架变形引起的簧载质量质心高度变化量Δh_si的几何关系图，并得出：

；

做出因非簧载质量质心高度变化Δh_ui 和簧载质量质心高度变化Δh_si引起的整车质心高度变化Δh_xi的几何关系图，并得出：

；

即，前轴举升时整车质心高度为 h_xi=h_x+Δh_xi；

（7）对前轮接地点取矩，得出前轴举升时的力矩平衡方程：

；

解此方程，得质心高度 h_xi：

；

并最终得到车辆水平放置时的质心高度：

；

该式里含有未知量 h_s；为此，须再改变一次车辆倾斜角度，并另外得到一个车辆水平放置时的质心高度h′_x的表达式，并有：

h_x=h′_x，

根据该式可求出未知量 h_s，然后把 h_s代入h_x或h′_x即可。

考虑到测量误差，为提高测量精度，可进行多次实验；同时为了提高测量精度和实验安全，抬升车辆时倾斜角度不宜过小和过大，可分别选择 10º、15º、20º、25º，最后取平均值得出‾h_x，即为车辆质心高度近似真值。

应用本申请时，首先根据车辆轴荷发生变化时，轮胎压扁半径和悬架发生变形，簧载质量和非簧载质量质心高度发生变化，采用划线法测算出各自变化量；然后根据车辆处于不同倾斜角度与前后轴载荷间关系，根据力矩均衡原理和质量平衡原理，确定各变化量之间的几何关系，并对车辆的前轮与地面的接触点取矩，建立力矩平衡方程，得出车辆水平放置状态下的整车质心高度、簧载和非簧载质量质心高度。

本发明区别于现有静态车辆质心高度测量方法，本发明不需要固定悬架，只需要多测量几个尺寸，就可以避免固定悬架带来的繁重的劳动和安全事故，也可以减小由于固定不牢而产生的测量误差，同时还可以得出簧载质量和非簧载质量质心位置。测量方法简单、经济、精确，广泛适用于两轴车辆。

附图说明

图 1 汽车水平放置时实验示意图；

图 2 二自由度模型；

图 3 单自由度模型；

图 4 车身响应曲线；

图 5 汽车倾斜放置时实验示意图；

图 6 因轮胎压扁变形引起的非簧载质量质心高度变化几何关系；

图 7 因悬架变形引起的簧载质量质心高度变化量Δhsi 几何图；

图 8 因非簧载质量和簧载质量质心高度变化引起的整车质心高度变化几何关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请做进一步的解释说明。

实施例1

本申请所提供的两轴车辆质心高度的静态测量方法，该方法包括如下步骤：

（1）首先，确保测试路面水平，然后根据被测车辆轮距和轴距摆放好轴重仪；车辆驶入轴重仪后，熄火发动机，并将车辆挂空挡和驻车档；

通过铅锤仪或钢直尺分别在前轮接地点、轮心及翼子板处用记号笔标注点 A、O_f 和 P_f，并确保这三点在一条直线上；

同样在后轮接地点、轮心及翼子板处标注出点 B、O_r和 P_r，测出或根据汽车出厂参数确定轴距 L；

如图1所示，记录如下测量数据：前轮压扁半径 AO_f、前轮中心到前标记点 P_f距离 O_fP_f、后轮压扁半径 BO_r、后轮中心到后标记点 P_r 的距离 O_rP_r。

（2）首先，根据前后轴重仪的读数，分别记录为 N_f 和 N_r，根据下述公式计算得出整车质量，计算公式为：

m=(N_f+N_r)/g，

式中，g 为重力加速度；

其次，根据力矩平衡方程，确定整车质心距前轴距离：

；

最后，设整车质心为点 O，通过铅锤仪在车身上画出一铅垂线 OC，即该铅垂线通过整车质心O，质心高度 h_x即为待测参数。

（3）通过滚下法进行偏频实验，具体为：

将汽车驶上台阶，熄火发动机，停车挂空挡，将汽车从台阶上推下，推下时应尽量保证左右车轮同时落地，在车身处和轮心处布置加速度传感器；

考虑到轮胎径向刚度远大于悬架刚度，可将单轴两自由度垂直振动模型（如图2所示）简化为单轴单自由度振动模型（如图3所示）。

（4）根据车身处加速度时域曲线（如图4所示），可以得到系统有阻尼振荡周期 T_d，第 i 个波峰幅值 A_i，第 i+n个波峰幅值 A_i+n；

根据如下公式求得阻尼比ξ：

；

根据如下公式求得固有频率ω_n：

；

悬架弹簧刚度系数 K_s根据如下方法测量获得：改变前轴或后轴载荷，测得轮心与车身标记点之间距离变化获得；

然后根据如下公式求得前后轴的簧载质量 m_sf 和 m_sr：

；

再求得整车簧载质量：m_s=m_sf+m_sr；

根据质量平衡原理，求出整车簧载质量m_s质心距后轴的距离L_sr ：

；

设簧载质心为 O_s，待求参数整车簧载质心高度h_s。

（5）求出非簧载质量m_u：

m_u=m-m_s；

设非簧载质量 m_u质心为 O_u，且该点必在直线 O_sO 上；

根据质量平衡原理，计算获得非簧载质量质心 O_u 距前轴的距离 L_uf ：

；

计算获得非簧载质量 m_u的质心高度h_u：

；

即，下一步通过实验确定两个未知量 h_x和 h_s 的值即可。

（6）通过举升机构托起前轴重仪一定高度Δ，并通过式如下公式计算出汽车倾斜角度α（如图5所示）：

；

考虑到驻车安全性，车辆倾斜角度不宜超过 30%；

读出前后轴重仪读数 N_fi和 N_ri；

记录如下测量数据：

前轮压扁半径 AO_fi、前轮中心到前标记点 P_fi距离 O_fiP_fi，后轮压扁半径 BO_ri、后轮中心到后标记点 P_ri距离 O_riP_ri；

计算获得汽车前轮压扁半径变化量Δr_fi=AO_fi -AO_f；

计算获得前轴悬架高度变化量Δs_fi=O_fiP_fi-O_fP_f；

计算获得后轮压扁半径变化量Δr_ri=AO_ri -AO_r；

计算获得后轴悬架高度变化量Δs_ri=O_riP_ri-O_rP_r；

进而做出因轮胎压扁半径变化（如图6所示）引起的非簧载质量质心高度变化量Δh_ui的几何图，并得出：

；

做出因悬架变形（如图7所示）引起的簧载质量质心高度变化量Δh_si的几何关系图，并得出：

；

做出因非簧载质量质心高度变化（如图8所示）Δh_ui 和簧载质量质心高度变化Δh_si引起的整车质心高度变化Δh_xi的几何关系图，并得出：

；

即，前轴举升时整车质心高度为 h_xi=h_x+Δh_xi；

（7）对前轮接地点（如图5所示）取矩，得出前轴举升时的力矩平衡方程：

；

解此方程，得质心高度 h_xi：

；

并最终得到车辆水平放置时的质心高度：

；

该式里含有未知量 h_s；为此，须再改变一次车辆倾斜角度，并另外得到一个车辆水平放置时的质心高度h′_x的表达式，并有：

h_x=h′_x，

根据该式可求出未知量 h_s，然后把 h_s代入h_x或h′_x即可。

为提高测量精度，可进行多次实验；同时为了提高测量精度和实验安全，抬升车辆时倾斜角度不宜过小和过大，可分别选择 10º、15º、20º、25º，最后取平均值得出‾h_x。