基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)研究

1、工程碩士學(xué)位論文基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)研究哈爾濱理工大學(xué)2015 年 3 月工程碩士學(xué)位論文基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)研究碩 士 研究生：楊麗君導(dǎo)師：趙新通申請學(xué)位級別：工程碩士學(xué) 科、專 業(yè)：機(jī)械工程所 在單 位：機(jī)械動力工程學(xué)院答 辯日 期：2015 年 3 月授予學(xué)位單位：哈爾濱理工大學(xué)Dissertation for the Master Degree in EngineeringResearch on Technologies of the Vehicle Centroid Measurement Platform Based on the Tilting MethodC

2、andidate：Yang LijungSupervisor：Zhao XintongAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpecialty：Mechatronic EngineeringDate of Oral Examination：March, 2015University：HarbinUniversityofScience and Technology哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測 量臺技術(shù)研究，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間 獨立進(jìn)行研

3、究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包 含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個人和集體， 均在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)研究系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻 讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈 爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完 全了解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向 有關(guān)部門提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理 工大學(xué)可以采用影印、縮印或其

4、他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部 或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于保密，在年解密后適用授權(quán)書。 不保密。(請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打)作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日基于側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)研究 摘要車輛的質(zhì)心位置是車輛的重要的性能參數(shù)之一，與車輛的安全性、操控 性和穩(wěn)定性密切相關(guān)，準(zhǔn)確測量車輛的質(zhì)心位置尤為重要。目前，測量車輛 質(zhì)心位置的方法有搖擺法、懸掛法、零位法、重量反應(yīng)法和平臺支撐反力法 等。但對于質(zhì)量大、尺寸大的多軸重型車輛，現(xiàn)有的質(zhì)心測量方法都不適合。 因此，提出了用側(cè)傾法測量多軸較重車輛的質(zhì)心位置，即在傾翻臺上通過測 量不同側(cè)傾角度下的車輛的輪荷值來求解質(zhì)心位置。本文

5、針對采用側(cè)傾法的 車輛質(zhì)心測量臺技術(shù)進(jìn)行研究。通過選用輪荷測量裝置在傾斜臺上實現(xiàn)對車輛質(zhì)心位置的測量，根據(jù)被 試件和測量精度要求，確定質(zhì)心測量系統(tǒng)的總體方案和測量步驟。依據(jù)測量 方法，對車輛的質(zhì)心公式進(jìn)行了推導(dǎo)。傾斜平臺不僅要有足夠的強度，還要盡量減小變形和自身重量，因此采 用正交異性板的結(jié)構(gòu)形式對傾斜平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并用 ANSYS 軟件對 平臺的進(jìn)行剛度分析，分析傾斜平臺在不同受力情況下的變形量是否滿足設(shè) 計要求。通過對構(gòu)形方式和驅(qū)動方式的對比，選擇驅(qū)動力和行程都合適的構(gòu)形方 式，選擇電動缸作為驅(qū)動裝置。在 MATLAB 中，對單缸伺服系統(tǒng)和雙缸伺 服系統(tǒng)建立模型并仿真，通過仿真結(jié)果選

6、擇精度高的控制方法，單缸控制選 擇模糊 PID 控制方法，雙缸控制選擇偏差耦合同步控制。質(zhì)心測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用 LabVIEW 軟件進(jìn)行編寫，軟件系統(tǒng)主要 包括登陸模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和計算模塊等。軟 件系統(tǒng)可以實現(xiàn)對傾翻臺的角度控制和對輪荷測量板的數(shù)值采集與顯示，再 由計算模塊計算出被測車輛的質(zhì)心位置坐標(biāo)，使質(zhì)心測量系統(tǒng)的控制和操作 變得簡單易行。關(guān)鍵詞 側(cè)傾法；車輛質(zhì)心；電動缸；同步控制；軟件設(shè)計Research on Technologies of the Vehicle Centroid Measurement Platform Based on the Ti

7、lting Method AbstractThe center of gravity is one of important parameters of vehicle, related to the vehicles safety, controllability and stability, the vehicle centroid measurement is particularly important. Currently, measurement methods of the vehicle centroid include swaying method, suspension m

8、ethod, zero method, weight feedback method and platform supporting reaction method, and so on. However, for multi-axial heavy vehicles with big mass, large size, measure methods of centroid position are all of limitation and inapplicability. Therefore, this paper proposes using the tilting method to

9、 measure the centroid of multi-axial heavy vehicles, this measurement method need to use wheel load measuring instrument to measure wheel load value by different tilting angles on the tipping table. This paper studies technologies of the vehicle centroid measurement platform based on the tilting met

10、hod.By choosing the wheel load measuring device to achieve measure the centroid position of the vehicle on the tipping table, according to the test vehicle and the requirements of measurement accuracy, determine the overall plan and measurement procedures of the centroid measure system. According to

11、 the measurement principle, the vehicle centroid formula has been deduced.The tipping table not only have enough strength, but also to minimize the deformation and its own weigh, therefore use orthotropic plates structure to design structure of the tipping table, and stiffness analysis of the tippin

12、g table by using ANSYS software, analysis the deformation of the tilt platform under different loading conditions to meet the design requirements.By comparing the configuration styles and driving methods, select one configuration style is suitable for the drive force and stroke, select electric cyli

13、nder as drive device. By using MATLAB/Simulink, established the model and simulation of single cylinder servo system and double cylinder servo system,select control method with high precision based on the simulation results, single-cylinder control choose fuzzy PID control method, double cylinder co

