某纯电动汽车十三自由度动力总成刚体模态研究_辛雨20160423

1、MSC 2016 中国用户大会论文集某纯电动汽车十三自由度动力总成刚体模态研究辛雨，李玉军北京新能源汽车股份有限公司，北京，102206摘要：电动汽车与传统燃油车辆的异同研究具有重要意义，在总结电动汽车车身、动力总成、底盘差异点的基础上，建立动力总成刚体模态十三自由度模型。经对比十三自由度、十二自由度、六自由度模型动力总成刚体模态计算结果，十三自由度更接近整车状态，同时可计算车身刚体模态及簧下固有频率。基于电动汽车悬置设计要求，对悬置系统进行了优化设计，形成刚度提高及刚度降低两种方案，以满足整车模态隔离原则。十三自由度模型同时可用于计算悬置隔振率，动力总成位移量，瞬态工况分析等方面。关键词：电

2、动汽车；悬置系统；十三自由度；转动惯量；刚体模态。Powertrain Rigid Mode Analysis Research base on Thirteen Degrees of Freedom for a Purely Electric Vehicle ProjectXinYu , Li YujunBeiJing Electric Vehicle CO.,LTD, Beijing, 102206Abstract: The difference research for Electric vehicle & traditional fuel vehicles is importa

3、nt. By summing up the Electric vehicle difference, powetrain rigid mode model based on thirteen degrees of freedom is founded. After contract the results of thirteen degrees model, Twelve degrees model, and six degrees model, we know thirteen degrees model is best of three methods. Thirteen degrees

4、model is more accurate, and give us the results of Powertrain rigid mode, body rigid mode, natural frequency of axle down the spring, etc. An optimization is done about mount stiffness concern of the Vehicle modal distribution table. The solution of optimization depart to two methods by increase or

5、reduce the mount stiffness. Thirteen degrees model can be used to calculate the vibration isolation rate, displacement of powertrain, transient operating conditions analysis, etc. Keys: electric vehicle, mounting system, thirteen degrees of freedom, powertrain inertia, rigid mode. 0 引言随着越来

6、越严重的能源消耗，环境污染等一系列问题，电动汽车的需求及销售量越来越大。按照EV Sales Blogspot和各国汽车工业协会数据，2015年全球电动车（乘用车）总销量达到549,414辆，相比2014年同比大幅攀升72.8%。中国成为2015年电动车销量最高的国度，合计销量达207,382辆，占全球总销量的37.7%比重。电动汽车的销量猛增，国内各大汽车厂商对电动汽车性能设计投入了更大的技术力量。对电动汽车而言，首要研究的是其电机、电池及电控的三电系统；其次需对三电系统改变对车辆其它传统部件引起的影响进行评估。电动汽车与传统燃油车辆传统部件异同研究具有重要的意义，该研究一方面防止电动汽车设

7、计时陷入传统汽车思维，更适合电动汽车特点；另一方面可使电动汽车借用传统样车百年技术积累，降低开发难度；更可使电动汽车设计时最大限度借用传统样车成熟部件，降低生产成本。由于电动汽车动力总成系统与传统燃油车辆存在较大差别1，支撑动力总成的悬置系统需要进行重点研究2。动力总成悬置设计中，动力总成刚体模态的计算可使用六（或六+X）自由度对地模型，也可使用十二自由度模型3，或十三自由度模型4；其中十三自由度模型由于考虑了车身系统、悬架系统、簧下质量、轮胎等系统，更接近于整车状态。某纯电动汽车设计开发过程中，对比六自由度、十二自由度、十三自由度动力总成刚体模态计算结果，验证十三自由度结果的有效性；总结纯电

8、动汽车十三自由度动力总成刚体模态计算中关注重点，并根据电动汽车特点形成刚体模态优化方案。1 十三自由度模型多体动力学动力总成模态分析中，六自由度对地模型由于建模方便，计算简单成为最主流的计算方法。在六自由度对地模型基础上，在获得七自由度整车振动模型的参数后，组合建立十三自由度模型（如图1所示），用于计算动力总成刚体模态计算。该模型包含悬置系统、悬架系统、轮胎三级弹簧-阻尼系统，动力总成、车身系统、簧下质量等刚体化的部件，从而组成动力总成-悬置-车身-悬架-非簧载质量-轮胎-地面整车振动系统。悬置轮胎簧下质量悬架车身动力总成图1 十三自由度模型该十三自由度模型可以简化为三质量振动系统5，其振动微

9、分方程可以如下表示。代入方程中所需要的参数求解，可以得到整车振动模型中动力总成、车身及簧下质量的刚体模态频率。其中，mb为一个单轮上对应的车身质量，即簧上质量；ks为车身悬架弹性系数；cs为车身悬架阻尼系数；mp为一个车轮上对应的座椅和人体质量；kp和cp分别是悬置弹性系数和阻尼系数；mu为簧下质量，kt为轮胎刚度。2 参数获得由于十三自由度模型中涉及到参数较多，各部件的参数获得及准确性评估对最终计算结果的准确性非常重要。电动汽车开发中，基于功率需求等原因电机一般需正向设计，导致悬置设计前期无法获得开模样机进行转动惯量测试，此时可采用合成方式获得动力总成质心、重量、转动惯量等惯性参数。如图2所

