雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)懸置系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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(jī)變速箱耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提供較高的可靠性、平順性和電機(jī)工作效率，得到了較快的發(fā)展。新的驅(qū)動(dòng)形式發(fā)展對(duì)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的問題。

懸置系統(tǒng)為振動(dòng)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(jī)懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，到現(xiàn)今越來越關(guān)注到對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)特性的分析和研究。文獻(xiàn)[1]提出在建立六自由度懸置系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的加減速工況下的瞬態(tài)分析；文獻(xiàn)[2]提出了結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行狀況和電機(jī)加速和制動(dòng)兩種工況的仿真分析；文獻(xiàn)[3]提出了控制電機(jī)質(zhì)心位移要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]提出對(duì)電驅(qū)動(dòng)總成懸置的抗扭和隔振功能出發(fā)來分析設(shè)計(jì)電機(jī)懸置的設(shè)計(jì)原則和方法；文獻(xiàn)[5]等對(duì)電動(dòng)總成在激勵(lì)特性等方面的差異與傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力總成進(jìn)行對(duì)比，提出了考慮電機(jī)低速扭矩大，響應(yīng)迅速，加速?zèng)_擊大的特點(diǎn)進(jìn)行懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]等建立了電機(jī)在瞬態(tài)沖擊下的振動(dòng)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)振動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。目前大部分懸置系統(tǒng)的研究均將著重點(diǎn)放在對(duì)動(dòng)力總成的力學(xué)特性上來分析，而很少提及懸置本身的影響。因此本文對(duì)雙電機(jī)的工作模式進(jìn)行介紹，并指出這種構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)組成懸置軟墊的橡膠材料進(jìn)行討論，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)電動(dòng)總成瞬態(tài)沖擊大、穩(wěn)態(tài)激勵(lì)小的特點(diǎn)引入電機(jī)急加速工況來分析電機(jī)懸置系統(tǒng)的振動(dòng)特性，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行懸置優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.1 雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型介紹

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

1.2 變速箱耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型工作模式分析

雙電機(jī)匹配變速箱的耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)M1、M2、AMT變速箱、第一輸出軸和第二輸出軸組成。電機(jī)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(dāng)駕駛踩油門時(shí)，VCU會(huì)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(shì)，所以對(duì)總成扭矩進(jìn)行分配時(shí)優(yōu)先分配EM電機(jī)。在電機(jī)效率map中，電機(jī)扭矩超過電機(jī)額定扭矩時(shí)，通常扭矩越大時(shí)電機(jī)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(shí)，只需要分配各EM電機(jī)就可以。如果需求的總成扭矩較大時(shí)，先分配EM電機(jī)，超過EM額定扭矩的尚未分配的扭矩再分配TM電機(jī)。

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

圖1 雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度，特別是在承受剪切和壓縮的情況下，但是在承受機(jī)械載荷時(shí)會(huì)因疲勞而發(fā)生破壞，因此對(duì)橡膠進(jìn)行耐久性的研究時(shí)十分必要的。由于文章需要以下對(duì)介紹橡膠材料溫度特性。

溫度的高低對(duì)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(xiàn)[7]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度進(jìn)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(xiàn)[8]對(duì)懸置性能衰退的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置在不同溫度下力學(xué)性能的下降速度。

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

2.某純電公交客車懸置系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 某電公交客車懸置系統(tǒng)問題描述

某電動(dòng)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(shí)車廂內(nèi)會(huì)感到比較明顯抖動(dòng)，主觀評(píng)價(jià)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(zhǎng)期承受電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)載荷，容易產(chǎn)生疲勞裂紋進(jìn)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(duì)懸置軟墊的檢查，當(dāng)發(fā)生突然斷裂時(shí)往往容易造成重大的事故和經(jīng)濟(jì)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(dá)到減緩橡膠老化速度延長(zhǎng)橡膠軟墊使用壽命的目的[10]。

