一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺及動態(tài)計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺及動態(tài)計算方法，包括支撐系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、運動平臺系統(tǒng)和控制解算系統(tǒng)，所述的支撐系統(tǒng)支撐待測車輛和加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)中的三個電動缸驅動運動平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)運動平臺系統(tǒng)分別繞X、Y和Z軸的轉動；測量系統(tǒng)測量待測車輛在不同運動工況中的轉動角度和驅動力；控制解算系統(tǒng)驅動加載系統(tǒng)對待測車輛進行加載，并采集測量系統(tǒng)測得的信號進行計算處理。本發(fā)明采用了獨特的雙鉸叉機構來傳遞俯仰或橫擺運動過程中電動缸的驅動力；采用正弦運動來動態(tài)求解汽車的慣性參數(shù)，具有結構簡單、成本低和測量精確度高的優(yōu)點。
【專利說明】一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺及動態(tài)計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于測量【技術領域】，具體涉及一種用于測量汽車慣性參數(shù)的汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，以及進行慣性參數(shù)求解的動態(tài)計算方法。
【背景技術】
[0002]汽車的慣性參數(shù)包括整車質量、質心位置坐標、轉動慣量和慣性積，對汽車的動力性、平順性、燃油經(jīng)濟性、避障能力和操縱性有著至關重要的影響，對汽車的穩(wěn)定性和抗側翻性能起著決定作用；慣性參數(shù)是汽車動力學仿真與控制中的重要參數(shù)，為了提高建立的汽車動力學模型的精度，需要較精確的汽車慣性參數(shù)值。
[0003]汽車慣性參數(shù)測量試驗臺是用來測量慣性參數(shù)的試驗設備，在實驗室臺架上模擬車輛的側傾、俯仰和橫擺運動，通過測量每種工況下試驗臺運動過程中的驅動力和角度的變化，采用動態(tài)計算方法得到汽車的慣性參數(shù)，從而為汽車動力學仿真與控制提供精確的慣性參數(shù)值。
[0004]汽車慣性參數(shù)測量試驗臺包括以下測試項目:試驗臺初始狀態(tài)為零度時小振幅正弦運動測試，初始狀態(tài)為側傾或俯仰傾斜固定角度小振幅正弦運動測試，側傾、俯仰和橫擺正弦運動動態(tài)測試。
[0005]現(xiàn)有技術中的汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，美國專利US005177998A公開了一種汽車質心和轉動慣量測量裝置，采用“復擺”的原理進行測量，結構龐大，測量程序復雜，能計算出質心高度、側傾/俯仰/橫擺轉動慣量，但不能計算出慣性積；德國亞琢工業(yè)大學公開了一種汽車轉動慣量測量設備，采用的俯仰和橫擺驅動機構比較復雜，成本較高，解算方法沒有考慮轉臺摩擦的影響，測量精確度不高。
[0006]因此，開發(fā)一種專業(yè)的慣性參數(shù)測量設備及精確計算方法，用以改善現(xiàn)有技術的不足，已成為汽車慣性參數(shù)測試【技術領域】迫切的需求。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺以及相應的進行慣性參數(shù)求解的動態(tài)計算方法，使其能夠精確測量汽車慣性參數(shù)，并且應用范圍廣泛。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術問題，通過以下技術方案實現(xiàn):
