某純電動車懸置系統(tǒng)振動噪聲設(shè)計研究+辛雨

1、某純電動車懸置系統(tǒng)振動噪聲設(shè)計研究辛雨 李玉軍 北京新能源汽車股份有限公司摘要：純電動汽車動力總成組成及特點與傳統(tǒng)燃油車輛存在區(qū)別，這對懸置系統(tǒng)設(shè)計提出不同需求?；贏dams軟件，某純電動汽車懸置設(shè)計過程中，通過合成九種不同供應(yīng)商供貨零部件獲得動力總成整體轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)；采用扭矩軸理論計算該動力總成扭矩軸位置，為懸置設(shè)計提供參考；使用解耦驗證及優(yōu)化方法，確定懸置剛度,并降低泵類等純電動汽車振動噪聲風(fēng)險源凸顯現(xiàn)象；通過位移量計算及載荷計算，確認了懸置剛度曲線，并防止動力總成位移過大造成干涉異響；通過瞬態(tài)響應(yīng)計算，對換擋等工況的電機扭矩控制策略提出了策略設(shè)計要求和參考，防止該工況動力總成發(fā)生抖動顫

2、振現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：電動汽車，懸置，轉(zhuǎn)動慣量，扭矩軸，解耦，瞬態(tài)響應(yīng)。中圖分類號：U469.72+2,U467.4+92,U461.4Mounting System Design & Optimization Research for a Purely Electric Vehicle ProjectXinYu Li Yujun BeiJing Electric Vehicle CO.,LTDAbstract: The powertrain of Electric vehicle isdifferent from traditional fuel vehicles, so mounting sys

3、tem design & optimization is different. Using Adams software, in a purely electric vehicle project we compose nine parts to powertrain inertia. Then we use the powertrain inertia to calculate the torque axis by torque axis computation theory, and it is a important support to mounting system position

4、 selection. We use decoupling theory to confirm mount stiffness, and confirm stiffness curve by displacement calculation & load calculation. By transient response calculation, we give the motor torque control design engineer some beneficial suggestion.Keys: electric vehicle, mounting system, powertr

5、ain inertia, torque axis, decoupling optimization, transient response.0 引言隨著越來越嚴重的能源消耗，環(huán)境污染等一系列問題，純電動汽車的推廣力度在我國越來越大。中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2014年新能源汽車生產(chǎn)78499輛，銷售74763輛，比2013年分別增長3.5倍和3.2倍。電動汽車的銷量猛增，同時各大汽車廠商對其各部件的性能設(shè)計都提出了更高的要求。對電動汽車而言，首要研究的是其電機、電池及電控的三電系統(tǒng)；而懸置系統(tǒng)作為支撐電機系統(tǒng)的關(guān)鍵重要部件，不但影響了動力系統(tǒng)的整體匹配運轉(zhuǎn)，還影響了整車的振動噪聲性能，因

6、此需要對電動汽車的懸置系統(tǒng)振動噪聲設(shè)計需要進行深入研究【1-3】。同時，由于發(fā)動機與電機在振動噪聲、扭矩特性上存在較大區(qū)別，這對懸置系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化匹配帶來影響。在某純電動汽車設(shè)計過程中，基于Adams軟件并遵循懸置系統(tǒng)設(shè)計流程進行選型，并根據(jù)純電動汽車特點進行調(diào)整。首先，純電動汽車由于功率及轉(zhuǎn)速要求，電機結(jié)構(gòu)往往在設(shè)計中期定型；因此懸置設(shè)計前期，只能使用電機、減速器數(shù)模計算轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)合成了動力總成整體慣量參數(shù)，并考慮懸置布置等問題。其次，純電動汽車動力總成可能涵蓋電機、減速器、空調(diào)壓縮機及其它振動噪聲激勵源，懸置系統(tǒng)解耦優(yōu)化可大大降低各種激勵源引起整車振動噪聲的風(fēng)險；同時懸置解耦計算可用于確

7、認懸置剛度；再次，純電動汽車電機扭矩變化特點與發(fā)動機不同，對動力總成位移量及載荷進行計算不僅僅為確定懸置剛度曲線提供設(shè)計方法，為懸置支架強度及疲勞分析提供參考，同時也為動力總成位移量本身控制提供了參考，包括瞬態(tài)工況下的位移量控制。1 轉(zhuǎn)動慣量合成純電動汽車電機與減速器總成重量及體積等方面遠小于傳統(tǒng)燃油車輛，從而在機艙位置為在動力總成上布置其他振動噪聲源留出了布置空間。例如空調(diào)壓縮機、真空泵、水泵等振動噪聲源在純電動汽車中凸顯，將該類振動噪聲源布置于動力總成上可使用懸置系統(tǒng)進行有效振動噪聲隔離。泵類振動源布置于動力總成在獲得良好隔振效果同時，在另一方面對懸置振動噪聲設(shè)計及前期動力總成慣量參數(shù)獲得

