课题研究背景及意义........................................................................................ 1.2动力总成悬置系统国内外研究现状................................................................ 1.2.1国外研究现状............................................................................................. 1.2.2国内研究现状............................................................................................. 1.3本文主要研究内容............................................................................................ 第二章动力总成悬置系统设计理论及布置方案..................................................... 2.1动力总成悬置系统所受激励分析.................................................................... 2.2动力总成悬置系统隔振理论.......................................................................... 10 2.3 动力总成悬置系统设计基本原则.................................................................. 13 2.3.1 动力总成悬置系统功用........................................................................... 13 2.3.2 动力总成悬置系统设计基本要求........................................................... 14 2.4 动力总成悬置系统布置方案确定.................................................................. 15 2.4.1 悬置元件确定........................................................................................... 15 2.4.2 橡胶悬置元件具体结构确定................................................................... 17 2.4.3 动力总成悬置点数量确定....................................................................... 18 2.4.4 动力总成悬置系统布置形式确定........................................................... 19 2.5 本章小结.......................................................................................................... 20 第三章 动力总成悬置系统特性及优化分析........................................................... 21 3.1 动力总成动力学模型建立.............................................................................. 21 3.1.1 橡胶悬置元件三维简化模型................................................................... 21 3.1.2 悬置系统坐标系定义............................................................................... 23 3.1.3 动力总成悬置系统微分方程的建立....................................................... 25 3.2 动力总成悬置系统参数相关数据.................................................................. 29 3.2.1 动力总成相关参数获取........................................................................... 29 3.2.2 悬置元件相关参数................................................................................... 30 3.3 动力总成三维模型建立.................................................................................. 