论文部分内容阅读
[摘 要]商用车驾驶室悬置系统设计不仅是影响驾驶室安全性的重要因素，还是决定乘坐舒适性的关键，在进行悬置系统设计时，除要考虑悬置位置，悬置方式，系统各元件的刚度、阻尼等参数外，还要考虑驾驶室的质量，质心位置，转动惯量和惯性积等驾驶室刚体惯性参数，因此研究一种适用于商用车驾驶室的刚体惯性参数识别方法对于准确识别惯性参数，改善驾驶舒适性具有重要的实践意义。
[关键词]商用车驾驶室；惯性参数；识别方法
中图分类号：U463.81 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0122-01
1 引言
随着测量技术的不断革新与进步，惯性参数测试试验台也由规则物体的单一型测量逐渐转向不规则物体的通用型测量，测量方法也逐渐由复杂转向便捷，在缩短测量时间的同时，测量精度也在逐步提高。目前，刚体惯性参数识别方法主要有落体识别法、摆线测试法、CAD/CAE 计算法和试验模态法等。
1.1 落体识别法
落體识别法是针对特定类型的规则物体提出的惯性参数识别方法，也是出现时间比较早的一种方法。这种方法所采用的原理是：在忽略摩擦力矩的前提下，当物体绕定轴转动时，转动刚体的力矩可由转动惯量和角加速度的乘积表示，因此只要获得力矩大小和角加速度值，就可以求得转动惯量，力矩值是已知量，角加速度根据不同的情况，可以直接测得，也可通过测量砝码下落某一高度所用的时间间接求得。由于这种方法只限定轴对称刚体，而且忽略了摩擦力矩，因此应用范围有限，测量精度不高，此外，落体识别法只能用于较小的部件，体积、质量较大的结构难以用此种方法来测量。
1.2 摆振测试法
摆振测试法是将被测刚体悬挂起来，并使其绕定轴做小幅度转动或摆动，通过测量摆振周期的方式获得刚体惯性参数。摆振法按照悬挂方式的不同可以分为单摆法、复摆法和三线摆法，单摆法采用单根弹性金属杆悬挂，主要适用于轴对称的刚性体；复摆法则利用两根等长弹性金属杆进行悬挂，但在测量之前需要知道刚体的质心位置；三线摆法是用三根等长摆线悬挂待测刚体，但测量时要求每根摆线的受力相等。总之，摆振法的适用范围和测量精度已经提高很多，但其过程繁琐，操作复杂，周期较长。
1.3 CAD/CAE计算法
CAD/CAE计算法是随着计算机技术的发展和三维软件及有限元软件的兴起而产生的，具体方法就是利用在软件中建立的模型，通过赋予其密度、弹性模量等物理属性来计算其惯性参数。目前，大部分的CAD/CAE软件都包含有计算模型惯性参数的功能，如Pro/E、UG、Catia、ANSYS、ADINA等。但这种方法存在很大的制约性：首先，模型难以保证与实际情况完全相符，特别是不规则的大型刚性体，很难将结构的每个细节都模拟到位，因此导致不仅建模精度不高，而且工作量很大；其次，模型的材料属性不能完全模拟真实结构的材料特性，因为实际模型中不能完全保证每个区域的密度都是均匀的，这必然导致CAD/CAE模型的物理性能会发生偏差，因此，惯性参数计算值存在较大误差。
1.4 试验模态法
模态是对结构固有振动特性的描述，模态识别就是确定结构振动特性并得到模态参数的过程，识别的过程不仅包含了结构的模态质量、模态刚度、模态振型、固有频率等模态信息，还包含了结构的质心、质量、转动惯量、惯性积、主惯性矩、主惯性轴等物理信息。鉴于此，模态识别技术被逐渐应用到惯性参数识别中，目前，试验模态法都是基于频率响应函数（FRF）展开，通过对模态试验得到的频响函数曲线进行分析，根据不同频段所反应信息的不同，研究可能存在刚体特性的频段，通过分析计算得到结构的惯性参数，如今在工程实践中应用最多的主要有两种方法：模态模型法和剩余导纳法。
模态模型法识别惯性参数是基于系统的刚体模态展开的，具体是通过锤击法获得响应信号、激励信号和參考坐标之间的关系，建立刚体运动方程，得出惯性参数表达式。此外，为获得刚体的6种运动形态，需要布置的测点不能少于6个。采用模态模型法识别刚体惯性参数的一个关键要素就是1次激励必须激起所有的6阶刚体模态，这对于大型结构来说很难实现，如果不能满足这个条件，则测量精度难以保证。
