裴寶浩， 于 蓬， 邢 勤， 周 娟， 張元元

（1.煙臺職業(yè)學院，山東 煙臺 264670；2.山東明宇新能源技術有限公司，山東 濟南 271100；3.新興交通建設有限公司，山東 煙臺 264000；4.淄博職業(yè)學院，山東 淄博 255314）

純電動汽車的驅動電機具有快速響應特性，一方面使電動車比傳統(tǒng)車有更好的加速性能，另一方面也使電機懸置系統(tǒng)產生相對的沖擊和振動較大。

目前國內針對電機動力總成懸置系統(tǒng)的研究已經取得了初步的進展。2006～2010年間，同濟大學的一些學者對電機動力總成懸置系統(tǒng)進行了初步研究，并探索改善瞬態(tài)工況下懸置系統(tǒng)的振動響應問題［1-2］。2011年，遼寧工業(yè)大學的李瑩探索了提高解耦率對電機動力總成懸置系統(tǒng)隔振性能的影響［3］。在國外，盡管許多科研院所和各大汽車公司都進行了電動汽車的研發(fā)，出于技術保密或其它原因，電驅動動力總成懸置系統(tǒng)的研究文獻并未公開發(fā)表，較難閱見。

本文結合某電動車的瞬態(tài)振動問題進行其動力總成懸置系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化研究。

1 利用ADAMS進行電機懸置系統(tǒng)建模和仿真分析

1.1 動力學仿真模型的建立

該系統(tǒng)由3部分組成，分別為電機、減速器和3個橡膠懸置，一般對懸置系統(tǒng)的隔振性能進行研究時往往將其簡化為6自由度的剛體模型，將橡膠元件簡化為3向正交的彈簧阻尼模型［4］。

在ADAMS／View中導入用CATIA建成的電機模型，如圖1所示。

圖1 ADAMS中電動車電機模型

1.2 系統(tǒng)模型仿真分析

電機懸置系統(tǒng)的固有頻率極其重要，鑒于系統(tǒng)的簡化模型，一般其各個自由度方向的振動不是沒有聯系的，而是存在著相互耦合，即某一個方向上受到激勵，在整個系統(tǒng)上會產生多個方向的振動，這將導致系統(tǒng)振動時的振幅增大，頻帶加寬［5］。

由于耦合作用的存在，一方面會加寬系統(tǒng)振動的頻帶，另一方面也會在隔振以及頻率的配置方面帶來不小的困難?；谝陨显?，在實際工程中，采取降低和控制系統(tǒng)的振動解耦是解決電機懸置系統(tǒng)振動耦合的方法，效果較為顯著，并且被普遍采用。本文利用電機懸置系統(tǒng)的6自由度模型，來分析系統(tǒng)的耦合特性［6］。通常情況利用振動時的能力分布來表示其耦合特性。

在工程實際設計中，系統(tǒng)的解耦率基本無法達到100%，當解耦率達到或者超過90%時，通常認為系統(tǒng)達到解耦目標，對于電機懸置系統(tǒng)子模型，根據ADAMS／Vibration模塊的仿真結果獲得電動車電機懸置系統(tǒng)的能量分布，其頻率和解耦率如表1所示。

表1 電機系統(tǒng)的固有頻率及解耦率

在各階模態(tài)振動下，懸置系統(tǒng)的能量分布較為分散。最集中自由度能量發(fā)生在第1階和第3階，分別為88.44%和94.61%，最低的解耦率僅有47.98%，而其余各階也均較低。這說明動力總成懸置系統(tǒng)的耦合比較嚴重，各個方向的激勵對其他方向的振動有很大的影響，加劇了系統(tǒng)的振動，該動力總成懸置系統(tǒng)設計欠合理。

1.3 加速和制動工況下階躍轉矩響應分析

電動汽車的電機不同于傳統(tǒng)的內燃機，其在沒有轉速的情況下也能提供并輸出較大的轉矩，而且電機能夠提供很快的響應速度，即電機的輸出轉矩能夠在極短的時間內提供較大轉矩變化范圍。但是在實際工作中發(fā)現，電動車的電機系統(tǒng)在兩種工況下振動表現得非常明顯，甚至很嚴重，就是在電動車急加速工況和緊急制動工況時表現出來。

基于以上分析，利用ADAMS／View對電機懸置系統(tǒng)在急加速和急減速兩種工況下仿真，并分析計算其在兩種工況下10s內的瞬態(tài)響應。起步急加速工況時，電機的最大驅動力矩為120Nm，在乘以傳動比 （i=7.25）后作用于動力總成的驅動力矩為870Nm，而緊急制動工況時設汽車的制動減速度為0.8g，并按照前后制動力的分配關系轉化成前后輪的制動扭矩，計算后得到制動力矩為580Nm，電機響應時間取1ms。仿真結果見圖2～圖4。

