一种车辆质心位置的静态测量方法及装置与流程

本发明属于车辆质心测量技术领域，针对车辆质心位置测量设计的一种装置和提出一种车辆质心位置的静态测量方法。

背景技术：

车辆质心位置分为水平方向位置和竖直方向的位置，竖直方向的位置称质心高度。质心的测量方法分为静态测量方法和动态测量法。静态测量方法基于静力矩平衡原理，动态测量法是运用动力学理论进行测量。动态测量方法包括复摆法、转动惯量法、动平衡法等。静态测量方法，如悬挂法、零位法、平台支撑反力法和质量反应法，其中质量反应法包括吊起法、举升法和可倾斜平台法。对于重型多轴车辆，悬挂法的横梁变形大，吊起法和举升法测量精度低，国内普遍采用平台支撑反力法和可倾斜平台法测量质心位置。对于一般的车辆的测量，也普遍采用静态测量方法。

中国专利公开号为“cn102297746a”，专利名称为“多轴车辆的质心测量装置及测量方法”，该方法在测量车辆质心在水平方向位置时，通过液压缸或电动缸伸缩调整测量平台处于水平位置的可靠性不高。另外测量平台上轮荷称重板对车轮的支撑反力作用点近似处理在车轮的中心位置，无法准确得到支撑反力的实际作用点，带来测量误差。该方法采用的大型和重型的测量平台，在测量轻型车辆时也会带来测量误差。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术由于无法准确测量出车辆受力的作用点带来的测量误差的问题，提出一种车辆质心位置的静态测量方法及装置，提高车辆质心测量精度，并且应用范围广泛。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

车辆质心位置的静态测量装置，其特征是，该装置包括：电动缸、底座、四个对称平行四边形机构、车轮测力板、测量平台、倾角传感器、力传感器、测量平台铰链和底座铰链；对称平行四边形机构下部连接在底座上，对称平行四边形机构上部和测量平台用测量平台铰链连接；四个车轮测力板放置在测量平台的四个空槽中；车轮测力板放置在对称平行四边形机构的上部，两者之间均匀分布四个力传感器；倾角传感器安装在测量平台的底面；电动缸上端和测量平台连接，底座支撑电动缸的下端；测量平台和底座通过底座铰链连接。

车辆质心位置分为水平方向位置和竖直方向的位置，竖直方向的位置称质心高度。车辆质心位置静态测量方法为：车辆行驶到放置在测量平台空槽中的车轮测力板上，车轮和车轮测力板接触。通过电动缸调节测量平台处于水平位置，根据力传感器测出车轮受力，可计算出车辆质心水平方向位置。电动缸伸长使测量平台旋转到一定的角度后，根据倾角传感器测量出车辆倾斜角度θ和已计算的车辆质心水平位置，可计算出质心高度。

车辆质心位置的静态测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一、计算车轮受力点位置：车轮在车轮测力板上，车轮的受力点为车轮测力板对车轮的集中载荷作用点，在第i个车轮测力板中心处建立局部坐标系xoy，fij表示第i个车轮测力板上的第j个力传感器测量值，(xij，yij)为第i个车轮测力板上第j个力传感器坐标，gi表示第i个车轮的受力大小，根据空间力系平衡原理计算出第i个车轮受力点坐标(xi，yi)为：

步骤二、通过调节电动缸使测量平台处于水平状态，计算车辆质心水平位置；在测量平台中心建立测量平台水平坐标系ox′y′z′，根据空间力系平衡原理，计算车辆质心水平位置(x′，y′)为：

式中：为第i个车轮测力板中心在测量平台水平坐标系ox′y′z′坐标值，(x′i，y′i)为第i个车轮受力点在测量平台水平坐标系ox′y′z′坐标值；

步骤三、电动缸伸长使测量平台倾斜一定角度θ，计算车辆质心高度；根据空间力系平衡原理，计算车辆质心高度z′为：

式中：l2为测量平台铰链到测量平台表面的垂直距离，g为车辆的重力，(x″i，y″i，z″i)为车轮受力点在测量平台倾斜坐标系ox″y″z″下的坐标值，(xi，yi，zi)＝(0，0，l2)+(xi，yi，0)＝(xi，yi，l2)。

本发明有益效果：

(1)本发明可根据力传感器的测量值计算出车轮测量板上车轮受力点位置，获得车轮受力点的空间坐标，避免车轮受力位置不精确带来的测量误差，提高了测量精度。

(2)本发明采用对称平行四边形机构，保证测量平台在倾斜运动过程中一直保持水平状态，处于静态时，保证车轮只受到测量平台对其竖直方向作用力，避免了摩擦力影响测量精度。与此同时，不需要研究设计额外的轮荷称重板和相关力传感器，本发明只需测量法向作用力。从而节约成本，结构简单，依据现有成熟力传感器，性能比额外设计的可靠，更易保证测量精度。

