CN108414143A - 车辆重心测量方法 - Google Patents

Abstract

一种车辆重心测量方法，包括：根据车辆所受重力与第一车轴所受支撑力相对于第二车轴的中心线力矩平衡，计算车辆重心的纵向位置，所述第一车轴为所述车辆的前轮车轴和后轮车轴中的任意一个，所述第二车轴为所述车辆的另一车轴；根据所述车辆的两侧车轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算车辆重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述车辆重心在水平面上的投影点；举升所述第一车轴，并通过举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度。该方法操作简单，无需复杂的测量设备，成本低，且测量准确度高。

Description

车辆重心测量方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种车辆重心测量方法。

背景技术

随着人民生活水平提高和汽车工业发展，汽车性能越来越引起人们的重视，也逐渐成为区分汽车品牌的关键因素。

车辆重心的位置直接关系到汽车的前轴、后轴及左、右轮能否在更平衡与稳定的状态下工作，对汽车转向、制动、操稳、ABS等多项整车性能也有重要影响。因此，汽车重心位置的准确测量对整车的设计、布置以及安全性具有重要作用。

现有的车辆重心测量方法中，需要使用专门的测量设备，并且其测量方法都较为复杂、成本高，且测量准确度较低，无法满足现有的车辆安全要求。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种简单、成本低和测量准确的车辆重心测量方法。

一种车辆重心测量方法，包括：

根据车辆所受重力与第一车轴所受支撑力相对于第二车轴的中心线力矩平衡，计算车辆重心的纵向位置，所述第一车轴和所述第二车轴分别为所述车辆的前轮车轴和后轮车轴中的一个；

根据所述车辆的两侧车轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算车辆重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述车辆重心在水平面上的投影点；

举升所述第一车轴，并通过举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，所述举升所述第一车轴，并通过举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度的步骤包括：

在一定角度范围内逐步举升所述第一车轴，并记录每个角度下所述第一车轴举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程；

根据所述车辆过所述车辆重心的重力相对于所述第一车轴的支撑点力矩平衡，确定所述车辆重心的高度与所述第二车轴的轴荷的关系式，并根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述车辆重心的高度。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，所述车辆重心的高度与所述第二车轴的轴荷的关系式为：

其中，Z_CG为所述车辆重心的高度，l为所述前轮车轴和所述后轮车轴之间的距离，m_r为车辆水平放置时所述第二车轴的轴荷，m’_r为车辆举升θ角后所述第二车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，r_stat.r为所述第二车轴上的车轮净负荷半径。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述车辆重心的步骤包括：

根据所述关系式和所述轴荷直线方程，确定车辆重心高度计算公式为：

其中，x为车辆举升角θ的正切值，p和q为所述轴荷直线方程中的常数；

根据所述车辆重心高度值的唯一性，对所述车辆重心高度计算公式进行处理，得到处理后的车辆重心高度计算公式：

其中，p,为处理后轴荷直线方程的斜率。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，所述车辆重心的纵向位置的计算公式为：

其中，X_CG为重心纵向位置，m_r为车辆水平放置时所述第二车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，l为所述前轮车轴与所述后轮车轴之间的距离。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，所述车辆重心的横向位置的计算公式为：

其中，b_f为所述第一车轴上的车轮轮距，b_r为所述第二车轴上的车轮轮距，m₁和m₂分别为所述第一车轴上的两个车轮的轮荷，m₃和m₄分别为所述第二车轴上的两个车轮的轮荷，所述m_v为车辆总质量。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，所述角度范围为5～10°。

进一步的，上述车辆重心测量方法，其中，举升所述第一车轴时，举升台的举升平面保持水平。

本发明实施例中，通过车辆水平静止时力矩平衡原理得到车辆重心纵向和横向位置，并通过测量举升角的正切值及其对应的举升车轴的轴荷变化情况计算出车辆重心高度值。其操作简单，无需复杂的测量设备，成本低，且测量准确度高。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的车辆重心测量方法的结构框图；