剩余导纳法，也称质量线法，是利用最高阶刚体模态和第一阶弹性模态之间的一段水平质量导纳线进行惯性参数的识别，这个频段是系统由刚性体到弹性体的过渡区，不仅包含系统的刚体惯性参数，而且很好的回避了悬置结构刚度和阻尼对识别结果的影响，打破了仅限于刚体模态进行识别的限制，从而大大简化了试验流程。
2 驾驶室惯性参数识别方法研究
落体识别法和摆振测试法在进行刚体惯性参数识别时都需特定的试验台架，不仅操作复杂、劳动量大、而且测量精度也不能保证，虽然经过改进的三摆线法还一直应用于各个工程领域，但对大型结构来说试验难度较大；CAD/CAE计算法建立的模型在几何造型、物理属性等方面与实际模型存在一定差异，必然导致计算结果的差异性，此外这种方法进行结构复杂的刚体进行惯性参数计算时，工作量较大；而试验模态法是基于结构的频响特性进行惯性参数识别的，它不受结构本身的限制，也不需要特定的试验台架，因此完全适用于商用车驾驶室的测量，由于之前指出，模态模型法要求1次激励必须激起所有6阶刚体模态，这对于体积、质量都比较大的驾驶室来说难度很大，而且操作上也难以实现，因此，剩余导纳法是最适合对驾驶室惯性参数识别的方法。
剩余导纳法的基础是模态试验，通过研究模态分析理论发现，在频响函数曲线的低频阶段系统可以等效为一个质量块的运动，也就是说低频系统的响应为刚体响应，不涉及弹性变形，如果响应信号为加速度信号时，频响函数的低频段在双对数坐标上表现的则是一段趋于水平的曲线，而且这条水平曲线会一直延伸到系统的第一阶弹性模态，因此我们称第一阶弹性模态之前，最高阶刚体模态之后的这段水平曲线为质量导纳线，质量导纳线不仅携带了系统所有的刚体信息，而且没有受到弹性模态的影响，完全可以利用刚体动力学，通过解系统运动方程来求出系统的刚体惯性参数。
3 结束语
商用车驾驶室刚体惯性参数是进行驾驶室悬置系统设计的重要基础参数之一，因此准确识别驾驶室的刚体惯性参数对于改善驾驶舒适性具有重要的意义。商用车驾驶室本身的结构特点决定了其自身进行惯性参数识别时方法的局限性，本文基于刚体惯性参数识别方法的研究，提出了商用车驾驶室刚体惯性参数识别方法。
参考文献
[1] 廖美颖.重型商用车动力总成惯性参数测试试验台的开发[D].广州：华南理工大学2011.
[2] 周水清.基于虚拟样机的汽车驾驶室悬置系统仿真分析[D].武汉：武汉理工大学，2005.
[3] 刘方文.某重型卡车驾驶室悬置匹配分析[D].长春：吉林大学，2005.
[关键词]商用车驾驶室；惯性参数；识别方法
中图分类号：U463.81 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0122-01
1 引言
随着测量技术的不断革新与进步，惯性参数测试试验台也由规则物体的单一型测量逐渐转向不规则物体的通用型测量，测量方法也逐渐由复杂转向便捷，在缩短测量时间的同时，测量精度也在逐步提高。目前，刚体惯性参数识别方法主要有落体识别法、摆线测试法、CAD/CAE 计算法和试验模态法等。
1.1 落体识别法
落體识别法是针对特定类型的规则物体提出的惯性参数识别方法，也是出现时间比较早的一种方法。这种方法所采用的原理是：在忽略摩擦力矩的前提下，当物体绕定轴转动时，转动刚体的力矩可由转动惯量和角加速度的乘积表示，因此只要获得力矩大小和角加速度值，就可以求得转动惯量，力矩值是已知量，角加速度根据不同的情况，可以直接测得，也可通过测量砝码下落某一高度所用的时间间接求得。由于这种方法只限定轴对称刚体，而且忽略了摩擦力矩，因此应用范围有限，测量精度不高，此外，落体识别法只能用于较小的部件，体积、质量较大的结构难以用此种方法来测量。
1.2 摆振测试法
摆振测试法是将被测刚体悬挂起来，并使其绕定轴做小幅度转动或摆动，通过测量摆振周期的方式获得刚体惯性参数。摆振法按照悬挂方式的不同可以分为单摆法、复摆法和三线摆法，单摆法采用单根弹性金属杆悬挂，主要适用于轴对称的刚性体；复摆法则利用两根等长弹性金属杆进行悬挂，但在测量之前需要知道刚体的质心位置；三线摆法是用三根等长摆线悬挂待测刚体，但测量时要求每根摆线的受力相等。总之，摆振法的适用范围和测量精度已经提高很多，但其过程繁琐，操作复杂，周期较长。
1.3 CAD/CAE计算法
