某純電動(dòng)車懸置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)研究+辛雨

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某純電動(dòng)車懸置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)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(dòng)汽車動(dòng)力總成組成及特點(diǎn)與傳統(tǒng)燃油車輛存在區(qū)別，這對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出不同需求?；贏dams軟件，某純電動(dòng)汽車懸置設(shè)計(jì)過程中，通過合成九種不同供應(yīng)商供貨零部件獲得動(dòng)力總成整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)；采用扭矩軸理論計(jì)算該動(dòng)力總成扭矩軸位置，為懸置設(shè)計(jì)提供參考；使用解耦驗(yàn)證及優(yōu)化方法，確定懸置剛度,并降低泵類等純電動(dòng)汽車振動(dòng)噪聲風(fēng)險(xiǎn)源凸顯現(xiàn)象；通過位移量計(jì)算及載荷計(jì)算，確認(rèn)了懸置剛度曲線，并防止動(dòng)力總成位移過大造成干涉異響；通過瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，對(duì)換擋等工況的電機(jī)扭矩控制策略提出了策略設(shè)計(jì)要求和參考，防止該工況動(dòng)力總成發(fā)生抖動(dòng)顫振現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車，懸置，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，扭矩軸，解耦，瞬態(tài)響應(yīng)。中圖分類號(hào)：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 system 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 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, powertrain inertia, torque axis, decoupling optimization, transient response. 0 引言隨著越來越嚴(yán)重的能源消耗，環(huán)境污染等一系列問題，純電動(dòng)汽車的推廣力度在我國越來越大。中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)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(dòng)汽車的銷量猛增，同時(shí)各大汽車廠商對(duì)其各部件的性能設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。對(duì)電動(dòng)汽車而言，首要研究的是其電機(jī)、電池及電控的三電系統(tǒng)；而懸置系統(tǒng)作為支撐電機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵重要部件，不但影響了動(dòng)力系統(tǒng)的整體匹配運(yùn)轉(zhuǎn)，還影響了整車的振動(dòng)噪聲性能，因此需要對(duì)電動(dòng)汽車的懸置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)需要進(jìn)行深入研究【1-3】。同時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)在振動(dòng)噪聲、扭矩特性上存在較大區(qū)別，這對(duì)懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化匹配帶來影響。在某純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)過程中，基于Adams軟件并遵循懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行選型，并根據(jù)純電動(dòng)汽車特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。首先，純電動(dòng)汽車由于功率及轉(zhuǎn)速要求，電機(jī)結(jié)構(gòu)往往在設(shè)計(jì)中期定型；因此懸置設(shè)計(jì)前期，只能使用電機(jī)、減速器數(shù)模計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)合成了動(dòng)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(dòng)汽車動(dòng)力總成可能涵蓋電機(jī)、減速器、空調(diào)壓縮機(jī)及其它振動(dòng)噪聲激勵(lì)源，懸置系統(tǒng)解耦優(yōu)化可大大降低各種激勵(lì)源引起整車振動(dòng)噪聲的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)懸置解耦計(jì)算可用于確認(rèn)懸置剛度；再次，純電動(dòng)汽車電機(jī)扭矩變化特點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)不同，對(duì)動(dòng)力總成位移量及載荷進(jìn)行計(jì)算不僅僅為確定懸置剛度曲線提供設(shè)計(jì)方法，為懸置支架強(qiáng)度及疲勞分析提供參考，同時(shí)也為動(dòng)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(dòng)慣量合成純電動(dòng)汽車電機(jī)與減速器總成重量及體積等方面遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)燃油車輛，從而在機(jī)艙位置為在動(dòng)力總成上布置其他振動(dòng)噪聲源留出了布置空間。例如空調(diào)壓縮機(jī)、真空泵、水泵等振動(dòng)噪聲源在純電動(dòng)汽車中凸顯，將該類振動(dòng)噪聲源布置于動(dòng)力總成上可使用懸置系統(tǒng)進(jìn)行有效振動(dòng)噪聲隔離。泵類振動(dòng)源布置于動(dòng)力總成在獲得良好隔振效果同時(shí)，在另一方面對(duì)懸置振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)及前期動(dòng)力總成慣量參數(shù)獲得提出更高要求。