电驱动汽车起步工况扭振现象仿真及试验研究

电驱动汽车起步工况扭振现象仿真及试验研究周洋上海大众汽车有限公司，上海201805王治松同济大学汽车学院，上海201804【摘要】通过建立从电机到轮胎的动力学模型，仿真分析扭振现象产生的原因和影响因素，并进一步通过试验验证来探求改善扭振现象的方法。【ABSTRACT】THROUGHTHEESTABLISHMENTOFKINETICMODELSFROMTHEMOTORTOTHETIRE，THEREASONANDINFLUENCINGFACTOROFTORSIONALVIBRATIONPHENOMENAARESIMULATEDANDANALYZED，ANDFURTHERIMPRORINGMETHODSAREEXPLOREDBYEXPERIMENTALVERIFICATION【关键词】电驱动系统汽车起步品质扭振DOI103969JISSN10074554201407030引言电驱动汽车起步扭振问题是影响车辆品质的关键问题之一，其影响因素众多，产生的机理也各不相同。关于电驱动汽车扭振方面的研究，张立军、司杨、余卓平等人建立了燃料电池轿车的驱动传动系统模型L_LJ，通过齿轮间隙和滑移率等非线性特性分析驱动传动系统的动态特性。重庆大学的陈益、北京理工大学的程颖等人运用ADAMS建立车辆的驱动传动系统模型，探讨了基于虚拟样机技术的车辆驱动传动系统扭振分析，得到了系统的固有频率。COUDERC等人对汽车动力传动系统进行了讨论分析和试验研究，提出了汽车动力传动系统的力学模型，确定了模型中的全部参数；对系统进行了自由振动和强迫振动计算，在数据处理中采用了谱分析的方法；对不同形式的扭振消减措施的消减效果进行了试验研究。本文结合某款插电式混合动力汽车的动力系收稿日期2014040910统，通过建模仿真分析扭振现象产生的原因并且结合试验提出改善扭振现象的方法。与相关研究比较，本文研究对象的显著特征是传动系统具有较长的齿轮啮合路径和多个附加质量，因此扭振特性有其特殊性。此外，本文研究重点在于起步品质及其影响因素分析。1电驱动传动系统建模为了研究电驱动传动系统的扭转振动，必须对其驱动传动系统建立较精确的模型。本文采用模块化的建模方法，将电驱动汽车传动系统分为电机转子模型、电机轴模型、减差总成模型、左右半轴模型、轮胎车身模型。为了精确地模拟传动系统的扭转振动情况，考虑了驱动传动系统的非线性因素滑移率。电驱动汽车的驱动传动系统是一个复杂的多质量弹性系统。本文为了简化分析，将其按照集中质量的简化原则，简化为有限自由度的扭转振动系统，简化原则为1将减速器等效为一级上海汽车201407减速器，传动比不变，惯量按照等效原则分别等效到输入和输出端；2按照扭转部件的弹性及其惯量大小，决定其等效为一个惯量还是一根扭转弹簧；3只考虑轮胎的扭转刚度和惯量，其它非线性特性忽略。11电机等效模型在简化过程中考虑电机转子的机械转动，而不考虑其它因素引起的与基座的相互作用。由于电机转子的转动惯量很大，在运动过程中的扭转变形很小，因此将电机转子简化为转动惯量，。电机转子同时受到电磁转矩和电机轴反作用转矩的作用，其动力学方程为，式中，为电机转子转动惯量；TO为电机转子转速；RO为电机电磁转矩；为电机转子负载转矩。电机轴本身转动惯量很小，可将其转动惯量等效到电机转子处，并简化为扭转弹簧，存在弱阻尼，则其动力学方程为TK0L一0A2C010A22式中为电机轴扭转转矩；K为电机轴等效扭转刚度；C为电机轴等效扭转阻尼；。、。为电机轴前端扭转角度、扭转角速度；0为电机轴后端扭转角度、扭转角速度。12减速器差速器总成模型齿侧间隙对传动系统的动态性能有很大影响，因此建立减速器差速器总成子模型时需要考虑齿侧间隙。本文中电驱动工况的减速器为4级减速，为了简便将4级减速公式等效为2级减速，再将其简化为一副齿轮传动。并假设齿轮系统的传动轴和支撑均为刚性的，利用“振一冲”的分析理论研究含有间隙的齿轮副的扭转振动问题。本文中忽略静传递误差ET，忽略齿侧间隙，则减速器差速器总成子模型的动力学方程为JL01RG1CR0一R013JS20S2一RCRLLRE一4式中I，为减速器主动齿轮的转动惯量；为将其余从动齿轮全部等效到差速器输出端的等效转动惯量；0、0、II，2为主、从动齿轮的转角、上海汽车201407角速度、角加速度；I为减速器差速器总成减速比；R。为主动齿轮的半径；R昭为从动齿轮的等效半径，且RIR；K为齿轮副的综合啮合刚度；C为齿轮副的综合啮合阻尼；在传动系统中。为电机的驱动扭矩，为两半轴扭矩之和。半轴的动力学特性主要表现为扭转弹簧特性，并存在弱阻尼，同电机轴的简化类似，将其简化为两根扭转弹簧，因左右半轴特性相同，仅列出左半轴为例其动力学方程如下LKI0AXLF一0AXLRCI一AXL5式中。