10、示为某纯电动汽车转动惯量合成模型，动力总成中布置有电机、减速器、空调压缩机、真空泵等部件。通过协调供应商获得各部件相对于其独立坐标系的惯量参数，通过使用Adams软件建模并最终获得该纯电动汽车的动力总成惯性参数如表1所示。图2 转动惯量合成模型表1 动力总成惯量合成结果序号零部件名称质心坐标（mm）重量（kg）转动惯量(kg.mm2)备注1动力总成-187.33, 66.27, 128.2482.54IXX=1.84E+006IYY= 9.15E+005 IZZ= 2.09E+006 IXY= -1.66E+005 IZX= -1.12E+004 IYZ= -1.14E+004 CM orie

11、ntation: 0.0, 0.0, 0.0对电动汽车来说，十三自由度模型中的广义车身系统包括传统燃油车辆中的车身系统和电池系统的总和。在设计过程中尚未由样件进行车身惯性参数测试时，可采用经验公式估算传统车身系统的惯性参数，并与电池系统惯性参数合成为电动汽车车身惯性参数。采用与动力总成转动惯量合成相同的方法，合成车身部件和电池部件为整备车身的惯性参数，如表2所示。表2 车身惯量合成结果序号零部件名称质心坐标（mm）重量（kg）转动惯量(kg.mm2)备注1车身1107.213, -2.629, 369.708906.256Ixx=2.655275E+008Iyy=9.322737E+008Iz

12、z=9.878288E+008Ixy=1.947179E+006Ixz=7.050465E+006Iyz=-3.15974E+006CM orientation: 0.0, 0.0, 0.0根据电动汽车悬置系统振动噪声设计流程及注意要点6，考虑动力总成总布置及悬置衬套选型，设定悬置系统设计初始参数如表3所示。表3 悬置系统初始参数序号名称中心位置静刚度动静比1前悬置-366.122, -82.5, 98.538500/100/5001.42后悬置134.612, 27.5, 195.905500/100/5001.43右悬置-178.501, 374.565, 308.358100/500/5

13、001.4从底盘设计及操稳平顺性能设计方面获得悬架系统、轮胎等的设计参数，如表4所示；由于电池系统的布置特点，电动汽车与传统燃油车辆在悬架系统前后轴荷比上一般存在明显区别，这对悬架系统匹配带来一定影响。表4 悬架系统参数表序号参数名称前悬架后悬架1悬架类型麦弗逊独立悬架拖曳臂非独立悬架2轮胎型号165/60R14165/60R143簧上质量kg588.5423.84簧下质量kg62605悬架弹簧刚度N/mm25.527.46轮胎垂向刚度N/mm189.7189.77Spring_Up_seat34.558,-529.51,563.0432315.737,-520.995,295.558Spri

14、ng_Lw_seat21.317,-576.44,396.52354.615,-520.796,87.1579Wheel_center0.64,-702.847,78.42360.877,-700,57.73 结果分析根据各部件参数，建立整车十三自由度模型，如图3所示；前悬架类型为麦弗逊独立悬架，需要对前簧下左右质量分别建模；后悬架类型为拖曳臂非独立悬架，可将后簧下质量合成为一个部件建立十三自由度模型。为对比分析不同建模方法下动力总成刚体模态分析结果区别，同时建立十二自由度模型、六自由度对地模型，如图4所示。由于计算主要关注固有频率结果，建模时忽略各减振部件的阻尼。图3 十三自由度Adams建

15、模模型图4 六自由度、十二自由度Adams建模模型对如上建模模型进行分析，建模计算得到动力总成刚体模态结果如表5所示。十三自由度与十二自由度动力总成刚体模态计算结果相差较小；由于增加了簧下质量及轮胎刚度，十三自由度频率计算结果总体趋势降低。十三自由度与六自由度动力总成刚体模态计算结果差别大于十二自由度计算结果，特别是动力总成平动频率变化最高达2.69Hz；十三自由度相比六自由度频率计算结果总体趋势升高。六自由度动力总成刚体模态计算在悬置设计初期具有计算简单，易于实现的特点；而十二自由度与十三自由度计算结果更近似于整车状态，作为悬置设计中、后期动力总成模态计算方法同样不可替代。表5 动力总成刚体

16、模态计算结果对比序号建模计算方法频率计算结果(Hz)XYZRxxRyyRzz1十三自由度18.7616.9326.9238.2656.4727.092十二自由度18.8017.1226.9338.2656.4727.11十三/十二频率差值-0.04-0.19-0.0100-0.023六自由度18.2115.2424.2337.9856.3626.58十三/六频率差值0.551.692.690.280.110.51十三自由度动力总成刚体模态分析中，除可计算得到动力总成刚体模态频率外，还可计算得到车身刚体模态，簧下固有频率等参数，如表6所示。计算得到车身侧倾、俯仰、上下平动频率，簧下固有频率的参数

