纯电动汽车动力总成悬置系统的优化_徐中明

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汽
车
工
程
2012 年（ 第 34 卷） 第 9 期
图2
电机转矩加载曲线
图6
动力总成的质心 Y 向角加速度
图3
电机惯性力加载曲线
仿真结果如图 4 ～ 图 8 所示。
图7
3 个橡胶元件的 Z 向支承力
图4
动力总成的质心 3 向位移
图8
3 个橡胶元件的 Z 向位移
程符合实际中汽车在起步和制动时悬置系统从稳态 进入瞬态， 之后又恢复到稳态的状况， 说明用 10s 时 间同时仿真计算电动汽车的起步和制动过程是可 行的。
（ 1）
根据振动理论建立动力总成悬置系统的振动微
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动力总成悬置系统瞬态响应分析
电动机与发动机的动力特性有很大不同 。电动
机在转速为零时也能输出很大的转矩， 且响应速度 很快， 能够在极短时间里使输出转矩发生很大变化 。 运行中发现电动汽车在急加速和紧急制动工况下其 悬置系统的振动非常严重。 利用 ADAMS / View 对电动汽车的加速和减速 工况进行仿真分析。在 10s 的时间里同时计算电动 汽车在加速和减速两种工况下的瞬态响应。 其中 0 ～ 5s 这一时间段电动汽车以最大驱动力矩原地起 5 ～ 10s 这一时间段电动汽车通过控制器以 步加速， 能量回馈的方式进行制动。电机的最大驱动力矩为 120N· m， 制 动 力 矩 为 80N · m， 电机响应时间取 1ms， 同时考虑动力总成所受重力和惯性力的影响。 惯性力通过样车整车结构参数和驱动 （ 制动 ） 条件 计算加（ 减 ） 速度来确定。 仿真中忽略电机转矩波 动的影响， 转矩的加载曲线如图 2 所示， 动力总成惯 性力的加载曲线如图 3 所示。
前言
动力总成悬置是指利用较柔软的连接元件将动 力总成与车架相连接， 从而衰减二者之间的振动传 递， 起到隔振、 支承和限位的作用。动力总成悬置系 统的隔振性能直接影响到整车的 NVH 性能。目前， 国内外对发动机动力总成悬置系统的研究已较深 入， 论文成果也较多。 常采用的研究方法主要有转 矩轴解耦 3］ ～ 文献［ 5］ 等。 文献［ 中在这方面做了比较深入的研究， 分析了悬置参数 和能量解耦
图1 电动车动力总成
动力总成悬置系统各阶固有频率和振动能量
1 6. 9 5. 22 60. 88 7. 12 23. 87 2. 66 0. 25 2 8. 4 81. 39 4. 05 3. 18 1. 01 9. 84 0. 51 3 12. 3 1. 00 18. 90 77. 10 2. 66 0. 00 0. 33 4 16. 4 4. 37 12. 01 8. 02 35. 86 24. 85 15. 06 5 21. 4 5. 87 2. 99 4. 48 28. 65 57. 91 0. 10 6 25. 5 2. 18 1. 21 0. 09 7. 91 4. 68 83. 76
动车动力总成如图 1 所示。其中 ①②③ 分别表示 3 个橡胶悬置元件的安装位置。 X 轴平 坐标系原点取在该动力总成的质心处， Z 轴垂直向上， Y 行于水平面并指向汽车前进方向， 轴平行于电机转子轴线， 方向根据右手定则确定。 Y、 Z 轴上的平动 定义动力总成的振动分别为在 X 、 x、 y、 z 和绕 X 、 Y、 Z 的转动 α、 β、 γ， 则动力总成的广 义坐标可表示为 T ｛ Q｝ = ｛ x， y， z， α， β， γ｝ 分方程为 ［ M］ ｛ Q （ t） ｝ + ［ C］ ｛ Q （ t） ｝ + ［ K］ ｛ Q （ t） ｝ = ｛ F （ t） ｝ （ 2） M］为质量矩阵； ［ C］为阻尼矩阵； ［ K］为刚 式中： ［ 度矩阵； ｛ Q（ t） ｝ 为广义坐标向量； ｛ F （ t ） ｝ 为广义力 向量。 在求解动力总成悬置系统的固有频率时不考虑 阻尼的影响， 则其无阻尼自由振动微分方程为 ［ M］ ｛ Q （ t） ｝ + ［ K］ ｛ Q（ t） ｝ = 0
对悬置系统的固有频率、 解耦鲁棒性和总成质心位 移与支承处动反力幅频特性的影响 。
* 高等学校博士学科点专项科研基金（ 20100191110004 ） 资助。 原稿收到日期为 2010 年 11 月 10 日， 修改稿收到日期为 2011 年 7 月 28 日。
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（ 3）
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悬置系统固有特性和耦合特性分析
固有频率是动力总成悬置系统的重要特性之
一， 通过分析悬置系统的固有频率可以判断其是否 满足悬置系统的隔振性能要求。悬置系统的固有频 即 率可通过式（ 3 ） 变换后得出， |［ K］－ ω2［ M］| = 0 （ 4）
通常动力总成悬置系统 6 个自由Fra Baidu bibliotek方向上的振
关键词： 电动汽车； 动力总成； ADAMS； 悬置系统； 能量解耦 Optimization of the Powertrain Mounting System of Electric Vehicle
2 Xu Zhongming1， ，Li Xiao2 ＆ Liu Heping3
Chongqing University， 1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission；
徐中明， 等： 纯电动汽车动力总成悬置系统的优化
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动力总成悬置系统动力学建模
动是相互耦合的， 一个方向上的激励会引起多个方 向上的振动。这一般会使系统的振幅加大， 振动频 带加宽。 利用 ADAMS / Vibration 模块计算该动力总成悬 其结果 置系统的各阶固有频率和模态能量解耦率 ， 如表 1 所示。 表1
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纯电动汽车动力总成悬置系统的优化
1， 2 徐中明 ， 李 2 3 晓 ， 刘和平
*
（ 重庆大学， 1. 机械传动国家重点实验室；
2. 机械工程学院；
3. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400030 ）
［ 摘要］ 利用 CATIA 和 ADAMS 软件建立了某小型纯电动汽车动力总成悬置系统的 6 自由度刚体动力学模 型。分析了该动力总成悬置系统的固有特性 、 耦合特性和电动汽车在起步与制动工况下的瞬态特性 。 考虑橡胶悬 置元件的安装位置和角度， 以悬置刚度为设计变量， 以能量解耦为优化目标， 利用 ADAMS / Insight 对悬置参数进行 了优化， 结果表明， 优化后能量解耦程度有了明显的提高， 悬置系统的隔振性能大大改善 。
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电动汽车车身的频率在 2Hz 左右， 轮胎频率在 10Hz 左右， 由表 1 可知， 该动力总成悬置系统的固 垂向频率 12. 3Hz。 从频率 有频率在 6 ～ 30Hz 之间， 来看和固有频率不很接近。从其能量分布百分比上 各方向的解耦率都不高， 最高的解耦率 （ 第 2 阶 看， 的 x 向 和 第 6 阶 的 γ 向 ） 也 只 有 81. 39% 和 83. 76% ， 最低的解耦率仅 35. 86% ， 说明该悬置系 设计很不合理。 统的耦合非常严重，
阶数 频率 / Hz x y 能量 / % z α β γ
该动力总成由三相异步感应电机、 减速器和差 速器组成， 其中差速器集成在减速器内。 动力总成 和悬置元件一起组成动力 总成的悬置系统， 其固有 频率通常在 30Hz 以下， 比 动力总成自身的自由模态 频率低得多。 因此在研究 动力总成悬置系统的隔振 特性时将动力总成简化为 6 自 由 度 的 刚 体 模 型， 将 橡胶悬置元件简化为 3 向 正交的弹簧阻尼模型。 电
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主要集中在动力总成固有特性的分析和优化匹配 上， 没有结合电机驱动的特点进行起步 、 制动和其它
［6 ］ 工况的瞬态分析 。 电动机与发动机的特性有很 大不同， 传统的分析方法可以借鉴， 但在研究纯电动
汽车动力总成悬置系统的隔振问题时必须考虑电动 机的特点。 本文中采用 ADAMS 软件对电动汽车的动力总 成悬置系统进行建模。根据电动汽车在实际运行中 结合电机的驱动特性对电动汽车 出现的振动问题， 的加速和制动两种工况进行仿真分析， 并以能量解 耦为目标对其进行优化， 以期为解决电动汽车动力 总成悬置系统的振动问题提供一种有效途径 。
由图 4 ～ 图 8 可见， 在 0 ～ 2s 的时间段， 即电动 汽车在驱动时动力总成悬置系统主要的瞬态响应阶 段， 曲线振动较大， 之后振动趋于稳定。制动时系统 从稳态阶段进入瞬态阶段， 在系统主要瞬态阶段的 5 ～ 7s， 振动也较大， 之后又逐渐趋于稳定。 这个过
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图5 动力总成的质心 Z 向加速度
从图 4 ～ 图 6 可以看出， 驱动工况时动力总成 悬置系统的质心 Z 向位移较大， 幅值接近 3. 5mm， 质心 Z 向加速度也较大； 制动时质心 Y 向角加速度 较大。这主要是由于电动机动力总成自身激励的特 点使动力总成悬置系统在 Z 向的垂直振动和绕 Y 轴的俯仰振动比较严重， 另外路面激励也是一部分 原因。从能量耦合的程度也可看出， 第 3 阶模态的
徐中明， 等： 纯电动汽车动力总成悬置系统的优化
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Z 向能量解耦率只有 77. 10% ， 第 5 阶模态的 β 向能 量解耦率只有 57. 91% ， 耦合相当严重。 由图 7 和图 8 可见， 橡胶悬置元件的 Z 向受力 和变 形 比 较 大。 其 中 悬 置 2 的 值 最 大， 最大力为 876N， 最大为位移 4. 9mm。制动时力和位移的变化 范围也较大。这样不仅会产生运动干涉， 还容易使 橡胶元件发生疲劳破坏。
2. College of Mechanical Engineering；
3. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment ＆ System Security and New Technology，Chongqing 400030
［ Abstract］ A 6 DOF rigid body dynamics model for the powertrain mounting system of a compact electric vehicle is created by using software CATIA and ADAMS． Then the natural characteristic and coupling characteristic of powertrain mounting system and the transient characteristics of electric vehicle in starting and braking conditions are analyzed． Taking account of the mounting position and angle of rubber mount elements，with the mount stiffness as design variables and the energy decoupling as objective，an optimization on mounts parameters is conducted with ADAMS / Insight． The results show that after optimization the extent of energy decoupling in mounting system is apparently enhanced and hence its vibration isolation performance significantly improves． Keywords： electric vehicle； powertrain； ADAMS； mounting system； energy decoupling 对于纯电动汽车动力总成悬置系统的研究工作