（光学工程专业论文）纯电动汽车动力悬置系统仿真与优化设计.pdf

武汉理丁大学硕+ 学位论文 摘要 随着能源危机和汽车所造成的污染问题日益加重，新能源汽车取代传统燃 料汽车成为汽车行业未来发展的主要趋势。纯电动汽车作为新能源汽车中的一 种，具有广阔的发展i i f 景。包括牵引电机及减速器等在内的动力总成激励和路 面激励是纯电动汽车的两个主要激振源，对汽车的n v h 性能及乘坐舒适性能有 着重要影响。悬置系统能够有效地降低传至车身上的振动，因而有必要对其进 行优化设计与研究。 本文在查阅大量相关文献的基础上，参照传统发动机悬置系统设计理论， 并结合纯电动轿车的实际，对其动力总成的悬置系统进行优化设计的尝试，具 有一定的实际应用价值。 本文利用临沂沂达电动汽车有限公司k k 系列纯电动汽车产品的动力总成悬 置系统作为研究对象，首先利用p r o e n g i n e e r 软件建立该系列纯电动汽车动力 总成的三维模型，利用p r o e n g i n e e r 与a d a m s 软件的共用数据形式，将三维模 型导入a d a m s 软件中，简化并创建悬置元件，建立动力总成及其悬置系统的动 力学分析模型，根据相关仿真分析理论，重点讨论了纯电动汽车在电机额定转 速、制动、急转弯等工况下悬置系统的工作性能，最后，通过a d a m s 软件自带 的优化功能，进行了悬置系统设计参数的优化，得到较佳的设计方案，并对其 进行实验测试。 关键词：纯电动汽车，悬置系统，动力学分析，优化设计，a d a m s a b s t r a c t a se n e r g yc r i s i sa n dp o l l u t i o nc a u s e db ya u t o m o b i l e sg e t t i n gw o r s e ，n e we n e r g y v e h i c l e st or e p l a c et r a d i t i o n a lf u e la u t o m o b i l e ，b e c o m e st h et r e n do f t h ea n t o m o t i v e i n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e p u r ee l e c t r i cc a r s a so n eo ft h en e we n e r g v v e h i c l e s ，h a v eab r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s i n c l u d i n gd r i v em o t o r a n dr e d u c e r , t h e p o w e r t r a i nl n c e n t i v ea n dp a v e m e n ti n c e n t i v ea r et w om a i nv i b r a t i o ns o u r c e so f p u r e e l e c t r i cc a r s ，a n dt h e yh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fn v h a n d r e s u l ti np a s s e n g e r su n c o m f o r t a b l e n e s s p o w e r t r a i nm o u n ts y s t e mc a r l e f f e c t i v e l v r e d u c et h ev i b r a t i o ns p r e a d i n gt ot h ec a r sf r a m e s ，s oi ti s n e c e s s a r yt oc a r r yo u tn e w d e s i g na n dr e s e a r c h b a s e do nc o n s u l t i n gan u m b e ro fl i t e r a t u r e ，a n do nt h eb a s i so fr e f - e 喇n gt 0 t r a d i t i o n a le n g i n em o u n ts y s t e md e s i g nt h e o r y , c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lo fp u r e e l e c t r i cc a r s ，t h i sp a p e rh a san e w t r yo nt h ed e s i g no fp o w e r t r a i nm o u n ts y s t e m ， w h i c hh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e b yu s i n gt h ep o w e r t r a i nm o u n ts y s t e mo fk ks e