图2为车辆重心横向位置受力分析的示意图；

图3为车辆处于水平位置时的示意图；

图4为车辆的前轮车轴举升θ角时的示意图；

图5为本发明第二实施例中的车辆重心测量方法的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为本发明第一实施例中的车辆重心测量方法，包括步骤S11～S13。本发明中以两轴车辆进行说明，该车辆包括前轮车轴和后轮车轴。将车辆设定为刚体，重心位置不会随车辆的轴荷转移而变化。

步骤S11，根据车辆所受重力与第一车轴所受支撑力相对于第二车轴的中心线力矩平衡，计算车辆重心的纵向位置。其中，所述第一车轴和所述第二车轴分别为所述车辆的前轮车轴和后轮车轴中的一个。

车辆静止时，各处受力平衡，可根据力矩平衡原理得到车辆重心的纵向位置和横向位置。例如，本实施例中，第一车轴为车辆的前轮车轴，第二车轴为车辆的后轮车轴。车辆水平放置时，车辆所受重力与后轴所受支撑力相对车辆前轴中心线力矩平衡，根据力矩平衡原理可知：

其中，X_CG为重心纵向位置也即是前轮车轴的中心线与车辆重心的水平距离，m_r为车辆水平放置时后轮车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，l为前轮车轴和后轮车轴之间的距离。测量车辆的总质量、后轮车轴的轴荷即可计算重心的纵向位置。

步骤S12，根据车辆的两侧车轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算车辆重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述车辆重心在水平面上的投影点。

具体的，如图2所示，假设车辆重心(A)的水平投影为A’，A’到车辆纵向中心平面的距离(车辆重心的横向位置)为Y_CG，车辆静止时，左侧车轮与右侧车轮所受地面支撑力相对于A’点力矩平衡，由此可知：

其中，b_f为前轮车轴上两个车轮的轮距，b_r为后轮车轴上两个车轮的轮距，m₁、m₂、m₃、m₄分别为左前轮、右前轮、左后轮和右后轮的轮荷，m_v为车辆总质量。进一步推导得到车辆重心的横向位置计算公式为：

具体的，车辆的两个车轴的轴荷、各个车轮的轮荷、车辆总质量、轴距及前、后轮的轮距可以从已有的基本规格参数获取，也可以根据国家标准进行测量得到。

步骤S13，举升所述第一车轴，并通过举升角正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度。

下面以举升车辆的前轮车轴进行具体说明。如图3所示，当车辆处于水平静止状态时，车辆重心高度Z_CG为车辆重心A到车轴中心线对应的平面的距离Z与后轮静负荷半径r_stat.r之和。其中，后轮静负荷半径为后轮处于静态时，轮胎在垂直负荷作用下，轮轴中心至支撑平面的垂直距离，即，Z_CG＝Z+r_stat.r (式4)。

具体测量时，r_stat.r可为两个后轮的静负荷半径的平均值。

如图4所示，当前轮车轴被举升至θ角时，过车辆重心A点的重力(m_v·g)相对于车轮前轴支撑点力矩平衡。因此，根据力矩平衡原理可得到：

[(z·tanθ+a)·sinθ]·m_v·g＝l·sinθ·m'_r·g (式5)

其中，m’_r为举升前轮车轴时的后轮车轴的轴荷，a为前轮的轴心与车辆重心A点在水平面上的投影距离，也即车辆重心的纵向位置，具体的：

由式5和式6可得：

由式(7)和式(4)可得车辆前轴举升时车辆重心的高度与后轮车轴之间的关系式为：

其中，l为前轮车轴与后轮车轴之间的距离，m_r为车辆水平放置时后轮车轴的轴荷，m’_r为车辆举升θ角后后轮车轴的轴荷，m_v为车辆总质量。

测量过程中，后轮车轴的轴荷可通过轴荷仪进行测量，且车辆的最小举升角θ根据轴荷仪的精度进行确定。例如，精度为±0.1％的轴荷仪对最大总质量为3.5t以下的样车优选最小举升角度为4～5度。

本实施例中，在车辆重心的高度测量时，在一定角度范围内逐步举升前轮车轴，并记录每个角度下前轮车轴举升角的正切值和后轮车轴的轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程；

