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农用运输车零部件转动惯量的测量方法 |
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作者：同济大学 刘岩 张成宝 林逸 |
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摘要：农用运输车总成和有关零部件的转动惯量是建立整车动力学模型的必要参数，测量农用运输车3种零部件和总成转动惯量的方法是：形状对称零部件通过台架试验进行测量；形状不规则零部件使用UG软件进行计算；整车簧载质量通过振动试验进行测量。
关键词：转动惯量；UG软件；测量方法
研究农用运输车操纵性、动力性等整车性能的方法是建立整车动力学模型，进行动力学分析，这样的多自由度模型可以全面地描述农用运输车各个子系统的运动及相互耦合作用。但要建立整车动力学模型，需要知道农用运输车整车和有关零部件的质心位置、质量和转动惯量等参数，许多参数，特别是转动惯量，设计人员一般无法提供，需性能研究人员进行试验、计算。本文介绍3种测量农用运输车零部件转动惯量的方法。
1 形状对称零部件转动惯量的测量
对于轮胎、发动机这种形状基本对称的零部件，用扭摆法测量其转动惯量。图1所示3根摆线的长度相等，使被测物质心的垂直线与扭摆法圆盘的中心线重合，所测的转动惯量即是被测物和圆盘两者绕此线的转动惯量之和。
图1 扭摆法测量转动惯量示意图
将物体在水平面内转动一个小角度α时，整个系统的扭转刚度为
式中Fn--第n根摆线上的切向恢复力，N
Wn--第n根摆线所受的拉力，N
整个系统的扭摆周期 ，所以，转动惯量 。将有关参数代入得：
两者绕圆盘中心轴的转动惯量之和，减去圆盘绕此轴的转动惯量，即为被测物绕此轴的转动惯量。
2 不规则零部件转动惯量的计算
对于悬架和转向系中形状不规则零部件的转动惯量，采用实体造型软件UG计算得到。根据零件图和装配图，使用UG软件画出各零部件的三维实体模型，然后输入密度等必要参数，计算各部件转动惯量等。图2、图3是某农用运输车转向节、悬架下横臂的实体模型。
图3 悬架下横臂
UG可以计算实体模型绕任意指定轴的转动惯量，也可以自动算出绕主轴的转动惯量。主轴是通过质心的一个三轴正交系"绕主轴的%个惯性积都是零"在进行动力学分析时，一般是输入绕主轴的转动惯量。
一个物体绕某一轴的转动惯量利用下列公式计算：
计算之前可以设定某一精度，UG在计算时逐次迭代直到达到规定的精度。
式中J(n)--第n次迭代算出的转动惯量，kg*m2
3 簧载质量转动惯量的测量
利用振动偏频测量技术，在不拆卸农用运输车主要总成部件的条件下，测量簧载质量绕其质心x, y轴的转动惯量。
本试验所需的仪器和设备为：加速度传感器2个（量程2g，频响范围0-50Hz）、机械振动检测仪(与传感器相匹配）、试验数据采集分析仪、千斤顶、卷尺、相同高度的凸块2个（凸块高度的选取要保证悬架在压缩行程时不碰撞限位块，又要保证振动幅值足够大，与实际使用情况比较接近，见图4）、方形附加质量块、能卡住前后悬架的卡具（最简单的为木块）。
图4 凸块形状
3.1 测量簧载质量绕其质心纵轴的转动惯
量Jx
非簧载质量系统的质量变化对簧载质量系统振动的主频率影响较小，因此可以把簧载质量振动系统简化成图5所示的模型，各部分的转动惯量按下列公式计算：
式中，Jx01、Jx02、Jx0--分别是前簧载、后簧载、全部簧载绕侧倾中心的转动惯量，kg·m2
l1、l2--前后簧间距，m
m1、m2--前后簧载质量，kg
m--簧载质量，kg
f1、f2--前、后簧载偏频，Hz
fe--簧载绕侧倾力矩中心的频率，Hz
h--簧载质心处的侧倾中心到质心距离，m
图5 簧载质量绕纵轴振动系统简化模型
试验时将2个2g加速度传感器安装在车身右侧前后悬架上方的底板上，连接好整个系统3将车身右侧的前、后车轮放置在两个相同高度的凸块上，前、后车轮接地点与凸块棱线距离相等，以保证前后轮同时落地。发动机熄火，往前推车的同时开始记录信号。前后轮同时落地向前滚动，信号记录至车停。重复试验5次，并记录数据。
f1、f2、f3通过试验数据处理得到，前、后簧间距l1、l2和前、后簧载质量m1、m2以及簧载质心高度Hg为设计参数。根据参考文献[3]计算簧载质心处侧倾中心到地面的距离h。簧载质心处侧倾中心到质心的距离h=Hg-h，所以可得簧载质量绕其质心纵轴的转动惯量Jx=877.67KG·m2。
3.2 测量簧载质量绕其质心横轴的转动惯量Jy
用卡具卡住后板簧，使之不起作用，则系统简化成如图6所示。
图6 簧载质量绕横轴振动系统简化模型
把2个2g加速度传感器安装在前车身底板的左右两侧，将左右前轮开到等高的两个凸块上，左右轮同时落地向前滚动，这时可以认为簧载质量绕后轮中心线振动，重复试验5次，并记录数据。然后在车身前部再加50kg、100kg、150kg、200kg的质量块，各重复试验5次。
当在车身前部加不同质量的质量块，即当该系统后轴的转动惯量变换时，振动的周期存在着下面的关系。
式中J--簧载质量绕后轴的转动惯量，kg·m2
△J--附加质量绕后轴的转动惯量，kg·m2
T0--车身前部无质量块时的振动周期，s
T--车身前部加质量块时的振动周期，s
周期的平方与附加转动惯量成线性关系。
按y=a+bx进行拟合，则J=a/b
Jy=J-m*(h12+l12
式中h1、l1--簧载质量的质心到后轴中心线的垂直、水平距离，m
m--簧载质量，kg
计算得簧载质量绕其质心横轴的转动惯量Jy=3089.4kg·m2。
4 总结
本文介绍了3种测量农用运输车总成和有关零部件转动惯量的方法：使用扭摆测量形状对称零部件的转动惯量；使用实体造型软件UG计算形状不规则的零部件的转动惯量；利用振动偏频测量技术，在不拆卸农用运输车主要部件总成的条件下，通过试验测量农用运输车簧载质量的转动惯量。这些方法使用方便、测量准确、实用性好。
参考文献
1 李杰敏 汽车拖拉机试验学 北京 机械工业出版社 1995
2 汽车主要参数测量实用手册 长春 长春汽车研究所 1992
3 郭孔辉 汽车操纵动力学 长春 吉林科学技术出版社 1991(end)
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(7/14/2005) |
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