（车辆工程专业论文）燃料电池车瞬态工况下动力总成悬置振动系统的分析与优化.pdf

摘要 摘要 燃料电池轿车作为一种新型能源汽车，受到国内外广泛的关注，有着广阔的 发展前景。由于人们对于汽车舒适性要求的日益提高，以及悬置系统对整车n v h 性能的重要影响，动力总成悬置系统的研究设计逐渐成为燃料电池车系统开发过 程中的重要环节之一。 由于燃料电池车的动力系统及动力传动系统不同于传统发动机车，其动力总 成悬置系统的隔振特性及设计要求也不同于传统发动机车。燃料电池车由电机驱 动，在稳定运行过程中比传动发动机车平稳，但由于电机的高驱动能力，在加速、 制动、转向工况下悬置系统会有比传统发动机车大的瞬态响应。 针对上述问题，本文以同济大学研制开发的“超越三号”燃料电池轿车为分 析对象，对其动力总成悬置系统进行研究讨论。首先，通过悬置系统动力学计算 及激励分析两个方面，建立了燃料电池车动力总成悬置系统动力学模型。通过三 组试验，对动力总成的质量、质心、惯量参数及橡胶悬置件的刚度参数进行了识 别。在此基础上，对系统的固有特性包括固有频率、振动耦合及传递特性进行了 分析。同时建立了系统瞬态响应下动反力及位移的振动评价指标，并基于此对加 速、制动、转向工况下的瞬态响应特性及在瞬态响应下各激励的影响权重进行了 研究讨论。最后，运用遗传算法，以悬置点坐标、悬置件刚度为优化变量，以各 悬置动反力瞬态响应为优化目标，对系统进行优化，提出了优化设计方案，并对 优化前后的系统固有特性及瞬态响应特性进行了比较，结果表明，优化设计方案 的效果较为理想。 关键词：动力总成、悬置系统、隔振、耦合、遗传算法、优化 a b s t r a c t t h ef u e lc e l le l e c t r i cc a r ( f c e c ) ，f o ri t sn e w e n e r g yr e s o u r c ec o n s u m m g ，h a s d r a w ng l o b a la t t e n t i o ne x t e n s i v e l y , a n dh a sw i d ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t a sp e o p l e 。s r e q u i r e m e n t so nr i d i n gc o m f o r to fa u t o m o b i l e sa r ei m p r o v i n g , t h er & d o nt h e p o w e r - t r a i nm o u n t i n gs y s t e m ，o n eo ft h ek e yf a c t o r so f t h en v hp e r f o r m a n c e ，h a s g r a d u a l l ye m e r g e do n ei m p o r t a n tp a r to ft h ef c e c ss y s t e m a t i c v e h i c l ed e v e l o p m e n t p r o c e s s e s t h ep o w e rs y s t e ma n dp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ff c e c d i f f e rf r o mt h a to f 仃a d i t i o n a le n g i n e dc a r , s ot h ei s o l a t i o np e r f o r m a n c e a n dd e s i g nr e q u i r 咖e n t so t f c e c ，sp o w * t r 咖m o u n t i n gs y s t e mi s a l s od i f f e r e n t p o w e r e d b y m o t o r w h l c n c o u l dp r o v i d eh i g ht o r q u eq u i c k l y , t h ef c e ch a sh i g h e rd y n a m i cr e s p o n s e t n a n e n g i n e dc a ru n d e r t h ec o n d i t i o no fa c c e l e r a t i o n ，b r a k i n ga n ds t e e r i n g t h i st h e s i s w i t ht h e s t a r ti i i d e v e l o p e db yt o n g i iu n i v e r s i t ya st h es t u d y i n g o b i e c t ，i sar e s e a r c ho nt h ef c e cp o w e r - t r a