8、提出更高要求。某項目純電動汽車動力總成整體由電機、減速器、空調(diào)壓縮機、空調(diào)壓縮機支架、真空泵、真空罐、真空泵支架、動力總成連接架、動力總成控制器等9種不同供應(yīng)商供貨的零部件組成。而懸置設(shè)計前期，動力總成整體處于設(shè)計階段，無法獲得實物用于測試。在此基礎(chǔ)上，基于Adams軟件，通過在軟件中建立各零部件的多體動力學(xué)模型，使用Aggregate Mass命令，可將各零部件轉(zhuǎn)動慣量合成為動力總成整體轉(zhuǎn)動慣量，用于懸置布置及解耦計算等。圖 1 基于Adams轉(zhuǎn)動慣量合成計算模型表1 動力總成轉(zhuǎn)動慣量合成結(jié)果序號零部件名稱質(zhì)心坐標（mm）重量（kg）轉(zhuǎn)動慣量(kg.mm2)備注1動力總成1522.2, -2

9、1.5, 418.1145.771IXX=7.48E+006 IYY= 4.76E+006IZZ=5.41E+006IXY=-1.74E+005IZX=-5.86E+005IYZ=2.77E+0052 扭矩軸計算由于純電動汽車電機系統(tǒng)輸出扭矩，該扭矩輸出軸與動力總成整體慣性軸存在一定角度，故采用扭矩軸理論對動力總成懸置進行布置【4】。使用轉(zhuǎn)動慣量合成得到的動力總成參數(shù)，構(gòu)成慣性矩二階張量矩陣ST。求解該二階張量ST，可得到主慣性矩及主慣性軸在動力總成坐標中的位置；對該二階張量ST取逆，并進一步處理可得到動力總成的扭矩軸位置。由于本項目動力總成為橫置布置，采用均方根法對其二階張量ST的逆陣第二列

10、進行歸一化處理。扭矩軸與動力總成坐標系下x，y，z軸夾角的方向余弦為：根據(jù)質(zhì)心在整車坐標系下的坐標，經(jīng)過計算可得到扭矩軸經(jīng)過以質(zhì)心為中心的左右兩點連線。在此扭矩軸上布置或平行該扭矩軸布置動力總成懸置，將使動力總成獲得更好的振動噪聲性能。表2 扭矩軸計算結(jié)果方向左側(cè)點質(zhì)心右側(cè)點X1502.8111522.21541.589Y-1020.11-21.5977.1091Z467.1301418.1369.06993 懸置解耦設(shè)計與優(yōu)化根據(jù)扭矩軸計算結(jié)果、動力艙布置情況及原型車懸置位置，考慮到電動車特點及限制扭矩變化及位移量的影響，采用前后左右四個懸置布置位置及初步懸置剛度如表3所示。 表3 懸置系統(tǒng)

11、參數(shù)表序號名稱彈性中心位置懸置動剛度備注1左懸置1622, -395, 559119,150,2032右懸置1497, 486, 636240,240,2643前懸置1248, -89, 25398,49,92旋轉(zhuǎn)15度4后懸置1909, 53, 402599,136,190在Adams軟件中建立對地懸置解耦多體動力學(xué)模型，輸入動力總成質(zhì)心、重量、轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)，以及懸置彈性中心位置及懸置動剛度，得到目前設(shè)計狀態(tài)解耦結(jié)果如表4所示。圖 2 基于Adams懸置解耦模型表4 懸置系統(tǒng)解耦驗證結(jié)果序號f(Hz)XYZRxxRyyRzzRxyRxzRyz18.970.370.0420.484.453.9

12、41.88-0.24-0.54-0.3210.184.4423.9562.530.558.310.17-0.120.060.13312.4287.2633.260.060.225.97-0.010.110.13416.5400.128.63.7575.8612.820.971.29-3.41519.901.391.655.1382.565.712.03-1.252.410.37624.136.621.2309.646.3878.350.45-5.122.45由于動力總成存在電機、減速器、空調(diào)壓縮機、真空泵等多個振動激勵源，以上解耦驗證結(jié)果不能滿足純電動車懸置振動噪聲設(shè)計要求（所有頻率解耦在75

13、%以上，Ryy及X/Y/Z在85%以上）?？紤]到以上解耦結(jié)果距離設(shè)計要求相差不大，可在此基礎(chǔ)上進行懸置解耦優(yōu)化。使用Adams軟件Vibration模塊中解耦優(yōu)化功能，經(jīng)分析前后懸置為目前部分頻率解耦度較低的原因，將前懸置剛度調(diào)整為（203,42,162），后懸置剛度調(diào)整為（448，105，143）后，懸置解耦及頻率分析基本滿足要求，如表5所示。表5 懸置系統(tǒng)解耦優(yōu)化結(jié)果序號f(Hz)XYZRxxRyyRzzRxyRxzRyz18.930.7791.433.223.250.561.32-0.08-0.38-0.09211.123.063.7288.611.782.80.05-0.130.060