17、可以作为悬架系统设计参考。由于电动汽车电池布置原因，前后轴荷分布相比传统燃油车辆呈现后轴荷与前轴荷相差不大的特点，这对于整车振动噪声的影响同样需要重新评估。表6 十三自由度解耦频率表序号部件名称频率计算结果(Hz)XYZRxxRyyRzz1动力总成18.7616.9326.9238.2656.4727.092车身-1.421.661.83-3前簧下-15.35-4后簧下-15.73-由于电动汽车中动力驱动的电机不存在燃油车辆的怠速频率，动力总成刚体模态频率的设计不需要遵循低于怠速频率0.707倍的约束。根据电机扭矩变化快，动力总成扭矩/质量比高于传统燃油车辆的特点，一般需提高悬置系统刚度以限制

18、动力总成位移量，并达到动力总成在瞬态激励下平稳运行的要求。本悬置系统原始设计中即遵循此原则，从而使动力总成刚体模态突破了传统燃油车辆一般在20Hz以下的经验区间。该悬置设计必将带来悬置刚体模态频率进入车身系统模态频率区间（一般大于30Hz），引起整车共振的风险大大提高；这对电动汽车的模态隔离设计提出了更高的要求，必须掌握整车模态分布才能避免存在整车共振的风险。经与某纯电动汽车整车模态分布表进行比对，Ryy模态频率与整车某部件发生共振，需避开48-62Hz区间。基于十三自由度动力总成刚体模态计算模型，将悬置刚度参数化设置为自变量，动力总成刚体模态频率为目标变量，建立悬置系统刚度优化模型。使用In

19、sight软件作为优化计算软件，进行DOE方法进行计算。在悬置刚度提升方向上，所有悬置位置不变，前后悬置静刚度变更为700/140/700N/mm时，频率分布结果满足要求，如表7所示。同时，根据该仿真结果可以看到，悬置系统刚度的刚度提高对车身刚体模态频率及簧下固有频率的影响小。表7 悬置刚度提高优化计算频率结果序号部件名称频率计算结果(Hz)XYZRxxRyyRzz1动力总成20.7018.2230.6539.5665.6631.882车身-1.421.661.83-3前簧下-15.35-4后簧下-15.73-在动力总成刚体模态优化过程中，在悬置刚度降低方向上寻求优化方案；经优化计算，在所有悬

20、置位置不变，前后悬置静刚度变更为300/100/300N/mm，右悬置静刚度变更为100/300/300N/mm时频率分布结果满足整车模态分布要求，十三自由度动力总成刚体模态计算结果如表8所示。表8 悬置刚度降低优化计算频率结果序号部件名称频率计算结果(Hz)XYZRxxRyyRzz1动力总成16.7614.4720.9230.1644.4122.692车身-1.421.661.83-3前簧下-15.35-4后簧下-15.73-对于纯电动汽车而言，悬置刚度的提高和降低都可能带来其它方面的风险。悬置刚度提高后，有可能带来悬置隔振差的风险；悬置刚度降低则带来动力总成位移量变大，动力总成瞬态运行不平

21、稳的风险。此时可基于建立的十三自由度模型，计算悬置系统隔振率及动力总成位移量，同时对整车起步、换挡、急加速等瞬态工况进行整车运行分析，避免风险的发生。4 结论某纯电动汽车悬置系统设计中，考虑传统燃油车辆与纯电动汽车车身、动力总成、底盘等部件特性区别，建立十三自由度模型进行动力总成刚体模态频率计算。对比六自由度、十二自由度、十三自由度动力总成刚体模态计算结果，十三自由度结果更接近于整车状态结果，对悬置系统、悬架系统设计都存在参考价值。基于电动汽车悬置系统设计特点，在整车模态分布中避开共振频率的原则下对悬置系统进行了优化分析，形成悬置刚度提高/降低两个方向上优化方案。优化方案中存在的隔振率风险、动

22、力总成位移量风险、瞬态运行工况整车平顺风险可基于十三自由度模型进行继续分析。参考文献：1 于蓬，陈霏霏，章桐，郭荣.集中驱动式纯电动汽车动力总成噪声特性分析J.机电一体化，2015（01）：7-12.Yu Peng, Chen Feifei, Zhang Tong, Guo Rong. Acoustic Characteristic Analysis of Central Driven Power Train of Electric VehicleJ. Mechatronics. 2015(01):7-12.2 辛雨,赵春艳,李玉军. 某纯电动汽车悬置减振性能优化研究J. 道路交通与安全, 2015,(01): 35-40.Xin Yu, Zhao Chunyan, Li Yujun. Mounting System Optimization Research for a Purely Electric Vehicle ProjectJ. Road Traffic & Safety. 2015(01):35-40.3 张健,杨啟梁,胡溧,杨胜,杨培刚. 基于ADAMS的12自由度动力总成悬置系统怠速隔振分析J. 汽车技术, 2013,(1): 38-41.Zhang Jian, Yang Qiliang, Hu L