i nm o u n t i n gs y s t e m f i r s t l y , ad y i 】锄1 c v i b r a t i o nm o d e li sb u i l t ，i n c l u d i n gt w oa s p e c t so fm o u n t i n gs y s t e ma n de x c i t a t i o n a n dt h ek e yp a r a m 曲e f so ft h es y s t e m a n dr u b b e rm o u n ta r ei d e n t i f i e dt h r o u g ha s e l l e s o fe x p e r i m 饥t s o nt h eb a s eo ft h a t ，t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m 撇 a i l a l y z e da n dc o m p a r e d v i b r a t i o ne v a l u a t i n gi n d e x e sf o rf o r c ea n d d i s p l a c e m e n to t m 删i n gs y s t 钌n i nt h ep r o c e s so ft h et r a n s i e n tr e s p o n s ea r eb u i l t ，b a s e do nw h i c h ，t h e s v s t 锄，sc o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec o n d i t i o no f a c c e l e r a t i o n b r a k i n g a u l ds t e e r i n gi ss t u d i e d a l s o ，e v e r ye x c i t a t i o ni nt h ep r o c e s s o ft h et r a n s l e n tr e s p o n s e i sa n a l y z e d a tl a s t ，ap r a c t i c a lo p t i m u md e s i g ni sm a d eb yg e n e t i ca l g o r i t h m ，1 n w h i c hm i l l i m u i no fr e a c t i v ef o r c e sa r eo b j e c t i v e s ，m o u n t sl o c a t i o n a n dr u b b e r7 s s t i 锄e s sa r et h eo p t i m i z e dv a r i a b l e s c o m p a r i s o ns h o w st h a t ，a f t e ro p t i m u md e s l g n ， t h ei s o l a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e r - t r a i nm o u n t i n gs y s t e mh a sb e e ni m p r 0 v e d k e v w o r d s ：p o w e r - t r a i n ，m o u n t i n g ，i s o l a t i o n ，c o u p l i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ， o p t i m i z a t i o n 2 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝作者躲弘姊 年月 e l 经指导教师同意， 本授权书。 指导教师签名： 年 本学位论文属于保密，在年解密后适用 学位论文作者签 名： 月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原仓小 生声明的法律责任 由本人承担。 虢桫尹 9y 年) 月叩日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 当今世界石油资源紧缺、环境污染等问题受到越来越广泛的重视，此外汽车 逐渐成为人们不可或缺的代步工具，人们迫切希望能有一种新型的能源来驱动汽 车。在这个大背景下，清洁无污染的燃料电池车应运而生，并受到了广泛的关注。 氢燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置，国际上普遍认为，不远的将来燃料 电池汽车将会逐步取代传统的内燃机汽车，各国政府极力倡导燃料电池车的研究 开剔1 - 3 1 。