周夢(mèng)來(lái)， 李桉楠， 崔 健， 徐秋婷

（揚(yáng)州亞星客車股份有限公司汽車研究院， 江蘇 揚(yáng)州 225000）

針對(duì)新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)起步抖動(dòng)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外［1-2］許多學(xué)者采用很多方式取得了非常大的成果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有采用主動(dòng)控制等前沿手段來(lái)避免總成抖動(dòng)［3］，也有一部分采用動(dòng)力總成懸置優(yōu)化來(lái)改善。動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)向底盤(pán)傳遞的振動(dòng)盡可能地小，才能起到良好的減振效果，系統(tǒng)能量解耦是目前主流的懸置優(yōu)化思路，前提是合理配置發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的固有頻率［4-5］。但如果動(dòng)力總成懸置剛度過(guò)軟，扭矩突變和路面激勵(lì)會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的位置變化，從而導(dǎo)致車身抖動(dòng)，舒適性下降。剛度矩陣決定動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率，它是懸置安裝位置、角度和剛度的函數(shù)［6］，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)改變懸置的安裝位置、角度和剛度來(lái)改變動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞特性，從而達(dá)到減振的目的。其中懸置安裝位置和角度受到動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)的影響，改動(dòng)難度較大，在工程應(yīng)用中可以通過(guò)改變懸置軟墊的剛度［7］，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)懸置被動(dòng)端的振動(dòng)幅值調(diào)整到合適的限值內(nèi)。

以下針對(duì)公司12m純電動(dòng)客車在起步加速過(guò)程中整車劇烈抖動(dòng)的現(xiàn)象，開(kāi)展動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。

1 抖動(dòng)原因分析

新能源汽車采用直驅(qū)方案時(shí)，如圖1所示，電機(jī)的扭矩響應(yīng)比內(nèi)燃機(jī)快得多，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)或過(guò)額定轉(zhuǎn)速后會(huì)有扭矩突變，相當(dāng)于一個(gè)沖擊施加在整車傳動(dòng)系統(tǒng)上，而電機(jī)的扭矩密度很大，質(zhì)量比發(fā)動(dòng)機(jī)小得多，同時(shí)起到隔振作用的懸置剛度很小，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，這部分沖擊會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)力總成系統(tǒng)的振動(dòng)。且驅(qū)動(dòng)電機(jī)到車橋直驅(qū)構(gòu)型缺少傳統(tǒng)動(dòng)力總成的離合器或者扭轉(zhuǎn)阻尼減振器，導(dǎo)致傳動(dòng)系上的抖動(dòng)無(wú)法被阻斷和吸收，這部分抖動(dòng)先后通過(guò)殼體、懸置這個(gè)路徑傳遞到車身，從而能夠明顯感覺(jué)到車輛的抖動(dòng)。

圖1 電機(jī)扭矩特性

驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)懸置連接到車架，可以等效為一個(gè)二階系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)慣量J、剛度K和阻尼C等是它的參量，因此系統(tǒng)在階躍扭矩輸入條件下或者運(yùn)行在固有頻率區(qū)間就會(huì)發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)的本質(zhì)是二階系統(tǒng)中存在彈性勢(shì)能與機(jī)械能的交變，如圖3所示，在二階系統(tǒng)上輸入階躍扭矩后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的小慣量總成系統(tǒng)存在交變力輸出，直觀上變現(xiàn)為整車的抖動(dòng)。

圖2 電機(jī)整車二階自由系統(tǒng)

圖3 二階系統(tǒng)階躍輸入輸出特性

2 主動(dòng)防抖

根據(jù)電機(jī)廠家工程師經(jīng)驗(yàn)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，表明總成系統(tǒng)交變力波動(dòng)周期在100ms左右，而電機(jī)的扭矩響應(yīng)周期為毫秒級(jí)，明顯比波動(dòng)速度要快，因此可以通過(guò)主動(dòng)防抖來(lái)抑制系統(tǒng)的振動(dòng)。在工程中，主動(dòng)防抖技術(shù)主要有兩種思路：①通過(guò)主動(dòng)補(bǔ)償與轉(zhuǎn)速波動(dòng)反相位的扭矩來(lái)抵消交變的彈性勢(shì)能；②通過(guò)增加阻尼值來(lái)抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