該車型采用左右對(duì)稱四懸置傾斜45°的布置，主要的載荷來自電機(jī)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(jiǎn)化為一個(gè)承受簡(jiǎn)單剪切應(yīng)力的膠塊來進(jìn)行處理。受簡(jiǎn)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(jiǎn)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(fù)變形區(qū)（區(qū)3），撕裂能可由下式表達(dá)：G=U＊h。引發(fā)機(jī)械裂紋擴(kuò)展所需的能量G0的數(shù)值對(duì)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(shí)，裂紋的擴(kuò)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(qiáng)度與橡膠本體強(qiáng)度一樣，甚至更強(qiáng)。

圖2 簡(jiǎn)單剪切變形的膠塊形狀

從上述對(duì)橡膠斷裂知識(shí)進(jìn)行介紹的情況下對(duì)橡膠懸置斷裂進(jìn)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(yùn)行的氣候條件和道路條件和先前的運(yùn)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(yùn)行最低氣溫能夠達(dá)到最低零下20℃左右；道路條件表現(xiàn)在，車輛運(yùn)行在坡度較大地區(qū)，尋常運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩大。雖然硫化天然橡膠在較大溫度范圍內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響不大，但當(dāng)氣溫在達(dá)到零下20℃時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生顯著變化。在50℃和在零下20℃時(shí)，儲(chǔ)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(duì)橡膠的動(dòng)態(tài)特性敏感度比較大[11]。疊加運(yùn)行工況大范圍處于爬坡狀態(tài)，運(yùn)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(dǎo)致了橡膠軟墊的斷裂發(fā)生。

3.電機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)分析和電機(jī)懸置改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)橡膠軟墊的斷裂對(duì)電機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(jī)和車架之間的剛性連接而不至于發(fā)生驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)移位，造成大的事故發(fā)生。對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行質(zhì)心位移計(jì)算，以保證電機(jī)位移能控制在一定范圍，以保證不會(huì)同周圍零件發(fā)生干涉。整車坐標(biāo)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(dòng)力總成的振動(dòng)分別為在X、Y、Z軸上的平動(dòng)x、y、z和繞X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)α、β、γ。可表示為：

懸置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)振動(dòng)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(biāo)向量；{F(t)}為廣義力向量。

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

通過以上對(duì)雙電機(jī)的工作模式介紹，選取急加速工況對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)沖擊分析。為簡(jiǎn)化電機(jī)的激勵(lì)，假設(shè)單電機(jī)直驅(qū)時(shí)正常行駛到全扭矩輸出用時(shí)為5s，電機(jī)扭矩與時(shí)間的變化關(guān)系見圖3。圖中Ts和Te分別表示電機(jī)在正常行駛和全扭矩輸出狀態(tài)下的扭矩。對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)分析是選取電機(jī)在正常行駛工況時(shí)由電機(jī)M1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，額定扭矩為1560N·m，當(dāng)急加速時(shí)電機(jī)M2會(huì)同M1電機(jī)進(jìn)行耦合驅(qū)動(dòng)，這個(gè)過程中會(huì)伴隨扭矩的快速提升，設(shè)計(jì)中選取最大輸出扭矩工況3960N·m進(jìn)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(biāo)軸u、v、w的方向分別與整車坐標(biāo)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(dòng)電機(jī)質(zhì)心位移曲線

通過對(duì)改進(jìn)后的懸置系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)分析可知，電機(jī)質(zhì)心的位移量被控制在很小的范圍內(nèi)不會(huì)有同周圍的零件發(fā)生干涉的風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.結(jié)論

本文在詳細(xì)分析了變速箱耦合雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型和控制策略的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠懸置斷裂的原因進(jìn)行解釋，進(jìn)而提出了對(duì)電機(jī)懸置系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并在急加速工況對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)質(zhì)心位移進(jìn)行分析。通過對(duì)某城市客車懸置的改進(jìn)設(shè)計(jì)保證了懸置系統(tǒng)的可靠性，避免不會(huì)發(fā)生懸置軟墊突然斷裂而發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)橡膠懸置的溫度適應(yīng)性和電機(jī)的路況適應(yīng)性做出了分析，對(duì)設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)具有參考意義。