r i e s p u r ee l e c t r i cv e h i c l e p r o d u c e db yl i n y iy i d ae l e c t r i ca u t o m o b i l ec o ，l t da st h er e s e a r c ho b j e c t t h i s p a p e rf i r m l yu s et h ep r o es o f t w a r et ob u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo f p o w e r t r a i no ft h i ss e r i e sp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，t h e nu s ep r o ea n da d a m ss h a r e d d a t af o r m ，i m p o r tt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e li n t oa d a m s s o f t w a r e ，s i m p li f ya n d c r e a t em o u n tc o m p o n e n t s ，e s t a b l i s hp o w e r t r a i na n dm o u n ts y s t e md y n a m i c sa n a l y s i s m o d e l a c c o r d i n gt or e l e v a n ts i m u l m i o na n a l y s i st h e o r y , d i s c u s s e st h e s e r v i c e b e h a v i o u ro f p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sp o w e r t r a i na n dm o u n ts y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n o ft h em o t o rw o r k i n ga tt h er a t e ds p e e d ，b r a k ea n ds h a r pt u r n , f i n a l l y , t h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o nf u n c t i o no ft h ea d a m ss o f t w a r et oo p t i m i z et h es y s t e mp a r a m e t e r s t h i sp a p e rg e t sab e r e rd e s i g ns c h e m e ，t h e nt e s ta n dv e r i f yt h ed e s i g ns c h e m eb v e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cc a r s ，m o u n ts y s t e m ，d y n a m i ca n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n a d a m s i i 武汉理j 人学硕十学位论文 1 1 前言 第一章绪论 进入二十一世纪以来，能源问题成为人类面临的一个重要难题，石油等一 次性能源在促进经济发展的同时，也伴随着人类的不断使用而逐渐殆尽j 。并且， 由于这些矿物能源的使用，温室气体、粉尘微粒、有害气体等大量产生，严重 影响及污染了人类的生存环境。节能减排得到全球性的认可与支持，低碳生活 也己成为各国应对能源和环境问题所提出的一个重要举措。 能源储量日益减少，以及世界主要石油生产国的国内局势动荡，石油等能 源开采能力降低等因素，共同导致汽油等燃料价格不断攀升。面对石油短缺和 供给不足的严峻挑战，各国都在研究开发及利用新能源以应对能源安全问题。 对于一直依赖石油等不可再生资源的汽车产品而言，也亟需寻找替代能源以维 持行业的发展。 在此背景之下，新能源( 以电能、氢能等作为能量来源) 汽车迎来了良好 的发展机遇，它主要包括混合动力汽车、燃料电池汽车以及纯电动汽车等【2 】。从 目前的发展情况看，混合动力汽车及燃料电池汽车，限于动力系统体积较大、 整车价格较高、续驶里程还有待提高等方面的原因，现阶段主要作为城市公交 车使用，而纯电动汽车，由于具有价格相对低廉、使用成本较低、可以使用家 庭2 2 0 v 电压充电等优势，更具普及的潜力，成为个人及家庭短途交通工具的理 想之选。 从环保的角度看，纯电动汽车直接利用电能，不会发生燃料的燃烧过程， 因而不会产生二氧化碳、二氧化硫等气体，同时由推算可以得知，火力电厂生 产单位电能的排放，除粉尘和二氧化硫等外，其它污染物的排放也较传统燃料 汽车显著降低。