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        電動車電機懸置系統(tǒng)瞬態(tài)性能優(yōu)化

        2020-09-30 02:03:36裴寶浩張元元
        汽車電器 2020年9期
        關鍵詞:瞬態(tài)固有頻率元件

        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。

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