CAD/CAE计算法是随着计算机技术的发展和三维软件及有限元软件的兴起而产生的，具体方法就是利用在软件中建立的模型，通过赋予其密度、弹性模量等物理属性来计算其惯性参数。目前，大部分的CAD/CAE软件都包含有计算模型惯性参数的功能，如Pro/E、UG、Catia、ANSYS、ADINA等。但这种方法存在很大的制约性：首先，模型难以保证与实际情况完全相符，特别是不规则的大型刚性体，很难将结构的每个细节都模拟到位，因此导致不仅建模精度不高，而且工作量很大；其次，模型的材料属性不能完全模拟真实结构的材料特性，因为实际模型中不能完全保证每个区域的密度都是均匀的，这必然导致CAD/CAE模型的物理性能会发生偏差，因此，惯性参数计算值存在较大误差。
1.4 试验模态法
模态是对结构固有振动特性的描述，模态识别就是确定结构振动特性并得到模态参数的过程，识别的过程不仅包含了结构的模态质量、模态刚度、模态振型、固有频率等模态信息，还包含了结构的质心、质量、转动惯量、惯性积、主惯性矩、主惯性轴等物理信息。鉴于此，模态识别技术被逐渐应用到惯性参数识别中，目前，试验模态法都是基于频率响应函数（FRF）展开，通过对模态试验得到的频响函数曲线进行分析，根据不同频段所反应信息的不同，研究可能存在刚体特性的频段，通过分析计算得到结构的惯性参数，如今在工程实践中应用最多的主要有两种方法：模态模型法和剩余导纳法。
模态模型法识别惯性参数是基于系统的刚体模态展开的，具体是通过锤击法获得响应信号、激励信号和參考坐标之间的关系，建立刚体运动方程，得出惯性参数表达式。此外，为获得刚体的6种运动形态，需要布置的测点不能少于6个。采用模态模型法识别刚体惯性参数的一个关键要素就是1次激励必须激起所有的6阶刚体模态，这对于大型结构来说很难实现，如果不能满足这个条件，则测量精度难以保证。
剩余导纳法，也称质量线法，是利用最高阶刚体模态和第一阶弹性模态之间的一段水平质量导纳线进行惯性参数的识别，这个频段是系统由刚性体到弹性体的过渡区，不仅包含系统的刚体惯性参数，而且很好的回避了悬置结构刚度和阻尼对识别结果的影响，打破了仅限于刚体模态进行识别的限制，从而大大简化了试验流程。
2 驾驶室惯性参数识别方法研究
落体识别法和摆振测试法在进行刚体惯性参数识别时都需特定的试验台架，不仅操作复杂、劳动量大、而且测量精度也不能保证，虽然经过改进的三摆线法还一直应用于各个工程领域，但对大型结构来说试验难度较大；CAD/CAE计算法建立的模型在几何造型、物理属性等方面与实际模型存在一定差异，必然导致计算结果的差异性，此外这种方法进行结构复杂的刚体进行惯性参数计算时，工作量较大；而试验模态法是基于结构的频响特性进行惯性参数识别的，它不受结构本身的限制，也不需要特定的试验台架，因此完全适用于商用车驾驶室的测量，由于之前指出，模态模型法要求1次激励必须激起所有6阶刚体模态，这对于体积、质量都比较大的驾驶室来说难度很大，而且操作上也难以实现，因此，剩余导纳法是最适合对驾驶室惯性参数识别的方法。
剩余导纳法的基础是模态试验，通过研究模态分析理论发现，在频响函数曲线的低频阶段系统可以等效为一个质量块的运动，也就是说低频系统的响应为刚体响应，不涉及弹性变形，如果响应信号为加速度信号时，频响函数的低频段在双对数坐标上表现的则是一段趋于水平的曲线，而且这条水平曲线会一直延伸到系统的第一阶弹性模态，因此我们称第一阶弹性模态之前，最高阶刚体模态之后的这段水平曲线为质量导纳线，质量导纳线不仅携带了系统所有的刚体信息，而且没有受到弹性模态的影响，完全可以利用刚体动力学，通过解系统运动方程来求出系统的刚体惯性参数。
3 结束语
商用车驾驶室刚体惯性参数是进行驾驶室悬置系统设计的重要基础参数之一，因此准确识别驾驶室的刚体惯性参数对于改善驾驶舒适性具有重要的意义。商用车驾驶室本身的结构特点决定了其自身进行惯性参数识别时方法的局限性，本文基于刚体惯性参数识别方法的研究，提出了商用车驾驶室刚体惯性参数识别方法。
参考文献
[1] 廖美颖.重型商用车动力总成惯性参数测试试验台的开发[D].广州：华南理工大学2011.
[2] 周水清.基于虚拟样机的汽车驾驶室悬置系统仿真分析[D].武汉：武汉理工大学，2005.
[3] 刘方文.某重型卡车驾驶室悬置匹配分析[D].长春：吉林大学，2005.