純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成支架模態(tài)分析

盧緒鳳 井媛媛 董文亮 張海超

（國(guó)能新能源汽車有限責(zé)任公司）

純電動(dòng)汽車的電機(jī)動(dòng)力總成的質(zhì)量一般都小于150 kg[1-3]，明顯小于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成的質(zhì)量，并且為了滿足抗扭限位的要求，其懸置系統(tǒng)彈性元件的剛度一般都大于燃油車[4-5]，因此電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的剛體模態(tài)高于傳統(tǒng)燃油車。純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成支架系統(tǒng)的主要作用是：在汽車前機(jī)艙內(nèi)為懸置和多個(gè)控制單元提供支撐，隔離動(dòng)力總成與客艙之間的振動(dòng)，防止各個(gè)組件之間相互影響，因此動(dòng)力總成支架系統(tǒng)的可靠性直接影響到電機(jī)的正常工作[6]。文章對(duì)某新能源汽車動(dòng)力總成在自由狀態(tài)和約束狀態(tài)下各個(gè)支架的模態(tài)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了動(dòng)力總成支架系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)有限元模型建立

1.1 模型搭建

動(dòng)力總成系統(tǒng)的有限元模型主要包括電機(jī)、減速器、動(dòng)力總成支架、懸置、電子電氣組件（高低壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、逆變器、車載充電器（OBC））等。模型中電機(jī)、減速器、DC/DC、逆變器和OBC 只有外部殼體部分，這樣做是為了簡(jiǎn)化模型，但它們?nèi)跃哂袑?shí)際的零部件剛度[7]。為了補(bǔ)償由于模型簡(jiǎn)化而損失的質(zhì)量，保證模型質(zhì)量與實(shí)際參數(shù)相等，在模型中添加了一些質(zhì)量點(diǎn)[8]。系統(tǒng)中一些質(zhì)量較小的組件，如車輛聲響報(bào)警系統(tǒng)（AVAS）單元、閥門、空氣分離器和壓縮機(jī)、高低壓線束、冷卻裝置等也簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，并在Nastran 仿真軟件中采用柔性單元RBE3與支架相連。模型中的實(shí)體零件使用二階四面體單元，而殼體零件使用一階殼單元（目前二階殼單元不能用于大位移分析）[9]。螺栓連接使用剛性元素RBE2 進(jìn)行建模[10-11]，模型中的焊縫與焊點(diǎn)使用公司內(nèi)部腳本進(jìn)行創(chuàng)建。模型中的懸置等效為CBUSH 單元，懸置的一端與支架相連，另外一端固定。有限元模型，如圖1所示。

圖1 某新能源汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)有限元模型

1.2 材料屬性

動(dòng)力總成系統(tǒng)各個(gè)零部件的材料牌號(hào)及屈服極限，如表1所示。

表1 某新能源汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)零件的材料屬性 Pa

2 模態(tài)分析要求

為了避免由于電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡而引起的振動(dòng)傳遞到車身上，動(dòng)力總成支架的本征模態(tài)應(yīng)該高于電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率。系統(tǒng)的傳動(dòng)示意圖，如圖2所示。

圖2 某新能源汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)模型傳動(dòng)示意圖

電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)頻率fs受到輪胎直徑、車速、減速器傳動(dòng)比以及安全系數(shù)的影響。

式中：r——輪胎半徑，m；

d——輪胎直徑，m；

v——車速，km/h；

n——減速器傳動(dòng)比；

s——安全系數(shù)；

ω——電機(jī)角速度，rad/s；

fs——傳動(dòng)軸輸出頻率，Hz；

fm——電機(jī)軸輸出頻率，Hz。

其中：d＝0.668 3 m，v＝150～160 km/h，n＝8～10，s＝1.414?？捎?jì)算得出 fs為 225～300 Hz，因此動(dòng)力總成支架的本征模態(tài)應(yīng)大于300 Hz。對(duì)于較小的部件支架（如泵、空氣分離器、閥門等），設(shè)置35 Hz為最低允許本征頻率[12]。

懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)要求，如表2所示。

表2 某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)剛體模態(tài)要求 Hz

3 自由模態(tài)分析

某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)自由模態(tài)分析的結(jié)果，如表3所示。

表3 某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)自由模態(tài)分析結(jié)果 Hz

在各小部件支架中，后水泵支架的模態(tài)最低為36 Hz，電機(jī)支架、變速器支架、動(dòng)力總成托架的模態(tài)為385 Hz，均滿足設(shè)計(jì)要求。各支架的自由模態(tài)云圖，如圖3所示。

圖3 某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)各部位支架模態(tài)

4 約束模態(tài)分析

系統(tǒng)的約束模態(tài)，如圖4所示。約束模態(tài)的分析結(jié)果，如表4所示。從表4可知，剛體模態(tài)在6個(gè)方向均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)各約束模態(tài)

表4 某新能源汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)約束模態(tài)分析結(jié)果 Hz

5 結(jié)論

純電動(dòng)汽車使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速恒功率和調(diào)速范圍較大的特性，產(chǎn)生的激勵(lì)與內(nèi)燃機(jī)有很大的區(qū)別，文章通過對(duì)某純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成多工況自由模態(tài)和約束模態(tài)的分析得出：

1）該車動(dòng)力總成托架及懸置支架的自由模態(tài)大于300 Hz，其他支架的模態(tài)大于35 Hz，即處于合理的范圍；

2）系統(tǒng)約束模態(tài)在6個(gè)方向均滿足設(shè)計(jì)要求；

3）對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，前機(jī)艙的振動(dòng)情況與燃油車有很大的區(qū)別，動(dòng)力總成支架作為前機(jī)艙的重要支撐結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和模態(tài)應(yīng)作為車輛研發(fā)過程中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。