一些欧美和日本的汽车公司早在9 0 年代初就开始研制燃料电池车，美 国通用汽车公司是燃料电池车开发的倡导者之一，先后开发出h y d r o g e n l 及其 2 ，3 代燃料电池汽车，2 0 0 5 年通用汽车在上海国际汽车展上推出了s e q u e l 燃料电 池车；福特公司在1 9 9 8 年推出了p 2 0 0 0 燃料电池车，2 0 0 2 年在美国纽约国际汽 车展上展出了第三代f o c u s 燃料电池车；同本丰田汽车公司于1 9 9 2 年开始研制 燃料电池车，而且日本还制定了一个燃料电池汽车产业化的庞大计划。很多国家 对燃料电池车的研发已经迈出了实质性的一步。 在这个大背景下，我国启动了“十五国家8 6 3 计划电动汽车重大专项。在 该专项的资助下，同济大学等研究机构承担了燃料电池轿车的设计研发工作，并 且取得了较大的突破。数年来，研制开发了四代“超越 系列燃料电池轿车，并 受到了国内外广泛的好评。但值得关注的是，以往的相关研究工作主要集中在整 车动力性的实现和提高，以及各部件匹配等问题上，对动力系统的振动情况没有 太多的涉及。虽然电机的运行相对发动机较平稳，但是在行驶过程中燃料电池车 动力总成的振动噪声问题还是存在的，是车内主要振动噪声源之一。尤其在加速、 减速以及转向工况下，动力总成的振动问题尤为突出，这不仅影响了整车的舒适 性，而且容易使各部件发生干涉，极大地影响了动力总成及周边部件的寿命。所 以对于瞬态工况下燃料电池车动力总成悬置振动系统的分析与优化是一个急需 解决的课题。 以往的燃料电池车动力总成系统悬置设计大多直接借用发动机悬置系统的 方案，但是发动机和电机的激励特性、运动特性以及结构特性都不相同，照搬发 动机悬置设计方案不可避免地会出现一些问题。国内外针对电机动力总成悬置问 题并没有过较系统的研究和论证。所以对电机动力总成系统悬置的研究将有一定 理论指导意义。从“超越三号 燃料电池车的试运行结果来看，燃料电池车比传 统车有更好的加速、制动性能，但这同时带来了一个负面影响，那就是电机在极 第l 章绪论 短的时间罩输出较大的扭矩容易使悬置系统有较大冲击力传递到车体，这就是为 什么燃料电池车在加速减速以及大速度变化时有抖动现象存在的原因之一，对于 电机动力总成( 包括传动系统) 以及周边一些部件的j 下常工作有很大的不利影响。 所以有必要在加速、制动以及转向工况下针对悬置系统振动情况进行进一步的研 究，对提高燃料电池车的舒适性有一定的实用价值。本研究课题是针对“超越三 号”燃料电池轿车而展丌的。 建立准确的燃料电池车动力总成悬置系统动力学模型是比较重要的。在借鉴 发动机悬置系统模型的基础上针对其不同方面进行改进，不仅可以节省成本也可 以缩短开发周期。 1 2 悬置系统的特点及其现状 1 2 1 悬置系统的作用及设计要求 车辆运行时，动力系统会产生振动和噪声，通过动力总成与车架直接传递到 车体，同时地面的激振力通过轮胎和悬架系统也传递到车身，这对车辆的舒适性 和稳定性造成很大的不利影响。为此，悬置系统应运而生，汽车动力总成悬置系 统是指动力总成与车架之间通过弹性悬置元件连接而成的系统。总的来说，悬置 系统主要起到以下作用【4 1 ： ( 1 ) 支承。支承和固定是悬置系统的基本功能之一，它必须首先保证将动 力总成稳定而牢固地固定在车架上。 ( 2 ) 限位。在受各种干扰力作用的情况下，动力总成会在各个自由度方向 上有一定的位移，即有平动位移，也有转动角位移。悬置应能有效地限制其最大 位移，以避免与临近部件的发生干涉，加速部件的损坏。 ( 3 ) 隔振。降低从动力总成传递到车架的稳态振动；隔离因汽车底盘受不 平路面和不平衡车轮激励的稳态( 随机) 振动向动力总成传递，消减动力总成的 低频抖动( 6 - - 1 2 h z ) ；降低加速、制动、转向等工况下动力总成的瞬态振动及 这种振动向车身传递。 ( 4 ) 允许车架或车身扭转而不致给机身造成过多的参与应力，并防止各装 置有过大的参与变形。 ( 5 ) 对动力总成来说，还有保护功能，车辆在行驶过程中，动力总成可能 因承受过大的冲击载荷而损坏。因此悬置软垫本身，必须可靠耐久，能适应各种 恶劣的工作环境，必须起到保护动力总成的作用。 理想的悬置在7 1 2 h z 范围内应该具有大阻尼、高刚度的特性，不但可以 2 第l 章绪论 支撑动力总成的重量和输出扭矩，衰减汽车起动、制动、换档以及急加速、减速 等过程中因动力系统输出扭矩波动而引起的振动，而且可以迅速衰减因路面、轮 胎激励孳| 起的动力总成低频振动；理想的悬置在高频范围内应该具有小阻尼、低 刚度的特性，以降低振动传递率，提高降噪效果。显然理想悬置动特性的要求十 分复杂，有时甚至是相短矛盾的【5 】。 此外，悬置系统设计性能的好坏直接关系到动力总成振动向车体的传递，影 响整车的n v h 性能、汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性、平顺性及汽车零部件的 寿命。 l 。2 2 悬置元件的觋状与发展 悬置元件经过较长时期的发展，已经有了多种结构形式，按结构分大体可以 分成橡胶悬置和液压悬置；同时，液压悬嚣按功畿或控制方式分又可以分为被动 式液压悬置、半主动式液压悬雹和主动式液压悬鼹。 