汽車質心高度計算及誤差分析方法研究

李多，王帥，李飛，門立忠

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車質心高度計算及誤差分析方法研究

李多，王帥，李飛，門立忠

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

在整車前期開發過程中，質心參數扮演著重要的角色，直接影響到整車性能。為了更好的提高質心高度評估的準確性，在前期開發階段以某款SUV為研究對象，提出一種質心計算方法，根據車型3D數據計算出該車型各系統的質心高度，同時比較同平臺其他車型各系統質心高度差異，分析系統質心高度不一致原因，并建立一種質心誤差評估方法，結合布置數據實現整車質心高度的評估。提高了整車質心評估的準確性及可靠性。

質心高度；計算方法；誤差評估

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-79-03

前言

汽車的操作穩定性、平順性及安全性已經成為評價整車性能的重要指標，而整車性能中的質心高度會對這些指標產生重大影響。但一直以來，質心高度的評估僅僅通過參考幾輛競品車的質心高度進行簡單定義，沒有一種系統的評估方法，這樣在整車的開發前期，會對底盤的性能計算的準確性（直接反映到后期的操作穩定性、平順性及安全性）帶來巨大影響。因此制定一種可靠的、準確的質心高度評估方法顯得尤為必要。文章以某款SUV車型為研究對象，提出一種質心計算方法及誤差分析方法，在車輛開發前期提高了質心評估的準確性[1]。

1 系統質心計算及分析方法

整車質心高度計算方法基于系統質心高度求和而得到，在整車坐標系下，計算各系統零部件的質心高度，然后再通過分析計算得到系統質心高度。

1.1 系統質心計算基本方法

汽車可以分為10大系統，車身、閉合件、附件、內飾、外飾、電氣、動力、傳動、底盤及安全。在整車坐標系下，以輪心為坐標原點，利用 Catia量取各系統的質心坐標及質量。

對于單一材質的零部件，可以簡單的賦予材料密度，得到質心高度及質量，對于多材料零部件及油液，可根據以下規則來確定零部件質心：

（1）對于整車油液的質心計算，這里以汽油為例，在Catia中繪制出油液的實體同時賦予其油液密度測出油液質心信息；

（2）對于多材料及復合材料的質心計算根據密度設置方式的不同一般分為兩種。第一種，可以采用供應商提供的零件整體密度進行計算，第二種，根據零部件不同部位分別賦予密度來實現質心高度及質量的計算。

系統零部件的質心計算完成以后，采用質心計算公式來實現系統質心的計算，質心計算公式[2-3]如下：

式中：xj——系統x向坐標，其中j取1，2，…，10；

mi——零部件質量，i取1，2，…；

xi——零部件x向坐標，i取1，2，…；

式中：zj——系統質心高度，其中j取1，2，…，10；

mi——零部件質量，i取1，2，…；

zi——零部件z向坐標，i取1，2，…；

以某款SUV車型為研究對象，通過上述計算方法得到各系統的x向及z向質心坐標及質量，如下表1所示。

表1 P2車型質心信息

1.2 同平臺車型系統質心對比分析

針對質心數據而然，同平臺其他車型的質心數據具有很大的參考意義，因此，這里參考同平臺另一款車型的質心計算數據進行對比分析，可得到如下表2所示。

根據表2可以發現同平臺兩款車型系統質心坐標的差距明顯。這里采用另一種方式分析各系統的質心坐標能夠更直觀分析質心差距，如圖1所示，用來表示兩款車型的系統質心差距，發現閉合件、附件、安全及傳動系統質心高度差距較大，分析原因可以歸類為以下三點：

圖1 P1與P2車型系統質心高度對比分析

（1）P1車型的整體車身高度高于現開發車型P2，但是由于 P2車型白車身地板整體向上突起，導致閉合件、附件和安全系統質心較高；

表2 P1與P2車型質心信息對比

（2）系統質心計算方法共有兩種，由于系統質心計算方法的不同進而導致了質心高度的差異；

（3）P2車型為新開發車型，整體布置情況與P1車型有所不同，導致其質心位置略有差異。

這些原因都會對 P2車型質心高度評估的準確性造成影響，而且若將其量化到一個具體數值將更加困難，因此避免這些不確定因素的最直接途徑就是建立一種質心誤差評估分析方法，給出一個合理的質心范圍，而不僅僅是一個單一數值，來增加質心高度評估的準確性。

