純電動汽車動力懸置系統匹配要點

由于純電動車輛的動力源是驅動電機,而非傳統的內燃機,因此懸置系統所受到的激勵與傳統燃油汽車的懸置系統受到的激勵有很大的區別,尤其是內部激勵。

傳統發動機所受到的內部激勵主要有一下幾個方面:

(1)活塞、連桿等質量往復運動產生的周期性質量力激勵(階和2階);

(2)周期性質量力引起的質量扭矩(階、階、階和階);

(3)點火燃燒壓力產生的氣體扭矩(0.5 階、階、1.5 階和階等)

所受的外部激勵:

(4)車輛加速、制動和急轉彎等形式工況帶來的慣性力;

(5)路面不平度引起的激勵(一般頻率范圍在0.3~28.3Hz);

(6)傳動軸的2階激勵

 發動機產生的內部激勵除了與發動機的缸數有關之外,還與各缸的相對位置、點火順序以及燃燒過程的不一致性等因素有關,這些因素的綜合會導致激勵成分變得更為復雜和不確定。

 與傳統發動機汽車相比較,純電動車輛由于電機的工作原理、結構和動力傳遞路線的不同,其懸置系統受到的內部激勵有很大不同,歸結起來主要有以下幾種:

(1)轉子機械不平衡(包括靜不平衡、動不平衡和混合不平衡)產生的振動,該激勵的幅值跟電機的工作轉速有關,轉速越高,該激勵作用越明顯。

(2)電機定、轉子氣隙中的電磁力作用產生的電磁振動,該振動激勵與電機氣隙內諧波磁場及由此產生的電磁力幅值、頻率、極對數以及定子本身的固有特性有關。

(3)定、轉子偏心引起的振動,該激勵是由于加工和裝配精度不夠引起的;

(4)現階段,電動車的驅動系統通常都會配有一個齒輪箱,一般是固定速比變速器或者是具有2 到3 個檔位的機械式變速器,齒輪箱的制造精度和裝配精度不夠,也會引起整個動力系統的振動,這一點在電機高速工作時更為突出。

(5)電機輸出扭矩的反作用簡諧扭矩。

(6)車輛加速、制動和急轉彎等形式工況帶來的慣性力。

(7)路面不平度引起的激勵。

(8)傳動軸的2階激勵。

驅動電機動力總成的激勵來源除了外部激勵(6)(7)和(8)等與傳統內燃機基本一致之外,其他內部激勵源是完全不同的,因此在分析懸置系統在不同受力工況下的有效性時,需要與傳統內燃機的分析方法區別對待。

純電動汽車動力懸置系統匹配要點的圖1

             圖1  發動機的外特性                 圖2電機的扭矩特性

純電動汽車動力懸置系統匹配要點的圖2

                         圖3 電機轉子不平衡引起的激勵

圖2是某電動車裝備的交流異步電機的恒電壓恒功率控制下的外特性曲線,與發動機的外特性(圖1)有著明顯的差異。在額定轉速下,電機恒扭矩輸出,且電機的瞬間(不超過20ms)啟動輸出扭矩可以達到很大,使得電動車可以快速起步。在不超過額定轉速的行駛工況下,由于轉速不是很高,電機轉子不平衡離心力和力矩(如圖3)帶來的車輛振動很小,基本可以不考慮,這一階段的主要激勵來源于輸出簡諧扭矩(中低頻),此時驅動電機以最大“恒”轉矩進行動力輸出,對于橫向前置前驅的動力總成,該扭矩作用在動力總成坐標的Y 軸上。當電動車高速行駛時,由于電機工作轉速很高,而此時的輸出扭矩則比較小,這一工況下,動力總成受到的內部激勵則主要來自轉子的不平衡振動(高頻),該激勵可以分解在X 和Z 軸方向上。電機輸出簡諧扭矩和轉子不平衡離心力(力矩)這兩部分激勵屬于穩態激勵。純電動車輛在急加速、緊急制動和急轉彎等行駛工況下,動力總成會產生較大的慣性力,從而使懸置元件在短時間內發生較大的變形,導致動力總成在機艙中發生較大位移,如果不加以限制,就有可能撞擊到周圍的零部件而產生振動和破壞,該工況下的慣性力主要集中在X 和Y 軸方向上。城市道路的路面不平度帶來的低頻隨機振動激勵,這一部分也屬于穩態激勵,通過懸掛系統傳遞到車架、車身、動力總成和座椅,路面隨機振動激勵經過懸架的衰減、過濾之后,其有效作用頻率范圍會進一步降低到5Hz 的范圍內,且由于現階段的電動車主要用于城市交通,城市道路的路面不平度一般都比較很小,因此可以暫時不考慮這一部分激勵。但是在考慮動力總成受力極限工況時,路面所帶來的垂直方向的回彈或沖擊慣性力(瞬態激勵)需要包括在內。因此對于純電動汽車,電機的扭矩波動遠低于發動機,而且主要出現在蠕行、加速、減速和制動工況,其頻率與發動機轉動階次也無明顯關聯。但電機的扭矩則明顯大于發動機。

所以懸置匹配優化的著眼點則應該是動力總成的扭矩,懸置系統首先應具備足夠的抗扭限位能力,確保在大扭矩的作用下動力總成的位移量處于合理范圍,在此基礎上再考慮隔振性能。

因此,純電動汽車對懸置系統的隔振能力要求低于傳統燃油車,但對懸置系統抗扭限位能力的要求遠高于燃油車。基于這種考慮,工藝簡單、可靠性好能并且提供大剛度的橡膠懸置更適合電動汽車,液壓懸置反而不適用。要注意的是,提升懸置軟墊的剛度和限位能力并不意味著NVH性能的降低。相反,很多情況下懸置系統隔振能力差并不是因為懸置軟墊過于剛硬,而是因為懸置軟墊過于柔軟,在大扭矩作用下被壓死失去緩沖功能。例如,電機或者減速器的階次噪聲可能以結構噪聲的形式,通過懸置系統傳遞到乘員艙內。如果懸置軟墊太柔軟,很可能在全扭矩工況被壓死,從而加劇結構噪聲的傳遞。一般建議在正向和反向最大扭矩下,每個懸置軟墊的變形量都控制在10mm以內。

純電動汽車動力懸置系統匹配要點的圖3

圖4 電機懸置布置示意

關于剛體模態解耦和模態頻率分布分析,對于燃油車一般都是將6階剛體模態頻率規劃在5-18Hz,并且繞曲軸轉動的模態頻率要小于發動機怠速激勵頻率的0.707。但純電驅動車的動力總成質量明顯小于燃油車;因為抗扭限位的需要,其懸置軟墊剛度則大于燃油車。所以電動車動力總成的剛體模態頻率必然是高于同級別的燃油車。建議X、Y、Z方向的三個平動模態頻率小于20Hz,Roll、Pitch、Yaw三個轉動方向的模態頻率控制在20-40Hz(同時考慮在常用車速范圍內避開傳動軸的2階激勵),同時要避開蠕行時的電機的一階二階諧頻,對于空調壓縮機集成在動力總成上,還應避開空調壓縮機的工作頻率。

 

純電驅動的驅動電機的扭矩波動既可能在蠕行時發生,也可能在大扭矩情況下發生。所以在進行解耦度和模態頻率計算時,要考慮兩種情況,第一種是使用動力總成僅受重力作用時的懸置軟墊動剛度,第二種是使用動力總成輸出最大扭矩時的懸置軟墊動剛度。兩種情況下都要滿足上述解耦度和剛體模態頻率的要求。

純電動汽車動力懸置系統匹配要點的圖4



     
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