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关于电动汽车悬置系统的几点探讨(下)

关于电动汽车悬置系统的几点探讨(下)

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1 引言

本文的上篇《关于电动汽车悬置系统的几点探讨(上)》,我们对传统燃油车悬置系统的扭矩轴解耦原理作了简要的回顾,在本文的下篇,我们将针对电动车悬置系统,探讨几个关键问题。


对于燃油车,悬置系统匹配优化的着眼点是多缸发动机的扭矩波动,扭矩轴布置方案和模态解耦理念都是为了缓解扭矩波动所引起的车体振动。对于纯电动汽车,电机的扭矩波动远低于发动机,而且主要出现在蠕行、加速、减速和制动工况,其频率与发动机转动阶次也无明显关联。但电机的扭矩则明显大于发动机。所以悬置匹配优化的着眼点则应该是动力总成的扭矩,悬置系统首先应具备足够的抗扭限位能力,确保在大扭矩的作用下动力总成的位移量处于合理范围,在此基础上再考虑隔振性能。


2悬置布置方式

本文上篇曾经提出,扭矩轴布置方案并不能实现扭矩轴方向100%的解耦。动力总成的扭矩轴与曲轴(对于电动汽车就是电机轴)夹角越大,解耦度就越低。


电动汽车的动力总成包括驱动电机与减速器,也可能集成了空调压缩机和逆变器,减速器最常见的是平行轴形式,如图1所示。因为平行轴减速器的存在,使动力总成质量分布非常不对称,所以扭矩轴与电机轴常常发生超过15度的偏离,甚至可能超过25度。如此大的角度差,即使左右主悬置严格按扭矩轴布置也无法实现较高的扭矩轴方向解耦度。所以对于采用平行轴差速器的动力总成,采用扭矩轴布置并不合理。

图1 采用平行轴差速器电动车动力总成


受传统燃油车悬置匹配思路的影响,目前国内很多纯电动汽车仍在沿用扭矩轴布置方式,即左右主悬置尽量布置在靠近扭矩轴位置,动力总成后侧再加一个拉杆式抗扭悬置。但国外厂商的车型基本上都摒弃了这种布置方式,转为更简单有效的质心布置方式。传统车企的产品如日产Leaf、雪佛兰Bolt、三菱ImiEV,新兴车企的产品如特斯拉Model S和Model X、法拉第未来的FF91,都是采用质心布置方式。国内最新发布的蔚来ES8也是采用质心布置。这些采用质心布置方式的车型中,绝大多数采用三点悬置。


三点质心布置方案的原则是,在俯视图上动力总成质心要落在三个悬置点所构成的三角形区域内,且应尽量靠近三角形中心,对三个悬置点的相对位置则没有太多限制。例如日车Leaf、三菱ImiEV和雪佛兰Bolt采用左+右+后布置方案,特斯拉Model S的前动力总成采用左前+右前+左后布置方式,后动力总成则采用左+前+后的布置方式,如图2所示。

图2 特斯拉Model S的悬置布置方式


采用三点质心布置形式时,要按两个基本工况进行悬置位置的微调优化。第一个工况是动力总成只承受自重,要求三个悬置点Z向受力接近相等;第二个工况是动力总成输出最大扭矩,要求三个悬置点以Z向受力为主,X向和Y向受力要尽量的小。


3抗扭限位能力要求

燃油车悬置系统匹配的主要目的是针对扭矩波动进行隔振,所以中高端燃油车通常都会采用液压悬置,以保证在低频和高频段都能够提供合理的阻尼和动刚度。


纯电动车驱动电机的峰值扭矩明显高于同级别的燃油车,并且与发动机峰值扭矩只发生于某一转速不同,电机的峰值扭矩在一个很大的转速区间(恒扭矩区)内都可出现,如图3所示。在Tip in/out工况下,扭矩数值迅速改变,制动能量回收功能启动时扭矩还会在极短时间内发生由正到负的反转,导致悬置系统承受大幅度快速变化的载荷。

