一种汽车惯性参数测量试验台及动态计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种汽车惯性参数测量试验台及动态计算方法，包括支撑系统、加载系统、测量系统、运动平台系统和控制解算系统，所述的支撑系统支撑待测车辆和加载系统，加载系统中的三个电动缸驱动运动平台系统，实现运动平台系统分别绕X、Y和Z轴的转动；测量系统测量待测车辆在不同运动工况中的转动角度和驱动力；控制解算系统驱动加载系统对待测车辆进行加载，并采集测量系统测得的信号进行计算处理。本发明采用了独特的双铰叉机构来传递俯仰或横摆运动过程中电动缸的驱动力；采用正弦运动来动态求解汽车的惯性参数，具有结构简单、成本低和测量精确度高的优点。
【专利说明】一种汽车惯性参数测量试验台及动态计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测量【技术领域】，具体涉及一种用于测量汽车惯性参数的汽车惯性参数测量试验台，以及进行惯性参数求解的动态计算方法。
【背景技术】
[0002]汽车的惯性参数包括整车质量、质心位置坐标、转动惯量和惯性积，对汽车的动力性、平顺性、燃油经济性、避障能力和操纵性有着至关重要的影响，对汽车的稳定性和抗侧翻性能起着决定作用；惯性参数是汽车动力学仿真与控制中的重要参数，为了提高建立的汽车动力学模型的精度，需要较精确的汽车惯性参数值。
[0003]汽车惯性参数测量试验台是用来测量惯性参数的试验设备，在实验室台架上模拟车辆的侧倾、俯仰和横摆运动，通过测量每种工况下试验台运动过程中的驱动力和角度的变化，采用动态计算方法得到汽车的惯性参数，从而为汽车动力学仿真与控制提供精确的惯性参数值。
[0004]汽车惯性参数测量试验台包括以下测试项目:试验台初始状态为零度时小振幅正弦运动测试，初始状态为侧倾或俯仰倾斜固定角度小振幅正弦运动测试，侧倾、俯仰和横摆正弦运动动态测试。
[0005]现有技术中的汽车惯性参数测量试验台，美国专利US005177998A公开了一种汽车质心和转动惯量测量装置，采用“复摆”的原理进行测量，结构庞大，测量程序复杂，能计算出质心高度、侧倾/俯仰/横摆转动惯量，但不能计算出惯性积；德国亚琢工业大学公开了一种汽车转动惯量测量设备，采用的俯仰和横摆驱动机构比较复杂，成本较高，解算方法没有考虑转台摩擦的影响，测量精确度不高。
[0006]因此，开发一种专业的惯性参数测量设备及精确计算方法，用以改善现有技术的不足，已成为汽车惯性参数测试【技术领域】迫切的需求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种汽车惯性参数测量试验台以及相应的进行惯性参数求解的动态计算方法，使其能够精确测量汽车惯性参数，并且应用范围广泛。
[0008]本发明为解决上述技术问题，通过以下技术方案实现:
[0009]一种汽车惯性参数测量试验台，包括支撑系统2、加载系统3、测量系统4、运动平台系统5和控制解算系统6，所述的支撑系统2用于支撑待测车辆I和加载系统3 ;加载系统3中的三个电动缸驱动运动平台系统5，能够实现运动平台系统5分别绕X、Y和Z轴的转动；运动平台系统5中间下部通过大轴承系统51与支撑系统2连接；测量系统4测量在运动平台系统5和试验车辆I不同运动工况中的转动角度和驱动力；控制解算系统6驱动加载系统3对试验车辆I进行加载，实现设定的运动，并采集测量系统4测得的信号进行计算处理。
[0010]具体地，所述的支撑系统2包括底座21、电动缸横向支座22和中间支撑柱23 ;其中，底座21水平固定在坚实地基上，电动缸横向支座22固定在底座21上相应位置，分别对加载系统3中的俯仰横摆电动缸32和俯仰横摆电动缸33进行支撑，侧倾电动缸31直接支撑在底座21上。