31 3.4 动力总成悬置系统虚拟样机模型建立.......................................................... 32 3.4.1 动力总成悬置系统多体动力学模型建立............................................... 32 -II-3.4.2 虚拟样机模型验证................................................................................... 34 3.5 动力总成悬置系统固有频率和能量耦合分布.............................................. 35 3.5.1 动力总成悬置系统固有频率................................................................... 35 3.5.2 系统能量耦合分布................................................................................... 36 3.5.3 计算结果分析........................................................................................... 38 3.6 动力总成悬置系统解耦优化设计.................................................................. 38 3.6.1 目标函数................................................................................................... 38 3.6.2 设计变量及约束条件............................................................................... 39 3.6.3 优化及结果分析....................................................................................... 40 3.7 本章小结.......................................................................................................... 41 第四章 动力总成悬置系统28 工况及支架动、静态分析..................................... 42 4.1 动力总成悬置系统非线性刚度...................................................................... 42 4.1.1 悬置非线性刚度设计要求....................................................................... 42 4.1.2 悬置非线性刚度曲线设计....................................................................... 44 4.2 动力总成悬置系统28 工况分析.................................................................... 45 4.2.1 动力总成悬置系统28 工况动力学模型................................................. 45 4.2.2 动力总成悬置系统部分典型工况分析................................................... 46 4.3 悬置支架模态及强度校核分析...................................................................... 51 4.3.1 悬置支架模态分析................................................................................... 51 4.3.2 悬置支架强度分析................................................................................... 53 4.4 本章小结.......................................................................................................... 62 第五章 纯电动汽车整车噪声和悬置隔振验证实验............................................... 63 5.1 测试环境与试验设备...................................................................................... 