橡胶悬置由于结构简单、易于实现、经济性好等特点已被广泛成雳于工程领 域，按其结构通常可分为复合型、剪切型和压缩型3 种形式。橡胶悬置力学模型 可以由s w a n s o n 建立的经典模型表示( 如图1 1 ( a ) 所示) ，它由一个弹簧和一 个粘性阻尼构成。由于阻尼的原因橡胶悬置的动刚度在高频时会沈在低频时显著 增加( 如图1 1 ( b ) 动刚度曲线所示) 。 裳 k e ( a ) 机械模聪( b ) 动剐度曲线 图1 1 橡胶恩置特性图 1 9 6 2 年，通用汽车公司的r i c h a r dr a s m u s s e n 首先取得了第一个液压悬置的 专利l o j 。液压悬置是传统橡胶悬置与液力阻尼组成一体的结构，图1 2 为解耦膜 式液压悬置结构简图。液压悬置克服了传统动力总成橡胶悬置阻尼偏小的局限， 能够更好地满足汽车动力总成隔振的要求。液压悬置具有低频阻尼大，高频动刚 度小，减振降啜更为理想等特点，可有效地衰减汽车动力总裁振动。液压悬置困 其良好的隔振性能而被广泛应用于现在的汽车中。很多学者通过实验和理论分析 证骧了液压悬置相对于传统的橡胶悬置可以明显改善汽车的行驶平顺性、舒适 性，并降低噪声。 经过二十多年的发展，液压悬置结构国简单到复杂，控制方式也由被动式发 3 第1 章绪论 展到半主动控制式及主动控制式，设计生产技术同趋成熟，应用同趋广泛，液压 悬置已成为动力总成悬置未来发展趋势。 图1 2 解耦膜式液压悬置结构简图 1 橡胶主簧2 隔板3 空气室4 下支撑壳5 橡胶膜6 中间支撑7 节流螺旋通道 a 上液室b 下液室 1 2 3 悬置系统理论的现状与发展 一般对于汽车动力总成悬置系统的研究主要从两个方面进行：一方面是对悬 置件动态特性进行研究，包括橡胶悬置和液压悬置的研究；另一方面是从振动理 论出发，研究整个系统的隔振特性和支撑参数优化问题。 国外对悬置的研究起步较早，早在上个世纪3 0 年代末，i l l i f e 就提出了悬置 系统设计的一些基本原则，2 0 世纪5 0 年代由h o r i z o n 和h o r o v i t z 完成了六自由 度解耦理论和计算方法，他们将汽车动力总成和车架均视为刚体，将减振橡胶块 视为纯弹簧，利用动力总成惯性主轴特性和打击中心理论阐述了如何调整橡胶悬 置的安装位置和悬置刚度，使动力总成前后悬置的振动相互独立，然后分别按单 自由度线性振动系统处理，他们认为系统垂直方向固有频率和绕曲轴方向的固有 频率应小于发动机怠速时相应扰动频率的三分之一，这样可以获得较好的减振效 果。这是较早出现的较成熟的悬置设计理论，对于后人的深入研究有着积极的指 导意义。 上世纪七十年代，t o s h i o ，s a k a t a 用机械阻抗法研究悬置刚度与车内噪声的关 系；同时，b l b e l t e r - k n i g h t 利用打击中心理论，考虑使各悬置点尽可能靠近弹 性体振动节点位置，提出合理布置动力总成悬置系统的方法。 1 9 7 6 年，s c h i n i t t 和c h o r l e s t l e i g a n g 通过研究表明，悬置系统的振动特点 主要取决于悬置的刚度，而振动幅值除了刚度外还和悬置阻尼大小有关。从隔振 角度来考虑悬置刚度应该小些，但是刚度太小又会引起动力总成振动位移增大， 4 第l 帮绪论 容易与其健部件发生运动干涉；从悬置阻尼考虑，为了减少振动幅值，应在振幅 大时有较大的阻尼，而振幅小时阻尼应小些，以减少高频噪声。在该理论的指导 下，最人将悬霞系统力学模型进步简化，建立了受至l 广泛运用的六自由度剐度 一阻尼弹簧悬置动力系统模型。 1 9 7 9 年，j o h n s o n 首次将优化技术应用于悬嚣系统的设计，以合理配置系统 固有频率和实现各自由度之闯的振动解耦为目标函数，以悬置刚度和悬置坐标为 设计变量进行优化计算，结果使系统各平动自由度之间的振动耦合大为减少，且 保证了系统六阶固有频率在所期望的范圈内f 魏。 1 9 8 2 年，r r a c c a 以限制悬鬣空间、悬置位置、刚度、固有频率和振动解耦 等方藤来考虑悬置的减振隔振性能，对传统的f r 式悬置系统设计进行了全面怂 厶 匀日o 1 9 8 4 年，g r e c kp e 癣lp a t t o nr d 认为发动枫悬置系统最主要的作用是隔离 低频振动，这就要求系统的侧倾固有频率要低，以减小发动机不平衡扭矩引起的 振动。因此，他们以侧倾运动解耦、降低侧倾模态的固有频率为目标对悬置系统 进行了优化，并提出了较为合理的悬置设计原则网。 1 9 8 7 年，h h a t a 和h t a n a k a 对怠速工况下发动机悬置系统的振动进行了深 入研究，并且指出了优化悬置嚣l 度麓效果不如优仡悬置位置好；车身弯曲共振频 率应该高于怠速频率，且越大越好；动力总成的熟振频率应小于l 2 倍的怠速 频率1 9 】。 1 9 9 0 年，d e m i c 应用优化技术，以悬置处响应力和响应力矩为目标函数， 对悬置系统位置与特性进行了优化。