摩托车质心位置测试与分析

（天津内燃机研究所天津300072）

摩托车质心位置测试与分析

冷传刚 苏梅 胡瑞

（天津内燃机研究所天津300072）

整车质心位置是摩托车最基本的量度之一，质心位置信息的收集是对摩托车从各个学科进行分析的基础。从力学角度通过实验测量了几何形状不规则的摩托车的质心位置，实验方法简单易行，并对测试方法进行了探讨，对影响测试结果的因素进行了理论分析，并在此基础上对质心高度结果进行了修正和回归分析，测试结果具有较高的准确性和有效性。

摩托车质心位置质心高度质心测试

引言

在机械工程领域，质心测量是一个应用十分广泛的测量项目，它为科研生产提供了重要的基础研制数据[1]。准确地测量出这些质量参数，对研究车辆的行驶性能有着非常重要的意义[2-3]。在摩托车领域，质心位置也是最基本的量度之一，质心位置信息的收集是对摩托车从各个学科进行分析的基础。本文应用力矩平衡原理，较为准确地测量了摩托车的质心位置。

1水平质心位置测量

1.1 测量原理

图1 水平位置质心测试原理

其中：m为车辆不同载荷下的质量，kg；g为重力加速度；Lg为质心距前轮轴线距离，mm；m2为后轮分布质量，kg；L1为前后轴距mm。

由公式（1）可以得到两轮摩托车质心距前轮轴线距离公式：

由公式（2）可知，只要确定前后轴距，不同载荷下的后轮分布质量及车辆质量，即可确定车辆在水平面内的质心位置。

1.2 测量流程

根据测试要求，确认样车的质量状态为整车干质量、整车整备质量或厂定最大总质量状态，车辆静置于测量平台，使车辆纵向中心平面与地面垂直，车轮处于直线行驶位置。测量前后轴距，测量过程如图2所示。将车辆的前后轮放置在数字指示称上，此时前后轮应等高，读取并记录后轮分布质量，根据公式（2）计算质心距前轮轴线距离。

图2 水平质心位置测量

2测定车辆质心高度

2.1 测量原理

如果将两轮摩托车的前轮用垫块垫高，则后轮的分布质量将由水平位置的m2变为m2′，如图3所示，摩托车所受的重力和后轮支撑力关于前轮支撑点的力矩平衡公式变为[1]：

图3 质心高度测量原理

其中：m为车辆不同载荷下的质量，kg；g为重力加速度；Lg为质心距前轮轴线距离，mm；Hg为质心高度，mm；α为车辆x轴与水平面的夹角（°）；m2′为后轮分布质量，kg；L1为前后轴距，mm。

牛肉丁是我国的传统干制肉制品，因其具有营养丰富、风味独特、保存期长、食用方便等特点，长期以来受到广大消费者的欢迎。然而，随着生活水平的不断提高，人们对食品的要求也在不断地增强，比如口感、色泽、香气、食用方便性等。现有市场上的牛肉丁在煮制及烘烤环节、原辅料的配比、腌制和嫩化方式等方面还存在很多问题，比如牛肉干制硬化脱水严重，产品风味单一，市场消费受到一定的限制等[1,2]。

当前后轮直径规格不相同时，式中rj为：

其中：rj为不同装载条件下各轮静力半径，mm；rj1为不同装载条件下前轮静力半径，mm；rj2为不同装载条件下后轮静力半径，mm。将公式（1）与公式（3）相减，得到两轮摩托车的质心高度公式：

其中：Δm=m2′-m2，由公式（5）可知，已知轮胎静力半径，车辆倾斜角度和倾斜引起的后轮质量变化，即可求出质心高度。

2.2 测量流程

质心高度测量过程如图4所示。测量前，在水平状态下，用锁紧工具固定车辆各悬架弹簧的变形位置，如图5所示。并称出悬架锁紧工具的质量。测量时，使车辆处于测试要求的质量状态，按照以下方法测量各个参数。