14、ntrol choose relative coupling control.The software system of the vehicle centroid measurement system is written using LabVIEW software, the software system includes login module, parameters setting module, data acquisition module, control module and computation module etc. The software system can r

15、ealize angle control for the tipping table and acquisition and display of wheel load measurement value, calculates the test vehicle centroid by the calculation module, the control and operation of the vehicle centroid measurement system becomes easy.Keywords the tilting method, center of gravity, el

16、ectric cylinder, synchronization control, software design目錄摘要IAbstractII第 1 章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析21.2.1 國內(nèi)外車輛質(zhì)心位置測量的方法21.2.2 國內(nèi)外車輛質(zhì)心位置測量裝置的研究現(xiàn)狀31.2.3 傾翻臺的研究現(xiàn)狀51.2.4 電動缸的發(fā)展依據(jù)61.3 主要研究內(nèi)容7第 2 章 質(zhì)心測量系統(tǒng)總體分析與設(shè)計82.1 引言82.2 質(zhì)心測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析82.2.1 功能82.2.2 適用車輛82.2.3 測量范圍和測量精度92.3 車輛質(zhì)心測量原理92.4 車輛質(zhì)心

17、測量系統(tǒng)設(shè)計102.5 車輛質(zhì)心位置測量的步驟112.6 本章小結(jié)12第 3 章 傾斜平臺的設(shè)計133.1 引言133.2 傾斜平臺的設(shè)計133.3 傾斜平臺的剛度分析163.3.1 有限元分析法簡介173.3.2 傾斜平臺模型的規(guī)劃與導(dǎo)入173.3.3 網(wǎng)格劃分183.3.4 載荷及約束分析193.4 本章小結(jié)24第 4 章 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及同步控制254.1 引言254.2 驅(qū)動系統(tǒng)的整體設(shè)計254.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)形254.2.2 驅(qū)動方式的選擇284.2.3 電動缸關(guān)鍵部件的選擇294.3 電動缸的同步控制324.3.1 電動缸伺服系統(tǒng)的模型建立334.3.2 電動缸伺服系統(tǒng)的控制策

18、略374.3.3 雙電動缸同步的控制策略464.4 本章小結(jié)51第 5 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計525.1 引言525.2 LabVIEW 軟件簡述525.3 軟件系統(tǒng)組成525.4 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計545.4.1 用戶登錄模塊555.4.2 參數(shù)設(shè)置模塊555.4.3 控制模塊565.4.4 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊565.4.5 質(zhì)心位置計算模塊575.4.6 數(shù)據(jù)儲存模塊585.5 本章小結(jié)58結(jié)論59參考文獻(xiàn)60攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文65致謝66第1章 緒論1.1 課題研究的背景和意義近年來，隨著公路條件的改善和車輛速度的提高，也伴隨這交通事故的頻 發(fā)，這使人們越來越重視車輛的安全性和穩(wěn)定性。汽

19、車的質(zhì)量、質(zhì)心位置、傾 翻穩(wěn)定角等靜態(tài)參數(shù)是影響汽車操縱穩(wěn)定性、平順性和安全性的重要指標(biāo)，而 車輛的質(zhì)心位置對車輛的整體設(shè)計與布局有著重要影響1,2。車輛質(zhì)心位置的測 量不但是車輛設(shè)計單位和總裝廠驗證設(shè)計結(jié)果的重要手段，而且也是質(zhì)量監(jiān)督 部門檢驗車輛安全性能的必要手段3?，F(xiàn)在測量車輛質(zhì)心的方法有幾何作圖法、零位法、搖擺法、懸掛法、平臺 支撐反力法和重量反應(yīng)法等46，在眾多方法中，重量反應(yīng)法是國標(biāo)推薦的測量 方法，基于重量反應(yīng)法測量質(zhì)心高度，以往的做法是使車體前后傾斜，對于較 重的大型車輛需要多個承重軸，當(dāng)車輛前傾時會使整車的重量都依靠車輛的后 軸承重，這樣容易使車輛的后軸壓潰，也由于車體長度較

20、長，還會使會使承載 車輛的平臺的驅(qū)動裝置的行程過大，不利于整個測量平臺的穩(wěn)定。針對這一弊 端，采用側(cè)向傾斜的方法測量質(zhì)心位置，不僅可以使車輛的每個軸都承載重量， 還可以減小驅(qū)動裝置的行程。以往的做法是在測量平臺下安裝稱重傳感器，這 種方法在測量過程中測量平臺的質(zhì)量及質(zhì)量轉(zhuǎn)移都會對測量結(jié)果有一定影響。通過對測量方法的比較，本課題提出了一種適合測量體型大、質(zhì)量重、軸 數(shù)多的車輛的質(zhì)心測量方法。這種方法是基于質(zhì)量反應(yīng)法的，在傾翻臺使用輪 荷測量裝置來測量車輛的質(zhì)心位置。具體的實現(xiàn)方法為在傾翻臺上根據(jù)車輪的 間距和軸距布置輪荷測量裝置，輪荷測量裝置嵌入平臺上平面，使車輛在傾斜 平臺上時，車輪壓在輪荷測

