雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)懸置系統(tǒng)改進設(shè)計

丁尚駿

（江西凱馬百路佳客車有限公司，江西南昌 330032）

近年來，新能源汽車發(fā)展迅速，電驅(qū)系統(tǒng)是新能源汽車發(fā)展的核心技術(shù)之一。雙電機變速箱耦合驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供較高的可靠性、平順性和電機工作效率，得到了較快的發(fā)展。新的驅(qū)動形式發(fā)展對懸置系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的問題。

懸置系統(tǒng)為振動源提供了隔震支撐作用。隨著研究的深入，從早期直接借用發(fā)展較早的內(nèi)燃機懸置系統(tǒng)設(shè)計方法，到現(xiàn)今越來越關(guān)注到對電驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動特性的分析和研究。文獻[1]提出在建立六自由度懸置系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上驅(qū)動系統(tǒng)的加減速工況下的瞬態(tài)分析；文獻[2]提出了結(jié)合車輛實際運行狀況和電機加速和制動兩種工況的仿真分析；文獻[3]提出了控制電機質(zhì)心位移要求的優(yōu)化設(shè)計；文獻[4]提出對電驅(qū)動總成懸置的抗扭和隔振功能出發(fā)來分析設(shè)計電機懸置的設(shè)計原則和方法；文獻[5]等對電動總成在激勵特性等方面的差異與傳統(tǒng)汽車的動力總成進行對比，提出了考慮電機低速扭矩大，響應(yīng)迅速，加速沖擊大的特點進行懸置系統(tǒng)設(shè)計；文獻[6]等建立了電機在瞬態(tài)沖擊下的振動模型，并在此基礎(chǔ)上對振動進行優(yōu)化。目前大部分懸置系統(tǒng)的研究均將著重點放在對動力總成的力學特性上來分析，而很少提及懸置本身的影響。因此本文對雙電機的工作模式進行介紹，并指出這種構(gòu)型的驅(qū)動特點，進而對組成懸置軟墊的橡膠材料進行討論，并在此基礎(chǔ)上針對電動總成瞬態(tài)沖擊大、穩(wěn)態(tài)激勵小的特點引入電機急加速工況來分析電機懸置系統(tǒng)的振動特性，進而對其進行懸置優(yōu)化改進設(shè)計。

1.雙電機驅(qū)動系統(tǒng)

1.1 雙電機耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型介紹

雙電機耦合構(gòu)型包括：行星齒輪耦合驅(qū)動構(gòu)型、雙電機分別搭載傳動系統(tǒng)構(gòu)型以及變速箱耦合驅(qū)動構(gòu)型。

1.2 變速箱耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型工作模式分析

雙電機匹配變速箱的耦合驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型，由驅(qū)動電機M1、M2、AMT變速箱、第一輸出軸和第二輸出軸組成。電機M1輸出軸連接AMT變速箱輸入軸，AMT變速箱輸出軸連接M2輸入軸。當駕駛踩油門時，VCU會根據(jù)油門需求，給出總成扭矩。在低速起步階段，AMT總成的系統(tǒng)效率比直驅(qū)總成具有優(yōu)勢，所以對總成扭矩進行分配時優(yōu)先分配EM電機。在電機效率map中，電機扭矩超過電機額定扭矩時，通常扭矩越大時電機效率越低，為保證總成系統(tǒng)效率最高，如果需求的總成扭矩較小時，只需要分配各EM電機就可以。如果需求的總成扭矩較大時，先分配EM電機，超過EM額定扭矩的尚未分配的扭矩再分配TM電機。

一般小油門時只有EM電機工作，只有大油門時EM和TM才會同時工作。其控制模式如圖1所示。根據(jù)器控制方式，雙電機的切換不會增加整車的沖擊度。

圖1 雙電機耦合驅(qū)動控制策略

1.3 橡膠懸置軟墊特性介紹

硫化橡膠不僅具有彈性，而且可以利用特有的粘彈性消耗能量，他們具有具有很高的強度，特別是在承受剪切和壓縮的情況下，但是在承受機械載荷時會因疲勞而發(fā)生破壞，因此對橡膠進行耐久性的研究時十分必要的。由于文章需要以下對介紹橡膠材料溫度特性。

