纵向抬高法在汽车质心测量中的新应用

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1、中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 “纵向抬高法“在汽车质心测量中的新应用 吕晶张绍理 北京深华达交通工程技术开发有限公司，北京，1 0 0 0 7 1 摘要：本文通过对比和分析以往的汽车质心测量方法各自的优缺点，指出了各种测量方法的 不同应用范围，参照了G B T1 2 5 3 8 9 0 ，提出了“纵向抬高法”的理论方法，并且在实际操 作的几种不同实现途径中选择了第5 种抬高的办法作为推荐操作方法，找到了质心测量工作 方面的一个新的应用领域。 主题词：质心测量纵向抬高法 N e w A p p l i c a t i o no f t h eM e t h o d “T

2、 i l t i n gi nt h eF o r - a n d a f tD i r e c t i o n i nD e t e r m i n i n gt h eC e n t e r - o f - G r a v i t yo fM o t o rV e h i c l e s L vJ i n g ，Z h a n gS h a o l i B e o i n gS h e n h u a d aT r a f f i cE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g i c a lC o ，L t d A b s t r a c t ：T h e

3、a r t i c l ep o i n t so u td i f f e r e n ta p p l i c a b i l i t yo fm a n yd e t e r m i n i n gm e t h o d s ，c o n t r a s t i n g t h e i rc h a r a c t e r s I tp r e f e r st ot h em e t h o do fT i l t i n gi nt h eF o r - a n d - a f t D i r e c t i o n ，m a k i n g r e f e r e n c e st

4、 oG B T12 5 3 8 9 0 I tc h o o s e sN o 5w a yo ft i l t i n ga sar e c o m m e n d e do n e I tf i n dan e w a p p l i c a t i o ni nD e t e r m i n i n gt h eC e n t e r - o f - G r a v i t yo fM o t o r V e h i c l e s K e y w o r d s ：t h eC e n t e ro f G r a v i t y , D e t e r m i n e ，t h eM

5、 e t h o do f T i l t i n gi nt h eF o r - a n d a f tD i r e c t i o n 1 引言 随着社会的发展进步和人民生活水平的日益提高，汽车正在发挥着越来越重要的作用， 与此同时汽车安全性的问题也越来越受到人们的普遍重视。但是，目前在国内开展汽车安全 性研究中实车碰撞实验还不是很多，北京深华达交通工程技术开发有限公司正是满足这种需 求开展车辆与护栏实车足尺碰撞实验的，其中车辆的质心坐标( 尤其是质心高度) 就成为进 行护栏优化设计和确定尺寸参数的一个非常重要的指标。另外，在汽车的教学、科研、鉴定、 测试和进出口检验等方面汽车质心的坐

6、标也是一个必不可少的参数，它对于研究汽车操纵稳 定性、制动稳定性和抗侧翻的能力有很重要的作用，而且经常用于汽车动力学仿真计算中。 目前在国内外汽车质心测量相对来说有比较成熟的方法，测试时通常把汽车视为刚体， 以S h EJ 8 7 4 标准为例，它规定有下述几种方法：( 1 ) 悬挂法( s u s p e n s i o nm e t h o d ) ，( 2 ) 零位法( N u l lp o i n tm e t h o d ) ，( 3 ) 平台支承反力法( P l a t f o r mS u p p o r tR e a c t i o nm e t h o d ) ， 平台支承反

7、力法主要包括侧倾法和纵向抬高法两种方法。其中，悬挂法是根据二力平衡原理， 通过分别悬挂两个不同位置的点，标出两条铅垂线，找出交点来确定质心位置，该方法主要 3 1 3 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 应用于薄形板状物体质心的测量；摇摆法是根据单自由度无阻尼复摆的摆振原理及转动惯量 等平衡的原理来推倒的，虽然其测量精度较高，但它不仅计算复杂，而且要有专用的大型试 验装置，在大多数现场条件受限制的情况下是无法实现的。另外，摇摆法和悬挂法只适用于 测量2 吨以下的小客车，对于大中型客货车而言不仅测量精度受影响，而且悬挂很难实现， 因为它需要坚固并且高大龙门架设备，而且汽车车身