21、量裝置的有效范圍內(nèi)，測量車輛在水平狀態(tài)下和傾 斜裝下的輪荷值得變化量，通過力矩平衡原理計算出車輛的質(zhì)心位置。測量時， 使測量裝置的測量表面與平臺上表面在同一平面上，而輪測量裝置相當(dāng)于以往 方法里的稱重傳感器，這樣就可以避免測量平臺對車輛稱重的影響。本課題結(jié)合了輪荷測量板和傾斜平臺兩者的優(yōu)點來開發(fā)一套新的質(zhì)心測量 系統(tǒng)。輪荷測量板代替了稱重傳感器，它可以直接測出車輪重量并且可以對力 矩的解耦。目前輪荷測量板在質(zhì)心測量中的應(yīng)用還不多，還未有人深入研究。 本課題的研究對于提高車輛質(zhì)心測量的精度具有現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1 國內(nèi)外車輛質(zhì)心位置測量的方法1. 搖擺法：將被測車輛停

22、在試驗平臺上，把試驗平臺看成一個復(fù)擺，車輛 的縱向質(zhì)心要對準(zhǔn)試驗平臺的中心線，車輛隨試驗平臺一起自由擺動，改變擺 動臂長，測量擺動周期，可以根據(jù)單自由度弱阻尼微振的原理計算出車輛質(zhì)心 高度，測量方法如圖 1-1 所示7。2. 懸掛法：當(dāng)物體自由懸掛時，物體質(zhì)心必通過懸掛點垂直平面，根據(jù)這個原理來確定物體質(zhì)心位置。在測量時，選取 3 個以上的不同懸掛點，不同懸 掛點所確定的垂直平面的交點即為物體的質(zhì)心位置8。3. 零位法：根據(jù)平衡物體的質(zhì)心位于通過支撐線垂直平面內(nèi)的原理，來確 定物體的質(zhì)心位置。測量過程為將被測車輛置于具有雙支撐刃口的平臺上，再 將平臺傾斜到某一角度，使車輛質(zhì)心通過其中一個刃口的

23、垂直平面，測量有關(guān) 數(shù)據(jù)，再將平臺傾斜到另一角度，使車輛質(zhì)心通過另一刃口的垂直平面，最后 計算出車輛質(zhì)心位置，測量方法如圖 1-2 所示9。圖 1-1 搖擺法測量的原理圖圖 1-2 零位法測量的原理圖Fig.1-1 Vehicle CG measurement usingFig.1-2 Vehicle CG measurement using a compound pendulum facilityzero method4. 平臺支撐反力法：將被測車輛置于平臺上，試驗時將車輛和平臺舉升至某一角度，測量質(zhì)量的重新分配值，然后計算出車輛的質(zhì)心位置10。5. 質(zhì)量反應(yīng)法：質(zhì)量反應(yīng)法是利用力矩平衡原理

24、來測量車輛的質(zhì)心高度。 按不同的實現(xiàn)方式又可分為吊起法、舉升法、可傾斜平臺法11。吊起法：將車輛的一端吊起，用拉力傳感器和拉力顯示裝置來測量吊起力。測量方法如圖 1-3 所示。先測量在水平狀態(tài)下的整車質(zhì)量，再將車輛的前端（或 后端）吊起，測量吊起一端的力，然后再將車輛逐漸地吊起，測量在不同角度 下的吊起力，然后計算出車輛的質(zhì)心高度。舉升法：將車輛的前軸（或后軸）舉升到一定的角度，采用車輪負(fù)荷計來 測量車輛舉升后的質(zhì)量變化，測量方法如圖 1-4 所示，通常情況下會選擇三個 不同的角度進(jìn)行測量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出質(zhì)心高度。圖 1-3 起吊法測量的原理圖圖 1-4 舉升法測量的原理圖Fig.1-

25、3 Vehicle CG measurementFig.1-4 Vehicle CG measurement using using slinging methodlifting method可傾斜平臺測量法：將被測車輛停置于傾斜平臺上，先測量水平狀態(tài)下的車輛重量，再讓傾斜平臺傾斜一定角度，測量車輛重量，根據(jù)車輛重量的變化 值和力矩平衡原理，計算出車輛的質(zhì)心位置。1.2.2 國內(nèi)外車輛質(zhì)心位置測量裝置的研究現(xiàn)狀意大利博洛尼亞大學(xué)的 A.Fabbri 和 G.Molari 等針對農(nóng)用窄輪拖拉機(jī)，研制 了測量窄輪拖拉機(jī)質(zhì)心高度的擺動平臺，試驗裝置如圖 1-5 所示1214。圖 1-5 擺動平臺測量

26、窄輪拖拉機(jī)的裝置圖Fig.1-5 Narrow-track Agricultural Tractors CG measurement using the swing device美國密西根大學(xué)的研究所根據(jù)復(fù)擺原理研制了車輛的慣性測量裝置，該裝 置可以測量車輛的質(zhì)心高度和轉(zhuǎn)動慣量，如圖 1-6 所示5。圖 1-6 車輛的慣性測量裝置Fig.1-6 Measurement device for vehicle inertia parameters日本的 Mikata Yoshitaka 針對帶有集裝箱的運輸車輛，研究一種利用地秤測 量質(zhì)心位置的方法15。約旦的 Abu-Hamdeh Nidal H

