某型純電動客車電機(jī)異常抖動分析

周夢來， 李桉楠， 崔 健， 徐秋婷

（揚(yáng)州亞星客車股份有限公司汽車研究院， 江蘇 揚(yáng)州 225000）

針對新能源驅(qū)動電機(jī)起步抖動問題，國內(nèi)外［1-2］許多學(xué)者采用很多方式取得了非常大的成果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有采用主動控制等前沿手段來避免總成抖動［3］，也有一部分采用動力總成懸置優(yōu)化來改善。動力總成懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)使得發(fā)動機(jī)激勵向底盤傳遞的振動盡可能地小，才能起到良好的減振效果，系統(tǒng)能量解耦是目前主流的懸置優(yōu)化思路，前提是合理配置發(fā)動機(jī)懸置系統(tǒng)的固有頻率［4-5］。但如果動力總成懸置剛度過軟，扭矩突變和路面激勵會引起發(fā)動機(jī)的位置變化，從而導(dǎo)致車身抖動，舒適性下降。剛度矩陣決定動力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率，它是懸置安裝位置、角度和剛度的函數(shù)［6］，因此在設(shè)計(jì)過程中，通過改變懸置的安裝位置、角度和剛度來改變動力總成懸置系統(tǒng)的振動傳遞特性，從而達(dá)到減振的目的。其中懸置安裝位置和角度受到動力總成結(jié)構(gòu)的影響，改動難度較大，在工程應(yīng)用中可以通過改變懸置軟墊的剛度［7］，使驅(qū)動電機(jī)懸置被動端的振動幅值調(diào)整到合適的限值內(nèi)。

以下針對公司12m純電動客車在起步加速過程中整車劇烈抖動的現(xiàn)象，開展動力總成懸置系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。

1 抖動原因分析

新能源汽車采用直驅(qū)方案時，如圖1所示，電機(jī)的扭矩響應(yīng)比內(nèi)燃機(jī)快得多，電機(jī)啟動時或過額定轉(zhuǎn)速后會有扭矩突變，相當(dāng)于一個沖擊施加在整車傳動系統(tǒng)上，而電機(jī)的扭矩密度很大，質(zhì)量比發(fā)動機(jī)小得多，同時起到隔振作用的懸置剛度很小，根據(jù)動量守恒定律，這部分沖擊會轉(zhuǎn)化為動力總成系統(tǒng)的振動。且驅(qū)動電機(jī)到車橋直驅(qū)構(gòu)型缺少傳統(tǒng)動力總成的離合器或者扭轉(zhuǎn)阻尼減振器，導(dǎo)致傳動系上的抖動無法被阻斷和吸收，這部分抖動先后通過殼體、懸置這個路徑傳遞到車身，從而能夠明顯感覺到車輛的抖動。

圖1 電機(jī)扭矩特性

驅(qū)動電機(jī)通過懸置連接到車架，可以等效為一個二階系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)慣量J、剛度K和阻尼C等是它的參量，因此系統(tǒng)在階躍扭矩輸入條件下或者運(yùn)行在固有頻率區(qū)間就會發(fā)生振動。振動的本質(zhì)是二階系統(tǒng)中存在彈性勢能與機(jī)械能的交變，如圖3所示，在二階系統(tǒng)上輸入階躍扭矩后，驅(qū)動電機(jī)的小慣量總成系統(tǒng)存在交變力輸出，直觀上變現(xiàn)為整車的抖動。

圖2 電機(jī)整車二階自由系統(tǒng)

圖3 二階系統(tǒng)階躍輸入輸出特性

2 主動防抖

根據(jù)電機(jī)廠家工程師經(jīng)驗(yàn)和檢測機(jī)構(gòu)的檢測結(jié)果，表明總成系統(tǒng)交變力波動周期在100ms左右，而電機(jī)的扭矩響應(yīng)周期為毫秒級，明顯比波動速度要快，因此可以通過主動防抖來抑制系統(tǒng)的振動。在工程中，主動防抖技術(shù)主要有兩種思路：①通過主動補(bǔ)償與轉(zhuǎn)速波動反相位的扭矩來抵消交變的彈性勢能；②通過增加阻尼值來抑制轉(zhuǎn)速波動。