63 5.2 测点布置及设备设置...................................................................................... 63 5.3 加速工况测试结果分析.................................................................................. 66 5.4 本章小结.......................................................................................................... 70 第六章 总结与展望................................................................................................... 71 6.1 全文总结.......................................................................................................... 71 6.2 研究展望.......................................................................................................... 72 76个人简历、在校期间的研究成果及发表的学术论文............................................. 76 第一章 绪论 1.1课题研究背景及意义 随着我国经济持续高速发展,我国经济在世界经济格局的地位日益重要且 综合国力得到显著提高。在国家政策引领下,汽车产业迎来了飞速发展,我国 民用汽车保有量由 2008 099.61万辆增长至 2017 20906.67 万辆, 10 年间,民用汽车保有总量翻了近4 倍,年平均增长率超过10% 。据交管局统计,截止到2019 月,我国汽车保有量已经达到了2.5亿辆,其中私家车 占到了1.98 亿辆。可见我国汽车产业发展迅捷,而在这背后也带来了能源的巨 大消耗。 据相关统计,早在2010 年我国已经成为世界第一煤炭消费大国和世界第二 石油、电力消费大国。其中我国对石油的需求量急剧增加, 2010 年石油消费量 为44 850 万吨,2017 年石油消费量为59 550 万吨,其中56%用于交通运输行业。 传统燃油汽车作为交通运输业的主要使用工具,不仅燃烧资源而且还会排放大 量的污染物。相关研究发现,汽车尾气成分非常复杂,有100 种以上,对人类 身体健康带来巨大的隐患 。因此,国家逐渐开始对能耗低、污染小的新能源汽车展开研究,同时也根据我国运输业实情,制定相关法律措施,使我国汽车运 输业向着清洁、环保的方向发展 。其中我国对发展新能源汽车主要分为以下几个阶段:2010 年对新能源汽车的扶持力度逐渐加大,实行试点补贴政策,使我 国新能源汽车进入全面政策扶持阶段;2011~2015 年新能源汽车进入产业化模 式,推广公共交通使用新能源汽车;2016~2020 年国家开始向全国家庭推广插电 式电动轿车、混合动力汽车、氢燃料汽车。 新能源汽车中,混合动力汽车混合动力系统造价偏高,只有在起步阶段利 用电池包提供动力,当电池包电量降低到某一程度时,利用汽油作为燃料,提 供动力向电池包供电,长时间驾驶情况下,具有很高的油耗,对环境有一定污 染。而电动汽车利用电能充电,电能可以通过其他形式能量的转换获得,例如 水力发电、火力发电、核能、风能、太阳能等。其中火力发电以煤、石油燃烧 提供电能,在经输送后为电动汽车充电,比直接利用汽油作为燃料为汽车提供 动力,能源利用率要高很多。而且在火力发电时产生的污染物能够集中处理, 第一章 绪论 近五年电动汽车产销对比时间/年 产量/万辆 同比增长/% 销量/万辆 同比增长/% 2015 25.46 420 24.78 450 2016 41.7 63.9 40.9 65.1 2017 66.6 59.7 65.2 59.4 2018 98.6 48.1 98.4 50.9 2019 101.5 2.9 99.4 同时根据中国汽车协会新能源汽车产销数据统计,如表1-1和表1-2 所示。 纯电动汽车和混合动力汽车近五年来,无论是生产量还是销售量都呈现快速增 长的趋势,而纯电动汽车的生产量和销量都远大于混合动力汽车。此外,国家 在2018 年进行整体规划时将积极推动充电桩建设,计划到2020 新增1.2 中式充电换电站,分散式充电桩超480万个,更有利于电动汽车销售和使用。 近五年混合动力汽车产销对比时间/年 产量/万辆 同比增长/% 销量/万辆 同比增长/% 2015 8.58 180 8.36 180 2016 9.9 15.7 9.8 17.1 2017 12.8 29.3 12.5 27.6 2018 28.4 121.8 27.1 116.8 2019 22.7 -20 23.6 -12.9 消费者在购买纯电动汽车时,不仅考虑汽车的安全驾驶性能、电池续航里 程、电池寿命等,更注重汽车NVH(Noise、Vibration Harshness,噪声、振动和舒适度)性能。影响电动汽车NVH 性能的主要因素来源于外界激励和车内 自身振动,外部激励主要是有路面不平度、风噪、轮胎噪声,车身内部振动主 要有动力总成自身振动和空调系统振动。