27、.研制了一種新的拖拉機(jī)質(zhì)心 位置測量裝置，通過實驗驗證此裝置可以準(zhǔn)確的測量拖拉機(jī)質(zhì)心位置，并比現(xiàn) 有的方法更準(zhǔn)確、更快速、更方便16。愛爾蘭的 Selim Solmaz 研究了一種基于 多模型、多轉(zhuǎn)換的機(jī)動車輛質(zhì)心位置實時測量方法，用數(shù)值模擬證明了此方法 的有效性17。浙江大學(xué)的蔣建福，對手扶小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)質(zhì)心測量的進(jìn)行研究，采用單 支點驅(qū)動可傾斜平臺法來測量質(zhì)心位置，如圖 1-7 所示18。圖 1-7 小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)質(zhì)心測量裝置Fig.1-7 CG measurement device of small operation machinery南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的聶信天，根據(jù)拖拉機(jī)前后輪直徑不相等的

28、特點，提出了基 于質(zhì)量反應(yīng)法中吊起法的拖拉機(jī)質(zhì)心高度測量方法，建立了拖拉機(jī)質(zhì)心高度計 算理論模型，拖拉機(jī)質(zhì)心高度測量方法如圖 1-8 所示19。哈爾濱理工大學(xué)的趙新通，設(shè)計了一種兩自由度運動平臺，通過控制平臺 前仰的角度來實現(xiàn)質(zhì)心位置測量，如圖 1-9 所示2023。圖 1-8 拖拉機(jī)質(zhì)心高度測量方法圖 1-9 兩自由度平臺車輛質(zhì)心測量系統(tǒng) Fig.1-8 Determination method of theFig.1-9 Vehicle CG measurement system based height of tractors gravity centeron two degrees o

29、f freedom platform國內(nèi)還有許多人都對質(zhì)心測量做了研究。賈恒信等人，開發(fā)了基于力矩平衡原理的物體重量重心測量系統(tǒng)24。長春理工大學(xué)的常明，對裝甲車輛質(zhì)心測 量進(jìn)行了研究，并根據(jù)平臺反力支撐法設(shè)計了一套測量系統(tǒng)25。吉林大學(xué)的張 立斌等人提出了一種基于動態(tài)制動模型的汽車重心動態(tài)測量方法，利用平板式 檢測臺來測量車輛的制動力和軸重，根據(jù)測量值估算出汽車的重心26。李源針 對如何合理分配改裝車輛的軸荷問題，對改裝車輛的重心計算及穩(wěn)定性進(jìn)行了 研究27。1.2.3 傾翻臺的研究現(xiàn)狀許其春、邵俊鵬等人研制了液壓全自動的傾翻試驗臺，該試驗臺能測量車 輛的側(cè)傾穩(wěn)定角、駐坡度、質(zhì)心位置等參數(shù)。

30、該試驗臺適用于 10t 以下、6 米以 內(nèi)的車輛28。鄧楚楠等人研制了適用于機(jī)動車的側(cè)翻試驗臺，介紹了試驗臺的 組成、性能、工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)等29。王寧毅、郭蕊蕊等人針對農(nóng)用車研制了一種車輛傾翻試驗臺測量車輛的側(cè)翻穩(wěn)定角，該試驗臺自動化程度高、操作 簡單，性能穩(wěn)定30。王璋對汽車的側(cè)翻試驗臺進(jìn)行了簡單的介紹，針對傳統(tǒng)的 計算汽車傾翻失效的局限性，提出了新的汽車傾翻的簡化模型，推導(dǎo)出了傾翻 失效的精確的計算公式31?？掠谓榻B了車輛的測量車輛最大側(cè)傾穩(wěn)定角的方 法和測量過程，并用質(zhì)心位置來計算32。葉建華、朱春華等人設(shè)計了測量車輛 的靜態(tài)穩(wěn)定性的試驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對車輛的側(cè)傾穩(wěn)定角、輪質(zhì)量、質(zhì)

31、心位置 等參的測量，對車輛質(zhì)心位置坐標(biāo)進(jìn)行計算和對傾翻穩(wěn)定角的誤差補償33。黃 海鵬根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)研制了可以對車輛做側(cè)翻和穩(wěn)定性實驗的系統(tǒng)，可以適用于 多種車型34。周亮、張儀棟研究和分析了影響車輛的稱重、質(zhì)心位置、最大側(cè) 傾角等測量精度的因素，開發(fā)了一種基于 CAN 總線的高精度的多功能側(cè)傾試驗 臺35。郭孔輝、丁金全等人依據(jù)復(fù)擺原理研制了測量車輛慣性參數(shù)的試驗臺， 可以測量質(zhì)心坐標(biāo)、整車質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)36。1.2.4 電動缸的發(fā)展依據(jù)zhi ku quan 20150721電動缸是將伺服電機(jī)與絲桿一體化設(shè)計的模塊化產(chǎn)品，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn) 運動通過絲桿轉(zhuǎn)換成直線運動，不僅可以使負(fù)載運動，

32、也可以提供驅(qū)動力。電 動缸主要的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、減速裝置、直線傳動機(jī)構(gòu)和輔 助機(jī)構(gòu)四大部分，電動缸的結(jié)構(gòu)如圖 1-11 所示37。圖 1-11 電動缸的結(jié)構(gòu)圖Fig.1-11 Structure of the electric cylinder電動缸在國內(nèi)還處于初期發(fā)展中。徐文燦對電動缸的原理、結(jié)構(gòu)、特性及 功能進(jìn)行介紹，并從多個方面與氣動缸相比較，指出了電動缸在伺服控制系統(tǒng) 中的優(yōu)勢38。許靜把電動缸應(yīng)用在汽車發(fā)動機(jī)的機(jī)油導(dǎo)管壓裝生產(chǎn)線上，采用PLC 控制電動缸的分段壓裝的動作順序，以保證壓裝質(zhì)量，大大地減少工作量， 提高了工作效率39。史成城和張宏立對電動缸進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建

