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四種國內(nèi)主流動(dòng)力總成慣性參數(shù)測試設(shè)備介紹

2020-01-27 20:08:07·  來源：汽車NVH云講堂  作者：呂兆平  
　
本文將給大家介紹四種動(dòng)力總成質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試設(shè)備。一、華南理工大學(xué)開發(fā)的汽車動(dòng)力總成質(zhì)心與慣性參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)該設(shè)備開發(fā)的原理參見上官文斌教授在《振動(dòng)
本文將給大家介紹四種動(dòng)力總成質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測試設(shè)備。
一、華南理工大學(xué)開發(fā)的汽車動(dòng)力總成質(zhì)心與慣性參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)
該設(shè)備開發(fā)的原理參見上官文斌教授在《振動(dòng)工程學(xué)報(bào)》2010年4月發(fā)表的文章《汽車動(dòng)力總成質(zhì)心與慣性參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)》，在此不再贅述。該設(shè)備使用的零部件廠有托普，主機(jī)廠有東風(fēng)日產(chǎn)乘用車等，設(shè)備的圖片如下：
圖1 汽車動(dòng)力總成質(zhì)心與慣性參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡圖
二、北京科技大學(xué)開發(fā)的基于三線扭擺法的復(fù)雜剛體動(dòng)力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)
范讓林博士開發(fā)的復(fù)雜剛體動(dòng)力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)應(yīng)該是目前主機(jī)廠應(yīng)用最廣泛的一套測試系統(tǒng)，既有自主品牌公司，也有合資公司，既有整車廠家，也有零部件廠家。我公司也于2010年購買了一套，至今仍然在使用。該設(shè)備的圖片如下：
圖2 基于三線扭擺法的復(fù)雜剛體動(dòng)力學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)簡介
該套三線擺測試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
（1）三線擺試驗(yàn)臺(tái)
三線擺試驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示，主要由支架、力傳感器、擺線以及托盤組成。
其測試過程具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：
只需測量質(zhì)量和距離等普通物理量
只需磅秤和直尺等普通測量儀器
所需物理量易于測量，所用儀器易于使用
測量精度高，重復(fù)性好，結(jié)果可靠
（2）數(shù)據(jù)處理軟件
數(shù)據(jù)處理軟件是三線擺測試系統(tǒng)的核心，是最具理論價(jià)值和技術(shù)含量的部分，基于Windows 系統(tǒng)運(yùn)行，是一個(gè)高度智能化、具有極強(qiáng)判斷能力的軟件，有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：
既可在線處理測量數(shù)據(jù)，也可離線處理測量數(shù)據(jù)
既可測量剛體質(zhì)心，也可測量剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，還可測量剛體的慣性積，或者同時(shí)測量上述所有數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)處理軟件具有判斷測量數(shù)據(jù)①準(zhǔn)確性的功能，隨時(shí)告知測量人員其測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、是否需要重新測量
數(shù)據(jù)處理軟件具有判斷測量結(jié)果②可靠性、精確性的功能，并指出是否需要補(bǔ)充測量數(shù)據(jù)
對(duì)于不可靠的測量結(jié)果，數(shù)據(jù)處理軟件可以指出如何改進(jìn)測量、需要補(bǔ)充哪些測量數(shù)據(jù)
三、南京理工大學(xué)開發(fā)的MPC 型動(dòng)力總成慣性參數(shù)測試儀
由于這套的原理與上述兩套設(shè)備稍微有差異，為便于讀者了解，故從其說明說上摘錄測量原理如下：
1、質(zhì)量質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量原理
1.1 質(zhì)量測量
動(dòng)力總成的質(zhì)量由P1、P2 二只傳感器直接測得。（雖然用二個(gè)傳感器稱重，但是在測量架上安裝三個(gè)測頭，由三個(gè)測頭共同承載。這樣系統(tǒng)即可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，又可以方便的調(diào)