[0011]所述的加载系统3包括有侧倾电动缸31、左俯仰横摆电动缸32、右俯仰横摆电动缸33和双铰叉机构34 ；
[0012]其中，侧倾电动缸31垂直安装在底座21和运动平台系统5之间，其下端通过万向节或球轴承与底座21进行球铰连接，前端推杆通过球轴承与运动平台系统5进行球铰连接；左俯仰横摆电动缸32与右俯仰横摆电动缸33的下端分别与电动缸横向支座22的上部通过万向节或球铰进行球铰连接，两个前端的推杆通过双铰交叉机构34与运动平台系统5连接。
[0013]所述的双铰叉机构34用于传递俯仰和横摆运动时的驱动力，包含有U型结构341、半U型结构342、交叉滚珠回转轴承343和球铰344 ;其中，U型结构341安装在左俯仰横摆电动缸32的上部，半U型结构342安装在右俯仰横摆电动缸33的上部，通过球铰344与旋转轴连接；双铰叉机构34通过交叉滚珠回转轴承343与运动平台系统5连接，俯仰横摆二分力传感器412安装在交叉滚珠回转轴承343与运动平台系统5之间。
[0014]所述的测量系统4包括力传感器41和角度传感器42 ;力传感器41包括侧倾单分力传感器411、俯仰横摆二分力传感器412和悬臂梁传感器413 ;悬臂梁传感器413包括后悬臂梁传感器4131、左悬臂梁传感器4132、右悬臂梁传感器4133和前悬臂梁传感器4134 ；角度传感器42包括侧倾角度传感器421、俯仰角度传感器422、横摆角度传感器423。
[0015]其中侧倾单分力传感器411安装在侧倾电动缸31的前端推杆上，俯仰横摆二分力传感器412安装在双铰交叉机构34与运动平台系统5之间；后悬臂梁传感器4131、左悬臂梁传感器4132、右悬臂梁传感器4133和前悬臂梁传感器4134分别成90度对称分布在运动台架52和大轴承系统51之间；侧倾角度传感器421、俯仰角度传感器422、横摆角度传感器423分别安装在各自的旋转轴上。
[0016]所述的运动平台系统5包括有大轴承系统51、运动台架52、纵向支撑板53和车身夹具54，大轴承系统51包括侧倾轴承511、俯仰轴承512和横摆轴承513 ;纵向支撑板53包括左纵向支撑板531和右纵向支撑板532 ;车身夹具54包括左后车身夹具541、右后车身夹具542、左前车身夹具543和右前车身夹具544。
[0017]其中，侧倾轴承511、俯仰轴承512和横摆轴承513，分别在所对应的运动工况中起作用；左右两个纵向支撑板531和532为凹槽结构，关于X轴对称固定在运动台架52上，侧面沿纵向开有槽口，槽口上刻有刻度，用于吊装待测车辆I时进行对中；左后车身夹具541、右后车身夹具542、左前车身夹具543和右前车身夹具544分别通过螺栓固定在左右两个纵向支撑平板531和532上，可根据待测车辆I轴距的大小，通过固定在不同的螺栓孔来调整夹具的X向位置，夹具Y向的位置可通过使夹具沿着滑道滑动来调整。
[0018]所述的控制解算系统6包括驱动模块和信号采集模块，其中驱动模块用于控制电动缸的运动，实现不同测量工况的加载要求；信号采集模块采集力传感器41的力信息，角度编码器42输出的角度信息。
[0019]可选地，所述的加载系统3中的三个电动缸可以全部或部分地更换为液压缸。
[0020]可选地，适当增加纵向支撑平面的长度和车身夹具的数量，并根据轴距和轮距进行调整位置，就可以测量多轴车的惯性参数。
[0021]一种汽车惯性参数动态计算方法，包括以下步骤:
