车辆侧倾试验台称重精度对测量结果的影响

崔震　郝少红　周兴龙　刘智伟　刘艳君

摘 要：目前，车辆的整车质心和最大侧倾角度一般通过车辆侧倾试验台利用称重技术获得，本文通过引用一些简单的理论公式，分析了称重精度对试验结果的影响，从而指导相关工程人员了解称重精度的重要性并根据设计目的选择合理的称重试验台，并根据试验数据的分布特点给出了试验台标定的原则。

关键词：最大侧倾角;测量精度;整车质心;侧倾试验台

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.009

1 引言

作为影响车辆安全性的重要参数之一，最大侧倾角度在国家标准GB/T 14172-2009 《汽车静侧翻稳定性台架试验方法》中给出了相应的检验标准和要求，各企业根据自己的情况在设计过程中通过理论、试验的方法获得这一数据。影响车辆最大侧倾角度的参数很多，例如轮胎参数、车辆质心位置、悬架刚度等，通过理论计算很难将这些因素考虑全面，并且计算需要的输入非常复杂，有些参数需要非常有经验的工程师才能给出。车辆侧倾试验台是一种简单有效的方法，获得的试验数据可以用以指导设计目标实现与否，通过试验可同时获得整车质心位置，这两个参数最终都是通过试验台的称重板反馈的称重信号进行计算得出的，因此，整车质心位置和最大侧倾角完全取决于称重台的称重精度。企业在购买侧倾试验台时，为了满足整个企业的要求，会选取设计的最大质量的车辆采购侧倾试验台，这就对小质量的车辆测量精度造成了一定的影响，具体的影响结果如何目前还没有文献进行过讨论，本文则根据一些简单的假设分析这一问题。

对于最大侧倾角度和质心位置的计算，最简单的是假设整车为一刚体，不考虑轮胎参数、悬架性能的影响，在相关文献中给出的计算公式如下[1]：

式中，为整车质心高度，为前轮距，为后轮距，、、、为侧倾试验台侧倾一定角度时四个称重板的称重结果，当试验台左翻时，为右前称重板测量结果、为左前称重板测量结果、为左后称重板测量结果、为右后称重板测量结果，为车辆试验台在初始位置时测得的整车质量，为车辆质心位置的侧向坐标。

可以看出，整车质心位置与最大侧倾角度都与侧倾试验台的称重结果直接相关，本文根据上述两个简化的公式研究称重台的称重精度对测量结果的具体影响。

2 称重精度对整车质心位置的影响

车辆侧倾试验台一般由四块称重板组成，每块称重板的称重精度取决于使用的传感器，目前市面上常见的传感器精度为0.1%FS（满量程的0.1%），即如果要保证测量结果的精确度，最好使用跟测量对象相符的称重板量程。但是考虑到车辆驶入试验台的安全系数，一般试验台的公称量程都要放大一倍，以使车辆驶入时全部重量由前/后两块称重板单独承受时传感器也是安全的。

假设当车辆侧倾试验台角度为时计算整车的质心位置，测量对象为一质量3t的货车，相关数据见表1所示。

假设试验台满量程20t，取两倍的安全系数，当使用的称重传感器测量精度为0.1%FS时，每个轮的绝对测量误差范围为±10kg，即每个轮的测量结果都可能在真实值的±10kg內变化，基于所有的可能条件，利用公式（1）计算出的质心高度变化如图3：其质心变化范围最小值为295.6mm，最大值为349.7mm，变化范围为54.1mm。

假设试验台满量程10t，取两倍的安全系数，当使用的称重传感器测量精度为0.1%FS时，每个轮的绝对测量误差范围为±5kg，即每个轮的测量结果都可能在真实值的±5kg内变化，基于所有的可能条件，利用上图公式（1）计算出的质心高度变化如图4：其质心变化范围最小值为309.1mm，最大值为336.2mm，变化范围为27.1mm。

假设试验台满量程5t，取两倍的安全系数，当使用的称重传感器测量精度为0.1%FS时，每个轮的绝对测量误差范围为±2.5kg，即每个轮的测量结果都可能在真实值的±2.5kg内变化，基于所有的可能条件，利用上图公式（1）计算出的质心高度变化如图5：其质心变化范围最小值为315.9mm，最大值为329.4mm，变化范围为13.5mm。

综合以上结果，当被测对象一定时，质心高度的变化范围随着试验台测量质量的减小而减小，即质心测量精度线性增加。根据图6，设计人员可根据被测对象的质心测量精度要求选择合适的试验台量程，应尽量避免大量程的试验台测量小质量的车辆质心高度。

3 称重精度对最大侧倾角度的影响

由于侧倾试验台在最终读取最大侧倾角度时根据称重的结果进行判定，即当侧倾时外侧的称重为零时，记录此时的角度值为最大侧倾角度。因此，称重精度决定了最大侧倾角度的测量结果，根据公式（2）（3）结合质心高度的测量结果进行计算，当试验台不同量程时对应的车辆最大侧倾角度情况，如表2所示。

将结果整理为图7所示，可以看出，最大侧倾角度与试验台的最大量程之间呈线性关系变化，如果需要获得精确的最大侧倾角度的测量结果，不能使用与被测对象的质量相差太大量程的侧倾试验台。

4 结果讨论

前文在计算称重精度对质心位置和最大侧倾角度的影响时考虑了测量数据的所有可能性，由于质心位置直接受称重精度的影响，下面从概率的角度探讨测量结果的处理方法及误差的分布。

从图8所示的质心位置的概率分布统计图可以看出，无论仪器的测量精度如何，由试验仪器精度引起的误差使质心位置均服从正态分布，均值相同，当试验台的量程较大时，试验数据的标准差大。如果测量几组数据，那么根据2σ准则（即测量数据落在2σ范围内的概率为95%），使用合理的试验方法，例如可以通过测量五组数据，去除最大最小值后求平均值。这样测量的误差范围基本可以归纳为：20t、10t、5t量程试验台0.1%FS称重精度质心误差范围分别为34.3mm，17.1mm，9.3mm。

为了去除系统误差的影响，根据图8的质心数据分布图，在一定时间周期内需要对侧倾试验台进行标定。标定时采用定质量的质量块，通过多次称重计算数据点的分布，这些数据理论上服从正态分布，否则需要修正传感器系数使其偏心的均值回归到真实值，以去除系统误差的影响。

5 结论

利用车辆侧倾试验台进行整车质心位置和最大倾倾角度测量时，假设整车为一刚体，测得的质心高度和最大倾倾角度与试验台称重板的最大量程呈线性变化的关系，根据数据的分布特点，设计人员需要根据被测对象的质量合理选择称重台的最大量程，并定期对试验台进行标定。

参考文献：

[1]周亮，张仪栋.提高车辆质心位置测量精度的对策与研究[J].中国客车行业发展论坛2012年中国客车学术年会论文集，2012：119-122.

[2]汪祖国.汽车最大侧倾稳定角的简化计算[J].汽车科技，2014（02）：33-37.

作者简介：崔震（1984-），男，山东济宁人，博士，工程师，从事汽车性能设计及验证工作。