从能源利用方面看，纯电动汽车使用的电能可以通过火力发电 厂、水力、风力及核电站发电获得，能源利用多元化，并且相对于汽油车，纯 电动汽车能源转化利用率也更高。从使用成本的角度看，汽油车目前行驶百公 里消耗的燃料一般为l o 升左右，大致需要花费8 0 多元人民币，而根据有关纯 电动汽车生产企业及科研单位公布的数据，纯电动汽车行驶百公里大概需要 十几度的电能，其使用费用计算起来也只有十几元，仅为传统汽车的十几分之 一。由此来说，发展纯电动汽车可以成为节能减排的一个重要途径，也是汽车 武汉理t 大学硕十学位论文 行业的重要发展方向i j j 。 同时，纯电动汽车也因其对经济的重要影响而备受关注，这是因为它广泛 地涉及到了机械加工制造，电气电子，塑料橡胶及电池等行业，对经济社会的 发展具有比较全面的促进作用【3 】。中国于2 0 1 0 年颁发的新兴行业的发展规划中， 也明确提出将新能源汽车等产业作为重点发展对象，并以此促进经济的发展， 推进产业结构的升级和变革。 目前，几乎所有的大型汽车生产企业及有关科研机构都在开展纯电动汽车 的分析与设计工作。现阶段纯电动汽车的研发和生产大致有两个途径，一是与 传统汽车开发流程相类似，研发包括汽车车身、底盘、电力驱动及控制等零部 件在内的全新的纯电动汽车产品；二是利用市场上已有的汽油车车型，在合理 的结构及性能分析基础上，将发动机舱内的发动机、离合器、变速器等部件替 换为牵引电机等电力驱动及控制系统，改造原型车的底盘结构，以满足电池等 能源供给系统的安装和使用要求，同时设计和校验制动系统等。相对于开发新 款汽车而言，第二种方法既能缩短研发周期，又能显著降低研发投入和生产成 本，因而目前被很多汽车制造厂家采用。本文的研究对象正是由临沂沂达电动 汽车有限公司基于某原型汽油车型进行改进设计的研究成果。 1 2 本文研究工作的现实意义及目的 传统燃料汽车在经历了许多年的发展历程之后，很多技术得以应用，汽车 的性能也趋近完善。在汽油车性能体验的基础上，人们对于纯电动汽车也有了 很高的心理要求和期待，纯电动汽车的入市门槛也较高。纯电动汽车在解决续 驶罩程、快速及方便充电等问题的同时也要努力改善汽车的n v h 性能和乘坐舒 适性，提升用户的驾驶体验。包括牵引电机在内的动力总成的悬置系统是纯电 动汽车衰减振动、降低噪声、提高汽车n v h 性能的一个最可依赖的系统，其工 作性能的好坏直接影响到汽车产品的品质及用户的认可度，因此，随着纯电动 汽车产品的不断推出，纯电动汽车动力总成悬置系统的性能研究也成为一个新 兴的研究方向，得到了应有的重视。 本文选取沂达电动汽车有限公司k k 系列纯电动汽车的动力总成悬置系统 作为研究对象，在参考传统燃料汽车发动机悬置设计理论的基础上，结合纯电 动汽车动力总成自身的特点，利用a d a m s 软件，根据动力总成的结构参数及 悬置系统的性能参数，创建动力总成悬置系统的动力学分析模型，并利用 2 武汉理。【：大学硕士学位论文 分析得到的系统激励，仿真分析纯电动汽车在电机额定转速、制动及急转弯工 况时悬置系统的工作性能，并对其进行参数优化，明显降低了上述工况时纯电 动汽车动力传动系统的振动及传入车厢内的噪声。通过本课题的研究，方面 改善了k k 系列纯电动汽车的n v h 性能及乘坐舒适性能，总结了相关经验，可 以对其他纯电动汽车产品的设计初始阶段进行指导；另一方面，本文的研究方 法和相关结论对其他相关的研究人员也有一定的参考意义。 1 3 国内外的发展状况 1 3 1 国外的研究状况 汽车自诞生至今，取得了巨大的发展，其性能也在不断的提高以趋于完善， 伴随这一过程的是众多技术的发明以及应用，汽车动力总成悬置技术便是其中 的一种。国外对动力总成的悬置技术研究较早，取得了很多的研究成果，具体 表现在悬置元件的设计及悬置系统设计理论的提出等两方面。 一、悬置元件的设计方面 在汽车刚刚出现的时候，发动机等与车架之间只是使用螺栓紧固，发动机 与车架紧密连接在一起，因而发动机产生的振动以及噪声就会直接地通过车架 传递到车体及车室内，影响乘坐的舒适性，并且在发动机产生的持续振动的作 用下，发动机机体与车架上的安装支架之间的连接容易损坏，为了改善这种状 况，人们开始在发动机与车架之间添加皮革或者布挚等相对柔软的物品，以降 低发动机振动带来的不良影响，这便是汽车动力总成的悬置系统雏形【4 】。由于人 们的不断探索及试验，橡胶部件于二十世纪二三十年代开始应用在动力总成和 车架之间，这是因为橡胶属于高分子物质，具有良好的弹性和阻尼特性，当橡 胶块在外力作用下发生变形时，由于内部结构中存在着粘滞的阻力，这样使得 橡胶块变形的产生滞后于相应的力的作用，从而能够消耗掉一部分由作用力产 生的机械能，起到吸收和消耗动力总成振动能量的作用，从而发挥对动力总成 振动隔离或者衰减的功能。 在接近2 0 世纪中期时，由h a r d i n g 和s t r a c h o u s k y 相继提出，将液压阻尼形 式的减振元件应用于悬置系统，与橡胶元件一起发挥减振功能1 5 】，而在1 9 6 2 年， 美国的工程师r 。e r a s m u s s a n 首次将液力悬置系统申请为设计专利。在1 9 7 9 年， 由大众公司第一次将液力悬置系统的应用变为现实，用在了其a u d i 5 系列的汽 武汉理： 大学硕士学位论文 车产品上【5 1 。