33、立，并用不同 的 PID 算法進(jìn)行仿真，為了提高控制效果，對 PID 參數(shù)采用遺傳算法整定40。 趙玉龍等人在電動平臺控制系統(tǒng)中應(yīng)用了模糊自適應(yīng) PID 控制算法，解決了電 動缸在控制系統(tǒng)中因負(fù)載波動和參數(shù)變化而對電動缸性能的影響41。山顯雷等 人把 LuGre 摩擦模型引入電動缸的補償控制中，建立了數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真， 從仿真結(jié)果看出，對電動缸的跟蹤精度有所提高42。官柏林采用電動缸作為雷 達(dá)俯仰軸的控制機(jī)構(gòu)，把雷達(dá)俯仰軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成了電動缸的直線運動， 提高了雷達(dá)的抗干擾能力及穩(wěn)定性控制43。許兵憲采用遺傳算法對二級電動缸 的機(jī)械傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，并對二級電動缸進(jìn)行建模、運動仿真

34、、力學(xué) 分析44。梁建民等人，通過對電動缸的傳動誤差進(jìn)行測量并對誤差給予補償， 提高了電動缸的定位精度45。閆飛飛基于 PLC 的控制設(shè)計了電動缸的測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了對電動缸的頻率特性的測試，對電動缸的位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與仿真46。周昊對電動的伺服系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，并對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計與軟件編程，實現(xiàn)了基于 CAN 總線通訊的電動缸的位置伺服系統(tǒng)控制47。1.3 主要研z究h內(nèi)i容 ku quan 20150721本課題來源黑龍江省自然科學(xué)基金項目“車輛傾斜狀態(tài)下輪荷徑向反力測 量方法”(編號：E201020)。本文針對重量大、多軸車輛，基于傾斜法研制一套測量車輛質(zhì)心位置的測 量系統(tǒng)，質(zhì)心

35、測量系統(tǒng)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等部分組成， 本文的主要研究內(nèi)容如下：(1) 通過選用輪荷測量裝置在傾斜臺上實現(xiàn)汽車質(zhì)心位置測量，根據(jù)被試件 和測量精度要求，確定質(zhì)心測量系統(tǒng)的總體方案和測量步驟。(2) 對傾斜平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實體設(shè)計，并對平臺在不同的受力情況下 的變形量和應(yīng)力的大小進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化并確定傾斜平臺的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。(3) 根據(jù)負(fù)載匹配原則進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，確定合適的電動缸的參數(shù)，包括 電機(jī)、驅(qū)動器的選擇、行程等。采用同步控制算法對雙缸進(jìn)行控制，保證平臺 傾斜姿態(tài)，在 MATLAB/Simulink 中進(jìn)行了仿真。(4) 根據(jù)試驗步驟及要求確定了軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采

36、用 LabVIEW 設(shè)計了軟件 系統(tǒng)上位機(jī)界面，實現(xiàn)試驗過程的自動控制、數(shù)采、計算及報表等功能。第2章 質(zhì)心測量系統(tǒng)總體分析與設(shè)計2.1 引言車輛的質(zhì)心位置的測量方法有很多，例如質(zhì)量反應(yīng)法、搖擺法和三點支撐 法等。本文采用在傾斜平臺上使用輪荷測量板來測量車輛質(zhì)心位置，此傾斜平 臺不僅可以測量質(zhì)心位置，還可以測量車輛的傾翻穩(wěn)定角，特別適用于超長、 超重的多軸特種車輛，實現(xiàn)一臺多用，減少了測量設(shè)備和步驟。2.2 質(zhì)心測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析2.2.1 功能zhi ku quan 20150721車輛的側(cè)翻穩(wěn)定角的測量需在傾翻臺上完成，而側(cè)翻穩(wěn)定角的計算需要車 輛的質(zhì)心高度坐標(biāo)，本傾翻臺上可以實現(xiàn)對多

37、軸較重車輛的質(zhì)心位置測量和側(cè) 翻穩(wěn)定角的測量，這兩個功能分別如下：(1) 不使用輪荷測量板，可以完成有關(guān)車輛、土方機(jī)械、叉車和多軸車輛的 穩(wěn)定性和傾翻試驗等項目的測試，可以測量車輛的側(cè)翻穩(wěn)定角。(2) 在傾翻臺上使用輪荷測量板，可以完成成中國國家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)車輛、土 方機(jī)械和叉車的質(zhì)心位置、輪重、軸重、整車質(zhì)量的測量。2.2.2 適用車輛(1) 汽車：大、中型以及輕型客車（13.7m 長度以下）、轎車、貨車及多軸 車（車長 12m 以下、整備重量 40t 以）下等。(2) 土方機(jī)械：履帶式及輪胎式土方機(jī)械包括：裝載機(jī)、挖掘機(jī)、挖掘裝載 機(jī)、平地機(jī)等。(3) 叉車：整車重量 40t 以下、長度（不