在補(bǔ)償扭矩前，需要先獲得轉(zhuǎn)速波動(dòng)量，電機(jī)廠家一般采用模型法、頻率檢測(cè)法或傳感器實(shí)測(cè)法來(lái)獲取。得到轉(zhuǎn)速波動(dòng)量之后，通過(guò)一定的策略輸出補(bǔ)償扭矩或修改阻尼系數(shù)，從而能夠抑制傳動(dòng)系的抖動(dòng)，使得整車平順輸出。圖4是在軟件中對(duì)主動(dòng)防抖控制前后系統(tǒng)輸出效果的對(duì)比，圖中曲線代表驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，圖4a是沒(méi)有添加主動(dòng)防抖的轉(zhuǎn)速輸出，圖4b是增加主動(dòng)防抖控制后的轉(zhuǎn)速輸出，可見(jiàn)主動(dòng)防抖是有效的，因此在整車加速過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修正主動(dòng)防抖策略參數(shù)或調(diào)整阻尼系數(shù)來(lái)改善整車振動(dòng)。

圖4 主動(dòng)防抖控制前后系統(tǒng)輸出效果的對(duì)比

3 懸置剛度優(yōu)化

3.1 解耦率分析

首先在CATIA中建立該型客車的電動(dòng)機(jī)以及懸置裝置模型，如圖5所示，然后將模型導(dǎo)入到Adams中，并輸入提取的原型客車電機(jī)懸置模型設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。利用Vibration模塊對(duì)懸置模型進(jìn)行解耦計(jì)算，計(jì)算得到的固有頻率和解耦結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維模型

表1 電機(jī)懸置模型參數(shù) mm

表2 原車型解耦計(jì)算結(jié)果

從各個(gè)方向的能量解耦率上看，每個(gè)方向解耦率都在85%以上，解耦率非常高。從數(shù)據(jù)上看，3個(gè)車都只有俯仰運(yùn)動(dòng)與車身前進(jìn)方向上具有一定的耦合度，可以判定基于頻域特征的能量解耦的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的懸置優(yōu)化并不適用，需要進(jìn)一步分析懸置系統(tǒng)的時(shí)域特性。

3.2 扭矩沖擊特性分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性的不同在于，如圖6a所示，電機(jī)低速恒扭矩、高速恒功率的特性，決定了電機(jī)在啟動(dòng)狀態(tài)下也能發(fā)出很大的扭矩，而發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩受油門(mén)控制，從怠速開(kāi)始有一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，因此起步狀態(tài)下，電機(jī)發(fā)出的扭矩對(duì)于懸置來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)沖擊，還有急加速后突然撤去扭矩，對(duì)懸置也是一個(gè)沖擊，嚴(yán)重考驗(yàn)了懸置的剛度特性。

圖6 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)車速上升時(shí)，懸置受到的激勵(lì)頻率同時(shí)增加，理論上電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?r/min開(kāi)始，屬于掃頻激勵(lì)，無(wú)論如何設(shè)計(jì)懸置端的固有頻率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的頻率點(diǎn)都會(huì)穿過(guò)固有頻率區(qū)間，這是直驅(qū)構(gòu)型的固有特性；如圖6b所示，轉(zhuǎn)速波動(dòng)發(fā)生在峰值扭矩之后的區(qū)間內(nèi)，這與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩特性相關(guān)，扭矩突然大幅下降，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的懸置來(lái)說(shuō)是一個(gè)沖擊，而懸置軟墊的剛度較小，軟墊變形后，引起了系統(tǒng)振動(dòng)，因此需要增加軟墊的剛度來(lái)緩解系統(tǒng)相應(yīng)的沖擊振動(dòng)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)幅度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)小得多，傳動(dòng)系的平順性和靜音效果有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此通過(guò)提升軟墊剛度來(lái)犧牲一部分舒適性，從而提升系統(tǒng)的抗沖擊能力。從圖1也可以看出，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的中高速區(qū)間，扭矩變化幅度較小，此時(shí)不論加速還是減速，對(duì)懸置的沖擊都很小。因此只需要分析低速狀態(tài)下懸置的剛度特性和頻率特性。