经过实验验证，该方法具有良好的效果并得 至 j 了广泛的运溺【澜。 上个世纪8 0 年代开始，国内的许多学者开始针对发动机悬置系统开展大量 研究，并取得了一定的成绩。 1 9 8 3 年，徐石安等人提出在发动机悬置系统优化的方法上，无论是振动解 耦还是合理分配固有频率，比起降低振动传递率柬说都是次要的。他们以悬置处 的动反力响应幅值最小为目标函数，适当控制系统的固有频率，取得了较好的效 果。 1 9 8 8 年，钱振为等人指出发动视悬蓬系统的振动特性对整车的振动模态有 一定的影响，通过调整发动机悬置系统的结构动参数就可能降低汽车行驶时的振 动响应，同时给出了动力总成六自由度振动力学模型的解释。 1 9 9 2 年，上官文斌等人从工程实用角度出发，给出了动力总成悬置优化设 计的方法，在搬矩轴坐标系中建立优化模型，以系统国有频率为霹标函数，充分 考虑到系统解耦、打击中心理论应用、一阶弯曲模态节点选取等原则，并以此为 5 第l 章绪论 约束进行优化计算，取得了良好的效剁”】。 1 9 9 4 年，王立公等人率先在国内对液压悬置结构发展进行了系统论述，阐 述了各种典型的液阻悬置的结构工作原理、性能特点及其发展趋势【4 j 。 1 9 9 5 年，徐石安等人对悬置系统提出新的研究方法，把汽车看成由发动机、 车架、驾驶室和车桥等子系统构成的组合系统。对各子结构的动态特性按照一定 边界条件进行组合，获得整个组合系统的动力学方程，求解这个方程即可得到其 动态特性。若只修改其中某j 子结构，原有其它子结构的特性仍保存。把发动机 ( 包括悬置) 看作系统中的一个子结构，那么可以事先根据各类汽车共有的特点， 找出发动机和其它子结构在整车中的一般匹配关系。这样，无需建立整车振动模 型和方程，直接根据发动机子结构所确定的动态特性就能比较准确的预估出整车 的振动状况。这就在理论上为六自由度振动模型的建立作出了解释。同年，徐石 安又提出了以能量法对发动机弹性支撑进行解耦计算，此方法适用于任何复杂的 刚体，完全能代替传统的方法，且能够适应于结构上缺少明确对称面的发动机( 如 前置前驱动发动机) 总成的弹性支撑设计【1z 】。 1 9 9 9 年，裘新等人建立了一种轿车动力总成液压悬置及副车架系统的非线 性力学模型，进行了系统固有振动特性的模拟计算，同时对液压悬置和橡胶悬置 的隔振特性进行了对比分析，并得到实验模态分析的证实【13 】。 2 0 0 2 年，吕振华等人对国内一种轿车的发动机液压悬置建立了集总参数的 力学和数学模型，进行了动态特性仿真，并与试验测试结果进行了对比分析，其 研究方法具有一定的指导意义 4 】。 国内外很多学者对悬置系统的振动机理及隔振特性进行研究的同时，对悬置 本身的结构和动态特性也展开了大量的研究工作。近来国内外发动机悬置的诸多 研究主要在液压悬置方面的应用和分析比较。 以上国内外针对发动机动力总成悬置系统的研究成果奠定了悬置系统的理 论基础，并得到了广泛的运用和发展。但是对于电机动力总成悬置系统的研究理 论暂时相对还是个空白，对它的研究方法可以借鉴发动机动力总成悬置系统的理 论，结合电机的激励特性及结构特性进行进一步改进。 1 3 本文的研究思路及主要内容 由前述所知，目前对发动机动力总成悬置系统的研究比较全面，有较为成熟 的理论，但针对电机动力总成悬置的研究还处于起步阶段。本课题以“超越三号” 燃料电池车动力总成悬置系统为研究对象，针对其结构特性、激励特性建立六自 由度悬置系统动力学模型，并利用m a t l a b 数学软件实现仿真，在此基础上进 6 第1 章绪论 行研究分析。主要完成如下的工作： ( 1 ) 从悬置系统动力学计算及激励分析两个方面，建立了燃料电池车动力 总成懋置系统动力学模型； ( 2 ) 通过试验对动力总成质量、转动惯量、质心参数以及橡胶悬置件刚度 参数进行识别； ( 3 ) 在m a t l a b 软件中实现动力学模型仿真，对动力总成悬置系统的固有 特性以及瞬念工况下的响应特性进行分析； ( 4 ) 以降低瞬态响应为冒标，对悬置系统进行优化设计，并对优化前焉系 统的隔振效果进行比较。 7 笫2 帝曲山总成怂w 系统曲山掌模型址d 第2 章动力总成悬置系统动力学模型建立 要对动力总成悬置系统进行特性分析，首先必须建立相应的动力学模型。系 统响应主要山系统内部特性及激励两个方面决定。本章首先建立了悬置系统六自 由度动力学子模型；其次对系统各个激励进行分析并建立了悬置系统激励子模 型。结合六自由度动力学子模型及激励予模型实现了动力总成悬置系统的动力学 模型。 2 1 动力总成悬置系统子模型建立 2 1 1 动力总成悬置系统简介 图2 1 为“超越三号”燃料电池车动力总成系统的结构模型图。 图2l 动力总成结构模型幽 l 变速箱2 悬置臂 3 悬置34 半轴输出端5 悬簧26 悬i 臂 7 l u 机8 悬暨1 9 悬置臂 “超越三号燃料电池车动力总成系统主要包括电机、变速箱( 内置差速器) ， 其布置方式属于前置前驱式( f f ) 。