38、含貨叉）10m 以下、寬度 3.6m 以 下。(4) 其它車輛：長度小于 12m 的游覽觀光車、伸縮臂鏟裝機(jī)、汽車吊等。2.2.3 測量范圍和測量精度(1) 測量范圍：重量范圍在 500kg40000kg 之間；臺面尺寸不小于 14m 4m；側(cè)傾角度不小于 40。(2) 精度指標(biāo)：稱重精度不大于 1%，最小分度值 10kg；尺寸精度不大于 1mm；角度精度不大于 0.5。2.3 車輛質(zhì)心測量原理qzhi ku quan20150721傾斜平 臺CzCxCyHLlLz1Lz 2在傾翻臺上通過測量不同傾角下的車輛輪荷的變化，再計算得出車輛質(zhì)心 位置。以三個軸的車輛為例，其測量原理如下所示。輪 荷

39、測 量 板圖 2-1 車輛質(zhì)心測量原理圖Fig.2-1 Vehicle centroid position measurement method測量車輛的軸距 Lz1、Lz2 和輪距 Ll，輪心高度為 H，并在傾翻平臺上安裝 6 組輪荷測量板，分別測量車輛在水平狀態(tài)下和傾斜狀態(tài)下的輪荷。輪荷測量板 的值分別為 M1、M2、M3、M4、M5、M6，記車輛的前軸重量為 Mq，中軸重量為 Mz，后軸重量為 Mh，右側(cè)輪重量為 Mr，整車重量為 M0，則有如下關(guān)系式：Mq = M1 +M2(2-1)Mz =M3 +M4(2-2)Mh =M5 +M6(2-3)Mr =M2 +M4 +M6(2-4)M0

40、=Mq +Mz +Mh(2-5)根據(jù)力矩平衡原理，可得到車輛質(zhì)心位置的坐標(biāo)：CMq LMz L(2-6)Mx = 1-0 z1-z 20MM C = 1-r L(2-7)ylCz = H +M0 DM Ll M tanq(2-8)式中：Cx 為車輛質(zhì)心到車輛前軸的距離，m；Cy 為車輛在水平狀態(tài)下質(zhì)心到傾 翻臺支撐鉸軸心的距離，m；Cz 為車輛質(zhì)心到車輛右側(cè)車輪中心面的距離，m； 為傾翻臺傾斜的角度；M 為傾斜角度后右側(cè)輪重的變化值，kg。這是以一種車型為例推導(dǎo)出來的公式，不能代表全部車型，其他多軸車型的質(zhì)心公式z推h導(dǎo)與i此相k似u。quan 201507212.4 車輛質(zhì)心測量系統(tǒng)設(shè)計基于

41、側(cè)傾法的車輛質(zhì)心測量系統(tǒng)由傾翻平臺及回轉(zhuǎn)鉸支座、驅(qū)動系統(tǒng)、輪 荷測量板、測控系統(tǒng)組成，如圖 2-2 所示。1. 系統(tǒng)的機(jī)械部分包括傾翻平臺及回轉(zhuǎn)鉸支座，傾翻平臺用于承載被測試 車輛和輪荷測量板，傾翻平臺在驅(qū)動裝置作用下繞回轉(zhuǎn)鉸支座轉(zhuǎn)動，帶動被測 試車輛實現(xiàn)側(cè)傾，從而使輪荷測量板讀數(shù)發(fā)生變化，在傾翻平臺下面安裝高精 度角度傳感器，用來測量平臺側(cè)傾的角度。為防止汽車側(cè)滑，在平臺上安裝擋 塊；為防止汽車前后運動，在車輪前后安裝楔形塊；平臺上安裝保護(hù)錨鏈，防 止車輛側(cè)翻。2. 傾翻平臺的支撐和運動采用電動缸，在測控系統(tǒng)控制下將伺服電機(jī)的旋 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱痈椎耐缴炜s，實現(xiàn)傾翻平臺的調(diào)平及側(cè)傾。3. 輪荷測

42、量板用來精確記錄在不同傾翻角度下的車輪輪荷。4. 測控系統(tǒng)用于監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)、接受操作人員控制指令、控制驅(qū)動 系統(tǒng)同步運動、完成試驗流程并記錄試驗數(shù)據(jù)。實時控制器驅(qū)動控制器信號調(diào)理器驅(qū)動數(shù)據(jù) 采 集zhi ku quan 201507212-2 質(zhì)心測量系統(tǒng)的組成Fig.2-2 Composition of vehicle centroid position measurement system2.5 車輛質(zhì)心位置測量的步驟1. 測量車輛的軸距和輪距，輪心高度；2. 根據(jù)車輛的軸距和輪距在傾翻平臺上安裝 6 組輪荷測量板；3. 系統(tǒng)啟動；4. 被測試車輛開上傾翻平臺，使車輪停在輪荷測量板的

43、有效測量區(qū)域內(nèi)；5. 安裝車輪擋塊及防護(hù)鏈；6. 調(diào)整驅(qū)動電動缸，保證傾斜平臺水平；7. 讀取車輛的各輪荷質(zhì)量，計算整車質(zhì)量和質(zhì)心前后及左右位置；8. 平臺側(cè)傾一定角度，讀取車輛的各輪荷質(zhì)量的變化；9. 計算車輛的質(zhì)心高度位置；10. 重復(fù)步驟 5 和步驟 6 測量三次，取測量三次得平均值作為最終測量值；11. 測量結(jié)束，驅(qū)動電動缸回原位；12. 拆卸車輪擋塊及防護(hù)鏈、被測試車輛開下平臺；13. 關(guān)閉系統(tǒng)及電源。2.6 本章小結(jié)本章對質(zhì)心測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，包括系統(tǒng)的功能、適用的車 型和精度等。提出了該系統(tǒng)質(zhì)心測量原理，采用輪荷測量板與傾翻臺相結(jié)合使 用來測量質(zhì)心位置，對質(zhì)心位置公式