图3 驱动电机的外特性曲线


因此,纯电动汽车对悬置系统的隔振能力要求低于燃油车,但对悬置系统抗扭限位能力的要求远高于燃油车。基于这种考虑,工艺简单、可靠性好能并且提供大刚度的橡胶悬置更适合电动汽车,液压悬置反而不适用。所以目前国内外的电动汽车,无论何种级别和档次,基本上都是采用橡胶悬置,形式以圆柱形衬套式最为常见。


电动汽车采用质心布置方式的主要目的也是提升悬置系统的抗扭限位能力,因为质心布置方式与扭矩轴布置方式相比,增加了悬置点在整车X-Z平面内的投影间距,采用相同的悬置软垫刚度时能够抵抗更大的扭矩。


为抵抗大扭矩,电动车悬置软垫的刚度应大于燃油车,建议橡胶衬套设计为接近实心的结构,Z向静刚度在300N/mm以上。


为控制大扭矩下动力总成的位移量,悬置软垫应有足够强的限位能力,Z向压缩7mm的反力值应在5000N以上。如果悬置软垫限位能力不足,大扭矩下动力总成位移量过大容易与周边部件撞击,扭矩迅速变化时动力总成还可能发生明显抖动。


因为驱动电机振动激励小但扭矩大,电动汽车悬置软垫的刚度曲线不需要设置线性段。理论上悬置系统在线性段有最好的隔振能力,但驱动电机主要运行在大扭矩下,绝大部分时间内悬置软垫都是工作在非线性段。


需要注意的是,提升悬置软垫的刚度和限位能力并不意味着NVH性能的降低。对于电动汽车而言,很多情况下悬置系统隔振能力差并不是因为悬置软垫过于刚硬,而是因为悬置软垫过于柔软,在大扭矩作用下被压死失去缓震功能。例如,电机或者减速器的阶次噪声可能以结构噪声的形式,通过悬置系统传递到乘员舱内。如果悬置软垫太柔软,很可能在全扭矩工况被压死,从而加剧结构噪声的传递。建议在正向和反向最大扭矩下,每个悬置软垫的变形量都控制在10mm以内。


4刚体模态频率和解耦度

因为驱动电机的扭矩波动激励小,所以电动车悬置系统对刚体模态解耦度的要求也低,扭矩轴方向的解耦度大于80%即可。但是一定要注意,此处指的是扭矩轴坐标系下Roll方向的解耦度,而不是整车坐标系下Ry方向的解耦度,所以必须在扭矩轴坐标系下进行分析优化。


关于刚体模态频率,对于燃油车,一般都是将6阶刚体模态频率规划在5-15Hz,并且绕曲轴转动的模态频率要发动机怠速激励频率的1/2。但电动车的动力总成质量明显小于燃油车;因为抗扭限位的需要,其悬置软垫刚度则大于燃油车。所以电动车动力总成的刚体模态频率必然是高于同级别的燃油车。建议X/Y/Z方向的三个平动模态频率小于20Hz,Roll/Pitch/Yaw三个转动方向的模态频率控制在20-40Hz,同时要避开蠕行时的电机的一阶二阶谐频,如果空调压缩机集成在动力总成上,还应避开空调压缩机的工作频率。


因为驱动电机的扭矩波动既可能在蠕行时发生,也可能在大扭矩情况下发生。所以在进行解耦度和模态频率计算时,要考虑两种情况,第一种是使用动力总成仅受重力作用时的悬置软垫动刚度,第二种是使用动力总成输出最大扭矩时的悬置软垫动刚度。两种情况下都要满足上述解耦度和刚体模态频率的要求。


5其它要求

悬置系统的设计优化不仅仅要考虑抗扭和隔振,还要避免占用太多的前舱内X向距离,以保证正碰和偏置碰时吸能空间。


主动侧和被动侧的悬置支架约束模态都应大于500Hz,最好不要低于800Hz。悬置支架还应保证足够的强度和耐久性,行业内流行的28工况悬置支架强度校核方法,对于电动汽车也是适用的。


