基于虚拟样机的倒立摆惯性参数实验台改进设计.pdf

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1、第27卷2011矩第5期5月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVr01．27No．5May．2011141基于虚拟样机的倒立摆惯性参数实验台改进设计褚志刚L2，(1．重庆大学机械工程学院，重庆400030=蒋忠翰1，吴优12．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)摘要：针对倒立摆惯性参数测量实验台，提出了一种能快速获取被测物体质心坐标和惯性参数矩阵的测量流程及数据处理方法。利用ADAMS软件建立了倒立摆惯性参数实验台虚拟样机，并进行了虚拟测量，分析了台架转动部分质心

2、相对于转轴的偏置量和自身转动惯量对测量精度的影响。结果表明：减小台架自身转动惯量和转轴偏置量能显著提高测量精度。在此基础上，设计了一种测试物体全惯性参数的无偏置轴倒屯摆实验台，利用该实验台对动力总成进行了测量，获得了其质心位置和完整惯性矩阵。该实验台的设计为快速、准确地获取复杂部件的完整惯性参数提供了条件。关键词：摆，实验，设计，质心，惯性矩阵，虚拟样机doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2011．05．024中图分类号：THll文献标志码：A文章编号：1002—6819(2

3、011)一05—0141—06褚志刚，蒋忠翰，吴优，等．基于虚拟样机的倒立摆惯性参数实验台改进设计[J]．农业工程学报，2011，27(5)：141—146．ChuZhigang，JiangZhonghan,WuYou，eta1．Improvementofinvertedpendulumtestbenchforinertialparametersmeasur甜nentbasedonvirtualprototype[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(5)：141—14

4、6．(inChinesewithEnglishabstract)0引言汽车整车及发动机等零部件的转动惯量是进行汽车操纵稳定性、行驶平顺性、动力总成悬置隔振性能优化设计分析的前提条件【lo】。它与物体的总质量及其分布、物体的形状和坐标轴位置等参数有关。对于形状简单的刚体，可以通过CAD建模计算出它的质心位置和绕特定轴的惯性矩阵。但是对于诸如发动机等形状复杂的总成和零部件，多使用实验方法测定。目前主要的实验方法有扭摆法，复摆法和基于试验模态分析的参数识别法。扭摆法操作简单、经济实用、测量精度较高，但测

5、量精度依赖于摆线的长度，如果摆线过长将会有克氏加速度的影响，且需反复安装被测物，质心定位困难卜引。复摆法安装方便，合理的试验台架可得到很高的测量精度，但在测量惯性积较小的被测件时，其惯性积测量误差较大，且变换姿态后平衡起振难以保证，对实验室要求严格【9．101。上述方法均需提前确定被测物的质心位置，前期准备工作复杂。近年来，基于试验模态分析的质量特性参数识别技术由于无需专门的转动惯鼍实验台架而得到了越来越广泛的研究，但该方法受到支承系统刚度和阻尼、频响函数测量精度、激励和响应测点布置、被测物体弹性

6、模态以及模态耦合程度的多重影响和限制，从而使最后。的识别结果精度变差，甚至无法求解[11-16】。倒立摆惯性参数实验台本质上是一种复摆结构，通过测量含被测物和台架构成的振动系统的自由振动周期收稿日期：2010-07—13修订日期：2011-04-11基金项目：重庆市科委科技计划项目攻关项目(CSTC，2007AC6017)作者简介：褚志刚(1978一)，男，江苏江都人，副教授，主要从事车辆系统动力学、车辆NVH控制理论及应用研究。重庆重庆大学机械工程学院，400030·Entail：zgchu@c

7、qu．edu．cn来计算和确定被测物的惯性参数。由于该方法能够同时确定质心坐标和转动惯量，因此，操作简单，使用方便，但其测量精度受振动系统自由振动周期测量精度的影响较大f】6】。本文一方面探讨了其误差来源及误差传递过程，分析了台架转动部分质心相对于转轴偏置量和台架自身转动惯量对测量精度的影响规律，给出了相应的台架设计准则；另一方面，提出了获得包括三个质心位置及完整惯性矩阵的全惯性参数更经济的测量过程及数据处理方法。1倒立摆台架测量原理1．1测量台架原理分析倒立摆测量台架是根据质量周期法原理设计，利

8、用刚体自身重力及弹簧弹性回复力使系统绕转轴做微小摆动“”，其原理如图1所示。lyl嚣I“Ihv＼IpkI．{’p注：％为台架质心到转轴的距离；mo为台架质量；‘为台架关于转轴z的转动惯量，：轴过0点垂直于xoy平面；胁为台架台面到转轴的距离；月为弹簧作用点到转轴的距离；足为弹簧刚度；m1为被测物质量：^，为被测物质心B到台面上平面距离；k为被测物关于过占点且与z轴平行的轴的转动惯量。图l台架示意图Fig．1Sketchofthetestbench142农业工程学报2011年以D为原