在補(bǔ)償扭矩前，需要先獲得轉(zhuǎn)速波動量，電機(jī)廠家一般采用模型法、頻率檢測法或傳感器實(shí)測法來獲取。得到轉(zhuǎn)速波動量之后，通過一定的策略輸出補(bǔ)償扭矩或修改阻尼系數(shù)，從而能夠抑制傳動系的抖動，使得整車平順輸出。圖4是在軟件中對主動防抖控制前后系統(tǒng)輸出效果的對比，圖中曲線代表驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，圖4a是沒有添加主動防抖的轉(zhuǎn)速輸出，圖4b是增加主動防抖控制后的轉(zhuǎn)速輸出，可見主動防抖是有效的，因此在整車加速過程中發(fā)生抖動時可以通過現(xiàn)場修正主動防抖策略參數(shù)或調(diào)整阻尼系數(shù)來改善整車振動。

圖4 主動防抖控制前后系統(tǒng)輸出效果的對比

3 懸置剛度優(yōu)化

3.1 解耦率分析

首先在CATIA中建立該型客車的電動機(jī)以及懸置裝置模型，如圖5所示，然后將模型導(dǎo)入到Adams中，并輸入提取的原型客車電機(jī)懸置模型設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。利用Vibration模塊對懸置模型進(jìn)行解耦計(jì)算，計(jì)算得到的固有頻率和解耦結(jié)果見表2。

圖5 驅(qū)動系統(tǒng)三維模型

表1 電機(jī)懸置模型參數(shù) mm

表2 原車型解耦計(jì)算結(jié)果

從各個方向的能量解耦率上看，每個方向解耦率都在85%以上，解耦率非常高。從數(shù)據(jù)上看，3個車都只有俯仰運(yùn)動與車身前進(jìn)方向上具有一定的耦合度，可以判定基于頻域特征的能量解耦的方法對驅(qū)動電機(jī)的懸置優(yōu)化并不適用，需要進(jìn)一步分析懸置系統(tǒng)的時域特性。

3.2 扭矩沖擊特性分析

驅(qū)動電機(jī)與燃油發(fā)動機(jī)扭矩特性的不同在于，如圖6a所示，電機(jī)低速恒扭矩、高速恒功率的特性，決定了電機(jī)在啟動狀態(tài)下也能發(fā)出很大的扭矩，而發(fā)動機(jī)的扭矩受油門控制，從怠速開始有一個緩慢上升的過程，因此起步狀態(tài)下，電機(jī)發(fā)出的扭矩對于懸置來說相當(dāng)于一個沖擊，還有急加速后突然撤去扭矩，對懸置也是一個沖擊，嚴(yán)重考驗(yàn)了懸置的剛度特性。

圖6 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

驅(qū)動電機(jī)的激勵頻率與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)車速上升時，懸置受到的激勵頻率同時增加，理論上電機(jī)的轉(zhuǎn)速從0r/min開始，屬于掃頻激勵，無論如何設(shè)計(jì)懸置端的固有頻率，驅(qū)動電機(jī)的頻率點(diǎn)都會穿過固有頻率區(qū)間，這是直驅(qū)構(gòu)型的固有特性；如圖6b所示，轉(zhuǎn)速波動發(fā)生在峰值扭矩之后的區(qū)間內(nèi)，這與驅(qū)動電機(jī)的扭矩特性相關(guān)，扭矩突然大幅下降，對驅(qū)動電機(jī)的懸置來說是一個沖擊，而懸置軟墊的剛度較小，軟墊變形后，引起了系統(tǒng)振動，因此需要增加軟墊的剛度來緩解系統(tǒng)相應(yīng)的沖擊振動。同時驅(qū)動電機(jī)的振動幅度比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)小得多，傳動系的平順性和靜音效果有絕對的優(yōu)勢，因此通過提升軟墊剛度來犧牲一部分舒適性，從而提升系統(tǒng)的抗沖擊能力。從圖1也可以看出，在驅(qū)動電機(jī)的中高速區(qū)間，扭矩變化幅度較小，此時不論加速還是減速，對懸置的沖擊都很小。因此只需要分析低速狀態(tài)下懸置的剛度特性和頻率特性。

