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針對純電動車低頻抖動現(xiàn)象的懸置系統(tǒng)分析優(yōu)化

2021-09-17 09:08:57·  來源：汽車NVH云講堂  
　
作者：王蓓，左曙光，章桐，韓樂作者單位：(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院．上海201804)來源：佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)摘要：針對某電動汽車突松油門踏板而出現(xiàn)低頻抖動的
作者：王蓓，左曙光，章桐，韓樂
作者單位：(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院．上海201804)
來源：佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)

摘要：針對某電動汽車突松油門踏板而出現(xiàn)低頻抖動的現(xiàn)象。運(yùn)用MSC Adams／View建立電動小車整車振動模型，其中包括動力總成扣前后副車架多級懸置系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該仿真的可靠性．對動力總成懸置系統(tǒng)的隔振性能進(jìn)行分析和優(yōu)化計算，最大程度地衰減低頻、高振幅振動．

關(guān)鍵詞：電動車；低頻振動；懸置；隔振性能；Adams仿真優(yōu)化

目前，以電動汽車為代表的新能源汽車研發(fā)和市場應(yīng)用成為汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方向之一．純電動車的研究重點(diǎn)是動力系統(tǒng)的集成和控制，以及動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的開發(fā)，對于其振動和噪聲的研究尚未引起重視．由于電動汽車的動力傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的區(qū)別很大，對電機(jī)的控制上輸入力矩的突變會引起整車振動現(xiàn)象。

在某款電動小車開發(fā)過程中，樣車在路試和輪轂試驗(yàn)臺測試時，發(fā)現(xiàn)了該電動小車加速至某一車速(尤其是加速到20km／h以下車速)后突然松開加速踏板時出現(xiàn)整車低頻、高振幅抖動現(xiàn)象，造成乘客明顯不適．為了解決這一問題，通過在Adams／View中建立整車振動模型，該模型主要研究由于動力總成扭轉(zhuǎn)振動和垂向振動耦合引發(fā)的整車振動．并通過試驗(yàn)結(jié)果找出激勵的位置，并驗(yàn)證模型的可靠性，通過優(yōu)化各個懸置元件的剛度來改善其隔振性能。

1 Adams／View中整車振動仿真模型的建立

由于主要研究電動小車的低頻振動，所以除了懸置元件，彈簧和減振器以及輪胎，其它各個部件都假設(shè)為剛體．
1．1 前副車架懸置系統(tǒng)
動力總成包括電機(jī)、減速器和差這器，通過三個相同的橡膠懸置(Bushing1，2，3)連接到前副車架上，前副車架又通過五個橡膠懸(Bushing4—6)連接到主車架上(其中Bushing 4，5，6為同一型號大懸置，Bushing 7，8為同一型號小懸置)，同時雙橫臂懸架上下擺臂通過八個相同的懸置元件(Bushing1—16)連接在副車架上，減振器和彈簧(Spring1～2)通過彈性懸置(忽略)連接在下擺臂和車身之間，上下擺臂通過球副連接轉(zhuǎn)向節(jié)，用彈簧等效前車輪(Spring3—4)，通過移動副限定轉(zhuǎn)向節(jié)其只能上下運(yùn)動．電機(jī)和動力總成產(chǎn)生的振動激勵通過此多級減振系統(tǒng)傳遞到車身上。
由于懸置元件位置、放置角度無法改動，所以只能設(shè)懸置剛度和阻尼作為設(shè)計變量，由等效阻尼的方法知阻尼大小由剛度大小決定，因此將懸置看成與幾何中心(如懸置是六面體)正交的3個彈簧等效，所以假定懸置只有三向平移剛度，忽略三向轉(zhuǎn)動自由度．根據(jù)對懸置元件和彈簧的剛度試驗(yàn)測量結(jié)果，通過設(shè)計變量，對Bushing各向剛度和Spring剛度進(jìn)行設(shè)置，以便于之后對其進(jìn)行優(yōu)化。
除此之外，考慮到動力總成受到差速器輸出軸的支承，所以通過對動力總成自由度定義，定義其有繞差速器的輸出軸轉(zhuǎn)動的自由度以及三向平移自由度，而前副車架具有六個自由度。

1．2 后副車架懸置系統(tǒng)
后副車架通過六個懸置元件(Bushingl7—22，其中Bushingl7，18為同一型號的小懸置，其余為同一型號的大懸置)連接到主車架上，其中裝載的附件固連在后副車架上，其他設(shè)置類似于前副車架，在此不贅述。

