纯电动汽车动力总成悬置系统设计方法

2019-04-23 08:48刘晓昂蒋春雷

噪声与振动控制 2019年2期

朱鑫，刘晓昂，陈勇，蒋春雷

（1.河北工业大学机械工程学院，天津300130；2.宁波丰茂远东橡胶有限公司，浙江余姚315400）

随着纯电动汽车市场的发展，驾、乘员对纯电动汽车NVH性能提出了更高的要求，悬置系统是一种应用在动力总成和车架之间的弹性连接件，有减振、限位及隔振的作用，悬置系统的设计对汽车NVH性能有重要影响。

目前针对动力总成悬置系统的设计方法研究，可分为两部分：

（1）针对传统汽车动力总成悬置系统的设计方法研究。文献[1-4]建立了简化的动力总成悬置系统模型，采用能量解耦和扭矩轴解耦的方法对其固有频率和能量分布进行优化。文献[5]提出了动力总成悬置系统位移控制算法，建立了悬置在其3 个弹性主轴方向力-位移特性的非线性关系，推导了动力总成质心位移的计算公式，给出了28种工况下动力总成质心的位移、悬置位移和支承点动反力的计算结果。以三缸发动机悬置系统为研究对象，文献[6]提出了其设计要求及方法。为研究路面激励引起的悬置系统的振动，文献[7]建立了13自由度动力总成-车身-非簧载质量模型，给出了悬置动刚度和阻尼的确定原则。

（2）针对电动汽车动力总成及其悬置系统的研究。结合齿轮动力学与电机电磁学知识，文献[8]对其内部动态激励进行理论分析和数值模拟。采用建立的动力总成悬置系统刚柔耦合模型，文献[9]分析作用于动力总成的电磁激励和机械激励，提出了电磁激励仿真方法。文献[10]对某电动车动力总成的振动噪声特性进行了试验研究，对文献[9-10]的研究内容进行了试验验证。

本文提出了某型纯电动汽车动力总成固有频率和能量分布的设计要求，以各悬置静刚度及安装位置为设计参数，提出了其优化方法；提出了该型纯电动汽车动力总成质心的位移控制要求，将各悬置力-位移非线性曲线近似为分段线性，对各段拐点及刚度值进行设计。设计后的动力总成固有频率、能量分布及质心位移均满足设计要求。

1 动力总成悬置系统设计要求

1.1 纯电动汽车动力总成激励与传统汽车的区别

由于电动汽车动力总成不同于传统的内燃机车动力总成，两者的内部激励存在较大区别。传统内燃机车内部激励主要包括以下几点：

(1) 活塞、连杆等质量往复运动产生的往复惯性力；

(2) 往复惯性力引起的往复惯性力矩；

(3) 缸内点火燃烧压力产生的气体扭矩[2]。

由于电动汽车不存在内燃机的燃烧过程，动力来源于电机，且动力传输路径也有别于传统内燃机汽车，其悬置系统所受内部激励不同，主要为：

(1) 电磁激励，主要包括电机定、转子气隙中的电磁力作用产生的电磁振动以及电机磁场和外部电路相互作用产生的振动；

(2) 机械激励，主要包括转子机械不平衡产生的振动，以及由同时啮合齿对数的变化、轮齿受载变形、齿轮制造误差等因素所引起的齿轮传动系内部激励[8]。

1.2 电动汽车动力总成设计要求

考虑该型电机常用工作状态3 000 r/min时的激振频率为50 Hz，根据隔振原理，固有频率要小于激振频率的倍，系统才能有效隔振，工程实际中通常要求频率比在2～5 之间，本文取此值为2。对于承载式车身的轿车，其整车纵向、横向、垂向以及横摆方向的固有频率大致在5 Hz以下，俯仰和侧倾的固有频率通常不到2 Hz。此外，道路随机激励经悬架衰减、过滤后的频率一般不超过2.5 Hz，而人体对水平方向振动敏感区一般为1 Hz～2 Hz，垂向敏感区为4 Hz～8 Hz。对动力总成的固有频率进行设计时，应避开上述车身固有频率、路面激励频率及人体对振动的敏感频率范围[2]，因此，确定动力总成固有频率设计目标为：Z 方向固有频率在9 Hz～25 Hz，其他方向固有频率均分布在6 Hz～25 Hz。