3.3 改進(jìn)方案

根據(jù)上節(jié)對(duì)電機(jī)扭矩特性分析，基本可以確定解決電機(jī)抖動(dòng)問(wèn)題的兩個(gè)方向：①提高懸置的剛度以衰減電機(jī)沖擊引起的振動(dòng)；②重新標(biāo)定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性。下面重點(diǎn)討論軟墊剛度對(duì)沖擊特性的影響。

對(duì)此將采用廠家推薦的剛度3600N/mm軟墊，如圖7所示。表3為剛度3600N/mm軟墊的具體參數(shù)，將參數(shù)輸入到仿真模型中，分別開(kāi)展在時(shí)域條件下的沖擊響應(yīng)和頻域條件下的頻響分析。

圖7 剛度3600N/mm軟墊模型

表3 兩種懸置模型剛度 N/mm

表4為改進(jìn)后的固有頻率和解耦結(jié)果，可以看出懸置系統(tǒng)的固有頻率變大，解耦率基本變化不大。

表4 改進(jìn)后的解耦計(jì)算結(jié)果

圖8為沖擊響應(yīng)條件下的改進(jìn)前和改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)懸置的位移和加速度仿真計(jì)算結(jié)果。

圖8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)懸置的位移和加速度仿真計(jì)算結(jié)果

圖8中藍(lán)虛線是改進(jìn)前的位移和加速度，紅實(shí)線是改進(jìn)后的位移和加速度，可以看出，改進(jìn)后的電動(dòng)機(jī)在遇到相同沖擊下，X、Y、Z 3個(gè)方向上的位移響應(yīng)以及加速度響應(yīng)幅值明顯降低，振動(dòng)衰減有非常明顯的效果。

最后，分別對(duì)原車型以及改進(jìn)后的車型做頻率響應(yīng)仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 頻率響應(yīng)仿真分析

改用3600N/mm軟墊后，各向固有頻率都有所提升，可以避開(kāi)部分車身頻率，在廠家不能達(dá)到側(cè)向剛度要求的條件下，選用大軟墊具有可行性。本軟墊結(jié)構(gòu)與1350N/mm軟墊結(jié)構(gòu)類似，開(kāi)發(fā)新軟墊，軟墊側(cè)向尺寸會(huì)大幅增大，會(huì)影響安裝空間。

4 試車結(jié)果和分析結(jié)論

在現(xiàn)場(chǎng)試車過(guò)程中，分別通過(guò)主動(dòng)防抖技術(shù)的實(shí)施和懸置剛度調(diào)整來(lái)改善加速過(guò)程中的電機(jī)抖動(dòng)，取得不錯(cuò)的效果。

1） 優(yōu)化電機(jī)的低速扭矩加載策略，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)進(jìn)行控制，能有效減緩電機(jī)抖動(dòng)。

2） 傳統(tǒng)的頻域優(yōu)化思路，在應(yīng)對(duì)新能源車輛的NVH問(wèn)題上有一定的局限性，需要在時(shí)域條件下開(kāi)展沖擊響應(yīng)分析。

3） 本文僅針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的懸置開(kāi)展了分析，后續(xù)可以繼續(xù)針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性對(duì)沖擊特性的影響進(jìn)行研究，引入扭矩功率比系數(shù)，為電控或電機(jī)技術(shù)要求做邊界約束，提升產(chǎn)品可靠性。