2 系統質心誤差分析

通過以上對系統質心高度的分析可以將誤差歸為兩大類，一是質心的理論計算所引起的，二是由于設計變更情況引起的，這兩種情況的影響實質是系統質心的變化量和系統質量的變化量[4]。這里引入系統質量變化量Aj，系統質心的變化量Bj，整車知心高度用Zp來表示，系統質心變化引起的整車質心變化用來表示，得：

式中：mj——系統質量，j取1，2，…，10；

當Aj=0時，即系統的質量變化為零時，僅有系統質心發生變化時，上式：

（6）式中每一項為該系統質量占整車質量的比值與系統質心變化量的乘積。

表3 P2車型質心影響因素

如表2所示，比較P1與P2車型各系統質心高度，預測各系統的質心變化量分析得到 P2車型各系統的質心影響系數，如表3所示。車身、閉合件、動力總成及底盤對整車質心高度影響較大，占比達到50%以上。各系統質心預計變化之和為15.37mm。

3 整車質心計算及誤差分析

結合式（1）與（2），同時應用表2中的數據得到該SUV車型的質心參數信息為X=1182.55mm，Z=345.07mm，其中X表示整車質心距離前軸水平距離，Z表示整車質心距離輪心的垂直距離。在布置圖Z-X平面中建立點坐標A（1211.396，349.7981），得到質心 A距離地面線的的垂直距離為683.74mm，如圖2所示。

圖2 SUV整車質心坐標計算

現有車型P1的質心實際測量高度為676mm，同平臺研發車型P2理論計算結果為683.74mm，滿足同平臺車型質心高度相近趨勢。根據表3，P2車型理論計算誤差為2.25%，因此得到 P2車型的理論質心高度評估結果為 683.74±15.37mm。在質心評估過程中，增加了誤差分析，提高了整車質心評估的準確性。

4 結論

文章通過建立一種整車質心計算方法，在前期開發階段通過計算各系統質心參數，分析車型布置數據，確定了 P2車型的整車質心高度信息。提出一種質心誤差分析方法，將現有P1車型各系統質心參數與P2車型各系統質心參數進行對比分析，評估出質心變化范圍，增強了質心參數計算的準確性與可靠性。

[1] 鮑曉峰,丁德榜.汽車質心位置測試方法的研究[J].汽車技術,1997年11期.

[2] 張健. 汽車乘員人體質心位置計算方法研究[J].人類工效學,2014年10月第20卷第4期.

[3] 趙國晴. 剛體質心公式的意義及推導[J]. 邯鄲質心公式的意義及推導,2002年9月第12卷第3期.

[4] 葉建斌.試驗平臺測量汽車質心高度的誤差分析[J].專用汽車,1997年第1期.

Vehicle Centroid Height Calculation and Research on Deviation Analysis

Li Duo, Wang Shuai, Li Fei, Men Lizhong
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The vehicle centroid plays an important role which effects the performance of vehicle during the early development stage of vehicle.In order to better improve the accuacy of centroid evaluation, SUV is taken as the research object during the early development stage of vehicle, a method for calculating centroid is proposed,which will be used to calculate the centroid height of every system in the vehicle,and comparing the centroid height of other vehicles at the same vehicle platform,analyzing the reason that different centroid height between them,then building a way of centroid deviation evaluation while evaluating the centroid height of vehicle by layout date.Improving the accuracy and reliability of vehicle centroid evaluation.

Centroid height; Method of calculation; Deviation evaluation

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-79-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.027

李多，就職于華晨汽車工程研究院，重量管理工程師，主要從事整車重量管理、輕量化的相關工作。