设计动力总成悬置系统时，应尽量使其在6 个方向的振动互不耦合。本文应用能量解耦法进行计算，在合理配置悬置系统固有频率的基础上，将能量分布的设计目标确定为各方向均大于90%。

在各种行驶工况下，须保证动力总成与周围其他零部件不发生撞击、干涉，评估车辆在多种典型和极限工况下的动力总成质心位移和悬置元件的受力、变形状况，将动力总成质心的位移控制在指定范围内，悬置在各弹性主轴方向的变形应处于指定工作点[5]。因此，建立如表1所示的动力总成的质心位移设计目标。

表1 动力总成质心位移控制设计目标

2 动力总成悬置系统的设计方法

2.1 纯电动汽车动力总成悬置系统动力学模型

将动力总成视为刚体，由n 个(n≥3)悬置支承在车架、副车架或车身上，悬置简化为沿3个垂直的弹性主轴方向(U、V 和W 方向)具有刚度和阻尼的元件，如图1所示[5]。

图1 动力总成悬置系统动力学模型

以动力总成质心为原点G0建立坐标系，X 轴平行水平面指向车辆前进方向，Z 轴垂直向上，Y 轴指向电机方向。据此可定义动力总成在X、Y、Z轴方向的平动为x、y、z，绕X、Y、,Z 轴的转动为α、β、γ。动力总成质心运动的广义坐标为

动力总成悬置系统6自由度模型的运动微分方程为

式中：[M]为动力总成质量矩阵，又称惯性矩阵，[K]为动力总成刚度矩阵，[M]、[K]的表达式见文献[4]。

在不考虑外力和阻尼的情况下，上式可简化为6自由度无阻尼的自由振动微分方程，动力总成的固有频率即为矩阵M-1K的特征值，能量分布表达式见文献[4]，振动占优方向所占的振动能量百分比越大，系统的解耦程度就越高，100%表示完全解耦。

2.2 目标函数、设计变量与约束条件

基于1.2 小节中对动力总成固有频率和能量分布的要求，建立固有频率和能量分布的优化目标函数F(x)

式中：W1 和W2 分别为固有频率和能量分布的权重系数,αQ和βQ分别为第Q阶（Q=1～6）固有频率和能量分布的权重系数，ZfQ和ZeQ分别为固有频率和能量分布与要求值的差值，其具体表达式见文献[14]。

在整车设计过程中，一般动力总成设计是在悬置系统设计之前完成，因此不对动力总成系统参数做改动，仅对悬置刚度与悬置安装位置等参数进行设计。考虑到该型电动汽车的悬置布置形式和经济性因素，本文将悬置刚度和悬置安装位置作为设计变量，其表达式{X}为

式中：kui、kvi,、kwi为悬置i 在局部坐标系下的三向静刚度，xi、yi、zi分别为悬置的安装位置。

考虑悬置在发动机舱的布置限制和悬置元件制造的经济性，对悬置安装位置及悬置刚度的约束为约束其上下限。即

式中：XL、XU分别为设计变量的上下限。

2.3 动力总成位移控制计算方法

悬置在其弹性主轴方向上的力-位移关系为一非线性曲线，通常为了计算的方便可用5段或3段线性曲线进行拟合[5]，如图2所示。

在计算动力总成的质心位移时，由于作用在动力总成上的力不同时，悬置系统的刚度矩阵中元素也不同，故应用迭代算法进行计算。计算的迭代步骤可参考文献[5]。电动汽车动力总成悬置系统工况计算规范参照文献[2]，如表2所示。

其中包括了10个典型工况和8个极限工况。此表根据美国通用公司针对传统汽车的28 种动力总成悬置系统计算工况表（见文献[11]）简化而来，美国通用公司规定动力总成在不同工况下工作时，除在X、Y、Z 方向受到平动力的作用外，还在绕动力总成输出轴的转动方向受到扭矩作用，即本模型中横置动力总成的RY 方向。表中，D 为减速比（Drive Ratio），M 为电机最大转矩（Maximum Motor Torque）。