基於三維掃描儀和三（sān）線擺的動力總成（chéng）慣性參數（shù）測量
2017-1-13 來（lái）源：哈爾濱工（gōng）業大學 作者：薑曉軍，楊建國，周天鵬
摘要：在汽車發動（dòng）機懸置係統設計（jì）過程中，動力總成慣（guàn）性參數測量是一個（gè）必要環節，其中包括動力總成的質心，轉動慣量和慣（guàn）性積測（cè）量。本文提出一（yī）種三線扭擺結合三維掃描儀和發動機三維數字模型的（de）動力總成（chéng）質（zhì）心與慣性參數的測試方法，其主要特點（diǎn）是采（cǎi）用三維掃描儀掃描測試中的動（dòng）力總成，將掃（sǎo）描數（shù）據與動力總成的三維實體模（mó）型相比較（jiào）來獲得相關角度（dù），可以避開複雜的坐標（biāo）變換，簡化了數據處理；另外可實現發動機和變速箱的分體測試，由於被測物（wù）比總成重量輕，所以測試操作方便，而且對懸吊裝置的強度要求低。對實驗台的標定表明，試驗台具（jù）有（yǒu）較高的實驗精度；對某型汽車動力總成（chéng）的質心（xīn）與慣性參數（shù）測量與計算表明，該方（fāng）法簡易、可靠（kào）。
關鍵詞：動（dòng）力總成；三線扭擺；三維掃描儀；慣性參數測量
0. 引（yǐn）言
隨著汽車（chē）產業的快速發展，對汽（qì）車NVH特性（xìng）的（de）等)是進行發動機懸置係統設計的必要參數（shù）。研究日益受到重視。發動機懸置（zhì）係統作（zuò）為汽車（chē）主（zhǔ）要剛體（tǐ）慣性參數的測量方法大致可分為落體測試法，振擺測（cè）試法，三維實體造型計算和基於試驗模態分析的參（cān）數識別法。其中三維實（shí）體建模需要建立詳細（xì）的實體造型，工作量過於巨大。基於實驗模態的參數識別法，由於其識別原理複雜，未在工程（chéng）中得到廣泛應用。2001年，P．L．RingegIli舊1等人針對當前（qián）複雜剛（gāng）體慣性參數測試（shì）儀器結構、價格（gé）昂貴等缺點，提（tí）出了一種改進的（de）三線扭擺慣性參數法，該方法結構更為簡（jiǎn）單，采用上（shàng）下（xià）雙（shuāng）圓台的結構，以圓（yuán）台中心為（wéi）圓心，鋼絲繩的連接點在某一半徑的圓周上隔1200均勻分布（bù），連（lián）接上（shàng）下圓台，該實驗台在測量複雜物體慣性參數時，具備（bèi）較高（gāo）的測試精度。2010年，上官文斌¨o等人提（tí）出在三線扭擺實驗台中（zhōng）心圓台下方加裝（zhuāng）萬向節，以保證被測件始終自然下垂，使（shǐ）質心始終落於實（shí）驗台中心扭擺軸上，有效的將被測物體的質心測量（liàng）和慣性參（cān）數測量（liàng）相結合，簡化了測試流程。但是試驗（yàn）台中心（xīn）扭擺軸與總成坐標係三個坐標軸夾角的測量（liàng）借助三坐標儀，慣性參數計算時需要對測試數據在地麵固定坐標係和總成坐標係之間進行複雜的坐標變換。
本文（wén）對三線扭擺慣性參數測（cè）量方法進一步改（gǎi）進，以其簡化計算流程和（hé）實驗台的重量。
1.三（sān）線扭擺測量（liàng）原理（lǐ）
三線扭擺實驗台的示意圖如圖1所示。
圖1 三線扭擺（bǎi）實驗（yàn）台（tái）不（bú）意圖
1．1質心的測（cè）試原理