为左半轴的等效扭转刚度；C。为左半轴的等效扭转阻尼；0AXLFX0，0AXLR“0为左半轴前端转角、角速度，后端转角、角速度。13轮胎模型轮胎是汽车与地面直接接触的部分，其受力情况十分复杂。为了简化分析，本文借鉴“刷子”模型，近似建立轮胎的力学模型。将轮胎的结构分为两部分轮毂和胎冠，两者之间的动态特性通过弹簧和阻尼来模拟。轮胎的扭转振动动力学方程为JA0MFRB06JBOB0一RF7TBY0，C00一OBKE0一OB8式中，I，为分别为轮毂转动惯量、轮胎其它部分包括胎冠的当量转动惯量；MR为半轴作用给轮毂的扭矩；为轮毂和胎冠之间的相互作用扭矩；F为轮胎与地面的相互作用力；R为车轮滚动半径；K0、C。为轮胎等效扭转刚度、扭转阻尼；0、为分别为轮毂的转角、角速度和胎冠的转角和角速度。14行驶阻力模型分析传动系统的扭转振动特性时，须考虑轮胎与地面的相互作用，地面对轮胎的切向力驱动车辆向前运动，这些动态方程将车身的纵向振动与传动系的扭振相互联系起来。其动力学方程为一R。JB9FXLIB10二FFL11F詈G1213一1JCJR式中为路面附着系数；F为路面对车轮的垂向力；UM为滑移率、车辆速度、车辆质量；其中与Z可通过滑移率曲线获得。通过上述小节分别建立了传动系统电机转子模型、电机轴模型、减速器差速器总成模型、左右半轴模型、轮胎模型、车身模型，通过这些模型之间的连接形成传动系统总体模型。2电驱动传动系统仿真分析为了仿真车辆在不同工况下的纵向振动情况，首先需要对模型进行适当的验证，以确保仿真情况能够真实地反映实际车辆的纵向振动情况，探究电驱动传动系统内部扭转振动规律。本文采用以下方式初步验证模型。首先，在平直路面上，松开车辆制动踏板车辆开始静止，向电机发送阶跃转矩50NM指令，观测实际的电机转速响应情况，再将其与仿真结果相对比。电机响应有短时延时，在仿真中加入了这一延时。图1为实际响应与仿真响应的对比情况。鲁堡电机SL2档起步试验仿真对比图1实际响应与仿真响应对比由图1可以看出，模型的电机转速和实际的电机转速基本一致。因此，就这一工作点而言，仿真模型能够较真实地反映实际系统的扭转振动情况。本节将基于初步验证的仿真模型对电驱动传动系统的时域特性进行仿真分析，通过仿真及试验12提出改善PHEV纯电动工况行驶的扭振现象。本文加速工况为02S设定电机输出扭矩为50NM，观察电机转速、电机轴动载荷、半轴载荷、整车速度和加速度响应。在02S时输入阶跃扭矩50NM，电机轴、半轴扭矩均发生超调、振荡。传动系统半轴扭矩的最大值为460NM，其稳定值为300NM。可见，传动系统的扭振会导致动载荷显著增加，严重的会威胁传动系统的安全性、可靠性和耐久性。由图2可以看出，在50NM的阶跃输入下，电机转子转速发生振动，并出现短时的负转速，这是由于传动系统扭转振动引起的特殊现象。车速在阶跃输入时也发生抖动。汽车的加速度最大出现了18MS的加速度，最终稳定在132MS，加速度的振动会让驾驶员明显感到整车的纵向振动。1吕ZI电机转矩L时问S三32霜1。0謦一Z董500时间S时间S图250NM输入下传动系统的动载荷上海汽车2014073起步品质试验研究标定电驱动2档情况下的起步过程，在不同扭矩增长斜率下，可以看到与仿真情况类似的不同电机转速响应波动，不同的加速度波动。试验工况为，汽车由静止开始起步，电机起步扭矩为50NM。由图3可以看到，标定电机扭矩增长速率分别为05和100时电机及整个系统的响应状况，电机扭矩增长速率为05时，电机扭矩增长缓慢，电机转速平缓上升，整车加速度平缓增加，车速上升较慢，没有出现明显的扭振现象；相反，电机扭矩增长速率为100时，电机扭矩增长迅速，起步时电机转速波动剧烈，导致整车加速度也产生响应波动，成员舒适性差。在实际的标定过程中，既要考虑整车动力性，也要考虑舒适性，最终得到兼顾动力性与舒适性的扭矩上升斜率。如图3所示4结语结合某款PHEV的电驱动行驶工况，对电驱动系统的扭振和起步品质展开研究，分析扭振现象产生的原因，通过建立纯电动行驶工况的动力传动系统模型进行仿真及试验研究，得出扭矩上升斜率是影响纯电动工况扭振的重要因素，并从试验的角度来说明通过标定扭矩上升斜率改善扭振现象的规律。参考文献1张立军，司杨，余卓平燃料电池轿车动力传动系统动态特性仿真分析J机械工程学报，2009，4526267【2陈益SC6350C汽车传动系统扭振研究D重庆重庆大学，20043程颖，孙善超基于MSCADAMS的车辆传动系统扭振分析J机械设计，2006，233033044PHCOUDERC，JCALLENAEREVEHICLEDRIVEL