[0022](一)在试验台初始状态为零度时进行小振幅正弦运动，对悬臂梁传感器测量的平衡力进行求平均值运算；在试验台初始状态分别为其它两个倾斜角度时，进行小振幅正弦运动，对相应的平衡转矩进行求平均值运算；
[0023](二)分别通过侧倾/俯仰/横摆正弦运动，把正弦运动分解为去程和回程，分别求解去程和回程中的相应平衡转矩，再进行求平均值运算；对动态测试中不同工况条件下求解出的相同惯性积，采用求平均值运算。
[0024]步骤(一)中的动态求解方法详细步骤为:利用侧倾电动缸31驱动运动平台系统5在初始状态为零度时，进行小振幅正弦运动，分别求出后悬臂梁传感器4131、左悬臂梁传感器4132、右悬臂梁传感器4133和前悬臂梁传感器4134测量的力向量匕、F02, F03> F04的均
值F r F2, ，质量的求解方程为:
[0025]
【权利要求】
1.一种汽车惯性参数测量试验台，包括支撑系统(2)、加载系统(3)、测量系统(4)、运动平台系统(5)和控制解算系统(6)，所述的支撑系统(2)支撑待测车辆(I)和加载系统(3);其特征在于: 所述的加载系统(3)中的三个电动缸驱动运动平台系统(5)分别绕X、Y和Z轴的转动；运动平台系统(5)中间下部通过大轴承系统(51)与支撑系统(2)连接；测量系统(4)测量在运动平台系统(5)和试验车辆(I)不同运动工况中的转动角度和驱动力；控制解算系统(6)驱动加载系统(3)对试验车辆(I)进行加载，并采集测量系统(4)测得的信号进行计算处理； 所述的加载系统(3)包括侧倾电动缸(31)、左俯仰横摆电动缸(32)、右俯仰横摆电动缸(33)和双铰叉机构(34);其中，侧倾电动缸(31)垂直安装在底座(21)和运动平台系统(5)之间，其下端通过万向节或球轴承与底座(21)进行球铰连接，前端推杆通过球轴承与运动平台系统(5)进行球铰连接；左俯仰横摆电动缸(32)与右俯仰横摆电动缸(33)的下端分别与电动缸横向支座(22)的上部通过万向节或球铰进行球铰连接，两个前端的推杆通过双铰交叉机构(34)与运动平台系统(5)连接； 所述的双铰叉机构(34)传递俯仰和横摆运动时的驱动力，包含有U型结构(341)、半U型结构(342)、交叉滚珠回转轴承(343)和球铰(344);其中，U型结构(341)安装在左俯仰横摆电动缸(32)的上部，半U型结构(342)安装在右俯仰横摆电动缸(33)的上部，通过球铰(344)与旋转轴连接；双铰叉机构(34)通过交叉滚珠回转轴承(343 )与运动平台系统(5 )连接，俯仰横摆二分力传感器(412)安装在交叉滚珠回转轴承(343)与运动平台系统(5)之间。
2.根据权利要求1所述的一种汽车惯性参数测量试验台，其特征在于: 所述的支撑系统(2)包括底座(21)、电动缸横向支座(22)和中间支撑柱(23);其中，底座(21)水平固定在坚实地基上，电动缸横向支座(22)固定在底座(21)上相应位置，分别对加载系统(3)中的左俯仰横摆电动缸(32)和右俯仰横摆电动缸(33)进行支撑，侧倾电动缸(31)直接支撑在底座(21)上。
3.根据权利要求1所述的一种汽车惯性参数测量试验台，其特征在于: 所述的测量系统(4)包括力传感器(41)和角度传感器(42)，所述的力传感器(41)包括侧倾单分力传感器(411)、俯仰横摆二分力传感器(412)和悬臂梁传感器(413);悬臂梁传感器(413)包括后悬臂梁传感器(4131)、左悬臂梁传感器(4132)、右悬臂梁传感器(4133)和前悬臂梁传感器(4134);角度传感器(42)包括侧倾角度传感器(421)、俯仰角度传感器(422)、横摆角度传感器(423);其中侧倾单分力传感器(411)安装在侧倾电动缸(31)的前端推杆上，俯仰横摆二分力传感器(412)安装在双铰交叉机构(34)与运动平台系统(5)之间；后悬臂梁传感器(4131)、左悬臂梁传感器(4132)、右悬臂梁传感器(4133)和前悬臂梁传感器(4134)成90度对称分布在运动台架(52)和大轴承系统(51)之间；侧倾角度传感器(421),俯仰角度传感器(422)和横摆角度传感器(423)分别安装在各自的旋转轴上。