然后根据车辆重心的高度与后轮车轴的轴荷的关系式以及轴荷直线方程计算车辆重心的高度。

例如，在实际测量时，依次将前轮车轴举升5°、6°……10°，并分别记录每一举升角度下的后轮车轴的轴荷以及举升角度θ的正切值。根据记录的轴荷和举升角正切值拟合出曲线图，并得到曲线方程式。数据处理得到后轮车轴的轴荷与举升角正切值之间呈线性关系，即轴荷直线方程为：

y＝p·x+q (式10)

式中，y为后轮车轴的轴荷，p、q为常数；x为举升角正切值。

将式10代入式8中可得到：

车辆重心的高度为一确定值。而上述式11中x是变量，因而项是变量，导致重心高度值将随举升角度的变化而变化。为保证求得的重心高度值的唯一性，项应恒为常数，即q＝m_r。因此，根据记录的轴荷和举升角正切值进行线性拟合时，直线应通过点(0，m_r)。处理后的线性方程为：

y＝p'·x+m_r (式12)；

进而，根据处理后的轴荷直线方程，车辆重心高度计算公式为：

其中，p’为处理后新拟合的线性方程的斜率，根据该式，车辆重心的高度值具有唯一性。

根据式13，车辆的前后车轴之间的距离l，车辆总质量m_v，后轮静负荷半径r_stat.r可根据已有的基本规格参数获取或现场测量得到。而轴荷直线方程的斜率p’可根据举升试验过程中记录的后轮车轴的轴荷，以及举升角度θ的正切值进行线性拟合得到。由此可测得车辆重心的高度。

可以理解的，在本发明的其他实施例中，也可通过举升后轮车轴进行车辆重心高度的测量，其测量原理和方法与举升前轮车轴基本相同，此处不予赘述。

本实施例中应用力矩平衡原理得到车辆重心纵向和横向位置，并通过测量举升角正切值及其对应的轴荷变化情况计算出车辆重心高度值。其操作简单，无需复杂的测量设备，成本低，且测量准确度高。

请参阅图5，为本发明第二实施例中的车辆重心测量方法，包括步骤S21～S26。

步骤S21，根据车辆所受重力与第一车轴所受支撑力相对于第二车轴的中心线力矩平衡，计算车辆重心的纵向位置。其中，第一车轴为车辆的前轮车轴(或后轮车轴)，第二车轴为车辆的后轮车轴(或前轮车轴)。

步骤S22，根据两侧车轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算车辆重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述车辆重心在水平面上的投影点。

步骤S23，在一定角度范围内逐步举升所述第一车轴，并记录每个角度下所述第一车轴举升角的正切值和第二车轴的轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程。

其中，第二车轴的轴荷y与第一车轴举升角的正切值x之间的关系式为：

y＝p·x+q，其中p、q为常数。

步骤S24，根据所述车辆过所述车辆重心的重力相对于所述第一车轴的支撑点力矩平衡，得到所述车辆重心的高度与所述第二车轴的轴荷的关系式。

步骤S25，根据所述关系式和所述轴荷直线方程，得到车辆重心高度计算公式。

上述步骤中，车辆重心的高度与第二车轴的轴荷的关系式为：

其中，Z_CG为车辆重心的高度，l为前轮车轴和后轮车轴之间的距离，m_r为车辆水平放置时第二车轴的轴荷，m’_r为车辆举升θ角后第二车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，r_stat.r为第二车轴上的车轮净负荷半径。

将y代入车辆重心的高度与第二车轴的轴荷的关系式中，得到车辆重心高度计算公式：

步骤S26，根据车辆重心高度值的唯一性，对车辆重心高度计算公式进行处理，并根据处理后的车辆重心高度计算公式和轴荷直线方程计算车辆重心的高度。

即，为保证求得的重心高度值的唯一性，项应恒为常数，即q＝m_r。处理后的车辆重心高度计算公式为：其中，p’为处理后拟合直线的斜率。车辆的前后车轴之间的距离l，车辆总质量m_v，后轮静负荷半径r_stat.r可根据已有的基本规格参数获取或现场测量得到。而轴荷直线方程的斜率p’可根据举升试验过程中记录的第二车轴的轴荷，以及举升角度θ的正切值进行线性拟合得到。由此可测得车辆重心的高度。