电动车对整车重量要求极为苛刻,所以应尽量控制悬置支架的重量。除了选用轻质材料和支架结构优化,还应优化设计动力总成和副车架的外形,减少副车架和动力总成之间的间距,同时优化悬置布置位置,以减少悬置支架的悬臂长度。如果悬置支架的悬臂长度过大,为保证强度和模态频率,只能加强支架结构,从而导致重量的增加。


特斯拉Model S后动力总成将电机和逆变器分别布置在减速器左右两侧,使动力总成的形状与副车架非常匹配,如图4所示,选择的前+后+左三个悬置位置也非常合理,所以只需要很短的悬置支架就能将动力总成与副车架连接。因为支架悬臂长度短,支架就可以设计的非常轻巧。

图4 特斯拉Model S的后动力总成和后副车架


特斯拉Model S前动力总成则改为左前+右前+左后布置方式,如图5所示,这种布置方式在X方向更为紧凑,节省了前舱的碰撞吸能空间。三个悬置支架的悬臂长度也比较短,支架结构紧凑轻巧。

图5 特斯拉Model S的前动力总成悬置支架


特斯拉作为新兴车企,并不以结构设计见长,但Model S的悬置设计可圈可点,值得借鉴。


我们再看一下同样是前后桥双电机,同样采用同轴差速器的蔚来ES8。蔚来ES8前动力总成采用两前一后悬置,后动力总成采用两后一前悬置,都是质心布置方式,都采用了圆柱形橡胶衬套。从抗扭和隔振角度而言,这种悬置布置方案很合理。


但是前动力总成的悬置前后布置方式占用了大量X向距离,使前舱碰撞吸能空间严重损失。而且为了避让转向器,前悬置主动侧支架不得不向前延伸。这种做法不仅进一步吃掉吸能空间,且因为支架悬臂长度过长,为保证模态频率和强度,支架只能设计的非常粗壮,必然增加重量和成本。凭良心说,蔚来ES8的悬置设计在国产电动车里还属上游水平,但是与Model S相比是何等的粗重笨拙。

图6 蔚来ES8前动力总成前悬置支架


如果蔚来ES8的前动力总成悬置系统能够改变目前这种前后布置方式,所带来的好处不仅仅悬置支架减轻一公斤左右的重量。更重要的是,由于减少了悬置系统对碰撞吸能空间的占用,整车前悬可以减少,C点(前风挡和机罩延长线的交点)也可以前移,由此带来的造型科技感、乘员舱空间、整车重量、整车成本和续驶里程等方面的改善应相当可观。


6结语

在本文的最后,将主要观点总结如下:


1) 纯电动汽车悬置匹配优化的着眼点则应该是动力总成的扭矩,悬置系统首先应具备足够的抗扭限位能力。


2) 对于电动汽车,悬置系统扭矩轴布置方式并不合理,质心布置方式更为适用。


3) 结构简单、可靠性好、能提供大刚度的接近实心的圆柱形橡胶衬套更合适电动汽车。


4) 电动汽车悬置软垫的刚度曲线不需要设计线性段,但要求有足够高的静刚度和限位能力。


5) 很多情况下,电动车悬置隔振能力不足并不是因为悬置软垫过于刚硬,而是因为悬置软垫过于柔软,在大扭矩作用下被压死失去缓震功能。


6) 刚体模态解耦度只要求在扭矩轴方向大于80%,注意一定要在扭矩轴坐标系下进行计算分析。


7) 建议X/Y/Z方向的三个平动模态频率小于20Hz,Roll/Pitch/Yaw三个转动方向的模态频率控制在20-40Hz,还要考虑避开蠕行时电机一阶二阶谐频和空压机工作频率。


8) 悬置系统的设计要尽量减少对碰撞吸能空间的占用。


9) 为实现悬置支架轻量化,应设法减少副车架和动力总成之间的间距,同时优化悬置布置位置,以减少悬置支架的悬臂长度。


作者简介

王朋波,清华大学力学博士,汽车结构CAE分析专家。重庆市科协成员、《计算机辅助工程》期刊审稿人、交通运输部项目评审专家。专业领域为整车疲劳耐久/NVH/碰撞安全性能开发与仿真计算,车体结构优化与轻量化,CAE分析流程自动化等。


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发布于 2018-01-05

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