动力总成通过三个橡胶悬置元件连接到副车 架上，从而形成了一个隔振系统。在其坐标系下，悬置的布置方式为平置式。 差速器设计于变速箱壳体内。动力由电机输出，经过变速箱差速器输出到 笙! 童塑是壁垡茎篓登堑垄塑堂燕型些堡 半轴上。图2 1 所示的动力总成馕置方向是工作状态时的位置方向，其坐标系的 方向和整车坐标系相符。为了便于分析，分别命名图示8 、5 、3 三个悬置的编号 为悬置l 、悬置2 、悬置3 。 2 1 2 模型建立的假设条件 在建立动力总成悬置系统动力学模型之前，首先有必要进行以下假设： ( 1 ) 被支撑物( 动力总成) 是一个刚性体； ( 2 ) 基础是完全刚性的，质量为无限大； ( 3 ) 动力总成悬赞系统的坐标轴方向与整车坐标轴方向相同，原点在总成 质心处； ( 4 ) 恢复力的方向和正位移方向相反时为正，恢复力矩的方向和正转角方 离相及时为正； ( 5 ) 每个橡胶悬鼹件没有质量，只有刚度和阻尼。 此外，对橡胶悬置元件的力学模型，有如下说明： 橡胶元件有3 个正交弹性主轴u 、v 、w ，弹性主轴的交点。为弹性中心。 当作用力平行于弹性主轴并通过弹性中心时，只产生平移丽不产生角位移。一般 橡胶元件的三维动力学模型如图2 2 所示。其中，吒、k w 为3 个弹性主刚度， 相应的q 、印为三个弹性主轴方向的阻尼。 图2 2 橡胶元件三维动力学模型 由于超越三号悬置布置方式是平置式的，悬置件的弹性主轴和坐标轴方向相 符合，所以弹性主轴u 、v 、w 方向即为x 、y 、z 方向。 9 第2 章动力总成悬冒系统动力学模型建啦 图2 3 动力总成悬置模型简化图 y 图2 3 是动力总成悬置系统的简化图，其中1 、2 、3 点分别对应三个悬置点 位置，坐标原点0 与动力总成质心重合，x 轴为整车前进方向，y 轴为前进方向 的左侧、z 轴为垂直向上。 2 1 3 动力总成悬置系统动力学模型 首先考虑对于空间某一点的受力情况，如下式： c = 只 f p = fp f = e m ；= f z y f v z m ，= e z 一互z m z = f y x r y 如果空间有n 个悬置点共同受力，则有下式： 图2 4 空间一点的受力分解 其中 c = 名 i = 1 = 毛 i f f i l e = 疋 ，= l 丝= 峨咒一弓弓) i = l 呜= ( 气刁一最) ( 2 1 ) 扣i 哆= ( 易玉- f j a 1 0 以及有 第2 章动力总成悬置系统动力学模型建 匿h 拂黼 阱 一3 哆 3 x 一3 晖习 将式( 2 2 ) ( 2 3 ) 分别代入式( 2 1 ) ，联立得到 一j 诤 3 9 一j 曙 一j 。 一3 器 j z 设其为m 膏= 喜4 霆 一3 诺 j x 一3 曙卜黼 圈 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 瓦、疋动力总成第i 个悬置三个坐标方向的动反力； 卧辫、互第i 个悬置的三个坐标值； x - , 弦z 动力总成旗心的三个坐标方向 哦、够、见动力总成绕三个坐标轴 位移； 的旋转角。 ( 2 4 ) 其中，x = 卜j ，z 最g 皖 r 为动力总成的六个自由度的广义坐标表 x y三 g 。g 晓 以吨也 。 一 一 。，。，。l o o l 乃噬0 0 1 o 吃0 薯，了 1 o o o 芬9 _ 。瑚 | l ；。y馥|：哆。包 工尻 也 _。，。，。l 第2 章动力总成悬置系统动力学模型建。讧 达式( 如图2 3 ) 。 橡胶件力学模型，如下式： 阱卜铭 阱c ； 鼍 a y i 厶z i 薯 厶y i z i k 阁 l 他j 一 吒删 式中：气、勺、q 第i 个悬置三个坐标方向阻尼； 稚、b 、吒第 敏i 、姆i 、z t i 个悬置三个坐标方向刚度； 第i 个悬置三个坐标方向的位移。 悬置点位移和速度与质心的位移和速度的关系如下【1 6 】： 设其为 同理 薯 y l 厶z i - = bt x 1 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) xyz最g见 咣薯。 刁o 屯 o ，咒 0 0 1 0 1 0 l o o 。l = r_；，0j 而辫刁 第2 章动力总成悬置系统动力学梭型建沈 薯 y t 乏 最 g 晓 从懈忍x 旺7 ) 膨戈= 一4 g 垦膏一4 髌x 其中，= ee 芝坂m y 丝 r 是悬置系统的激励向量，其元素为6 2 。2 激励子模型建立 2 2 。1 激励的综合分析 燃料电池轿车由电机提供动力而非传统发动机，因此悬置系统激励与传统发 动规车有较大熊区别。传统发动枧车动力总成悬霆系统有如下几个激励瑟7 】： ( 1 ) 不平衡力回转运动质量所产生的离心力及离心力扭矩； ( 2 ) 不平衡往复运动质量所产生的惯性力及惯性力矩； ( 3 ) 着火脉冲引起的反作用简谐扭矩即倾覆力矩； ( 4 ) 个别气缸不发火或爆发压力不均匀； ( 5 ) 因枫身( 曲柄箱) 弱性不足导致内力矩输出所引起的振动； ( 6 ) 由路面不平引起的低频随机激励。 