4.根据权利要求1所述的一种汽车惯性参数测量试验台，其特征在于: 所述的运动平台系统(5)包括大轴承系统(51)、运动台架(52)、纵向支撑板(53)和车身夹具(54)，其中，大轴承系统(51)包括侧倾轴承(511)、俯仰轴承(512)和横摆轴承(513 );左右两个纵向支撑板(531)和(532 )为凹槽结构，关于X轴对称固定在运动台架(52 )上，侧面沿纵向开有槽口，槽口上刻有刻度，在吊装待测车辆I时进行对中；左后车身夹具(541)、右后车身夹具(542)、左前车身夹具(543)和右前车身夹具(544)分别通过螺栓固定在左右两个纵向支撑平板(531)和(532)上，可根据待测车辆(I)轴距的大小，通过固定在不同的螺栓孔来调整夹具的X向位置，夹具Y向的位置可通过使夹具沿着滑道滑动来调整。
5.根据权利要求1所述的一种汽车惯性参数测量试验台，其特征在于: 所述的控制解算系统(6)包括驱动模块和信号采集模块，其中驱动模块控制不同测量工况及加载要求下电动缸的运动；信号采集模块采集力传感器(41)的力信息，角度编码器(42)输出的角度信息。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种汽车惯性参数测量试验台，其特征在于: 所述的加载系统(3)中的三个电动缸可以全部或部分地更换为液压缸。
7.一种汽车惯性参数动态计算方法，其特征在于:包括以下步骤: (一)在试验台初始状态为零度时进行小振幅正弦运动，对悬臂梁传感器测量的平衡力进行求平均值运算；在试验台初始状态分别为其它两个倾斜角度时，进行小振幅正弦运动，对相应的平衡转矩进行求平均值运算； (二)分别通过侧倾/俯仰/横摆正弦运动，把正弦运动分解为去程和回程，分别求解去程和回程中的相应平衡转矩，再进行求平均值运算；对动态测试中不同工况条件下求解出的相同惯性积，采用求平均值运算。
8.根据权利要求7所述的一种汽车惯性参数动态计算方法，其特征在于: 所述的步骤(一)中的动态求解方法具体为: 利用侧倾电动缸(31)驱动运动平台系统(5)在初始状态为零度时，进行小振幅正弦运动，分别求出后悬臂梁传感器(4131)、左悬臂梁传感器(4132)、右悬臂梁传感器(4133)和前悬臂梁传感器(4134)测量的力向量&、&、&、&的均值F、P,,'、F,，质量的求解方程为:
9.根据权利要求7所述的一种汽车惯性参数动态计算方法，其特征在于: 所述的步骤(二)中的动态求解方法具体为: 所述的侧倾电动缸(31)驱动运动平台系统(5)进行侧倾正弦运动，根据侧倾单分力传感器(411)测量的力向量F1和俯仰横摆二分力传感器(42)测量的力向量F2、F3,把正弦运动分解为去程和回程，分别求解去程中的主模态转矩Mxxa和副模态转矩Mxya' Mxza,回程中的主模态转矩Mxxb和副模态转矩Mxyb、Mxzb,进行求平均值运算:
【文档编号】G01M1/00GK103592077SQ201310600626
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】郭孔辉, 丁金全, 郭川, 姚麒麟, 陈禹行, 许男, 李忠岩, 袁显举 申请人:长春孔辉汽车科技有限公司