日本的汽车公司也在同一时期推出了其研究成果结构及性能都 比较优良的液力悬置系统产品。随后，欧美地区的汽车生产企业也相继对液力 悬置系统进行了相关的研究工作。 液力悬置元件在经历了2 0 多年的发展后，其设计及生产技术都有了较大改 善，具体表现在结构形式不再简单、控制趋于精确，生产能力及测试技术也有 了较大提升，液力悬置系统也成为动力总成悬置系统未来重要的发展趋势。但 是目前限于生产工艺水平及成本等方面的原因，液力悬置元件仍未广泛应用， 传统橡胶材料依然作为主要的隔振元件，但橡胶悬置元件的性能有了很大改善。 同时，国外有关的生产厂家在研发及生产过程中逐步形成了一整套的研发、 生产和测试等工作的企业标准，使悬置元件的生产系列化和标准化，并且能够 提供比较准确的产品性能参数( 如刚度、阻尼等) ，这很大程度上提高了满足汽 车动力总成悬置要求的能力，使得汽车生产企业能够根据产品的性能目标直接 选用合适的悬置系统。 二、相关的设计理论方面 在悬置系统设计的相关理论方面，国外的科研人员也总结了很多的研究成 果，主要有： i l l i f e 于1 9 3 9 年概括了悬置系统的主要功能，提出了在设计过程中要遵循的 一些指导性原则【6 】，到2 0 世纪中期，著名的悬置系统六自由度振动能量解耦理 论由h o r i s o n 和h o r o v i t z 首次总结并提出，而由b e l t e r k n i g h t 发现了打击中心理 论及悬置元件的具体布置方法等 7 1 。这些设计方法的综合应用使得研究人员能够 在研究工作中，将汽车动力总成和与之相连的车体作为刚体处理，而将橡胶悬 置元件简化为空间的弹簧模型，并在撞击中心理论等方法的指导下，通过改变 橡胶悬曼元件的参数( 如安装位置坐标和刚度等) ，使各个悬置元件的安装位置 尽可能的靠近动力总成的振动节点，从而获得动力总成各个悬置元件的振动响 应最大程度的相互独立，然后对各个悬置元件分别按照单自由度线性振动模型 进行分析，并且通过相关研究得出了系统垂直方向和绕曲轴轴线转动方向的固 有频率应当小于发动机怠速频率的三分之一，此时悬置系统才能获得比较好发 挥隔振及减振作用这一重要结论【8 】。这些较早出现的悬置设计理论至今仍然被沿 用和不断完善，对于后人的继续研究发挥了积极的的指导和促进作用。 在二十世纪八十年代，由j o h n s o n 第一次开展了悬置系统的优化工作，以悬 置元件的刚度和安装位置参数作为设计变量，对悬置系统进行优化计算，使悬 置系统在动力总成各个方向的平动自由度之间的振动耦合程度明显降低，并且 4 武汉理t 大学硕士学位论文 保证了悬置系统有比较合理的固有频率配置。 1 9 8 2 年，r r a c c a 全面地分析并总结了悬置元件位置及性能参数对于悬置系 统工作表现的影响，并将有关结论应用于前置后驱式的悬置系统设计过程中【9 】。 1 9 8 7 年，由h h a t a 和h t a n a k a 共同合作，研究分析了汽车动力总成处于怠 速状况时，其悬置系统的工作情况，得到了一些重要结论，比如指出优化悬置 元件刚度的效果不如优化元件安装位置明显、车体的的固有频率应高于发动机 的怠速频率且数值差别最好大一些，而动力总成的固有频率应小于1 2 倍的 发动机怠速频率等，这样能有效的避免共振现象的产生l l 。 1 3 2 国内的研究状况 国内学者对悬置系统的研究相对滞后，在将国外先进的设计及分析理论引 入后，也相继进行了消化吸收并有了一定的研究成果。从1 9 8 3 年起，徐石安等 人就开始研究悬置系统的相关理论，利用能量解耦法优化动力总成悬置系统的 设计方案，以悬置系统六自由度的解耦率为目标函数，通过优化悬置元件的刚 度、安装位置及其角度等参数，获得了较好的设计效果。 1 9 8 5 年，潘旭峰等人将模糊集理论应用于大客车发动机悬置系统的设计工 作中，对悬置参数进行了多目标模糊优化，在提高能量解耦率、降低悬置元件 安装位置处响应力等方面都获得了较大的改善。 1 9 9 2 年，上官文斌等人以系统的固有频率为目标，应用能量解耦方法和撞 击中心理论、确定了一阶弯曲模态节点的选取原则，并以此作为约束条件进行 优化工作，比较全面的总结了优化悬置系统的相关方法，而这一方法也具有一 定的实际应用价值。 1 9 9 4 年，王立公等人将液力悬置系统的相关理论引入国内，系统的阐述了 几种液力悬置系统的结构组成、工作原理及发展趋势等内容。 1 9 9 9 年，由裘新等人创新性地将橡胶悬置系统分析理论应用于液力悬置的 分析模型，分析了悬置系统的固有频率等特性，同时对比分析了液力悬置与橡 胶悬置的隔振性能，并应用模态分析予以验证i 】o j 。 2 0 0 2 年，吕振华等人研究了国内某轿车的发动机液力悬置系统的动特性分 析，并将分析结果与实验测试结果进行了对比。 同时，多位学者应用模态分析理论，将路面不平度谱密度作为振动激励输 入，计算座椅的响应，获得座椅加速度最小的响应值，或者将乘客看作是振动 s 武汉理上人学硕士学位论文 的作用对象，求得其在垂直方向所承受的振动加速度均方根的最小加权值等】， 并以这些方法指导悬置系统的优化工作，可以看出，这些方法都是直接关注于 悬置系统性能对整车及乘坐舒适性的影响，更注重于用户的乘坐体验感受。 