进一步的，在本发明的另一实施方式中，除了记录举升第一车轴时每一个举升角度的正切值和第二车轴的轴荷外，还记录逐步降低已抬高的第一车轴至水平位置时每一角度的正切值和第二车轴的轴荷，并根据记录的数据进行线性拟合，以此来平衡阻滞的影响，使测量得到的车辆重心高度更加准确。

需要注意的是，因举升过程中汽车悬架及弹性元件易受切向力的影响而产生非线性形变，引起轴荷的非线性变化，影响测试结果，所以应在试验时锁定悬架及其它弹性元件。变速器应处于空档位置，驻车制动应处于松开状态，使车辆轮胎可以自由滚动，防止车轮对试验用轴荷测量装置产生切向力，提高试验精度。且，举升台的举升平面必须时刻保持水平，以保证车轮只受竖直方向的外力作用，同时举升台还必须能够在一定范围内均匀、稳定地上升和下降。

本实施例中，通过测量两轴车辆的轴荷、轮荷、总质量、轴距及前、后轮距，应用力矩平衡原理得到重心纵向和横向位置，并通过测量举升角正切值及其对应的轴荷变化情况计算出车辆重心的高度值。测量方法简单、准确，实用性强。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种车辆重心测量方法，其特征在于，包括：

根据车辆所受重力与第一车轴所受支撑力相对于第二车轴的中心线力矩平衡，计算车辆重心的纵向位置，所述第一车轴和所述第二车轴分别为所述车辆的前轮车轴和后轮车轴中的一个；

根据所述车辆的两侧车轮所受地面支撑力相对于重心投影点力矩平衡，计算车辆重心的横向位置，其中所述重心投影点为所述车辆重心在水平面上的投影点；

举升所述第一车轴，并通过举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度。

2.如权利要求1所述的车辆重心测量方法，其特征在于，所述举升所述第一车轴，并通过举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷的变化确定所述车辆重心的高度的步骤包括：

在一定角度范围内逐步举升所述第一车轴，并记录每个角度下所述第一车轴举升角的正切值和所述第二车轴的轴荷，并将记录的正切值和轴荷进行线性拟合，得到轴荷直线方程；

根据所述车辆过所述车辆重心的重力相对于所述第一车轴的支撑点力矩平衡，确定所述车辆重心的高度与所述第二车轴的轴荷的关系式，并根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述车辆重心的高度。

3.如权利要求2所述的车辆重心测量方法，其特征在于，所述车辆重心的高度与所述第二车轴的轴荷的关系式为：

其中，Z_CG为所述车辆重心的高度，l为所述前轮车轴和所述后轮车轴之间的距离，m_r为车辆水平放置时所述第二车轴的轴荷，m’_r为车辆举升θ角后所述第二车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，r_stat.r为所述第二车轴上的车轮净负荷半径。

4.如权利要求3所述的车辆重心测量方法，其特征在于，根据所述关系式和所述轴荷直线方程计算所述车辆重心的步骤包括：

根据所述关系式和所述轴荷直线方程，确定车辆重心高度计算公式为：

其中，x为车辆举升角θ的正切值，p和q为所述轴荷直线方程中的常数；

根据所述车辆重心高度值的唯一性，对所述车辆重心高度计算公式进行处理，得到处理后的车辆重心高度计算公式：

其中，p’为处理后轴荷直线方程的斜率。

5.如权利要求1所述的车辆重心测量方法，其特征在于，所述车辆重心的纵向位置的计算公式为：

其中，X_CG为重心纵向位置，m_r为车辆水平放置时所述第二车轴的轴荷，m_v为车辆总质量，l为所述前轮车轴与所述后轮车轴之间的距离。

6.如权利要求1所述的车辆重心测量方法，其特征在于，所述车辆重心的横向位置的计算公式为：

其中，b_f为所述第一车轴上的车轮轮距，b_r为所述第二车轴上的车轮轮距，m₁和m₂分别为所述第一车轴上的两个车轮的轮荷，m₃和m₄分别为所述第二车轴上的两个车轮的轮荷，所述m_v为车辆总质量。

7.如权利要求2所述的车辆重心测量方法，其特征在于，所述角度范围为5～10°。

8.如权利要求2所述的车辆重心测量方法，其特征在于，举升所述第一车轴时，举升台的举升平面保持水平。