溫度的高低對橡膠材料的性能影響巨大。近年來，橡膠懸置溫度影響研究逐漸深入，文獻[7]對發(fā)動機艙的溫度進行研究，并提出增加隔熱罩能提高橡膠懸置的使用壽命。文獻[8]對懸置性能衰退的壽命進行預測，得到發(fā)動機懸置在不同溫度下力學性能的下降速度。

對于電機驅(qū)動而言，不存在發(fā)動機啟動后的怠速工況，也就不存在所謂的低頻大振幅振動，天然橡膠的頻率相關(guān)性和振幅相關(guān)性特性對隔振而言影響不大，并且橡膠懸置成本較低，是作為驅(qū)動電機隔振的最好選擇[9]。

2.某純電公交客車懸置系統(tǒng)改進設(shè)計

2.1 某電公交客車懸置系統(tǒng)問題描述

某電動城市客車懸置軟墊出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，更改軟墊結(jié)構(gòu)之后又出現(xiàn)在速度較高車速時車廂內(nèi)會感到比較明顯抖動，主觀評價無法接受的現(xiàn)象。

2.2 橡膠懸置斷裂的分析

懸置軟墊安裝于客車底盤上，長期承受電機運行時產(chǎn)生的循環(huán)載荷，容易產(chǎn)生疲勞裂紋進而斷裂。由于懸置軟墊安裝的位置一般處于汽車底部，很容易忽視對懸置軟墊的檢查，當發(fā)生突然斷裂時往往容易造成重大的事故和經(jīng)濟損失。

橡膠懸置軟墊一般由天然橡膠經(jīng)過添加改性材料制作而成。天然橡膠在制成橡膠懸置前，應(yīng)該調(diào)整配方，使得制作好的懸置軟墊有好的綜合性能，從而達到減緩橡膠老化速度延長橡膠軟墊使用壽命的目的[10]。

該車型采用左右對稱四懸置傾斜45°的布置，主要的載荷來自電機輸出扭矩，因此懸置軟墊主要承受剪切應(yīng)力。將懸置軟墊簡化為一個承受簡單剪切應(yīng)力的膠塊來進行處理。受簡單剪切變形的膠塊形狀如圖2所示，其幾何形狀可分為：未變形區(qū)（區(qū)4）；簡單剪切區(qū)（區(qū)2），其彈性能密度為U；邊緣區(qū)（區(qū)1）和復變形區(qū)（區(qū)3），撕裂能可由下式表達：G=U＊h。引發(fā)機械裂紋擴展所需的能量G0的數(shù)值對于大多數(shù)彈性體來說都差不多（約50J/m2），也被稱為撕裂能臨界值，在臨界值G0以下時，裂紋的擴展速率幾乎為零。在橡膠和金屬粘合部位使用合適的粘結(jié)劑可保證結(jié)合處的強度與橡膠本體強度一樣，甚至更強。

圖2 簡單剪切變形的膠塊形狀

從上述對橡膠斷裂知識進行介紹的情況下對橡膠懸置斷裂進行分析。該懸置軟墊已經(jīng)在部分車型上應(yīng)用，且未出現(xiàn)斷裂事故。本次出現(xiàn)斷裂的車輛運行的氣候條件和道路條件和先前的運行條件存在較大差別，具體表現(xiàn)在：氣候條件主要特征表現(xiàn)在最低氣溫的差距，該批次車輛運行最低氣溫能夠達到最低零下20℃左右；道路條件表現(xiàn)在，車輛運行在坡度較大地區(qū)，尋常運行時驅(qū)動扭矩大。雖然硫化天然橡膠在較大溫度范圍內(nèi)對動態(tài)性能影響不大，但當氣溫在達到零下20℃時，其動態(tài)特性會發(fā)生顯著變化。在50℃和在零下20℃時，儲存模量差了接近一倍，可以分析出，在一定的溫度和頻率范圍內(nèi)，溫度和頻率的變化對橡膠的動態(tài)特性敏感度比較大[11]。疊加運行工況大范圍處于爬坡狀態(tài)，運行扭矩巨大，需要橡膠軟墊承受的剪切力大，造成撕裂能增加，因此導致了橡膠軟墊的斷裂發(fā)生。