14、.04312.0389.61.832.850.040.155.3500.080.1415.910.090.272.140.9284.8514.370.510.67-3.82519.731.241.713.1483.284.033.89-1.063.330.43623.545.231.040.0411.718.0276.210.56-5.532.714 懸置位移量及載荷計算純電動汽車電機扭矩變化與傳統(tǒng)燃油車輛發(fā)動機扭矩變化存在較大差別，存在電機扭矩變化快、電機轉(zhuǎn)速及整車車速升速快等特點。動力總成位移量計算對控制動力總成位移量、降低異響發(fā)生概率尤為重要。且對于純電動汽車，懸置剛度曲線在設(shè)計應(yīng)考慮動

15、力總成位移量的影響，使剛度曲線隨載荷的變化平穩(wěn)增加，不易出現(xiàn)較大拐點。本項目懸置剛度曲線設(shè)計完成后，基于Adams建立位移量及載荷計算多體動力學(xué)模型，根據(jù)GM28工況對位移量及載荷進行計算，其中載荷計算結(jié)果用于懸置支架振動噪聲、強度及可靠性設(shè)計，而動力總成位移量計算結(jié)果列入懸置剛度曲線設(shè)計參考【5】。其中位移量計算結(jié)果如表6所示，符合電動汽車懸置設(shè)計動力總成位移量控制要求。圖 3 基于Adams位移量及載荷計算模型表6 動力總成位移量計算結(jié)果GM28 工 況質(zhì)心位移量(mm)質(zhì)心旋轉(zhuǎn)角度(Deg)MXYZRMRxxRyyRzz1: static design position2.29-0.01

16、-0.022.290.02-0.01-0.02-0.012: max forward eng trq 0.630.230.02-0.592.880.052.850.403: max reverse eng trq0.69-0.38-0.010.572.67-0.04-2.64-0.354: max fwd eng trq & 0.5g fwd accl.0.720.410.02-0.592.870.052.840.415: max fwd eng trq & 1g left corn.4.780.234.74-0.612.880.172.850.406: max fwd eng trq & 1

17、g right corn.4.750.24-4.71-0.572.88-0.082.850.397: max fwd eng trq & 2g bump4.430.24-0.21-4.422.87-0.092.840.398: max fwd eng trq & 2g rebound4.000.24-0.023.992.860.022.840.399: max rwd eng trq & 0.6g rwd accl.0.82-0.59-0.010.572.66-0.04-2.64-0.3710: 11g frt bumper8.69-8.690.010.020.19-0.01-0.07-0.1

18、711: 11g rear bumper8.778.77-0.01-0.040.260.010.180.1912: 5g up loading9.69-0.01-0.129.690.08-0.07-0.03-0.0113: 5g down loading9.680.01-0.02-9.680.02-0.010.010.0014: 3g left loading7.940.14-7.940.070.51-0.460.050.2215: 3g right loading7.90-0.137.90-0.060.500.45-0.05-0.2216: 5g up & 3g left loading12

19、.150.17-7.379.660.33-0.200.090.2517: 5g up & 3g right loading11.82-0.197.019.510.310.04-0.14-0.2718: 5g down & 3g left loading11.950.19-7.21-9.520.32-0.130.130.2719: 5g down & 3g right loading12.00-0.177.17-9.630.300.12-0.10-0.2520: 3.5g up rough road8.00-0.03-0.088.000.09-0.05-0.07-0.0221: 3.5g dow

20、n rough road7.920.030.04-7.920.070.020.060.0222: 3g forward loading5.82-5.820.000.010.070.00-0.07-0.0323: 3g rearward loading5.825.820.00-0.030.140.000.120.0724: Fwd rockcycle trq0.78-0.290.00-0.723.630.063.580.6325: Rev rockcycle trq0.70-0.03-0.010.703.28-0.06-3.24-0.5426: 1g static equil0.000.000.

21、000.000.000.000.000.0027: 5/8 max fwd trq for lab testing0.490.210.01-0.452.180.032.160.2928: 5/8 max rwd trq for lab testing0.54-0.30-0.010.442.08-0.03-2.07-0.235 懸置瞬態(tài)響應(yīng)計算考慮到純電動汽車電機扭矩變化特點，僅僅進行GM28工況計算動力總成位移量不足以分析電機扭矩瞬態(tài)變化時，動力總成位移量的瞬態(tài)響應(yīng)。由于電機扭矩輸出迅速，假如懸置剛度曲線設(shè)計不滿足要求，或電機扭矩控制策略不適應(yīng)懸置系統(tǒng)設(shè)計要求，扭矩施加過程中動力總成將出現(xiàn)抖動、顫振等現(xiàn)象，影響整車的振動噪聲及舒適性?；贏dams軟件，使用位移量計算模型，通過輸入動力總成控制策略中電機的實際扭矩變化曲線，可計算得到動力總成位移量的瞬態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果。如圖4所示為純電動汽車靜置時，前進檔及后退檔切換過程中扭矩控制策略曲線，及根據(jù)該扭矩控制策略計算得到的動力總成瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)角度結(jié)果曲線圖。由圖可知，現(xiàn)有動力總成扭矩施加策略將使換擋