根據（jù）萬向節的運動特性，當萬向節一端連接一形狀複雜的物體時，物體的質心（xīn）自然落在扭擺軸上。即經過3次不同的懸吊後（hòu），三次扭擺軸的交點（diǎn）即為被測物的質（zhì）心。
1．2慣性參數測試（shì）原理
通過對動力總成施加一個較小的繞圓台中心垂線的扭轉力矩，使三線扭擺和動力總成一起繞伽
圖（tú）2動力總成參考坐標係
2.三線扭擺測試裝置
本文采用的測試裝置如圖3所示。
2．1碳纖維上下圓盤
碳纖維重量輕、強度足夠大，所以（yǐ）采用碳纖維材料作為三線扭擺的上下圓盤可減少實驗台重（chóng）量80％左右。
2．2萬向節
在三線扭擺實（shí）驗台中心圓台下方加裝萬向節，以保證（zhèng）被測件始終自然下垂（chuí），使質心始（shǐ）終落於實（shí）驗台中心扭（niǔ）擺軸上，有效的將被測物體的質心測（cè）量和慣性參數（shù）測量相結合，簡化了測試流程舊o。
2．3三（sān）維掃描儀
三維掃描儀的作用是掃描測（cè）試中的動力總成，將掃描數據與（yǔ）動（dòng）力總成的三維實體數字模（mó）型（xíng）相比較（jiào）來獲得（dé）為扭擺中心軸0A與動力（lì）總成（chéng）坐標係x、y、z
圖3三線扭擺（bǎi）測（cè）試（shì）裝（zhuāng）置
現代發動機和變速箱設計一般都依賴計（jì）算機，因此形成產品的發動機和（hé）變速箱一般都具有其三維實體數字（zì）模型。
采用三維掃描儀掃描測試中的動力總（zǒng）成，可以避（bì）開複雜的坐標變換（huàn），簡化了數據處理H。51。所搭建（jiàn）的三線扭擺實驗台參數包括空擺質量M、擺長￡、扭轉半徑R。扭轉半（bàn）徑尺為0．3m，空（kōng）擺質量肘、擺長￡需要標定得（dé）到。
3.三線扭擺實驗（yàn）台標定
標定的目的有兩個，一個是標定實驗台參數；一個是標定實驗精度。
3．1實驗（yàn）台參數的標定
由於空擺質量M和擺長￡的測量存在誤差，因此需對其（qí）進行標定。采用兩塊標準鐵製圓盤進行標定（dìng）。圓盤1尺寸約為390mm×20mm，質量為20kg，圓盤2尺寸約為320蚴×15咖，質量為10kg。通（tōng）過理論計算可獲得其轉動慣量的理論值。對選用（yòng）的2個圓（yuán）盤進行轉動慣量測試，對本三線扭擺實驗（yàn）台進行標定。
表（biǎo）1試驗（yàn）台參數
3．2試驗精度
對圓（yuán）盤2的轉動慣量的（de）測量值和理論值進行對比，計算其（qí）相對誤差如下。
4.動（dòng）力總成質心和慣性參數的測試步驟
a)定義動力總成間的參考坐標係（xì）；
b)對動力（lì）總（zǒng）成進（jìn）行（háng）某一（yī）姿態下的懸吊（diào）；
c)利（lì）用三維掃描儀對該姿態下的動力總成進行掃描；
d)穩（wěn）定觸發扭擺裝置，使實（shí）驗台在5。範圍內自由扭擺，測量扭擺周期；
e)重複步驟b—d，對動力總成進（jìn）行12次不同姿態下的懸吊和測量。
5.動力總成（chéng）質心和慣性參數的分體測試法
由（yóu）於發動機和變速箱共用同一個總（zǒng）成坐標係，所以實際上隻要具有發動（dòng）機的三維實體數字模（mó）型即可。這就提供了一個方（fāng）法，將發動機和變速箱分開（kāi）測試（shì），然後通過計算（suàn）合（hé）成動力總成的（de）質心（xīn）和慣性參數。具體的做法（fǎ）是，發動機（jī）和變（biàn）速箱分別測試。視發動機和變速箱為對接物。由（yóu）於發（fā）動機具備三維實體（tǐ）數字（zì）模型，則三線扭擺中心軸似與動力總成坐