目前国内大多数的汽车生产企业还不能像国外企业那样对悬置系统进行全 面系统的设计与评价，制造工艺水平也有待提高，所生产的悬置系统还不能完 全满足汽车动力总成的使用要求，但是通过与国内高校、科研机构及专业的悬 置元件厂商合作，联合进行悬置系统的研发、分析及测试工作，也取得了一定 的成效。 1 4 本文主要研究内容及意义 1 4 1 课题研究内容 ( 1 ) 阅读并总结大量的相关文献资料，比较全面地概述国内外有关学者对汽 车动力总成悬置系统的研究状况，探讨悬置元件的使用性能要求和悬置系统的 设计方法等，并结合研究对象的实际，确定本文中研究对象的初步设计方案。 ( 2 ) 分析纯电动汽车动力总成的构成及悬置系统的主要激振源，利用获得的 动力总成参数( 动力总成的质量、质心位置和转动惯量等) 以及悬置元件的参数 ( 刚度、安装位置坐标) 等，创建了本文研究工作所需的分析模型，通过三种 不同的方法验证了所创建模型的正确性。 ( 3 ) 选取纯电动汽车在额定转速、制动、急转弯等工况条件下，对悬置系统 的性能进行仿真分析，并对其参数进行优化设计，解决纯电动汽车在上述工况 下动力总成振动及悬置元件变形过大等问题。 1 4 2 课题研究方法 ( 1 ) 根据本文所研究的纯电动汽车动力总成的参数( 尺寸、结构等) ，利用 p r o e 软件分别创建牵引电机及减速器的三维简化模型，将其导入a d a m s 软件中； 根据产品所要达到的预期性能要求，初步选择橡胶悬置元件的刚度等参数，对 橡胶悬置元件进行简化处理，完成动力总成及其悬置系统分析模型的创建； ( 2 ) 分别分析悬置系统在纯电动汽车几种典型工况时的受力情况，在a d a m s 软件中添加相应的激励，然后进行仿真分析，并结合分析结果利用软件自带的 优化功能重新定义相关参数，获得较佳的设计方案，并通过样车进行试验验证。 6 武汉理下大学硕+ 学位论文 第二章动力总成的构成及悬置系统的相关理论 2 1 纯电动汽车动力总成的构成 传统燃料汽车通过发动机燃烧汽油、柴油等燃料给汽车提供驱动动力，而 纯电动汽车一般在汽车地板结构上装载可以多次充电的能源( 一般为锂电池、 铅酸蓄电池等，本文研究的纯电动汽车采用铅酸蓄电池) 作为能量储存装置， 利用电机作为能源的转化装置，将电能转化为汽车的动能等。图2 1 和图2 2 分别表示传统汽车与纯电动汽车能量来源和动力系统的示意图。 困叫亟 怔圈1 垂 怔至幅 图2 - 1传统燃料汽车驱动系统示意图 匝巫互悃咂丑匝亘母匝疆 图2 2 纯电动汽车驱动系统示意图 对比以上两图，不难看出，纯电动汽车与传统燃料汽车在其能量来源及驱 动系统的构成两方面均有较大差异。 纯电动汽车的动力系统包括了能量储存部分、牵引电机、动力控制装置及 传动系等，这些参数的综合匹配效果决定了纯电动汽车的整车动力性能【l2 1 。同 时，又可以将纯电动汽车的动力系统归结为两大部分，即机械装置和电气部分。 前者主要由调速装置、传动部件和汽车行驶机构等组成；后者则主要包含牵引 电机、电机控制装置、能量储存装置及其充放电管理系统等几个部分。 与传统内燃机的机械特性不同，直流电机在转速低时扭矩较大，并且易于 被控制器调控，所以目前在许多纯电动汽车上，均利用直流电机作为能量转化 的主要部件【1 3 】。直流电机按照励磁方式又可以分为他励及串励等两种类型。其 中串励形式的直流电机在具有直流电机普遍优点的基础上，由于其启动输出转 矩与通入的电流的平方成线性的倍数关系，能够获得比其他类型直流电机更大 的启动转矩，因而被广泛地用作牵引设备。根据汽车设计理论，通过汽车的驱 动力与各种行驶阻力之间的关系，可以计算得到所要求的电机功率等，进而通 过动力匹配选择电机的具体型号【1 4 】。本文研究对象也采用串励直流电机作为动 力总成的主要部件。 7 武汉理工入学硕十学位论文 串励直流电机的转速f i 与转矩t 。的变化情况如图2 - 3 所示。从该曲线可 以看出，电机的转速几乎从零开始逐渐变大，而其输出转矩也随之连续性改变， 并且转矩的数值由大至小。电机的这一机械特性可以直接满足纯电动汽车在起 步或者爬坡工况时，车速低但却需要牵引电机提供较大的扭矩的使用要求【l5 1 ， 同时，由于牵引电机低速大扭矩的特性使得纯电动汽车的加速性能较好，能直 接满足汽车起步等工况的需要，所以纯电动汽车不需要像传统燃料汽车那样， 在动力源( 纯电动汽车为牵引电机) 与减速器( 变速器) 之间设置离合器【l 引。 m 图2 3 串励直流电动机的机械特性图 同时，由于现阶段纯电动汽车的目标定位为城市内部的交通工具，而城市 的道路状况一般较好，交通信号控制系统相对完善，道路上的行人及其他车辆 较多，这要求车辆的车速不能过低以防止堵塞交通，也不能过高以防止危害他 人安全。根据有关统计数据，纯电动汽车的行驶速度大部分时间维持在每小时 3 0 公里至5 0 公里之间，这也使得纯电动汽车在目前的应用中，不必配备多档位 的变速器，而可以采用固定速比的传动系，这种设计方案不仅能降低整车的部 分质量，增加汽车的续驶里程，并且驾驶时只需要操纵加速及制动踏板，操作 更加方便，更易受广大女性用户的欢迎。本文k k 6 0 e z 系列纯电动汽车在设计时， 也采用固定速比的减速器以代替原型车的五档变速器。 