1．3 整車懸置系統(tǒng)
動力總成一前副車架和附件一后副車架通過懸置元件與主車架相連，同時彈簧與減震器也與主車架相連．車身(包括主車架)具有六個自由度，通過估算電動小車上各個部件的位置、質(zhì)量分布來確定其質(zhì)心位置、總質(zhì)量和繞各軸的轉(zhuǎn)動慣量，并等效成如下圖質(zhì)量塊，從而初步構(gòu)成了電動小車整車振動模型。
通過導(dǎo)入三維實(shí)體模型能精確地確定各個懸置元件的位置，并且通過對各個副車架、上下擺臂和轉(zhuǎn)向節(jié)等賦予材料，可自動得出各零部件的質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，大大地提高了仿真的可靠性．
2 仿真環(huán)境定義及結(jié)果分析
該電動小車為前置前驅(qū)，其最高車速是40km／h，其驅(qū)動系統(tǒng)是由電機(jī)、減速器和差速器組成，其中電機(jī)的激勵特性明顯區(qū)別與內(nèi)燃機(jī)激勵．
2．1 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義輸入輸出通道
通過對電動小車輪轂試驗(yàn)臺上試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可知：在同一工況下，比較各個傳感器位置的該頻率區(qū)間能量大小可以看出能量最大的地方在減速器與電機(jī)連接處，電機(jī)處次之，差速器再次之．初步斷定電機(jī)與減速器連接處是主要激勵源頭．(圖4中右下圖為電機(jī)與減速器連接處加速度云圖，左下圖為電機(jī)處)。

根據(jù)動力傳動系扭轉(zhuǎn)振動與垂向振動耦合的研究，當(dāng)驅(qū)動扭矩突然撤去，電機(jī)和減速箱連接處的扭矩突變，當(dāng)主減速器主動齒輪將驅(qū)動扭矩傳到主減速器從動齒輪上時，由于產(chǎn)生巨大扭矩的反作用，主動齒輪在旋轉(zhuǎn)的同時兼作上下方向的運(yùn)動，使主減速箱與電機(jī)整體圍繞半軸作回旋振動．且由于前后質(zhì)量分配突然變化，驅(qū)動輪和路面間垂向作用力變化，地面對驅(qū)動輪的切向作用力也相應(yīng)變化，從而通過驅(qū)動輪對扭轉(zhuǎn)振動施加扭轉(zhuǎn)激勵力矩。
根據(jù)對振源位置和性質(zhì)的分析，可以Adams，Vibration模塊中設(shè)定輸入和輸出通道．輸入通道定義為電機(jī)和減速箱連接處輸入繞Y軸(扭轉(zhuǎn)方向)單位加速度和z向單位加速度從1Hz至100Hz掃頻激勵．輸出通道定義為車身質(zhì)心處Z向(垂向)加速度。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較
通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，急加速到不同車速(Skm／h至40krn／h，每隔5km／h一次試驗(yàn))，突然松開踏板，其中加速至15km／h的抖動最強(qiáng)烈，加速至大于20kin／h松開踏板抖動幅度隨車速增大而不斷減小．該電機(jī)的外特性低于額定轉(zhuǎn)速保持恒扭矩(車速達(dá)到約17km／h后扭矩開始減小)．由于車速較高時，其輸入扭矩變小，當(dāng)突然較小輸入扭矩時，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和垂向振動的幅度也相應(yīng)減小很多。

根據(jù)車速與電機(jī)基頻的關(guān)系(表1)轉(zhuǎn)化，由于扭矩突變在小于20km／h的時候幅度最大，產(chǎn)生的振動也尤為劇烈，所以主要關(guān)注10—40Hz頻段。

通過對急加速到各個車速后松開油門踏板的加速度云圖比較，伴隨抖動在1Hz至20Hz之問產(chǎn)生一段較高能量的頻率成分(圖4中畫圈處)，且與車速無關(guān)．
通過整車振動模型仿真結(jié)果，可看出在該激勵作用下，在1Hz至20Hz之間懸置系統(tǒng)對車身垂向振動起到放大作用，并在此頻率區(qū)間存在多個共振峰值，分別是4．96l{z，10．9 Hz和17．5Hz，與試驗(yàn)結(jié)果相一致．