分別測定發動（dòng）機和變速箱的質（zhì）心和慣性參數後，根據合力（lì）矩定（dìng）理即（jí）可確定總成的質心和慣性參數。實（shí）際運用中可以借助ADAMS等軟件（jiàn）完成。動力總成的發動機和變速箱分（fèn）體測（cè）試具有以下優（yōu）點：a)隻需要一個具備三（sān）維實體數字模型；b)由於懸吊重量下降，所以測試操作方便；c)對懸吊裝置的強度要求低。
6.某型動力總成質心和慣性參數測（cè）試
利用上述動力總成的分（fèn）體測試法，對某汽車動力總成的質（zhì）心和慣性參數進行了實際測試。
6．1動力（lì）總成參考坐標係（xì）
動力總成參考坐標係如圖（tú）4所示：以發動機曲軸圓心投影到變速箱與發動機連接法（fǎ）蘭麵上的點O為坐標（biāo）原點，曲軸方向為X向，垂直於氣缸中心線向上為z軸（zhóu）正方（fāng）向，l，軸方向滿（mǎn）足右手定則。
圖4動（dòng）力總成參考坐標係
6．2發動機慣性（xìng）參數測試
表2發動機測量數據
6．3變速箱慣性（xìng）參數測（cè）試
同理，對變速箱進行12次（cì）不同姿態下的懸吊，測得的原始數據如表3所示（shì）。
6．4數據處理
6．4．1總成的質心
從發動機和變速箱的掃描（miáo）數據中分別選取三次懸吊的掃描數據，得到其點雲（yún）文件。將發動機的掃描數據導入CAnA中與發動機數字模型貼合（hé）三（sān）次，如圖5中圓圈部分所示(一次貼合)，可找到發（fā）動（dòng）機的質（zhì）心（xīn）；將變速箱的掃描數據導入cArllA中與發動機數字模型的接合麵貼合三次，即可找到變速箱的質（zhì）心。
表（biǎo）3變（biàn）速（sù）箱測量數據（jù）
圖5發動機質心求解
表4～6分別為發動機、變速箱及（jí）動力總成的質（zhì）心位置。
表4發動機質心位置
6．4．2發動機轉動慣量與慣性積
得到測試數據（jù）後，可根公式(5)分別計算出發動機，變速箱在總（zǒng）成坐標係下（xià）的轉動慣量和慣性（xìng）積（jī）如表7—8所示。動（dòng）力總成的慣性參數本文采用（yòng）ADAMS計算得出如（rú）表9所（suǒ）示。
表7發動（dòng）機慣（guàn）性參數
7.結論（lùn）
本文對動力總成傳統的質心和慣性參數的三線扭擺測試方法進行了發展，提出了三線扭擺結合三維掃描儀和（hé）發動機(或變速箱（xiāng）)數字模型的（de）質心和（hé）慣（guàn）性參數的測試方法。
(1)采用本文所提出的方（fāng）法，盡管需要發動機的三維實體數字模型，但是可實（shí）現發動（dòng）機和變速箱（xiāng）的分體測試，由於被測物比總成重量輕，所以測試操作方便，而且對懸吊裝置（zhì）的強度要求低。
(2)與傳（chuán）統三線扭擺試驗台相比，本文所搭建的實驗（yàn）台中間（jiān）圓台采用碳纖維材料，可以大幅減小實驗台整體（tǐ）的重量，結構更為簡單輕便，更具可操作性。
(3)采用三維掃描儀等精密儀器對被（bèi）測體與實驗台的二者位置關係進（jìn）行測量，可（kě）以避（bì）開複雜的坐標變換，簡化了數（shù）據（jù）處理。
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