某項(xiàng)目純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成整體由電機(jī)、減速器、空調(diào)壓縮機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)支架、真空泵、真空罐、真空泵支架、動(dòng)力總成連接架、動(dòng)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(jì)前期，動(dòng)力總成整體處于設(shè)計(jì)階段，無法獲得實(shí)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(dòng)力學(xué)模型，使用Aggregate Mass命令，可將各零部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成為動(dòng)力總成整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用于懸置布置及解耦計(jì)算等。圖 1 基于Adams轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成計(jì)算模型表1 動(dòng)力總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成結(jié)果序號(hào)零部件名稱質(zhì)心坐標(biāo)（mm）重量（kg）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.mm2)備注1動(dòng)力總成1522.2, -21.5, 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(jì)算由于純電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)輸出扭矩，該扭矩輸出軸與動(dòng)力總成整體慣性軸存在一定角度，故采用扭矩軸理論對(duì)動(dòng)力總成懸置進(jìn)行布置【4】。使用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成得到的動(dòng)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(dòng)力總成坐標(biāo)中的位置；對(duì)該二階張量ST取逆，并進(jìn)一步處理可得到動(dòng)力總成的扭矩軸位置。由于本項(xiàng)目動(dòng)力總成為橫置布置，采用均方根法對(duì)其二階張量ST的逆陣第二列進(jìn)行歸一化處理。扭矩軸與動(dòng)力總成坐標(biāo)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(biāo)系下的坐標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算可得到扭矩軸經(jīng)過以質(zhì)心為中心的左右兩點(diǎn)連線。在此扭矩軸上布置或平行該扭矩軸布置動(dòng)力總成懸置，將使動(dòng)力總成獲得更好的振動(dòng)噪聲性能。表2 扭矩軸計(jì)算結(jié)果方向左側(cè)點(diǎn)質(zhì)心右側(cè)點(diǎn)X1502.8111522.21541.589Y-1020.11-21.5977.1091Z467.1301418.1369.06993 懸置解耦設(shè)計(jì)與優(yōu)化根據(jù)扭矩軸計(jì)算結(jié)果、動(dòng)力艙布置情況及原型車懸置位置，考慮到電動(dòng)車特點(diǎn)及限制扭矩變化及位移量的影響，采用前后左右四個(gè)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)參數(shù)表序號(hào)名稱彈性中心位置懸置動(dòng)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(duì)地懸置解耦多體動(dòng)力學(xué)模型，輸入動(dòng)力總成質(zhì)心、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)，以及懸置彈性中心位置及懸置動(dòng)剛度，得到目前設(shè)計(jì)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(yàn)證結(jié)果序號(hào)f(Hz)XYZRxxRyyRzzRxyRxzRyz18.970.370.0420.484.453.941.88-0.24-0.54-0.3210.184.4423.9562.530.558.310.17-0.120.060.13312.4287.2633.260.060.225.97-0.010.110.13416.5400.128.63.7575.8612.820.971.29-3.41519.901.391.655.1382.565.712.03-1.252.410.37624.136.621.2309.646.3878.350.45-5.122.45由于動(dòng)力總成存在電機(jī)、減速器、空調(diào)壓縮機(jī)、真空泵等多個(gè)振動(dòng)激勵(lì)源，以上解耦驗(yàn)證結(jié)果不能滿足純電動(dòng)車懸置振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)要求（所有頻率解耦在75%以上，Ryy及X/Y/Z在85%以上）。考慮到以上解耦結(jié)果距離設(shè)計(jì)要求相差不大，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(hào)f(Hz)XYZRxxRyyRzzRxyRxzRyz18.930.7791.433.223.250.561.32-0.08-0.38-0.09211.123.063.7288.611.782.80.05-0.130.060.04312.0389.61.832.850.040.155.3500.080.1415.910.090.272.140.9284.8514.370.510.67-3.82519.731.241.713.1483.284.033.89-1.063.330.43623.545.231.040.0411.718.0276.210.56-5.532.714 懸置位移量及載荷計(jì)算純電動(dòng)汽車電機(jī)扭矩變化與傳統(tǒng)燃油車輛發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩變化存在較大差別，存在電機(jī)扭矩變化快、電機(jī)轉(zhuǎn)速及整車車速升速快等特點(diǎn)。動(dòng)力總成位移量計(jì)算對(duì)控制動(dòng)力總成位移量、降低異響發(fā)生概率尤為重要。