[0009]一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，包括支撐系統(tǒng)2、加載系統(tǒng)3、測量系統(tǒng)4、運動平臺系統(tǒng)5和控制解算系統(tǒng)6，所述的支撐系統(tǒng)2用于支撐待測車輛I和加載系統(tǒng)3 ;加載系統(tǒng)3中的三個電動缸驅動運動平臺系統(tǒng)5，能夠實現(xiàn)運動平臺系統(tǒng)5分別繞X、Y和Z軸的轉動；運動平臺系統(tǒng)5中間下部通過大軸承系統(tǒng)51與支撐系統(tǒng)2連接；測量系統(tǒng)4測量在運動平臺系統(tǒng)5和試驗車輛I不同運動工況中的轉動角度和驅動力；控制解算系統(tǒng)6驅動加載系統(tǒng)3對試驗車輛I進行加載，實現(xiàn)設定的運動，并采集測量系統(tǒng)4測得的信號進行計算處理。
[0010]具體地，所述的支撐系統(tǒng)2包括底座21、電動缸橫向支座22和中間支撐柱23 ;其中，底座21水平固定在堅實地基上，電動缸橫向支座22固定在底座21上相應位置，分別對加載系統(tǒng)3中的俯仰橫擺電動缸32和俯仰橫擺電動缸33進行支撐，側傾電動缸31直接支撐在底座21上。
[0011]所述的加載系統(tǒng)3包括有側傾電動缸31、左俯仰橫擺電動缸32、右俯仰橫擺電動缸33和雙鉸叉機構34 ；
[0012]其中，側傾電動缸31垂直安裝在底座21和運動平臺系統(tǒng)5之間，其下端通過萬向節(jié)或球軸承與底座21進行球鉸連接，前端推桿通過球軸承與運動平臺系統(tǒng)5進行球鉸連接；左俯仰橫擺電動缸32與右俯仰橫擺電動缸33的下端分別與電動缸橫向支座22的上部通過萬向節(jié)或球鉸進行球鉸連接，兩個前端的推桿通過雙鉸交叉機構34與運動平臺系統(tǒng)5連接。
[0013]所述的雙鉸叉機構34用于傳遞俯仰和橫擺運動時的驅動力，包含有U型結構341、半U型結構342、交叉滾珠回轉軸承343和球鉸344 ;其中，U型結構341安裝在左俯仰橫擺電動缸32的上部，半U型結構342安裝在右俯仰橫擺電動缸33的上部，通過球鉸344與旋轉軸連接；雙鉸叉機構34通過交叉滾珠回轉軸承343與運動平臺系統(tǒng)5連接，俯仰橫擺二分力傳感器412安裝在交叉滾珠回轉軸承343與運動平臺系統(tǒng)5之間。
[0014]所述的測量系統(tǒng)4包括力傳感器41和角度傳感器42 ;力傳感器41包括側傾單分力傳感器411、俯仰橫擺二分力傳感器412和懸臂梁傳感器413 ;懸臂梁傳感器413包括后懸臂梁傳感器4131、左懸臂梁傳感器4132、右懸臂梁傳感器4133和前懸臂梁傳感器4134 ；角度傳感器42包括側傾角度傳感器421、俯仰角度傳感器422、橫擺角度傳感器423。
[0015]其中側傾單分力傳感器411安裝在側傾電動缸31的前端推桿上，俯仰橫擺二分力傳感器412安裝在雙鉸交叉機構34與運動平臺系統(tǒng)5之間；后懸臂梁傳感器4131、左懸臂梁傳感器4132、右懸臂梁傳感器4133和前懸臂梁傳感器4134分別成90度對稱分布在運動臺架52和大軸承系統(tǒng)51之間；側傾角度傳感器421、俯仰角度傳感器422、橫擺角度傳感器423分別安裝在各自的旋轉軸上。
[0016]所述的運動平臺系統(tǒng)5包括有大軸承系統(tǒng)51、運動臺架52、縱向支撐板53和車身夾具54，大軸承系統(tǒng)51包括側傾軸承511、俯仰軸承512和橫擺軸承513 ;縱向支撐板53包括左縱向支撐板531和右縱向支撐板532 ;車身夾具54包括左后車身夾具541、右后車身夾具542、左前車身夾具543和右前車身夾具544。
[0017]其中，側傾軸承511、俯仰軸承512和橫擺軸承513，分別在所對應的運動工況中起作用；左右兩個縱向支撐板531和532為凹槽結構，關于X軸對稱固定在運動臺架52上，側面沿縱向開有槽口，槽口上刻有刻度，用于吊裝待測車輛I時進行對中；左后車身夾具541、右后車身夾具542、左前車身夾具543和右前車身夾具544分別通過螺栓固定在左右兩個縱向支撐平板531和532上，可根據(jù)待測車輛I軸距的大小，通過固定在不同的螺栓孔來調整夾具的X向位置，夾具Y向的位置可通過使夾具沿著滑道滑動來調整。
[0018]所述的控制解算系統(tǒng)6包括驅動模塊和信號采集模塊，其中驅動模塊用于控制電動缸的運動，實現(xiàn)不同測量工況的加載要求；信號采集模塊采集力傳感器41的力信息，角度編碼器42輸出的角度信息。
[0019]可選地，所述的加載系統(tǒng)3中的三個電動缸可以全部或部分地更換為液壓缸。