其孛，前3 顼激励为主要激励。 发动机动力总成悬置系统的激励是由发动机结构及工作运动特性所决定的。 1 3 讲鼍o 毛g ， o 吒 m o 0 1 o l 0 1 e 0 。，。，。l l l 1，；j 膨鳓筋 第2 章动力总成悬置系统动力学模型建、， 由电机系统内部结构及工作特性分析得到燃料电池车动力总成悬置系统有如下 激励t ( 1 ) 由电磁效应所引起的电机扭矩波动； ( 2 ) 动力传动系统扭转振动； ( 3 ) 整车运动对动力总成的惯性力激励： ( 4 ) 转子不平衡产生的离心力所引起的电机振动； ( 5 ) 由路面不平引起的随机激励。 电机转子不平衡所产生的离心力对电机动力总成悬置系统的影响非常小1 1 8 1 。 此外，路面不平经过车轮、悬架、副车架的几重隔振对于悬置系统的影响也非常 小。故上述第4 、5 项是次要因素。 以下激励分析从电机工作转矩、动力传动系统扭转振动及整车运动对动力总 成的惯性力三个方面展开。 2 2 2 电机工作转矩激励模型 “超越三号”燃料电池车采用是永磁同步电机( p m s m ) 。电机学中讨论的 理想电机是指由正弦波电源供电且具有空间正弦分布绕组和均匀气隙的电机。在 这种理想条件下，p m s m 的感应电动势和电流为正弦波。但在电机实际运行过 程中，其永磁转子的励磁磁场或定子绕组的空间分布都不是理想的正弦波，因此， 实际电机转矩会有波动。以下分析这种永磁体磁场非正弦分布下的实际转矩波动 特性。 由电机学【1 9 2 0 】可知永磁同步电机d - q 坐标下电压方程为 足岛+ m q ( 2 1 0 ) 足+ 沙锄吃 永磁同步电机模型考虑磁场非正弦分布时，式( 2 1 0 ) 中的、所计算式 如下【2 1 3 1 】： 髂z ：= 滚c c o o s 8 6 6 0 见, 二g z z q 掣c o s l 2 2 0 曩。 眩 【。= o + 6 + 1 2 + 其中 1 4 + + l g 0 唱 嘞 厶 如 一 叱百堕出 助 如 = = “ ” 第2 章动力总成悬鬣系统动力学模型建迂 o2 蚝。誓2 纷 | o = o 62 ( 6 m 6 + m d r 6 ) o j 62 ( 6 m 秽6 + m 6 ) o( 2 1 2 ) 1 22 ( 1 2 m 蟛, l z + 吩t 2 | 1 2 = 0 2 毳，：鑫幺1 2 ) 誓 又有 伎= n 出+ 吼 ( 2 1 3 ) c o , = p o c o ( 2 1 4 ) 式中：、l , q 定子d 、q 轴电压； 0 屯定子d 、q 轴电流； 岛、厶定子d 、q 轴自感； 墨定子电阻； 鸩、鸠定子d 、q 轴互感； 膨蛳、肘卿定予d - - q 轴、q - - d 轴互感第i 阶谐波分量； 蚴、嘞定子q 、d 轴与永磁体的互感； 、定子d 、q 轴磁链第i 阶谐波分量； 野永磁体产生的磁链； 0 等效励磁电流： 包电动机转子直轴与a 相定子绕组轴线的夹角( 电角度) ； q 电动机电角速度； 国电动机转子角速度； 岛转子对极对数； 目标指令转矩输入电机控制系统，经过转换可以得到定子q 轴指令电流转化 式如下： ，= 垫纷+ (215)2 。j 孽 1 5 第2 章动力总成悬冒系统动力学模型建正 式中：r 电机目标指令转矩； + 定子q 轴指令电流。 电机控制系统通过p i 控制跟踪，输出。 在实际运行时控制= o ，所以转矩方程如下式： z = 孚乇= 孚( 。+ 6 c o s 6 包+ 。：c 。s 1 2 包+ ) ( 2 1 6 ) 式中：互电机实际输出扭矩。 电机转矩包含6 n 倍电流基频成分，其幅值为t 3 p o 鲫乞( n - 1 ，2 ，3 ) ，可 以从电机试验测得。 2 2 3 动力传动系统扭转振动激励模型 “超越三号”燃料电池车的动力传动系统主要包括电机输出轴后端的变速箱 差速器总成( 同壳体) 、半轴及轮胎( 如图2 5 ) 。文献 2 2 】建立了较为完善的基 于电动车动力传动系统的模型，本文所建立的传动系统扭转振动激励模型是在该 基础上改进而来的。 图2 5 动力传动系统结构示意图 电机轴连接电机和传动系统，传递电机的输出扭矩。电机轴刚度较大，转动 惯量较小，可将其等效为一根扭转弹簧，并存在弱阻尼。其动力学方程为 乃= 局( 够一皖) + c ，( 办一醣) ( 2 1 7 ) 式中：互电机轴输出转矩； 墨电机轴等效扭转刚度； 1 6 第2 章动力总成悬鬣系统动力学模垒建移 g 电视轴等效阻尼； 咏、绋电机轴前后端面的转角。 图2 。6 齿轮扭转振动力学模型 假设齿轮系统的传动轴和支承轴承均是刚性的，则一对直齿圆柱齿轮副的动 力学模型如图2 6 所示，且考虑齿侧间隙的影响，若忽略静传递误差岛，则齿轮 副的扭转振动分析模型为 以t 鼋+ 魄t ( 愿t 唿t 一毽：唿：) + 毽t 厂( z ) = 鬈t ( 2 1 8 ) 以：g ：一毽：气( 毽t 唿t 一墨：唿：) 一毽：八善) = 一名： ( 2 。1 9 ) x = 毽。