且對(duì)于純電動(dòng)汽車，懸置剛度曲線在設(shè)計(jì)應(yīng)考慮動(dòng)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(diǎn)。本項(xiàng)目懸置剛度曲線設(shè)計(jì)完成后，基于Adams建立位移量及載荷計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)GM28工況對(duì)位移量及載荷進(jìn)行計(jì)算，其中載荷計(jì)算結(jié)果用于懸置支架振動(dòng)噪聲、強(qiáng)度及可靠性設(shè)計(jì)，而動(dòng)力總成位移量計(jì)算結(jié)果列入懸置剛度曲線設(shè)計(jì)參考【5】。其中位移量計(jì)算結(jié)果如表6所示，符合電動(dòng)汽車懸置設(shè)計(jì)動(dòng)力總成位移量控制要求。圖 3 基于Adams位移量及載荷計(jì)算模型表6 動(dòng)力總成位移量計(jì)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 position2.29-0.01-0.022.290.02-0.01-0.02-0.012: 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 & 1g 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 bumper8.69-8.690.010.020.19-0.01-0.07-0.1711: 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 loading12.150.17-7.379.660.33-0.200.090.2517: 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 down 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 equil0.000.000.000.000.000.000.000.0027: 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(jì)算考慮到純電動(dòng)汽車電機(jī)扭矩變化特點(diǎn)，僅僅進(jìn)行GM28工況計(jì)算動(dòng)力總成位移量不足以分析電機(jī)扭矩瞬態(tài)變化時(shí)，動(dòng)力總成位移量的瞬態(tài)響應(yīng)。由于電機(jī)扭矩輸出迅速，假如懸置剛度曲線設(shè)計(jì)不滿足要求，或電機(jī)扭矩控制策略不適應(yīng)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，扭矩施加過程中動(dòng)力總成將出現(xiàn)抖動(dòng)、顫振等現(xiàn)象，影響整車的振動(dòng)噪聲及舒適性。基于Adams軟件，使用位移量計(jì)算模型，通過輸入動(dòng)力總成控制策略中電機(jī)的實(shí)際扭矩變化曲線，可計(jì)算得到動(dòng)力總成位移量的瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。如圖4所示為純電動(dòng)汽車靜置時(shí)，前進(jìn)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(jì)算得到的動(dòng)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(dòng)力總成扭矩施加策略將使換擋過程中，動(dòng)力總成旋轉(zhuǎn)方向Ryy方向存在抖動(dòng)現(xiàn)象。該現(xiàn)象與換擋指令幾乎同步，并伴隨換擋過程產(chǎn)生，與實(shí)際樣車換擋過程感受相符合。圖 4 靜置前進(jìn)-后退檔位切換動(dòng)力總成Ryy旋轉(zhuǎn)角度驗(yàn)證結(jié)果基于懸置位移量變化特點(diǎn)，對(duì)動(dòng)力總成位移量變化曲線進(jìn)行調(diào)整，理想狀態(tài)如圖5所示。經(jīng)過優(yōu)化的扭矩施加策略，將降低直至消除換擋過程中動(dòng)力總成位移量的瞬態(tài)抖動(dòng)響應(yīng)，使動(dòng)力總成在電機(jī)扭矩發(fā)生變化過程中位移量平穩(wěn)變化，從而獲得較好的整車乘坐感覺及舒適性。圖 5 靜置前進(jìn)-后退檔位切換動(dòng)力總成Ryy旋轉(zhuǎn)角度優(yōu)化結(jié)果6 結(jié)論某純電動(dòng)汽車懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分考慮傳統(tǒng)燃油車輛與純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲特性區(qū)別，對(duì)懸置系統(tǒng)進(jìn)行了較充分的振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量合成及扭矩軸計(jì)算，對(duì)懸置系統(tǒng)振動(dòng)噪聲相關(guān)布置提供參考與支持；通過懸置解耦及優(yōu)化，有效隔離動(dòng)力總成多激勵(lì)源（電機(jī)、減速器、空調(diào)壓縮機(jī)、真空泵等）振動(dòng)噪聲；通過位移量計(jì)算及控制，對(duì)動(dòng)力總成懸置剛度曲線確認(rèn)的同時(shí)，對(duì)動(dòng)力總成位移量相關(guān)異響進(jìn)行控制；通過瞬態(tài)激勵(lì)響應(yīng)計(jì)算，對(duì)電機(jī)扭矩控制策略制定提供參考，并解決電機(jī)扭矩輸出過程中動(dòng)力總成抖動(dòng)現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)：1 辛雨 趙春艷 李玉軍 某純電動(dòng)汽車懸置減振性能優(yōu)化研究J 道路交通與安全 2015年01期2 趙塹 純電動(dòng)汽車動(dòng)力懸置系統(tǒng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)D 武漢理工大學(xué) 2012.53 徐中明，李曉等 純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的優(yōu)化J 汽車工程 2012(vol.34)No.9 806-8154 郭榮，章桐 汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)M 同濟(jì)大學(xué)出版社 2013年8月5 辛雨，火進(jìn)，梁耕龍 動(dòng)力總成懸置支架振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)A Altair2013技術(shù)大會(huì)論文集 2013年9月