[0020]可選地，適當增加縱向支撐平面的長度和車身夾具的數(shù)量，并根據(jù)軸距和輪距進行調整位置，就可以測量多軸車的慣性參數(shù)。
[0021]一種汽車慣性參數(shù)動態(tài)計算方法，包括以下步驟:
[0022](一)在試驗臺初始狀態(tài)為零度時進行小振幅正弦運動，對懸臂梁傳感器測量的平衡力進行求平均值運算；在試驗臺初始狀態(tài)分別為其它兩個傾斜角度時，進行小振幅正弦運動，對相應的平衡轉矩進行求平均值運算；
[0023](二)分別通過側傾/俯仰/橫擺正弦運動，把正弦運動分解為去程和回程，分別求解去程和回程中的相應平衡轉矩，再進行求平均值運算；對動態(tài)測試中不同工況條件下求解出的相同慣性積，采用求平均值運算。
[0024]步驟(一)中的動態(tài)求解方法詳細步驟為:利用側傾電動缸31驅動運動平臺系統(tǒng)5在初始狀態(tài)為零度時，進行小振幅正弦運動，分別求出后懸臂梁傳感器4131、左懸臂梁傳感器4132、右懸臂梁傳感器4133和前懸臂梁傳感器4134測量的力向量匕、F02, F03> F04的均
值F r F2, ，質量的求解方程為:
[0025]
【權利要求】
1.一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，包括支撐系統(tǒng)(2)、加載系統(tǒng)(3)、測量系統(tǒng)(4)、運動平臺系統(tǒng)(5)和控制解算系統(tǒng)(6)，所述的支撐系統(tǒng)(2)支撐待測車輛(I)和加載系統(tǒng)(3);其特征在于: 所述的加載系統(tǒng)(3)中的三個電動缸驅動運動平臺系統(tǒng)(5)分別繞X、Y和Z軸的轉動；運動平臺系統(tǒng)(5)中間下部通過大軸承系統(tǒng)(51)與支撐系統(tǒng)(2)連接；測量系統(tǒng)(4)測量在運動平臺系統(tǒng)(5)和試驗車輛(I)不同運動工況中的轉動角度和驅動力；控制解算系統(tǒng)(6)驅動加載系統(tǒng)(3)對試驗車輛(I)進行加載，并采集測量系統(tǒng)(4)測得的信號進行計算處理； 所述的加載系統(tǒng)(3)包括側傾電動缸(31)、左俯仰橫擺電動缸(32)、右俯仰橫擺電動缸(33)和雙鉸叉機構(34);其中，側傾電動缸(31)垂直安裝在底座(21)和運動平臺系統(tǒng)(5)之間，其下端通過萬向節(jié)或球軸承與底座(21)進行球鉸連接，前端推桿通過球軸承與運動平臺系統(tǒng)(5)進行球鉸連接；左俯仰橫擺電動缸(32)與右俯仰橫擺電動缸(33)的下端分別與電動缸橫向支座(22)的上部通過萬向節(jié)或球鉸進行球鉸連接，兩個前端的推桿通過雙鉸交叉機構(34)與運動平臺系統(tǒng)(5)連接； 所述的雙鉸叉機構(34)傳遞俯仰和橫擺運動時的驅動力，包含有U型結構(341)、半U型結構(342)、交叉滾珠回轉軸承(343)和球鉸(344);其中，U型結構(341)安裝在左俯仰橫擺電動缸(32)的上部，半U型結構(342)安裝在右俯仰橫擺電動缸(33)的上部，通過球鉸(344)與旋轉軸連接；雙鉸叉機構(34)通過交叉滾珠回轉軸承(343 )與運動平臺系統(tǒng)(5 )連接，俯仰橫擺二分力傳感器(412)安裝在交叉滾珠回轉軸承(343)與運動平臺系統(tǒng)(5)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，其特征在于: 所述的支撐系統(tǒng)(2)包括底座(21)、電動缸橫向支座(22)和中間支撐柱(23);其中，底座(21)水平固定在堅實地基上，電動缸橫向支座(22)固定在底座(21)上相應位置，分別對加載系統(tǒng)(3)中的左俯仰橫擺電動缸(32)和右俯仰橫擺電動缸(33)進行支撐，側傾電動缸(31)直接支撐在底座(21)上。