其中动力总成自身振动会直接影响车 身振动和对车内产生极差的辐射噪声,直接影响车内舒适性。如何减小汽车行 驶时电机和减速器对车内噪声和振动影响,成为电动汽车开发设计的一个难题。 现如今,车企降低电动汽车动力总成振动和对车内产生的辐射噪声主要从传递 路径入手,动力总成悬置系统作为动力总成和副车架的唯一连接点,合理设计 和匹配动力总成悬置系统,对提升纯电动汽车NVH 性能有着十分重要的意义。 第一章 绪论 1.2动力总成悬置系统国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外学者对动力总成悬置系统的研究起步比较早,在上世纪20 年代,橡胶 被发现具有良好的刚度和吸收振动性能,因此研究人员由开始的螺栓连接动力 总成,逐渐使用橡胶悬置连接。 上世纪50 年代,Horison 和Horovitz 提出六自由度解耦理论和计算方法, 通过调整悬置安装角度和悬置刚度,使各个悬置单独振动,再利用单自由度理 论线性处理,对动力总成隔振起到了不错的效果 1976年,Schmitt 和Charles 表明动力总成悬置系统的隔振性能主要与悬置 刚度有关,其中悬置橡胶阻尼与系统振幅有关 1979年,S.R.Johnson 利用数学理论计算方法对动力总成悬置系统优化分析, 将动力总成悬置系统固有频率与各阶能量分布比作为目标函数,将悬置弹性中 心点坐标和悬置动刚度作为设计变量,进行优化分析,优化后系统固有频率得 到合理分配,各阶解耦率达到设计要求,提高悬置的隔振性能 1982年,R.H.Racca 通过改变对悬置元件的安装位置坐标、元件三向刚度参 数、悬置空间位置、固有频率和解耦率等方面,显著提高了悬置的隔振、减振 性能,并总结了前置后驱汽车悬置系统的设计研究方法 1984年,Geck P.E 等人认为发动机动力总成悬置系统振动频率属于低频振 动,把侧倾方向当作发动机扭矩输出方向,形成以发动机刚体侧倾模态频率和 解耦作为优化目标的基本设计思路 1987年,在H.Hata 和H.Tanaka 合作下,研究整车在怠速工况下动力总成悬 置系统振动特性,其研究表明优化悬置安装位置比优化悬置刚度对系统的隔振 性能更加有效。指出整车车身的固有频率应高于发动机怠速时的频率,其数值 差值越大越好,并发现了当动力总成固有频率低于怠速工况激励频率的1/ 1990年,M.Demic 以悬置受作用力和所受力矩为优化目标函数,对悬置弹 性中心点坐标和动态特性进行优化。研究表明,此方法对橡胶悬置系统和液压 悬置系统优化时,其隔振性能显著提高 [10] 1993年,D.A.Swanson 等提出以动力总成经悬置系统的传递力最小为优化 第一章 绪论 目标设计,得到了动力总成悬置系统最优设计方法[11] 。同年,John .Brett 提出了 一种新的设计悬置系统的思路,以汽车驾驶室振动响应最小化为目标,不在以 合理配置悬置系统的模态频率和解耦率为目标,借助振动传递函数直接优化驾 驶室振动响应值 [12] 1994年,J.H.Kim 等人研究传统汽车底盘弹性是影响悬置系统动态特性的一 个因素。研究表明,底盘系统和悬置系统模态频率相近时,会使发动机悬置系 统模态和频率响应有很大变化,并且发现当悬置系统模态频率远小于底盘频率 时这种变化会减小 [13] 2000年,Taeseok Jeong 等人提出了发动机扭矩轴解耦理论,该理论指出当 合理布置悬置元件弹性中心点与主惯性轴重合时,更有利于对发动机悬置系统 振动解耦 [14] 2003年,D.S. Sachdeva 等人研究了动力总成悬置系统设计方法对汽车NVH 的影响,研究表明当动力总成刚体模态完全解耦时对悬置隔振性能不是最优, 只是起到使汽车局部的NVH 性能有所提高的作用 [15] 2008年,Jae-Yeol Park 在传统研究解耦理论上,加入了非比例阻尼因素对 存在耦合的扭矩轴发动机解耦,并提出了解决含有非比例阻尼比的动力总成悬 置系统解耦方案 [16] 。同年,该研究人员提出了橡胶悬置存在阻尼比时动力总成 悬置系统解耦条件,将悬置系统解耦推向新的高度。 2013 年,Fadi Alkhatib 通过对悬置系统建立动力学模型,优化系统参数,并 利用有限元分析对橡胶悬置进行优化,对发动机隔振效果有很大的提高 [17] 2015年,Tao 等人利用分数阶理论对液压悬置建立动态特性模型,通过实验分析,得到模型相关参数 [18] 2016年,Ismail L.Ladipo 等人基于四端参数理论分析磁弹性悬置系统隔振性 能,结果表明磁弹性悬置系统比传统橡胶悬置系统隔振性能更好 [19] 1.2.2国内研究现状 国内学者对动力总成悬置系统研究起于上世纪八十年代,通过学习国外对 动力总成悬置系统研究后也取得了大量的研究成果。 1983 年,徐石安等首次在我国展开对动力总成悬置系统的研究,通过利用 外点罚函数法和乘子法作为系统数学模型的分析算法,以悬置支点反作用力最 第一章 绪论 小、合理控制悬置系统固有频率作为优化目标函数,并将此方法应用六缸发动机上,优化结果得到系统振动传递率大幅度降低 [20] 1985年,严济宽教授论述了动力总成悬置系统的设计和其相应的减振理论, 并出版《机械振动隔离技术》一著作,为我国学者对研究动力总成悬置系统和 其它减振领域提供了夯实的理论基础和依据 [21] 1992年,上官文斌和蒋学峰通过扭矩轴理论建立优化模型,以悬置系统六 阶刚体模态固有频率合理分配为优化目标函数,应用能量解耦方法和弹性中心 撞击理论,对一阶弯曲模态为约束进行优化,并将此方法应用到工程实践中 [22] 1998年,裘新等人对动力总成液压悬置系统进行了研究,搭建了动力总成、 液压悬置、副车架非线性多自由度刚体动力学模型,以扭矩轴方向的固有频率 和振动传递率为目标函数,优化了非线性下悬置参数,使发动机怠速工况下振 动传递明显下降 [23] 2003年,吕振华等人系统研究变量参数对动力总成悬置系统隔振性能影响, 通过两种不同发动机进行优化分析,使解耦率有所提高 [24] 2011年,杨雷等人利用MATLAB 和ADAMS 分别求解动力总成悬置系统固 有频率和能量解耦率,经过结果对比,验证动力学模型正确性。