8、钣件和蒙皮上很难找到可以用来悬挂的 坚固部位，车体钣件在悬挂过程中由于钢丝绳的压迫必然会受到很大的破坏。另外，由于车 辆的自重很大( 我们进行碰撞实验的车辆最大总重可以达到4 0 吨，通常情况下也在1 0 2 0 吨) ，因此，对许多部件都提出了很高的设计要求，即使投入很大的资金都很难实现。 2 侧倾法和纵向抬高法优缺点对比 平台支承反力法主要包括侧倾法和纵向抬高法两种方法，二者均是利用了理论力学中 的刚体力矩平衡原理，它t f - 者不仅适用小吨位的客车而且适用大吨位的大客车及大货车。 其中，侧倾法在国内已经得到了很好的推广和应用，早在1 9 9 2 年山东省交通学院已经研制 成功“汽车侧倾

9、试验台”，它集多项参数测试于一体，如汽车的侧倾稳定角、质心位置、轮 质量、轴质量等影响汽车操纵稳定性、制动性和行驶安全性的重要参数指标，到目前为止该 产品已经在国内多家汽车检测和鉴定单位得到广泛的应用，市场应用前景看好。但是，对于 我们进行车辆与护栏实车足尺碰撞实验而言，除去测量质心高度外，其他很多功能都得不到 有效利用，而且针对自己进行内部研究且不进行对外开放式的检测工作的单位而言，该装置 的使用频率如果不是很高，则花费几十万元购景这样的设备就未免会造成很大的浪费。对于 纵向抬高法而言，其测量原理上很早就得到人们的一致认可，但是相对侧倾法而言它在汽车 测试检验等方面也有一些明显的缺点，如：一

10、般进行测量均采用汽车衡或车轮负荷计，测量 精度较低；重复性较差，测量过程实际操作比较复杂；对于接近角( 或离去角) 较小的车辆 进行纵向抬高时有较大的困难，主要是考虑到车身接触地面容易造成车身钣件的破坏，所以 车辆单轴很难抬高到理想的预定高度。另外，纵向抬高法适用于前后轴至少有一处为单轴的 单机车辆，即必须保证前轴为单轴，不像集装箱运输车一样的前部多轴汽车和铰链式公交车， 他们不仅不具备整体刚性的要求，而且由于多轴而不能满足测量方法的基本原理要求) ，当 然侧倾法可以克服这些问题，因为该方法是在汽车的左右方向上进行测量。 国外在汽车质心的测量方面比较偏重子小客车，而国内可以测量大客车的质心位置

11、， 而且均为侧倾法，如下图一、二所示 ( 图一) ( 图二) 3 1 4 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 在进行车辆与护栏实车足尺碰撞实验的车辆质心测量中，我认为应该采用纵向抬高法， 它不仅满足经济实用的要求，而且针对我们的特殊使用要求可以克服很多缺点。我们进行实 车碰撞实验的车辆均是已经报废的旧车，只要其转向系统、行驶系统等保持良好就可以满足 我们进行碰撞实验的要求，因此如果发现车辆接近角和离去角比较小时，我们可以用切割的 办法除掉一部分车身钣件，而对实车足尺碰撞实验不会产生任何影响，在这一点上很大地区 别于实际运营的正常车辆的检测和鉴定( 具有不可损的特性) ，因此

12、也就克服了许多实际中 存在的一些缺陷。为了克服汽车衡和车轮负荷计精度不高的缺点，我们采用多个精度较高的 轮辐式压力传感器均匀布置在测力矩形钢结构的下方，不仅提高了测量吨位范围、测量精度、 满足了测量中防止偏载的要求，而且在成本上节约了同等用途汽车衡的8 0 以上。另外，这 样的测力装置质量小，拆卸、移动方便，使用时可以建造在露天的空地上，不但土建费用大 幅降低( 不需要建造房屋而只需要混凝土测试平台即可) ，而且使用完毕后可以很方便地拆 卸，不存在日晒雨淋等情况下维护和保养困难的问题。对于我们进行的车辆与护栏实车足尺 碰撞实验，绝大多数采用单机汽车，不使用铰链式公交车，即使采用少数集装箱运输车