由仿真結果圖2～圖4中可以看出，在剛開始的時間里，即電動車急加速工況的起始階段系統(tǒng)的瞬態(tài)振動情況，在此過程中系統(tǒng)的振動幅度較大，隨后曲線慢慢穩(wěn)定。在制動過程中，制動的起始階段系統(tǒng)曲線再次由穩(wěn)定狀態(tài)變成瞬態(tài)階段，同樣在瞬態(tài)的起始階段曲線幅度較大，隨之慢慢穩(wěn)定趨于直線。這個過程與車輛的實際情況相符合，即車輛起步階段和減速階段的初期，電機懸置系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)變化進入瞬態(tài)，然后又將回復保持到穩(wěn)態(tài)的情況。

圖2 優(yōu)化前電機總成Y方向的位移

圖3 優(yōu)化前電機總成的Z向加速度

圖4 優(yōu)化前懸置元件1的Z向動反力

3個橡膠懸置元件的Z向受力和變形都比較大，最大值達到12800N，最大位移達到13.2mm，在制動過程中懸置元件的力和變形都有較大的變化。在這個過程中，系統(tǒng)容易發(fā)生運動干涉，而且由此可能會引起元件的疲勞損傷。

2 系統(tǒng)優(yōu)化

1）目標：本文對系統(tǒng)的優(yōu)化目標是能量解耦率。為了能夠使系統(tǒng)在各個自由度方向達到盡可能最優(yōu)的解耦，只能通過設計合理的參數來實現。

2）變量：參照以往的優(yōu)化，系統(tǒng)的兩個參數，質量、慣性不進行修改；阻尼的作用主要是為了降低共振的峰值，雖然其對系統(tǒng)的振動能夠產生較大的影響，但是本文亦不作為變量，采用的是固定阻尼比；鑒于安裝控件狹小，橡膠元件的位置和校對安裝能夠改變的可能性極小；因此結合各種因素的分析，變量設定為橡膠元件的剛度參數，以此來進行優(yōu)化解耦。

3）約束：為了防止共振現象的發(fā)生，根據隔振理論，該電機橡膠懸置系統(tǒng)的1階固有頻率應該大于其車身和座椅的固有頻率，至少為倍。

以該款電動車的電機懸置系統(tǒng)為對象，利用ADAMS參數化優(yōu)化模塊進行優(yōu)化分析。經過ADAMS的優(yōu)化計算，得到橡膠元件的剛度參數如表2所示。優(yōu)化后的固有頻率和解耦率如表3所示。

表2 橡膠懸置元件在優(yōu)化前／后的剛度

表3 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)固有頻率及解耦率

從表2和表3可知，優(yōu)化前后固有頻率的值也發(fā)生了較大變化，原先第1、2、3階頻率均在31Hz左右，由于頻率值相距太近，無法滿足不同階次間固有頻率至少相距1Hz的要求，經過優(yōu)化后，各階固有頻率均有明顯差距，而且能量解耦情況得到了顯著改善，特別是對于電動汽車動力總成懸置系統(tǒng)非常關鍵的θy方向的解耦率達到了98.94%，其他方向的解耦率也都超過或者接近90%，滿足了工程上解耦的要求［8］。

3 優(yōu)化后懸置系統(tǒng)的動態(tài)響應

將優(yōu)化后懸置系統(tǒng)中的懸置元件剛度替換優(yōu)化前的剛度，繼續(xù)在ADAMS／View中進行動態(tài)響應仿真分析，得到優(yōu)化后的各懸置位移、振動加速度、動反力以及動力總成質心3向振動位移的幅值及響應曲線。具體仿真結果見圖5～圖7和表4～表7。

優(yōu)化后，懸置系統(tǒng)瞬態(tài)響應較差方向Z向的振動得到了明顯改善，無論是位移還是動反力，幅值都有所下降，除了起步工況的X向位移，兩種工況下動力總成質心的3向振動位移幅值都明顯減小，其中制動時Y向質心位移的降低最為明顯，減小了接近40%。

圖5 優(yōu)化后總成質心X向位移

圖6 優(yōu)化后總成質心Z向加速度

圖7 優(yōu)化后懸置1的Z向動反力

表4 優(yōu)化前后各懸置Z向動反力幅值對比

表5 優(yōu)化前后各懸置Z向位移幅值對比

表6 動力總成質心3向振動位移幅值對比

表7 動力總成質心Z向加速度幅值對比

優(yōu)化后，驅動和制動工況下，3個橡膠懸置元件Z向受力情況得到明顯改善，力的峰值和幅值都有所降低。起步急加速工況的Z向動反力幅值均降低超過30%，而緊急制動工況下懸置1和懸置3的減小量甚至超過了50%。同時，兩種工況下，電機懸置系統(tǒng)元件很快衰減了其振動，與此同時整個系統(tǒng)的NVH性能得以提高。

4 總結

本文利用ADAMS對該電動車的電機懸置系統(tǒng)進行了建模、仿真和分析，并對系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，通過仿真分析和優(yōu)化，使懸置系統(tǒng)的隔振性能得到了改善。懸置系統(tǒng)元件優(yōu)化后，通過結果可以看出改善了系統(tǒng)的固有特性并且較大地提高了系統(tǒng)各個方向的解耦率，使其滿足了工程要求。