传统燃料汽车均使用了车轮差速装置，这是因为汽车在改变直行状态时， 内外两侧车轮转弯时行驶轨迹为圆弧，但两者的圆心位于不同处，如果此时不 采用差速器，那么两侧车轮相当于固连，两侧车轮转速仍然相同，而外侧车轮 要在相同的时间内行驶较长的路程，这不符合有关的运动理论，因而外侧车轮 会产生拖滑等现象，这样就会导致轮胎磨损严重、转向困难、轮胎路面附着性 能变差等问题的产生【1 7 】，因而，必须采用差速装置使左右转向车轮的转速有所 武汉理i ：大学硕十学位论文 差别，而与转弯的行驶路程相适应。本文中纯电动汽车所采用的减速器的整体 结构之中有差速器的功能部件，可以满足上述使用要求。 传统燃料汽车电控单元的一个重要功能就是控制燃料的喷射和点火时刻 等，以保证燃料在内燃机汽缸内充分燃烧并尽可能多地转化汽车的行驶动力【】8 | ， 与此相似，纯电动汽车也需要配置电子控制系统，以控制牵引电机的输入电流 及电机的正反转等，确保纯电动汽车在不同工况下的动力供给。 较早使用的直流电机转速的控制策略，主要有在电枢回路中串接电阻及改 变电机磁极磁场等两种调速方式【1 3 】，但这些控制方式均属于有级调速的范畴， 需消耗部分能量，不能满足精准控制的需求，并且降低了纯电动汽车的续驶里 程，目前己基本淘汰。现阶段，直流电机控制系统中广泛采用直流斩波技术【1 3 】， 这种技术是在控制电路中增加相应的控制开关管，通过对开关管施加不同的控 制信号，改变其接通或者断开的状态，并进而改变输入至电机电枢的电压及电 流，通过物理原理调控电机的输出转矩，得到电机的不同转速。需要说明的是， 纯电动汽车的电机控制系统一般具有专用性，不能够在不同类型及不同生产厂 家的电机之间互换使用，这也需要生产厂家具有较强的面向用户的研发能力。 综上所述，可以分析得到纯电动汽车与传统燃料汽车在动力总成构成方面 的差异，主要有以下几点： 1 、纯电动汽车动力总成的构成更为简单，由于对使用环境的要求较低( 如 不需要冷却、润滑等) ，动力总成的附件数量明显减少，总体质量也显著降低， 这也有利于电动汽车在目前电池单体容量普遍不高的情况下，尽可能的获得较 大的续驶里程； 2 、在取消了离合器、变速器之后，纯电动汽车档位器结构变得简单，仅保 留了前进、倒档及空挡三个档位，与传统燃料汽车中自动挡的功能相类似，车 室内也仅存在制动踏板及加速踏板，使得操作踏板的动作变得简单，车速的控 制也更多的依靠加速踏板( 类似于“油门踏板) 。 本文研究的k k q 6 0 e z 系列纯电动汽车的动力驱动系统在经过严格计算和选 型后，最终确定采用串励直流电机、减速器( 带差速器) 及与电机相匹配的电 子控制系统等。该动力系统既能满足纯电动汽车动力性能的使用要求，又尽可 能地减轻了动力总成的重量。 限于原型车发动机舱空间和布置要求，本文中纯电动汽车动力总成悬置系 统的承载部分也仅包含直流驱动电机及减速器( 带差速器) ，而将铅酸蓄电池等 较为均匀地布置在后排座椅下方的汽车地板结构上，整车性能及驱动系统的具 9 武汉理t 入学硕十学位论文 体参数见表2 1 、2 2 、2 3 。由于本文不涉及驱动电机控制系统等电气部分的设 计与分析，故未列出其相关的参数。 表2 1k k q 6 0 e z 系列纯电动汽车整车性能参数表 项目参数 整车整备质量( k g ) 1 1 6 0 最高车速( k m h ) 6 0 最大爬坡度 2 0 最小转弯半径( m ) 5 长宽高( m m ) 3 3 0 0 1 6 7 0 * 15 4 5 轴距( m m ) 2 0 5 0 最小离地问隙( r a m ) 1 7 0 驱动方式日u 莺日u 驱 乘员人数( 人) 4 表2 2k k 6 0 e z 系列纯电动汽车直流驱动电机性能参数表 项目参数 电机型号 直流x o - 5 5 - 4 额定功率( k w ) 5 5 额定电压( v ) 6 0 额定电流( a ) 1 0 8 额定转速( r m i n ) 2 8 0 0 最高转速( r m i n ) 5 0 0 0 励磁方式串励 防护形式 i p 4 4 绝缘等级 f 定额( m i n ) 6 0 表2 3k k 6 0 e z 系列纯电动汽车减速器( 带差速器) 性能参数表 1 0 武汉理t 大学硕士学t ) = 论文 2 2 悬置系统所受激励分析 纯电动汽车的悬置系统是指牵引电机及减速器等在车身上的安装固定元件 及由其构成的承载系统，具体来说就是包括悬置元件及元件在车身上的安装位 置及安装姿态等【l9 1 。 由于纯电动汽车的直接动力来源于牵引电机而非内燃机，因此其动力悬置 系统所受的激励源也与传统燃料汽车有所区别，主要包括电机回转的不平衡惯 性力、惯性力矩、由工作循环问歇造成的不均匀扭矩、路面不平度和动力总成 运动方向的惯性力等，这些都会引起传动系统及电机机体的振动。具体来说， 纯电动汽车悬置系统的激振源主要有以下几种【2 0 】： ( 1 ) 由于电机转子质量分布相对于旋转轴线不对称而产生的离心力，该力 可以按式( 2 1 ) 近似计算： f = - m r 2 ( 1 )式( 2 1 ) 式中：m 为不对称分布的质量，r 为不对称分布质量质心距旋转轴线的距离， 为旋转的角速度。