即當(dāng)加速到小于20km／h某一車速后，突然松開踏板，撤除輸入扭矩，該扭矩從恒定為最大值降到0Nm，電機(jī)基頻從約33．3下降到0Hz，將不可避免掃過共振峰值(10Hz至20Hz之間)，所以會產(chǎn)生較高能量的抖動．由于該車常用車速5。30km／h所對應(yīng)的頻率范圍lO。60Hz。且在頻率區(qū)域0—33．3Hz的振動傳遞呈明顯放大作用．此外，由于懸置元件的阻尼的存在，在大于約20 Hz的頻段懸置系統(tǒng)起到衰減振動作用，所以主要考慮lO．20Hz之間放大頻段．
2．3 模態(tài)分析
根據(jù)Adams／Vibration模塊中模態(tài)參與度功能界面，可以發(fā)現(xiàn)在由于10—20}Iz頻段的能量主要是集中在模態(tài)4，6，9中，并形成車身在各模態(tài)中有不同程度的耦合振動(如表2所示)．在優(yōu)化過程中以移頻為優(yōu)化目標(biāo)比較困難，所以主要考慮10—20拖降低振動傳遞率，同時解耦。

在10一20比區(qū)間以上三個模態(tài)參與的比例不同，且造成不同方向上的振動耦合，加劇了振動幅度，造成了乘客的不適．
3 懸置系統(tǒng)的參數(shù)靈敏度分析及優(yōu)化
3．1目標(biāo)函數(shù)的確定
從隔振的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)控制動力總成繞Y軸扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激勵向車身z向(垂向)傳遞，故應(yīng)使系統(tǒng)的該路徑振動傳遞率最小．
J=min(A2/A1l)X 100％ (1)
其中：A。為動力總成繞Y軸扭轉(zhuǎn)角加速度；A：為車身z向(垂向)加速度輻值。3．2設(shè)計變量的選取由于懸置本身屬性和安裝上運(yùn)動約束，動力總成連接副車架的懸置Y向和z向剛度相等，x向?yàn)檩S向．副車架連接車身的懸置x向和Y向剛度相等z向?yàn)檩S向．部分懸置為同一型號，具體如表2所示。

3．3 約束函數(shù)的選取
懸置的剛度過大則動力總成和懸置的位移都減小，但是動反力增加從而使振動傳遞率上升；剛度過小則動力總成和懸置的位移增加，同時由于副車架與上下控制擺臂相連，需考慮在受到干擾力或沖擊力情況下的過大位移，以避免發(fā)生與相鄰部件的碰撞與干涉，確保懸架系統(tǒng)的幾何特性，所以懸置垂向應(yīng)具有一定的剛度值：k>ks(ks為允許靜位移的剛度)剛度系數(shù)上、下限為200—2000 N／mm．
3．4 優(yōu)化結(jié)果與改進(jìn)措施
通過在Vibration模塊中設(shè)定目標(biāo)函數(shù)(如表4所示)，優(yōu)化變量以及變量變化范圍的約束。
這樣可以有效地降低低頻振動．圖7是優(yōu)化前后傳遞率的對比．可見優(yōu)化后在低頻區(qū)間振動傳遞率在共振峰值處大幅減小。

通過對大幅度增加后副車架上懸置硬度，即取消用彈性襯套能去除在10。20Hz區(qū)間內(nèi)存在共振峰值．對動力總成和前副車架的三處彈性懸置連接處，懸置1起到了重要的作用，通過增大其剛度能大幅降低低頻峰值幅度．

根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，可以得出以下改進(jìn)措施：增大動力總成連前副車架懸置1的各向剛度；減小前副車架連車身的各個懸置的垂向剛度；對后副車架連車身的各懸置點(diǎn)進(jìn)行固定連接處理．這樣能較好地改善電動小車底頻振動情況．
4 結(jié)論
1)在Adams／View中建立整車振動模型，其中包括多級減振懸置系統(tǒng)，并且在各個參數(shù)，約束的定義上盡可能地接近實(shí)車，大大提高了仿真的可靠性．
2)根據(jù)電動小車樣車試驗(yàn)的結(jié)果分析，找出振動源頭位置，為Adams／View Vibration模塊仿真定義更準(zhǔn)確的輸入通道，并且比較試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該仿真的可靠性．
3)通過定義優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和優(yōu)化變量改善模型的低頻振動傳遞特性，大大提高了其隔振性能，并提出對實(shí)車改進(jìn)措施．

 
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