3.電機瞬態(tài)響應(yīng)分析和電機懸置改進設(shè)計

針對橡膠軟墊的斷裂對電機懸置系統(tǒng)進行改進設(shè)計。首先將懸置軟墊安裝形式由45°放置改為垂直安裝，將橡膠懸置受力由剪切變形改為拉壓變形。其次更換懸置軟墊的組成結(jié)構(gòu)，以使得即使軟墊在發(fā)生突然斷裂的情況下也依然存在著電機和車架之間的剛性連接而不至于發(fā)生驅(qū)動系統(tǒng)移位，造成大的事故發(fā)生。對驅(qū)動電機進行質(zhì)心位移計算，以保證電機位移能控制在一定范圍，以保證不會同周圍零件發(fā)生干涉。整車坐標系的定義：從車頭指向車尾為X正方向，豎直向上為Z，Y方向由右手定則確定。定義動力總成的振動分別為在X、Y、Z軸上的平動x、y、z和繞X、Y、Z的轉(zhuǎn)動α、β、γ?？杀硎緸椋?/p>

懸置系統(tǒng)動力學振動微分方程為：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{Q(t)}為廣義坐標向量；{F(t)}為廣義力向量。

在求解動力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率時不考慮阻尼的影響，則其無阻尼自由振動微分方程為：

通過以上對雙電機的工作模式介紹，選取急加速工況對雙電機驅(qū)動系統(tǒng)進行瞬態(tài)沖擊分析。為簡化電機的激勵，假設(shè)單電機直驅(qū)時正常行駛到全扭矩輸出用時為5s，電機扭矩與時間的變化關(guān)系見圖3。圖中Ts和Te分別表示電機在正常行駛和全扭矩輸出狀態(tài)下的扭矩。對電機進行瞬態(tài)分析是選取電機在正常行駛工況時由電機M1進行驅(qū)動，額定扭矩為1560N·m，當急加速時電機M2會同M1電機進行耦合驅(qū)動，這個過程中會伴隨扭矩的快速提升，設(shè)計中選取最大輸出扭矩工況3960N·m進行分析。整車加速度約為1.4m/s2，在質(zhì)心處添加448N的慣性力。

圖3 急加速加載曲線表

懸置安裝位置見表1。懸置局部坐標軸u、v、w的方向分別與整車坐標系X、Y、Z軸方向平行，見圖4。

表1 懸置安裝位置

圖4 驅(qū)動電機質(zhì)心位移曲線

通過對改進后的懸置系統(tǒng)進行瞬態(tài)分析可知，電機質(zhì)心的位移量被控制在很小的范圍內(nèi)不會有同周圍的零件發(fā)生干涉的風險，能夠滿足設(shè)計要求。

4.結(jié)論

本文在詳細分析了變速箱耦合雙電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型和控制策略的基礎(chǔ)上，對橡膠懸置斷裂的原因進行解釋，進而提出了對電機懸置系統(tǒng)進行改進設(shè)計，并在急加速工況對驅(qū)動電機質(zhì)心位移進行分析。通過對某城市客車懸置的改進設(shè)計保證了懸置系統(tǒng)的可靠性，避免不會發(fā)生懸置軟墊突然斷裂而發(fā)生事故的風險。本文對橡膠懸置的溫度適應(yīng)性和電機的路況適應(yīng)性做出了分析，對設(shè)計懸置系統(tǒng)具有參考意義。