并以悬置刚度 为设计变量,悬置系统优化分析 [25] 2012年,赵堑利用Pro/E 对悬置系统搭建简易模型,并用ADAMS 对电机 额定转速、制动、急转弯工况仿真分析,对悬置刚度参数优化分析后,将分析 结果应用到工程实践中,车内噪声大幅度降低 [26] 2016年,吴杰等人把悬置安装角度和刚度作为设计变量对悬置系统进行优 化分析,根据优化后结果制定新的悬置样件,进行实车测试,结果表明悬置隔 振性能明显提高 [27] 2018年,胡陪龙等人将二级隔振理论应用到电动汽车悬置系统中,并推算 出电动汽车悬置系统动力学刚度和质量矩阵,对二级隔振悬置系统提供一定的 理论基础 [28] 2019年,朱鑫等人以悬置刚度和安装位置作为设计变量,利用 MATLAB/Isight 对纯电动汽车悬置系统进行优化设计,并对优化后的悬置进行非 线性刚度设计有效保证动力总成位移在可控范围内 [29] 第一章绪论 1.3本文主要研究内容 本文以某公司纯电动汽车动力总成悬置系统为研究对象,针对动力总成悬 置系统隔振性能较差,导致车内噪声偏高问题,以改善汽车NVH 性能为目标, 对电动汽车悬置系统特性进行分析,技术路线如图1-1 所示。 第一章 绪论 动力总成悬置系统特性分析路线图具体研究内容如下: (1)电动汽车动力总成悬置系统布置方案设计。对动力总成所受激励特性 第一章 绪论 分析,基于悬置系统设计基本原则及悬置元件使用特性,确定电动汽车动力总成悬置系统的布置方案。 (2)电动汽车动力总成悬置系统模态分析。基于隔振理论、多体动力学理 论,建立六自由度动力总成悬置系统动力学理论模型,分别利用ADAMS MATLAB建立动力总成悬置系统六自由度刚体模型和数学模型,对比分析系统 固有特性及解耦率,验证刚体模型正确性。 (3)悬置系统优化设计。基于能量解耦理论,确定系统优化目标函数、设 计变量及约束条件,利用ADAMS 对悬置系统优化设计,结合工程要求,对优 化后悬置系统模态分析,验证优化设计正确性。 (4)悬置系统非线性和悬置支架设计合理性分析。确保悬置系统安全稳定 工作需求,对悬置元件进行非线性设计,通过参考北美通用汽车28 工况,利用 ADAMS 对动力总成分别加载21 种工况,分析动力总成质心、悬置弹性中心点 位移变化及悬置受作用力 ,验证悬置系统非线性设计合理性。同时针对悬置受 作用力,利用有限元分析软件对悬置支架静、动态分析,确保悬置支架使用合 (5)电动汽车悬置系统试验分析。在电动汽车WOT工况下,对设计合理 的悬置样件装车试验,利用LMS Test.Lab 对动力总成悬置系统隔振性能及车内 噪声进行分析 第二章 动力总成悬置系统设计理论及布置方案 第二章动力总成悬置系统设计理论及布置方案 合理布置电动汽车动力总成悬置系统在一定程度上会提升汽车NVH 性能。 针对电动汽车动力总成所受激励特性,合理选择的悬置布置形式、悬置点数目、 悬置结构,会减小动力总成振动能量传递,提升悬置系统隔振性能。 2.1 动力总成悬置系统所受激励分析 纯电动汽车动力来源不同于传统燃油车,由图2-1 可知,其动力来源主要由 蓄电池提供能量、三相电机提供动力,因此与传统燃油汽车激励振源也不相同。 纯电动汽车电机驱动系统振源主要来源有两个方面,一方面是电动汽车在行驶 过程中由于路面不平度对车轮产生的随机激励,另一方面是由于汽车在工作时, 动力总成自身产生的激励,其中自身产生的激励包括机械振动和电磁振动。当 汽车行驶时多个系统振源同时进行振动,使纯电动汽车处于极其复杂的振动状 态之下。 纯电动汽车驱动示意图由于交流永磁同步电机具备高转速、结构简单、运行可靠、经久耐用、质 量轻、价格便宜的优点。本论文研究对象采用交流永磁同步电机作为动力总成 主要部件,引起动力总成悬置系统振动激励主要有 [30] (1)由于驱动电机转子质量分布不均匀,转子转动时产生相对于电机转轴不对称的离心力引起的电机振动,该激励主要取决于驱动电机的转子转动速度。 其大小可按照式(2-1)近似计算。 第二章 动力总成悬置系统设计理论及布置方案 (2-1)式中,m——不对称分布质量; r——不对匀分布质量的质心到旋转中心轴的距离; ω——转子旋转的角速度。 (2)在驱动电机电磁波影响下,电机定子铁块受到电磁力的径向和切向的 作用力。其中影响定子变形振动的主要因素是电磁径向力,这也是导致电机产 生电磁振动噪声的主要原因 [31] 。动力总成所受到的电磁力可按照式(2-2)表示: radμ——作用在电机结构上的麦克斯韦尔应力; f——作用在定子铁心的磁致伸缩力。 (3)定子电流和转子磁场相互作用引起的驱动电机扭矩脉动,主要与气隙 磁感应分布和电流脉冲波形有关; (4)驱动电机定子与转子同轴度精度低产生的偏心距引起动不平衡力和静 不平衡力; (5)驱动电机定子与转子装配键槽配合不当; (6)驱动电机散热时,冷却风扇工作带来的振动和噪声; (7)汽车行进时,车轮通过传动轴经减速器反作用于电机产生的扭矩,该 扭矩可看成简谐扭矩; (8)减速器及差速器制造工艺不精,致使齿轮啮合精度不能达到标准,齿 侧啮合时存在缝隙,产生的间歇性接触力 [32]