偏心电机驱动电动汽车后悬架的振动特性分析与优化外文翻译资料

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偏心电机驱动电动汽车后悬架的振动特性分析与优化

Chengyi Li Shuguang Zuo

摘要：对于车轮驱动的电动汽车，根据之前的研究，除路面不平激励外，电机扭矩波动对车辆全身振动有很大影响。为了评估并进一步减少扭矩波动对车辆全身振动的影响，本文对后悬架的振动特性进行彻底分析最终进行优化。首先，基于现有的偏心电动机驱动的电动车辆，适用于高频分析的后扭梁悬架用Adams/View进行建模。其次，使用Adams / Vibration模块模拟振动特性，并用系统的自然模态参数进行验证。最后，通过使用DOE方法调节衬套的参数来优化振动特性，并且证明其能有效地减小由扭矩波动引起的整车振动。

关键字：偏心电机驱动型电动车；扭矩波动；振动特性；扭转梁式后悬架

1简介

在当今社会，电动汽车由于其经济性和环境友好性，越来越受到公众的关注。对于现有的偏心电动机电动汽车，如图1所示，将电动机放置在牵引臂和车架之间的接头附近可以减少作用在车轮上的电机质量。几乎可以消除由于增大非悬挂质量的电动汽车中的乘坐舒适性和安全性问题。但在目前阶段，电机转矩波动仍是电动车的一个严重问题，不能完全消除解决。在我们对电动汽车的测试中，波动转矩通过扭转梁悬架直接传递到车身，而不吸收其他机械传动部件。显然，电机转矩波动对于乘坐舒适性有很大影响。

根据我和同事们对永磁同步电机转矩波动的最新测试和理论研究，永磁同步电机的转矩波动在频域中具有可预测的阶次特征，其主要在0至200Hz频率范围。由于这种扭矩波动作用在车轮和悬架上，它可能引起悬架共振或者某些有规律的振动响应。

从传输路径的角度看，研究激励和传递函数对于减少系统的振动响应都很重要。具有较低的振动传递函数，车辆可以在不同的操作条件下拥有更好的NVH性能。在本文中，主要通过优化衬套参数来减小电机转矩波动引起的垂直振动的频率响应函数。

2扭转梁式悬架 - 车轮系统的建模

由于电机转矩波动在比较大的频率范围内（0-200Hz），悬架系统应该具有足够的精度并且适合大频率波动范围。具体的后悬架CATIA模型如图1所示，该悬架由电机、两级直齿轮减速器、扭转梁和车轮组成。减速器还用作扭转梁式悬架中的牵引臂， 电机采用螺栓固定在减速器的外壳上。 电机转矩通过减速器从电机传递给车轮。

因此，根据实际结构和3D模型，在Adams 视图中建立了一个精确的刚柔耦合多体悬架系统，以下的分析工作是为了使该模型适合于高频分析，是有意义的。

2.1扭杆

扭杆是扭转梁式悬架中的关键部件，是连接每一侧的两个牵引臂。 它应该具有足够的弹性，允许当轮界限和回弹时的变形。 为了在模拟中获得更高的精度，Adams中的扭转梁被转换为从精确的CAD模型网格化的柔性零件。它应该具有足够的弹性，允许当车轮跳动和回弹的变形。 为了在模拟中获得更高的精度，Adams中的扭转梁被转换为从精确的CAD模型网格化的柔性零件。

图1.电动汽车和扭转梁式悬架的CATIA模型

2.2轮胎模型

轮胎可以直接影响动态振动特性，所以应该仔细考虑。弹性环轮胎模型由于乘坐舒适性、处理功能和道路载荷预测，使之成为最广泛使用和普遍接受的轮胎模型之一。当它用于接受三个方向的接触振动时，频率可达150Hz。

2.3衬套

衬套是悬架系统的主要隔离部分，但是在adams系统模型中，衬套通常表示成所有平移和旋转方向的线性模型。虽然线性衬套通常用于多数的动力学建模应用，但本文中的NVH研究需要更逼真的套管行为表现。因此，应用Adams数据库中的频率相关阻尼元件（3D减振器）以实现更精确的动态特性。

在Adams中有四种类型的3D减振器。在本文中，“通用型”用于每个平移方向，如图2所示。在衬套的三个方向上有三个刚度参数（K1，K2，K3）和三个阻尼参数（C1，C2，C3）。模型的动态刚度公式为：