3.3 改進(jìn)方案

根據(jù)上節(jié)對電機(jī)扭矩特性分析，基本可以確定解決電機(jī)抖動問題的兩個方向：①提高懸置的剛度以衰減電機(jī)沖擊引起的振動；②重新標(biāo)定驅(qū)動電機(jī)的外特性。下面重點(diǎn)討論軟墊剛度對沖擊特性的影響。

對此將采用廠家推薦的剛度3600N/mm軟墊，如圖7所示。表3為剛度3600N/mm軟墊的具體參數(shù)，將參數(shù)輸入到仿真模型中，分別開展在時域條件下的沖擊響應(yīng)和頻域條件下的頻響分析。

圖7 剛度3600N/mm軟墊模型

表3 兩種懸置模型剛度 N/mm

表4為改進(jìn)后的固有頻率和解耦結(jié)果，可以看出懸置系統(tǒng)的固有頻率變大，解耦率基本變化不大。

表4 改進(jìn)后的解耦計(jì)算結(jié)果

圖8為沖擊響應(yīng)條件下的改進(jìn)前和改進(jìn)后驅(qū)動電機(jī)懸置的位移和加速度仿真計(jì)算結(jié)果。

圖8 驅(qū)動電機(jī)懸置的位移和加速度仿真計(jì)算結(jié)果

圖8中藍(lán)虛線是改進(jìn)前的位移和加速度，紅實(shí)線是改進(jìn)后的位移和加速度，可以看出，改進(jìn)后的電動機(jī)在遇到相同沖擊下，X、Y、Z 3個方向上的位移響應(yīng)以及加速度響應(yīng)幅值明顯降低，振動衰減有非常明顯的效果。

最后，分別對原車型以及改進(jìn)后的車型做頻率響應(yīng)仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 頻率響應(yīng)仿真分析

改用3600N/mm軟墊后，各向固有頻率都有所提升，可以避開部分車身頻率，在廠家不能達(dá)到側(cè)向剛度要求的條件下，選用大軟墊具有可行性。本軟墊結(jié)構(gòu)與1350N/mm軟墊結(jié)構(gòu)類似，開發(fā)新軟墊，軟墊側(cè)向尺寸會大幅增大，會影響安裝空間。

4 試車結(jié)果和分析結(jié)論

在現(xiàn)場試車過程中，分別通過主動防抖技術(shù)的實(shí)施和懸置剛度調(diào)整來改善加速過程中的電機(jī)抖動，取得不錯的效果。

1） 優(yōu)化電機(jī)的低速扭矩加載策略，對電機(jī)啟動時振動進(jìn)行控制，能有效減緩電機(jī)抖動。

2） 傳統(tǒng)的頻域優(yōu)化思路，在應(yīng)對新能源車輛的NVH問題上有一定的局限性，需要在時域條件下開展沖擊響應(yīng)分析。

3） 本文僅針對驅(qū)動電機(jī)的懸置開展了分析，后續(xù)可以繼續(xù)針對驅(qū)動電機(jī)的外特性對沖擊特性的影響進(jìn)行研究，引入扭矩功率比系數(shù)，為電控或電機(jī)技術(shù)要求做邊界約束，提升產(chǎn)品可靠性。