可以看出，这种不平衡力的大小主要取决于电机的转动速 度，并且与之成正线性倍数的变化关系； ( 2 ) 车轮等通过传动系对电机有反作用的扭矩，该扭矩可以近似看作周期 性的简谐形式的扭矩； ( 3 ) 电机定子和转子的同轴度精度导致的不平衡力，突出表现为电机转子 的旋转轴与定子轴线不重合； ( 4 ) 减速器及差速器的生产制造水平，导致齿轮啮合精度不够，啮合齿之 间存在间隙，容易产生间歇性接触力； ( 5 ) 电机通过减速器将力矩传递至差速器的过程中，齿轮啮合所引起的动 载荷变化； ( 6 ) 由路面不平度引起的低频随机振动输入，这种随机振动频率不规律但 几乎持续存在并对动力总成有振动激励的作用； ( 7 ) 汽车行驶过程中急加速、紧急制动或者急转弯时动力总成的惯性力等。 在离心力的影响下，电机转子会产生振动，进而引起电机机体振动，在较 高转速的情况下，即使不对称质量的数值很小，也会导致产生很大的离心力【2 l 】， 据有关计算表明，电机在3 0 0 0 r m i n 的转速时，转子质心若偏离其旋转中心 0 1 m m ，所产生的离心力就约等于转子的重量，这时的力的大小足以引起电机产 生较为明显的横向摆动。 武汉理j ：大学硕+ 学位论文 电机转子在设计、生产以及使用的整个过程中都会导致其质量相对于旋转 轴线分布不均匀的现象发生，例如转子的结构存在设计缺陷，生产制造能力及 生产工艺水平受限、转子与定子之间存在装配配合精度以及由于电机本身工作 时散热而产生热变形等，虽然电机生产厂家在产品出厂前会利用动平衡实验等 方法对上述误差予以校正，但其中某些因素无法避免，这也导致由转子质量分 布不对称导致电机机体振动的现象普遍存在。 在电机额定转速下，由于转速不是特别高，电机自身产生的振动激励的频 率较低，但此时车轮通过传动轴、减速器等对电机作用简谐反扭矩，导致电机 机体扭动，进而引起动力总成的整体振动，这是中低频率工况下的主要振动形 式；而当电机转速超过额定转速时，电机的转动频率较高，由电机转子质量分 布不对称或者定子、转子同轴度出现偏差等导致的偏心力较大，对电机的影响 也较为明显，由其引起的电机高频振动是此时动力总成振动的主要表现形式【2 2 1 。 不论低频或者高频振动都会直接影响动力总成的工作状况及悬置系统的性能表 现。 同时，由路面不平度导致的振动，也会通过悬架和车身传递到电机等动力 总成。虽然这种振动属于低频窄带随机振动，频率一般在2 5 h z 以下，但也会引 发动力总成的振动，并和电机自身产生的低频或者高频振动一起，综合影响动 力总成的振动形式。 电动汽车在急加速、紧急制动和大角度极限转弯等工况下，动力总成会受 到较大的纵向或者横向加速度，其产生自身惯性力也会作用于悬置元件，对悬 置元件造成较大的冲击力的作用，使其几乎在瞬间内发生较大的位移等。 对悬置系统进行设计和功能优化时，由动力总成自身振动和路面不平度导 致的振动而引起的系统频率变化以及由惯性力导致的悬置元件的变形情况都可 以作为极限条件用于指导悬置系统的设计、分析或者性能评价的相关依据【2 3 1 。 2 3 悬置系统的总体设计方案 2 3 1 悬置系统的设计要求 悬置系统的主要功能是将动力总成固定于车身、衰减两者之间振动的相互 传递( 需要说明的是，动力总成传向车身的振动来源于电机自身，而车身传向 动力总成的振动是经悬架传递的由路面不平度引起的不规律的波动形式) ，降低 武汉理t 大学硕十学位论文 由振动引起的车内噪声，以改善汽车的n v h 性能；把经悬架系统、车身传递到 动力总成的路面不平度的振动能量减小到最低限度 2 4 】。能否发挥上述功能主要 取决于悬置元件的结构、刚度、阻尼等参数以及悬置系统的布置形式、安装位 置和安装姿态等。合理的悬置系统既要能承载动力总成静态时的重量、满足动 态激励输入时产生合理响应的使用要求，又要防止在各种约束条件下产生过大 的变形，可以说，悬置系统既是动力总成的安装组件又是其减振装置，因而在 设计方案时，系统一定要符合以下几个约束条件【2 5 】： ( 1 ) 悬置系统的首要功能是承载动力总成，在设计时必须考虑在此重力作 用下悬置元件的变形状况，同时分析车轮反作用力矩的影响，使悬置元件能够 承受一定范围内的静载荷与动载荷，这就要求悬置元件要有一定的刚度，不致 过软，这样才能保证悬置系统具有耐久性，能够获得较长的使用寿命，并支撑 动力总成正常工作； ( 2 ) 悬置系统既要能够降低动力总成自身产生的振动传递至车身，又要能 够衰减路面不平度对动力总成的影响，因此，悬置系统应具有隔振的作用，其 性能的好坏一般采用隔振传递率来判定【2 6 】，该物理量的定义如公式( 2 2 ) 表述 所示； ，7 ：一崔肇婆娶i 式( 2 2 ) = - 二- 二二一工l 么z ， ( 1 一缈缈：) + 4 功缈二 其中，f 为悬置元件的阻尼比，彩为激励的输入频率，缈。为系统的固有频 率。 由上式可以推算出，当缈峨 2 时，隔振传递率7 l ，此时悬置系统才会 发挥隔振作用，这也是悬置系统隔振的主要设计依据。在此条件下，要求悬置 元件的刚度又不能太大，以避免导致系统固有频率的改变，进而影响隔振效果。 ( 3 ) 纯电动汽车在急加速、制动及急转弯等工况时，动力总成因为惯性而 对悬置系统作用较大的力，此时悬置元件应该发挥限制动力总成位移的功能， 防止其发生过大的位移，避免碰撞其它部位或者影响其他机构的正常运动等， 确保动力总成及其他相邻部件的正常工作； ( 4 ) 悬置系统应结构简单、价格低廉、性能稳定，能够降低汽车的生产及 使用成本，同时应该维修简单，易于操作等。 