44、進(jìn)行了推導(dǎo)。依據(jù)測量原理確定了整個質(zhì) 心測量的組成，包括機(jī)械部分、驅(qū)動形同和測控部分等。確定了質(zhì)心位置測量 的步驟。zhi ku quan 20150721第3章 傾斜平臺的設(shè)計3.1 引言在質(zhì)心測量過程中，車輛需要在承載車輛的傾斜平臺上完成，由于被測車 輛是質(zhì)量大車身長的車型，會使平臺發(fā)生變形，影響質(zhì)心測量的精度，所以傾 斜平臺必須滿足以下的幾點要求：(1) 足夠的尺寸，車輛可以停在傾斜平臺上；(2) 足夠的強度，保證車輛在傾斜平臺的安全；(3) 足夠的剛度，減少平臺的變形給測量帶來的誤差；(4) 盡量減少平臺的重量，以減少電動缸系統(tǒng)的受力。 由于傾斜平臺的尺寸、重量都比較大，要保證平臺達(dá)到

45、性能的使用標(biāo)準(zhǔn)，本章用有限元分析的方法對所設(shè)計的平臺進(jìn)行部分靜力學(xué)特性分析。3.2 傾斜平臺的設(shè)計質(zhì)心測z量h系統(tǒng)i的機(jī)k械u部分包q括u傾a斜n平臺、2回0轉(zhuǎn)1鉸支5座0等7，2傾斜1平臺與回轉(zhuǎn) 鉸支座和電動上鉸相連，如圖 3-1 所示?；剞D(zhuǎn)鉸支座底座傾斜平臺電動缸上鉸電動缸 電動缸下鉸圖 3-1 整個機(jī)械系統(tǒng)的三維實體模型Fig.3-1 Three-dimensional entity model of the whole mechanical system傾斜平臺在工作的時候，要求有 40 噸承載能力，在設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)的時候， 在保證平臺的強度和剛度的同時，也要盡量的減小平臺的自身重量。在

46、設(shè)計承 重平臺時應(yīng)考慮兩個方面：(1) 平臺在工作期間的變形量，如果平臺的臺面變形量過大，影響質(zhì)心位置 的測量精度；(2) 平臺的自身重量，自身重量的過重不僅增加制造成本，也增加驅(qū)動裝置 的驅(qū)動力。針對以上兩個方面，在設(shè)計平臺時主要在平臺的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，以減小 變形量和自重。平臺的結(jié)構(gòu)一般可以采用鑄造件或者焊接件，由于傾斜平臺的 尺寸較大，如果采用鑄造件不容易制造，并且重量較大。焊接平臺有兩種結(jié)構(gòu)， 一種通過對鋼板的合理布局而焊接成的平臺，另一種是由型鋼焊接而成。傾斜平臺是采用型鋼焊接而成，采用橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的正交異性板的結(jié)構(gòu)形 式對傾斜平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。正交異性板是用縱橫向互相垂直的加勁肋

47、（縱 肋和橫肋）連同橋面蓋板，組成的共同承受車輪荷載的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于其 剛度在互相垂直的二個方向上有所不同，造成構(gòu)造上的各向異性，多被用于中 長的大跨度的橋梁中48?？v向的加勁肋的種類有很多，分為兩類開口肋和閉口 肋，縱肋的截面形式如圖 3-2 和圖 3-3 所示。開口肋雖然截面簡單制造容易，但 是沒有閉口肋抗扭剛度和載荷分布好，縱肋選擇閉口肋還可以減少橫肋的數(shù)量， 增大橫肋間的間距49。圖 3-2 開口肋的截面形式Fig.3-2 Section forms of open-ribs圖 3-3 閉口肋的截面形式Fig.3-3 Section forms of closed-rib傾斜平臺的

48、頂板縱向加勁肋采用 U 型閉口肋，橫向加勁梁采用 T 型結(jié)構(gòu)， 平臺臺面采用整體帶波紋的鋼板，臺面鋪設(shè)環(huán)氧瀝青或橡膠板，使傾翻平臺與輪胎的附著系數(shù)不小于 0.85。傾斜平臺的鋼結(jié)構(gòu)選用 Q345C 低合金鋼，縱橫加 勁肋的結(jié)構(gòu)剛度按照最大變形量1/700 設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。傾斜平臺的結(jié)構(gòu)設(shè) 計圖，如圖 3-4 所示。采用的縱向肋和橫向肋的截面圖，如圖 3-5 和 3-6 所示。圖 3-4 傾斜平臺鋼結(jié)構(gòu)的三視圖Fig.3-4 Orthographic views of incline platform steel structuresa) 邊梁b) 邊梁c) 支撐梁d) U 型肋 圖 3-5

49、傾斜平臺的四種縱向梁Fig.3-5 Four kinds of longitudinal beams of incline platform圖 3-6 傾斜平臺的橫梁Fig.3-6 Transverse beam of incline platform采用 UG 三維軟件對傾斜平臺進(jìn)行實體建模如圖 3-7 所示。圖 3-7 傾斜平臺三維實體模型Fig.3-7 Three-dimensional entity model of incline platform3.3 傾斜平臺的剛度分析雖然在傾斜平臺進(jìn)行簡化的情況下可以對進(jìn)行理論剛度校核，但不能定量 反應(yīng)變形在何處產(chǎn)生、最大變形量是多少，不清楚對