其中径向和轴向的每六个参数是和实际衬套的物理测试数据相拟合的。由于测试条件的限制，很遗憾将忽略旋转参数。最终的拟合参数如表一所示：

图2.减振器模型

表1.FD减振器的参数

最后，悬架-车轮轮系统的adams模型如图3所示。

图3悬架-车轮系统的Adams模型

虽然我们分析的转矩波动是在0到200Hz频率范围内，但我们还应该考虑建模的精度。 由于轮胎模型只能达到150Hz，因此我们将分析范围限制在0到150Hz的频率范围内。

3振动特性分析

将电机的波动转矩从电动机传递到车架有四条路径。路径的尾部正是图3所示的四个衬套（从A到D）。在这些衬套中，衬套A和C是将悬架纵臂与车架连接，衬套B和D是用来连接弹簧与车架。

为了获得这些传输路径在0-150 Hz频率范围内的振动特性，旋转扫描输入信号，然后传到右电机输出轴上。

在机体处建立两个输出通道以评估垂直和纵向全身加速度。 为了解释每个路径对整车垂直振动的重要性，在衬套A至D处建立四个输出通道以测量垂直力。

通过仿真，获得不同输出的频率响应函数（FRF），如图4、5所示。从频率响应函数曲线我们可以看出：

1. 车身垂直加速度频率响应函数曲线显然比纵向加速度更大，除了一些峰值点以外。可以得出，垂直振动是由扭矩波动引起的整车车身振动的最重要形式。因此，在文章的剩下部分，我将把垂直振动作为评价整车振动的指标。
2. 在曲线上有三个峰值点，分别在1.499Hz，4.9967Hz和29.7802Hz。为了解释频率响应函数的峰值频率，使用Adams 线性模块执行模态分析，并且找到对应的系统固有频率。 如表2所示，频率响应函数的峰值频率可以很好地与固有频率匹配。
3. 在38.27Hz到150Hz之间，频率响应曲线具有相对平均且其值较高，这意味着电动机扭矩的宽频率范围可以引起较大的车身振动响应。 因此，减小频率响应曲线的幅度，尤其是减少在38.27Hz至150Hz的频率范围是有意义的。
4. 衬套A和C具有比B和D更大的振动响应，这意味着垂直车身振动主要是从连接车架纵臂的衬套传递。 这也给了我们一个提示，如果整车车身振动要减少，哪些衬套应该优化。

表2.峰值频率与固有频率的比较

图4.车身垂直和纵向加速度的频率响应函数 图5.衬套垂直力的频率响应

4振动特性的优化与验证

4.1优化变量、目标和方法

1. 优化变量：根据我们的分析，我们选择轴套A和C的径向和轴向刚度参数（K1，K2，K3）作为优化悬架振动特性的变量。
2. 优化目标：为了降低由电机转矩波动引起的整车车身振动，我们希望将所有车身垂直加速度的频率响应曲线幅度（从0至150Hz）最小化。因此，优化对象为0到150Hz的垂直加速度频率响应曲线下的面积，进行最小优化。
3. 方法：在Adams/Insight模块中使用响应曲面法进行优化。根据可以最小化不确定系数的最优方法设计矩阵。

4.2结果和验证

经过84次运行和DOE数据处理，优化结果如表3所示，比较频率响应函数曲线（如图6所示）。 我们可以看到，频率响应函数的峰值在优化后大大减少。 但遗憾的是，从38.27Hz到150Hz的频率响应曲线的数值大小没有改变很多。

图6.优化前后车身垂直加速度频率响应的比较

表3.衬套径向和轴向参数的优化结果

为了验证优化结果是否真的有效，在永磁同步电机上进行物理测试以测量实际的电机转矩波动。转矩波动的时间历程如图7所示。然后将电机的测试数据应用到两种模型（优化前和优化后），并在平坦路面上驱动。测量由转矩测试数据激活的车架的垂直加速度的时间历程，并进一步转换为功率谱密度。 其比较结果如图8所示。

然后根据ISO2631-1:1997(E)，在0到150Hz频率范围计算垂直加速度加权均方根值，经优化后，垂直加速度加权均方根值从0.9374m / s ^ 2降至0.8726m / s ^ 2，减少了6.91％。

图7.转矩波动的时间历程

图8.模拟车架的垂直加速度对比（时间历程与功率谱密度）

5结论

本文通过优化悬架振动特性来减小由电机转矩波动引起的偏心电机电动车辆的整体振动。从我们做的分析，可以得出以下结果：

1. 车架的垂直振动是电机转矩波动引起的整车车身振动的主要类型；
2. 在电动机波动引起的整车车身垂直振动中，连接底盘和纵臂的衬套是最重要的；
3. 悬架的振动特性可反映整个系统的固有频率和模式；
4. 衬套参数优化后大大降低了振动频率响应曲线的峰值，进一步降低了由电机波动引起的整车车身振动。

6参考文献

1. Yu, Z.L., Zhang,

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