(3)本发明可以增加对称平行四边形机构的数量，根据车轮的轮距和轴距布置对称平行四边形，可以测量多轴车辆的质心坐标。在车轮测力板上增加支架，可以测量装甲车的质心坐标。

附图说明

图1为本发明车辆质心位置的静态测量装置的整体结构示意图。

图2为本发明所述对称平行四边形结构示意图。

图3为在车轮测力板上的车轮受力分析图，车轮受力坐标系oxyz的原点o为车轮测力板的中心。

图4(a)为测量平台水平坐标系ox′y′z′的三维立体示意图，图4(b)为在测量平台水平坐标系ox′y′z′的x′oz′平面上的车轮受力分析图，图4(c)为在测量平台水平坐标系的x′oy′平面上的车轮受力分析图。

图5为测量平台水平坐标系ox′y′z′旋转θ角得到的测量平台倾斜坐标系ox″y″z″下的x”oz”平面上的车轮受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-2所示，一种车辆质心位置的静态测量装置包括：电动缸1、底座2、对称平行四边形机构3、车轮测力板4、测量平台5、倾角传感器7、力传感器8、测量平台铰链9和底座铰链10。对称平行四边形机构3下部连接在底座2上，对称平行四边形机构3上部和测量平台5用测量平台铰链9连接；四个车轮测力板4设置在测量平台5的四个空槽中；车轮测力板4放置在对称平行四边形机构3的上部，两者之间均匀分布四个力传感器8。倾角传感器7安装在测量平台5的底面，用于测量平台的倾角。电动缸1上端和测量平台5连接，底座2支撑电动缸1的下端；测量平台5和底座2通过底座铰链10连接。

如图2所示，对称平行四边形机构3包括下支撑板3-1、上支撑板3-2以及连接两者之间的两个共边的平行四边形机构。

四个对称平行四边形机构3根据车辆的轴距和轮距布置在底座2和测量平台5之间。对称平行四边形机构3的下支撑板3-1用螺栓连接在底座2上，上支撑板3-2和测量平台5用测量平台铰链9连接。车轮测力板4放置在上支撑板3-2上，位于测量平台5的空槽中。力传感器8安装在上支撑板3-2和车轮测力板4之间，分布在上支撑板3-2的四个边角，用于测量车轮受力。

由电动缸1伸长带动测量平台5绕底座铰链10做定轴旋转运动。测量平台5的旋转运动通过测量平台铰链9带动对称平行四边形机构3的上支撑板3-2做平移运动，其中车辆前轮下方的上支撑板3-2向上平移，车辆后轮下方的上支撑板3-2向下平移。最后对称平行四边形机构3的平移运动使车辆发生倾斜。

电动缸1可以由液压缸替换。

增加对称平行四边形机构3的数量，可测量多轴车辆的质心位置。

车轮测力板4上安装支架，可测量装甲车的质心位置。

一种车辆质心位置的静态测量方法包括以下步骤：

(1)根据图4(b)、(c)建立的测量平台水平坐标系ox′y′z′及其x′oy′平面，图4(a)为测量平台水平坐标系ox′y′z′的三维立体示意图，测量平台水平坐标系原点建立在测量平台5的中心处上。如图3所示，在每个车轮测力板4上建立局部坐标系oxyz，局部坐标系原点o建立在车轮测力板4的中心。在局部坐标系oxyz上，车轮受力利用空间力系平衡原理求出车轮受力点的位置坐标(xi，yi)为：

在测量平台水平坐标系ox′y′z′上，根据所得的车轮受力点位置坐标(xi，yi)，再利用空间力系平衡原理求出车辆质心水平位置坐标(x′，y′)为：

式中：为第i个车轮测力板的中心在测量平台水平坐标系ox′y′z′的坐标值，l1为车轮测力板中心在x′轴方向上的距离，l2为测量平台铰链到测量平台表面的垂直距离，l3为车轮测力板中心在y′轴方向上的距离。

(2)在电动缸1使测量平台5旋转一定角度θ后，此时测量车辆质心高度。建立的测量平台倾斜坐标系ox″y″z″，如图5所示，力系平衡方程为：

求出：质心高度坐标为

式中：g为车辆的重力，(x″i，y″i，z″i)为车轮受力点在测量平台倾斜坐标系ox″y″z″下的坐标值，(xi，yi，zi)＝(0，0，l2)+(xi，yi，0)＝（xi，yi，l2)。