水平）即：
                      （1）
式中，M－動(dòng)力總成的質(zhì)量
P1－加載動(dòng)力總成后，傳感器P1 的讀數(shù)；
P01－空載時(shí)傳感器P1 的讀數(shù)；
P2－加載動(dòng)力總成后，傳感器P2 的讀數(shù)；
P02－空載時(shí)傳感器P2 的讀數(shù)；
K1－傳感器P1 的傳遞系數(shù)；
K2－傳感器P2 的傳遞系數(shù)；
（1）式中K1，K2 的數(shù)值可由標(biāo)定傳感器得到，P1、P01、P2、P02 可直接測量出，所以動(dòng)力總成的質(zhì)量M 可很容易測得。
1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性積的測量
通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量基本原理可知：過任意軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由如下公式表示：
                                                    （2）
IH－動(dòng)力總成過其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
IXX－動(dòng)力總成過其質(zhì)心平行與X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
IYY－動(dòng)力總成過其質(zhì)心平行與Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
IZZ－動(dòng)力總成過其質(zhì)心平行與Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
IXY、IXZ、IYZ－三個(gè)方向的慣性積；
α－扭桿轉(zhuǎn)軸H 與發(fā)動(dòng)機(jī)上的坐標(biāo)系X 軸的夾角；
β－扭桿轉(zhuǎn)軸H 與發(fā)動(dòng)機(jī)上的坐標(biāo)系Y 軸的夾角；
δ－扭桿轉(zhuǎn)軸H 與發(fā)動(dòng)機(jī)上的坐標(biāo)系Z 軸的夾角；
為了求得IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ，需要建立6 個(gè)方程。也就是說要讓發(fā)動(dòng)機(jī)在測量平臺(tái)上放置6 次，且每一次的姿態(tài)不重復(fù)。
從（2）式中不難看出，是否能較高精度的測得IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ，關(guān)鍵是如何精確的測量IH 以及α、β、δ。
1.2.1 IH 的測量
通過測試儀我們只能直接測得工裝及發(fā)動(dòng)機(jī)總成組合體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但是可以通過（3），得到IH。
                      （3）
其中： I－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量值；
I0 為測量工裝的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也稱皮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
M－動(dòng)力總成的質(zhì)量；
R－動(dòng)力總成質(zhì)心的投影到轉(zhuǎn)軸H 的距離；
                    （4）
在(4)中A 可以通過標(biāo)定儀器得到其參數(shù)，T、T0 是加載待測物與空載時(shí)的扭振周期，也可以精確的測量出，R 可以通過二次質(zhì)心的測量，分別得到質(zhì)心在X 方向與Z 方向上的分量通過
                    （5）
得到發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸的距離。
1.2.2 RX、RZ 的測量
如圖3所示，傳感器P1 與P2 的距離為LG，LG 可以在儀器做好后精確測量出，故而可以作為常數(shù)看待。扭轉(zhuǎn)軸H 固定在傳感器P1 與P2 的中點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)心在X 軸的投影到H 軸的距離為：
圖3 測試原理圖
                                  （6） 
其中P2X－為傳感器P2 的讀數(shù)；
K2－傳感器P2 的傳遞系數(shù)；
Lg－傳感器 P1，P2 的距離
M－動(dòng)力總成的質(zhì)量
同理，可以轉(zhuǎn)動(dòng)測量平臺(tái)900，得到發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)心在Z 軸上的投影到H 軸的距離：
                                           （7）
1.2.3 α、β、δ的測量