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，其特征在于: 所述的測量系統(tǒng)(4)包括力傳感器(41)和角度傳感器(42)，所述的力傳感器(41)包括側傾單分力傳感器(411)、俯仰橫擺二分力傳感器(412)和懸臂梁傳感器(413);懸臂梁傳感器(413)包括后懸臂梁傳感器(4131)、左懸臂梁傳感器(4132)、右懸臂梁傳感器(4133)和前懸臂梁傳感器(4134);角度傳感器(42)包括側傾角度傳感器(421)、俯仰角度傳感器(422)、橫擺角度傳感器(423);其中側傾單分力傳感器(411)安裝在側傾電動缸(31)的前端推桿上，俯仰橫擺二分力傳感器(412)安裝在雙鉸交叉機構(34)與運動平臺系統(tǒng)(5)之間；后懸臂梁傳感器(4131)、左懸臂梁傳感器(4132)、右懸臂梁傳感器(4133)和前懸臂梁傳感器(4134)成90度對稱分布在運動臺架(52)和大軸承系統(tǒng)(51)之間；側傾角度傳感器(421),俯仰角度傳感器(422)和橫擺角度傳感器(423)分別安裝在各自的旋轉軸上。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，其特征在于: 所述的運動平臺系統(tǒng)(5)包括大軸承系統(tǒng)(51)、運動臺架(52)、縱向支撐板(53)和車身夾具(54)，其中，大軸承系統(tǒng)(51)包括側傾軸承(511)、俯仰軸承(512)和橫擺軸承(513 );左右兩個縱向支撐板(531)和(532 )為凹槽結構，關于X軸對稱固定在運動臺架(52 )上，側面沿縱向開有槽口，槽口上刻有刻度，在吊裝待測車輛I時進行對中；左后車身夾具(541)、右后車身夾具(542)、左前車身夾具(543)和右前車身夾具(544)分別通過螺栓固定在左右兩個縱向支撐平板(531)和(532)上，可根據(jù)待測車輛(I)軸距的大小，通過固定在不同的螺栓孔來調整夾具的X向位置，夾具Y向的位置可通過使夾具沿著滑道滑動來調整。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，其特征在于: 所述的控制解算系統(tǒng)(6)包括驅動模塊和信號采集模塊，其中驅動模塊控制不同測量工況及加載要求下電動缸的運動；信號采集模塊采集力傳感器(41)的力信息，角度編碼器(42)輸出的角度信息。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的一種汽車慣性參數(shù)測量試驗臺，其特征在于: 所述的加載系統(tǒng)(3)中的三個電動缸可以全部或部分地更換為液壓缸。
7.一種汽車慣性參數(shù)動態(tài)計算方法，其特征在于:包括以下步驟: (一)在試驗臺初始狀態(tài)為零度時進行小振幅正弦運動，對懸臂梁傳感器測量的平衡力進行求平均值運算；在試驗臺初始狀態(tài)分別為其它兩個傾斜角度時，進行小振幅正弦運動，對相應的平衡轉矩進行求平均值運算； (二)分別通過側傾/俯仰/橫擺正弦運動，把正弦運動分解為去程和回程，分別求解去程和回程中的相應平衡轉矩，再進行求平均值運算；對動態(tài)測試中不同工況條件下求解出的相同慣性積，采用求平均值運算。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種汽車慣性參數(shù)動態(tài)計算方法，其特征在于: 所述的步驟(一)中的動態(tài)求解方法具體為: 利用側傾電動缸(31)驅動運動平臺系統(tǒng)(5)在初始狀態(tài)為零度時，進行小振幅正弦運動，分別求出后懸臂梁傳感器(4131)、左懸臂梁傳感器(4132)、右懸臂梁傳感器(4133)和前懸臂梁傳感器(4134)測量的力向量&、&、&、&的均值F、P,,'、F,，質量的求解方程為:
9.根據(jù)權利要求7所述的一種汽車慣性參數(shù)動態(tài)計算方法，其特征在于: 所述的步驟(二)中的動態(tài)求解方法具體為: 所述的側傾電動缸(31)驅動運動平臺系統(tǒng)(5)進行側傾正弦運動，根據(jù)側傾單分力傳感器(411)測量的力向量F1和俯仰橫擺二分力傳感器(42)測量的力向量F2、F3,把正弦運動分解為去程和回程，分別求解去程中的主模態(tài)轉矩Mxxa和副模態(tài)轉矩Mxya' Mxza,回程中的主模態(tài)轉矩Mxxb和副模態(tài)轉矩Mxyb、Mxzb,進行求平均值運算:
【文檔編號】G01M1/00GK103592077SQ201310600626
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】郭孔輝, 丁金全, 郭川, 姚麒麟, 陳禹行, 許男, 李忠?guī)r, 袁顯舉 申請人:長春孔輝汽車科技有限公司