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。基于Adams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,U461.4 Mounting System Design & Optimization Research for a Purely Electric Vehicle Project XinYu Li Yujun BeiJing Electric Vehicle CO.,LTD Abstract: 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(guó)越來越大。中國(guó)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(zhǎng)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(cè)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, 418.1 145.771 IXX=7.48E+006 IYY= 4.76E+006 IZZ=5.41E+006 IXY=-1.74E+005 IZX=-5.86E+005 IYZ=2.77E+005 2 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) X 1502.811 1522.2 1541.589 Y -1020.11 -21.5 977.1091 Z 467.1301 418.1 369.0699 3 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, 559 119,150,203 2 右懸置 1497, 486, 636 240,240,264 3 前懸置 1248, -89, 253 98,49,92 旋轉(zhuǎn)15度 4 后懸置 1909, 53, 402 599,136,190 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) X Y Z Rxx Ryy Rzz Rxy Rxz Ryz 1 8.97 0.3 70.04 20.48 4.45 3.94 1.88 -0.24 -0.54 -0.3 2 10.18 4.44 23.95 62.53 0.55 8.31 0.17 -0.12 0.06 0.13 3 12.42 87.26 3 3.26 0.06 0.22 5.97 -0.01 0.11 0.13 4 16.54 0 0.12 8.6 3.75 75.86 12.82 0.97 1.29 -3.41 5 19.90 1.39 1.65 5.13 82.56 5.71 2.03 -1.25 2.41 0.37 6 24.13 6.62 1.23 0 9.64 6.38 78.35 0.45 -5.12 2.45 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) X Y Z Rxx Ryy Rzz Rxy Rxz Ryz 1 8.93 0.77 91.43 3.22 3.25 0.56 1.32 -0.08 -0.38 -0.09 2 11.12 3.06 3.72 88.61 1.78 2.8 0.05 -0.13 0.06 0.04 3 12.03 89.6 1.83 2.85 0.04 0.15 5.35 0 0.08 0.1 4 15.91 0.09 0.27 2.14 0.92 84.85 14.37 0.51 0.67 -3.82 5 19.73 1.24 1.71 3.14 83.28 4.03 3.89 -1.06 3.33 0.43 6 23.54 5.23 1.04 0.04 11.71 8.02 76.21 0.56 -5.53 2.71 4 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) M X Y Z RM Rxx Ryy Rzz 1: static design position 2.29 -0.01 -0.02 2.29 0.02 -0.01 -0.02 -0.01 2: max forward eng trq 0.63 0.23 0.02 -0.59 2.88 0.05 2.85 0.40 3: max reverse eng trq 0.69 -0.38 -0.01 0.57 2.67 -0.04 -2.64 -0.35 4: max fwd eng trq & 0.5g fwd accl. 0.72 0.41 0.02 -0.59 2.87 0.05 2.84 0.41 5: max fwd eng trq & 1g left corn. 4.78 0.23 4.74 -0.61 2.88 0.17 2.85 0.40 6: max fwd eng trq & 1g right corn. 4.75 0.24 -4.71 -0.57 2.88 -0.08 2.85 0.39 7: max fwd eng trq & 2g bump 4.43 0.24 -0.21 -4.42 2.87 -0.09 2.84 0.39 8: max fwd eng trq & 2g rebound 4.00 0.24 -0.02 3.99 2.86 0.02 2.84 0.39 9: max rwd eng trq & 0.6g rwd accl. 0.82 -0.59 -0.01 0.57 2.66 -0.04 -2.64 -0.37 10: 11g frt bumper 8.69 -8.69 0.01 0.02 0.19 -0.01 -0.07 -0.17 11: 11g rear bumper 8.77 8.77 -0.01 -0.04 0.26 0.01 0.18 0.19 12: 5g up loading 9.69 -0.01 -0.12 9.69 0.08 -0.07 -0.03 -0.01 13: 5g down loading 9.68 0.01 -0.02 -9.68 0.02 -0.01 0.01 0.00 14: 3g left loading 7.94 0.14 -7.94 0.07 0.51 -0.46 0.05 0.22 15: 3g right loading 7.90 -0.13 7.90 -0.06 0.50 0.45 -0.05 -0.22 16: 5g up & 3g left loading 12.15 0.17 -7.37 9.66 0.33 -0.20 0.09 0.25 17: 5g up & 3g right loading 11.82 -0.19 7.01 9.51 0.31 0.04 -0.14 -0.27 18: 5g down & 3g left loading 11.95 0.19 -7.21 -9.52 0.32 -0.13 0.13 0.27 19: 5g down & 3g right loading 12.00 -0.17 7.17 -9.63 0.30 0.12 -0.10 -0.25 20: 3.5g up rough road 8.00 -0.03 -0.08 8.00 0.09 -0.05 -0.07 -0.02 21: 3.5g down rough road 7.92 0.03 0.04 -7.92 0.07 0.02 0.06 0.02 22: 3g forward loading 5.82 -5.82 0.00 0.01 0.07 0.00 -0.07 -0.03 23: 3g rearward loading 5.82 5.82 0.00 -0.03 0.14 0.00 0.12 0.07 24: Fwd rockcycle trq 0.78 -0.29 0.00 -0.72 3.63 0.06 3.58 0.63 25: Rev rockcycle trq 0.70 -0.03 -0.01 0.70 3.28 -0.06 -3.24 -0.54 26: 1g static equil 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 27: 5/8 max fwd trq for lab testing 0.49 0.21 0.01 -0.45 2.18 0.03 2.16 0.29 28: 5/8 max rwd trq for lab testing 0.54 -0.30 -0.01 0.44 2.08 -0.03 -2.07 -0.23 5 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) 2012.5 3 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.9 806-815 4 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