传统橡胶材料具有减振隔振效果优良、使用寿命较长、生产成本较低、制 造工艺简单、性能可靠性好等特性，现阶段仍然是悬置系统的主要原材料，并 武汉理一i ：大学硕士学位论文 且具有较大的继续开发潜力。基于整车生产成本及性能要求等考虑，本文中纯 电动汽车也采用橡胶悬置系统。 2 3 2 悬置元件材质及布置形式的选择 ( 1 ) 橡胶材料的选择1 2 橡胶材料按照其材料来源大致可以分为天然及合成产品两大类，其中合成 的橡胶产品又包括丁睛胶、氯丁胶、丁基胶等。一般来说，天然橡胶的刚度特 性、延展性、耐寒性及耐磨性较好，综合物理性能优良，且容易与金属粘接， 便于加工成所需的产品结构，但耐油性、耐热性较差；丁睛胶在油性或者一定 范围的高温环境中稳定性好，阻尼系数也相对较大、并且能够粘接至金属材料 而不易脱落，多用于汽车、轮船等的动力悬置系统；氯丁橡胶耐老化、耐氧化， 也能与金属牢固粘接，多用于抗老化、抗氧化要求较高的场合，但其易生热； 丁基橡胶的突出特点是阻尼系数较大，衰减和吸收振动的性能好，在寒冷、酸 性及富氧环境下性能稳定，但一般不能与会属材料一起加工成所需的悬置元件， 因而使用范围受到一定的限制，通常单独使用。 不同的合成橡胶产品是使用不同的硫化工艺生产而成的，性能差异较大， 因此在设计橡胶悬置系统时，应根据具体的使用要求和工作条件选择合适的橡 胶材料。本课题中，纯电动汽车动力总成在工作时，电机不会产生较多的热量 且不需使用机油进行润滑、维护等，悬置系统的工作环境良好，因而不需采用 特殊性能的橡胶元件，综合考虑，选用较为常见的氯丁橡胶材料的悬置元件。 ( 2 ) 元件具体结构的确趔2 8 j 目f j ，橡胶材料应用于悬置系统时，大致将其加工成为三种具体结构，即 压缩型、剪切型及倾斜型。其中，压缩型的元件在轴向方向的刚度大而径向刚 度小，经常应用于轴向承载功能为主而径向振动激励小的动力总成支承场合； 剪切型与压缩型的结构特点几乎相反，其轴向方向的刚度参数值小，而在径向 的刚度大，因而主要用于衰减和隔离径向的振动，轴向的承载功能较差；倾斜 型的结构特点是轴向和径向的刚度值都比较适中，能全面的发挥承载和隔振的 作用，应用比较广泛，但对安装精度等有一定的要求。各个结构形式见图2 4 所示。 1 4 武汉理 人学硕七学位论文 i 豳 l a 压缩型橡胶元件b 剪切型橡胶元件c 倾斜型橡胶元件 图2 4 橡胶元件结构形式示意图 本文中，以驱动电机为主体的动力总成自身产生的及由路面不平度引起的 振动频率均不太高，动力总成的质量也不太大，因而选择结构较为简单的压缩 型结构的悬置元件。 ( 3 ) 悬置元件数量的确定 悬置元件的数量取决于动力总成的结构尺寸、质量大小和安装方式等因素， 悬置系统一般包含三至四个或者更多个悬置元件，根据元件个数布置相对应的 安装方案。三点式悬置系统的优点是：易于准确计算并分配三个悬置元件所承 受的动力总成的重量，且静载荷的值不受加工及装配状况等影响，对于发动机 机舱空间比较狭小的轿车，能够容易的布置该形式悬置系统的安装位置，利于 整车总体布置的实现1 2 9 】。三个悬置元件确定一个承载平面，这就使得悬置系统 能够始终与车身保持一定的安装角度，而不受车身变形等影响，并且各元件的 安装点近似位于三角形的三个顶点，可以有效地抵抗并衰减某一方向的扭转振 动。四点式悬置系统中悬置元件一般呈对称形式的布置，能承受较大的扭矩作 用，且受力比较均匀，但是此系统在转动方向上前后元件的刚度叠加，使扭转 刚度过大，而当动力总成以低频形式振动时，工作性能较差；多点式悬置系统 主要应用在动力总成质量和尺寸较大的场合，多个悬置元件的主要功能除了隔 振和减振外，还要承受较大的重量，避免动力总成的弯曲变形等现象的产生。 本文中动力总成的质量不大，结构较为紧凑，因此悬置系统采用三个悬置元件。 ( 4 ) 悬置系统的布置形式 悬置元件安装在车架上的相对位置关系有下面三种【3 0 j ： 1 ) 平置形式。在这种形式的布置方式下，悬置系统的子元件的安装位置近 武汉理：= 人学硕士学位论文 似位于同一平面，并且每个元件的局部坐标系与动力总成广义坐标系对应平行， 这也是最简单的布置方式。 2 ) 斜置形式。悬置元件保持某一坐标轴方向平行于动力总成的广义坐标 轴，而在其它方向均存在一定的倾斜角度且角度可以微调，这种形式常用于动 力总成横向稳定性较好或者横向固有频率较低的场合。 3 ) 会聚形式。这种布置方式要求各个悬置元件的主设计刚度轴会聚在一 点，因而对设计和安装精度要求高，具体装配操作困难，且难以保证安装及使 用过程中始终保持设计的理想状况，因而应用较少。 本文中，限于原型汽油车发动机舱的空间布置及产品的性能要求等因素， 选用平置形式的悬置系统，且3 个悬置元件分为位于动力总成的前、后及左侧， 具体安装坐标位置见后续论述。 2 4 本章小结 本章介绍了研究对象的动力总成的构成，分析了悬置系统所受激励的束源， 并且结合研究对象的实际，初步确定了本文中悬置系统的设计方案，即采用三 个压缩型结构的橡胶材质的悬置元件，以平置形式构成悬置系统。 1 6 武汉理】：人学硕十学位论文 第三章动力总成动力学模型的建立 3 1 系统动力学理论和a d a m