為了精確的測量α、β、δ，需要依靠動(dòng)力總成的數(shù)模。首先要在動(dòng)力總成上找至少3個(gè)特征點(diǎn)，（為了可以讓動(dòng)力總成任意放置6 種姿態(tài)后都可以方便測量，最好多找一些點(diǎn)），我們事先要知道這些特征點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)力總成坐標(biāo)系的坐標(biāo)，比如特征點(diǎn)D1的坐標(biāo)為（X D1，Y D1，Z D1 ），特征點(diǎn)D2 的坐標(biāo)為（XD2，Y D2，Z D2 ）…另外在測量平臺(tái)上也找 3 個(gè)特征點(diǎn)A，B，C。通過測量動(dòng)力總成上的特征點(diǎn)到平臺(tái)上的點(diǎn)的距離，便可以得到一個(gè)三元二次非線性方程組，解這個(gè)方程組可以將平臺(tái)上的點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)力總成坐標(biāo)求出，從而得到α、β、δ。
1.2.4 質(zhì)心三維坐標(biāo)的測量
以上介紹了如何測量RX、RZ，同理可以將動(dòng)力總成任意放置，偏轉(zhuǎn)一定角度后測得在此偏轉(zhuǎn)角下的質(zhì)心位置，通過程序計(jì)算，便可得到發(fā)動(dòng)機(jī)總成的三維質(zhì)心位置(Gx ,Gy , Gz)
設(shè)備圖片及技術(shù)參數(shù)：
圖3 MPC 型動(dòng)力總成慣性參數(shù)測試儀
2.MPC500 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
質(zhì)量測量范圍：100~500kg；
質(zhì)量測量誤差：300g；
質(zhì)心測量誤差：2mm；
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量精度：2%；
四、孝感市寶龍電子有限公司開發(fā)的動(dòng)力總成質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量綜合測試臺(tái)
1、質(zhì)量質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量原理
1.1質(zhì)量質(zhì)心測量原理
質(zhì)心臺(tái)的測量是基于三點(diǎn)測力原理而設(shè)計(jì)的。即是在測量平臺(tái)下方的同一園周上均布三個(gè)測力支承點(diǎn)，支承下置有測力傳感器，
被測件安裝在平臺(tái)上，并且使被測件的中心軸通過平臺(tái)的中心，又
垂直平臺(tái)的工作平面，讀出三個(gè)測力傳感的輸出通過運(yùn)算可方便地
求出被測件的質(zhì)量和質(zhì)心位置坐標(biāo)。上述原理如附圖所示。
 
圖4 質(zhì)量質(zhì)心測量原理示意圖
圖中：F1、F2、F3 三個(gè)支承點(diǎn)所測出的力。NM ――――被測件質(zhì)量。Kg
O ――――三個(gè)測力點(diǎn)所在圓心。（平臺(tái)中心）
R ――――測量點(diǎn)所在圓半徑mm
Q(x，y) ――――被測件質(zhì)心位置Q 的坐標(biāo)
R ――――用極坐標(biāo)表示的被測所在位置的半徑mm
? ――――用極坐標(biāo)表示的被測所在位置的夾角
根據(jù)三點(diǎn)測量原理，質(zhì)心位置可按下式計(jì)算：
X=f1(p1、p2p3、R)
Y=ff2 (p1、p2p3、R)
當(dāng)Q(x、y)為已知亦可求出按極坐標(biāo)表示的Q(r)
1.2、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量原理
圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量原理示意圖
扭擺臺(tái)由轉(zhuǎn)臺(tái)(1)、扭桿(2)、擺動(dòng)傳感器(3)構(gòu)成。
設(shè)扭桿擺動(dòng)角為θ，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J ，空氣阻力系數(shù)為F ，扭
桿剛度系數(shù)為為K ，扭桿與夾具之間的摩擦力矩Tr，則扭擺臺(tái)的的振動(dòng)方程為：
 
2、設(shè)備圖片及技術(shù)參數(shù)
圖6 動(dòng)力總成質(zhì)量質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量綜合測試臺(tái)
 
設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：
試件最大質(zhì)量： 500kg
試件最大長度： 2000mm
試件最大高度： 1500mm
質(zhì)量測量精度：±1%F·S·
X 方向質(zhì)心測量精度： ≤±1mm
Y 方向質(zhì)心測量精度： ≤±1mm
Z 方向質(zhì)心測量精度： ≤±1mm
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測量精度：±1% F·S·
氣源壓力: 0.6-1Mpa
四種測試設(shè)備介紹完了，怎么選擇，仁者見仁智者見智，這里我還是保持中立吧！
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