唿，一愿2 唿2 ( 2 2 0 ) 卜赫 ，( x ) = o - b 又由于作用力与反作用力得到 ，一珞：( = 圪= ，) ( 2 4 2 ) 磊。= 磊。( _ 磊= 磊。) ( 2 4 3 ) 疋= 瓦 ( 2 4 4 ) ；= i ( 2 4 5 ) 由式( 2 3 4 ) ( 2 3 6 ) ( 2 。4 4 ) 代入式( 2 4 0 ) 得到 磊= l + 3 。= o ( 2 4 6 ) 巍式( 2 4 1 ) ( 2 4 5 ) 得到 蚝= i + 墙t + - + 。墙。+ 。墙4 一瓦一。一。悟4 2 l 第2 章动力总成悬置系统动力学模型建以 = 正+ 兵2 + 只饧。+ 只 一z 一只飞。一r 龟3 一只。一瓦。 = 一瓦。4 = 一肘g 即m 悬2 一心 ( 2 4 7 ) 从而可以得到，悬置系统受到的扭矩即为m 。，方向为岛向，其值的大小又 由电机转子的输出扭矩z 决定。 此外，由前述所知，纵向惯性力和侧向惯性力作用于动力总成质心，方向分 别为x 向和y 向。 由此，悬置系统动力学模型的激励向量可以表示为 ，= ec00 鸭o r ( 2 4 8 ) 其中：c 纵向惯性力，c = f ； c 侧向惯性力，c = 乃； 鸭- 传动系统输出扭矩的反扭矩，鸭= m 窖。 图2 8 激励及悬置系统模型示意图 通过上述分析推导，实现了动力总成悬置系统的动力学模型，如图2 8 。电 机目标转矩t 输入电机系统，输出电机的实际扭矩乏，并以此作为传动系统的 输入，得到变速箱输出反扭矩mg ，m g 通过半轴、轮胎产生了车身纵向加速 度及侧向加速度，从而使动力总成受到纵向惯性力名及侧向惯性力。其中， 第2 章动力总成悬霄系统动力学模型建泣 m r 窖、忍、作为激励输入到悬置系统。 2 4 本章小结 本章对动力总成悬置系统进行了力学推导，对系统各激励进行了分析。在此 基础上，分别建立了系统动力学子模型及激励子模型，从而实现了动力总成悬置 系统动力学模型，为进步的分析研究提供了必要的理论准备。 第3 章动力总成悬罾系统动力学模型参数辨识 第3 章动力总成悬置系统动力学模型参数辨识 动力总成质量、质心位置、转动惯量参数以及橡胶悬置件刚度参数是悬置系 统的重要参数，对于悬置系统的分析研究起到了重要作用。通过试验对这些参数 进行识别是有必要的。本章对这些参数识别试验的原理、过程及数据处理进行了 介绍。 3 1 动力总成质量及质心位置参数试验 值得指出的是，对于质量、质心位置的测量严格意义上应该包括悬置件支撑 的所有对象( 如图2 ，1 ) ：电机、变速箱以及悬置臂。由于条件限制，只获得了“超 越三号”燃料电池车的电机变速箱总成而缺失悬置臂。三个悬置臂是由同种匀质 金属材料制成，从三维模型中可以获得较高精度的参数值，再结合试验所得电机 变速箱总成参数值进行计算便可以得到动力总成的相关参数。( 转动惯量试验亦 是如此。) 电机变速箱的质量由h a n d i c r a f t 系统测得，其质量为7 0 堙。对质心位置的测 量采用三点支撑法。 3 1 1 试验原理 使电机变速箱通过三点支撑保持水平状态，且其自身坐标系的z 轴垂直向 上。三个支撑点受力分别为曩、e 、e ，受力点的x 、y 坐标分别为( 五，y 。) 、 ( 屯，y ：) 、( 五，y 3 ) 那么由力矩平衡关系可以得到其质心的x 、y 坐标分别为 而= 互静、= ! 号孵。再使电机变速箱自身坐标系的 y 轴垂直向上，用同样方法可以测出质心z 坐标值。 为了得到较高的精度，各点的坐标位置从三维模型中获取，各点受力用力传 感器测量。传感器的电压一力关系为f = y ( z 为传感器的力一电压比值) 。那 么质心x 坐标计算式变换为而= 丘臀，y 轴、z 轴同理。 第3 章动力总成悬管系统动力学模嫩参数辨识 试验过程中需要分别使试验对象坐标系的z 轴和y 轴垂直向上。实际操作过 程中，电机变速箱的y 轴较容易满足垂直向上的要求，但是z 轴垂齑向上难以满 足。这种情况下，取电机变速麓y 轴垂直向上( 哥测得、z o ) 和y 轴与水平 面平行( 可测得) 两个放置方向，质心坐标计算式变化为 两= 毪篑 磊= 等等 继t ) + l 舅。+ ，2 款+ ，3 魏 胪i 谚矿 式中：1 轴垂直向上时第i 个支撑点的力传感器显示僮； 薯、1 轴垂直向上时第i 个支撑点x 、z 坐标： i l y 轴与水平面平行时第i 个支撑点的力传感器显示值； 麓1 轴与水平面平行时第i 个支撑点y 坐标； 3 1 2 试验步骤 1 从三维模型中获取三个悬置点的坐标值，设悬置l 点为参考零点( 0 ，0 ， o ) ，则悬置2 点的坐标为( 1 6 1 7 ，2 7 7 9 ，7 1 2 ) ，悬置3 点的坐标为( 4 6 0 8 ， 3 1 4 ，一董9 3 ) ( 掇m ) ； 3 垫放木块，使电机变速箱的y 轴垂值向上，保证全部重力支撑在三个点 上，从三维模型中识别并记录三个受力点的x 坐标和z 坐标值； 4 分别在三个受力点处放置力传感器，记录相应的电压值，循环测量7 次， 记录7 组数据； 5 改变电机变速箱位置，用同样方法使y 轴与水平面平行，傈证全部重