图4 质心高度测量

图5 前、后减震器锁紧照片

调整车辆使车辆的纵向中心平面与地面垂直，将车辆后轮用夹紧装置夹紧，确保前轮处于直线行驶位置，此时前轮未提起，将角度仪固定在车辆上，调整角度仪的方向，使之平行于车辆x轴方向。测量后轮分布质量。将车辆的前轮提起，使车辆倾斜一定角度，确保车辆的前轮仍处于直线行驶位置，且后轮中心平面与支承台面垂直，测定倾斜后的后轮分布质量，同时用角度仪测出倾斜状态的实际倾斜角度。分别测量公式（5）各个质量状态所需参数，本次测量样车的水平质心位置和质心高度结果汇总如表1所示。

表1 质心位置测量结果mm

2.3 质心高度结果的修正

减震器锁紧后，导致车辆上某些部分的质量发生了变化，从而引起质心高度的变化，按照公式2-2计算质心高度时，并没有考虑减震器锁紧装置对质心高度的影响，所以还需对公式（5）进行修正，以还原未安装锁紧装置时的质心高度。如果减震器锁紧后，车辆上有i个部件质量发生变化，其质量增量为mi，质量增加部件的质心距前轮轴的距离为Li，则前轮抬高后关于前轮支撑点的力矩平衡公式变为：

由公式（1）和公式（6）可得：

以样车1在整车干质量的质量状态下为例，修正前后的结果如表2所示，由于锁紧装置质量远小于车辆质量，按照公式（5）的计算结果只有0.0005%左右的偏差，故测量时不需要考虑减震器锁紧后对质心高度的影响。

表2 修正前后的质心高度计算结果

2.4 对质心高度结果进行回归分析

质心高度测量过程是在不同前轮抬高角度α下完成的，前轮抬高角度是最主要的影响因素。为了排除摩托车前轮抬高角度对质心高度计算结果的影响，本例建立了线性回归模型，设质心高度为因变量，记为Y，α为自变量，记为X，根据线性回归理论，可以建立下面的线性关系模型：

其中：A和B为待定参数，A为回归直线的截距；B为回归直线的斜率，表示X变化一个单位时，Y的平均变化情况；§为依赖于质心高度的随机误差项。

对各次质心高度的测量结果进行回归分析，其中整车干质量状态下的分析结果如表3所示，从表中可以看出，A＞＞B，所以当α变化一个单位时，质心高度的最大变化＜2.5 mm，即α对质心高度计算结果的影响很小，从而排除前轮抬高角度α对测量结果的影响。

表3 质心高度回归分析结果

3测试方法探讨

本次测量为某NVH性能提升研究项目的数据收集，测量结果与同时进行的CAE方法比较，误差＜1%，较为准确地完成了质量参数数据的收集。测量时发现车辆纵向中心平面是否与地面垂直对测量结果的影响很大，经过反复验证，后轮用夹紧装置固定后，车辆能够较好地保持垂直位置，极大地提高了测量的准确性。同时，前轮抬高时的受力点是否在前轮轮轴上，对结果的影响也很大，为此，采用了图4的方法，将前轮从轴心吊起来，而不是用千斤顶从前轮下方顶起。以上两处细节的处理，并结合回归方程的验证，保证了测量结果的准确性。

1全国汽车标准化技术委员会.GB/T 5373-2006摩托车和轻便摩托车尺寸和质量参数的测定方法[S].北京：中国标准出版社，2007

2张书会，李经玮，何登军，等.质心测量方法综述[J].科技创新与应用，2016（24）：63

3海阔，何耀华.汽车质心位置和特征惯量的测量原理分析[J].十堰大学学报（自然科学版），1997（1）：11-18

Measurement and Analysis of Centroid Position for Motorcycles

Leng Chuangang,Su Mei,Hu Rui
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute(Tianjin,300072,China)

Vehicle centroid position is one of the most basic measures of motorcycles.Information collection of centroid position is the basis work for the analysis of motorcycles from various disciplines.Centroid position of motorcycles is difficult to measure for their complex shape.A simple and feasible way is adopted from the mechanics point of view.Subsequently the measurement method is discussed and factors influencing the results are analyzed theoretically.Based on that analysis the results of the centroid height are modified and regressed.The measurement results are of high accuracy and validity.

Centroid position,Centroid height,Centroid measurement

U483

A

2095-8234（2016）06-0075-03

2016-10-20）

冷传刚（1979-），男，工程师，主要研究方向为摩托车测试技术。