13、都可 以将其拆开来针对各部分别测量然后进行几何计算同样可以得到质心坐标。对于我们进行车 辆与护栏实车足尺碰撞实验而言，测量汽车质心坐标的工作量与汽车检测鉴定单位相比要少 得多，纵向抬高法完全可以满足使用要求。另外，目前侧倾法中的“侧倾试验台”对大型车 辆的吨位要求必须小于1 6 吨，而纵向抬高法却可以达到2 0 吨以上，适用范围更广。另外， 整体上建造费用只有几万元，大大地少于“侧倾试验台”的购置费用，而且后者还要求建造 大型测量房屋等大量的土建工作，成本得到更大的节约。 就平台支承反力法而言，它是基于刚体力矩平衡原理建立的，但是考虑到实际中汽车 并不是刚体，即使在实验前已将前后轴悬架刚性固定

14、防止其变形和错位，在抬高车身角度后， 仍然有轮胎变形和油水流动产生的非正常质量转移，专门的测量误差分析证明，汽车质心高 度测量精度与举升倾角口具有余切函数关系。下图三是某型号车辆( h 。= 6 8 1 6 m m ) 在 不同举升倾角口下，质心高度办g 的测试结果，从图中可以看出，举升倾角最少应大于1 6 。 从试验安全和图中曲线下降趋势考虑，大约在1 6 。后即可获得较稳定的质心高度唿的测量结 果。因此，国际上采用1 6 0 、1 8 。和2 0 。三个名义角度，并将其平均值作为测量值。在采用角 度测量时，绝对误差应小于3 07 ；在采用长度测量时，测量精度应为0 1 ；质量测量精度 应为

15、0 1 。 ( 图三) 3 1 5 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 3 纵向抬高法的实现方式 表1 各种纵向抬高实现方法对比优缺点 序号图示 优点缺点 举升装置在竖直运动 的同时必须能够水平 1 谷 操纵简单、方便 运动，即复合运动， 设计要求很高 汽车被当作一个整体 三角架制作困难，转 轴性能及精度要求很 2 看待，后双轴及较小 高，整体质量大，成 离去角没有影响 本高 操纵困难，千斤顶行 程有限，操作人员存 3 厂 成本低在安全隐患，车架钢 u u 至 都相对偏低，容易变 形损坏 成本低，不需投入土 对吊车及其操纵人员 4 的技术要求很高，测 建费用 量精度较低 成

16、本低，可行性好，需要动力源将汽车拉 5 产、 操纵简单到混凝土台面上 经过比较拟采用第5 种抬高方法，该方法对应的抬高装置包括如下： 1 ) 长度为1 5 + 2 m 、宽度为3 m 、高度为1 3 m 的混凝土测量台( 由1 5 m 长的矩形部分 和2 m 长的梯形部分组成) 测量大客车用。 2 ) 长木宽术高= 1 5 * 3 * 0 6 5 ( 单位：m ) 的矩形混凝土测量台测量小客车用。 3 ) 纵向截面为长2 m 和高0 6 5 m 、横向宽度为3 m 的三角形钢架测量大、小客车均 可使用。 4 ) 长木宽木高= 3 木1 木0 2 ( 单位：m ) 的测力矩形钢结构测量大、小客车均可使用。 5 ) 4 个轮辐式压力传感器。 3 1 6 - 中国汽车工程学会2 0 0 4 汽车安全技术国际研讨会 6 ) 长术宽= l O m * 3 m 的混凝土地面。 7 ) 在1 、2 、6 部分均有事先设计好的矩形坑，可放置3 中的测力矩形钢结构。 具体建造图如下