50、測量系統(tǒng)的誤差有多大影 響，而傾斜平臺的實物體積大、重量大不適合通過實驗來解決。因此有必要采 用有限元分析的方法，對傾斜平臺進(jìn)行靜力學(xué)分析。3.3.1 有限元分析法簡介有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是利用數(shù)值解法對真實的物理系 統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬，由于有限元分析法具有高精度、適應(yīng)性強和計算 格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用50。有限元分析法的基本思路：(1)離散化，就是把較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分成形狀簡 單、便于計算的小單元；(2)單元分析，在各特性參數(shù)之間建立關(guān)系方程；(3)整 體分析，確定整體結(jié)構(gòu)的邊界條件，進(jìn)行分析得到參數(shù)關(guān)系的矩陣方程；(4)

51、通 過對矩陣方程的求解，可以得到整體結(jié)構(gòu)中的各種參數(shù)的分布狀況。ANSYS 軟件是由美國公司開發(fā)的一款最被廣泛應(yīng)用的有限元分析軟件，可 以分析結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等物理場耦合問題, 具有強大的前后處理和計算功 能51。由于 ANSYS 軟件的功能強大，而被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)中。ANSYS 軟 件有以下的特點：(1) 具有完備的前處理功能，強大的實體建模工具和網(wǎng)格劃分工具，并具有 與其他一些有限元軟件的數(shù)據(jù)接口。(2) 強大的求解器，提供了各種物理場的分析，不僅能對常規(guī)的動力分析和 線性與非線性結(jié)構(gòu)的靜力分析，并且還能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的非線性與非線性的屈曲分 析、高度非線性結(jié)構(gòu)的動力分析。(3) 具有方

52、便的后處理器，又分為時間歷程后處理模塊與通用后處理模塊。 可以提供溫度、應(yīng)變、位移、速度、熱流等后處理結(jié)果。(4) 多種實用的二次開發(fā)工具，有多種實用工具提供給用戶便于二次開發(fā)， 如參數(shù)設(shè)計語言(APDL)、宏(Marco)、用戶編程特性(UPFs)等。ANSYS 軟件是一款功能多而又強大的分析軟件，采用 ANSYS 軟件對傾斜 平臺進(jìn)行分析，能通過云圖更清晰的觀察平臺的變形量、應(yīng)變等。3.3.2 傾斜平臺模型的規(guī)劃與導(dǎo)入在 ANSYS 軟件中進(jìn)行力學(xué)分析時，在 UG 中建立好模型后導(dǎo)入 ANSYS 中， 在進(jìn)行網(wǎng)格劃分及力學(xué)分析。在 UG 軟件中建模并且對平臺模型進(jìn)行規(guī)劃，以 便導(dǎo)入 ANS

53、YS 中后能更好的劃分網(wǎng)格和分析，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對分析結(jié)果有 很大的影響，為了得到好質(zhì)量的網(wǎng)格先在 UG 中對平臺模型進(jìn)的劃分，如圖 3-8 所示。圖 3-8 平臺模型在 UG 中的規(guī)劃Fig.3-8 Platform model planning in UG由于傾斜平臺的尺寸較大，結(jié)構(gòu)對稱，所受的載荷也是對稱的，因此對傾 斜平臺模型的二分之一作為研究對象，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于平臺是鋼結(jié)構(gòu)焊接 的，在不影響分析的前提下，認(rèn)為焊接質(zhì)量是好的、可靠的，并且不考慮焊縫 對分析的影響。傾斜平臺模型的二分之一導(dǎo)入 ANSYS 中，如圖 3-9 所示。圖 3-9 平臺的模型導(dǎo)入 ANSYS 中Fig.3-9

54、 Platform model into ANSYS3.3.3 網(wǎng)格劃分在實體模型導(dǎo)入 ANSYS 后，需要對其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在網(wǎng)格劃分前， 先要根據(jù)要求分析幾何體的結(jié)構(gòu)、類型和問題的精度等，再選擇適合分析的單 元類型。傾斜平臺是用結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，實體的單元類型有四面體單元和六面體單 元兩種。六面體單元適合劃分結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則的實體，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)六面體單 元自由劃分網(wǎng)格時比較困難。因此選擇四面體單元 SOLID185，是八節(jié)點四邊形 體單元，該單元是由八個節(jié)點來定義的，每個節(jié)點具有三個自由度可在 x、y、z 方向上產(chǎn)生位移，該單元具有超彈性、應(yīng)力剛化、蠕變、大變形、塑性和大應(yīng) 變等功能51。傾斜平臺采用的低合金鋼，因需要對其進(jìn)行靜力學(xué)的分析，因而 要確定平臺的材料的泊松比、彈性模量和密度。選擇的鋼材料的彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.3，密度為 7.8103kg/m3。在進(jìn)行有限元分析時，實體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格質(zhì)量十分的重要，網(wǎng)格的質(zhì)量與網(wǎng) 格尺寸有著一定的關(guān)系，網(wǎng)格尺寸被劃分的越大，其分析的精度就會越低，網(wǎng) 格尺寸被劃分的越小，其分析的精度就會越高，但也不是網(wǎng)格尺寸越小就越好， 網(wǎng)格的減小會使分析時的誤差累計增多，也會大大增加分析費用，當(dāng)劃