CN111310380B - 一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法，通过建立电机动力总成悬置系统刚体模态分析模型，得到优化后的悬置系统的模态频率、解耦率和橡胶衬套的刚度值；并结合汽车的36种载荷工况，对电机动力总成悬置系统进行全面包络分析；利用有限元分析，优化橡胶衬套的结构，然后与前面的橡胶衬套的刚度值进行验算校核，如果满足条件，则可以试制。本发明可以大大缩短橡胶衬套的设计开发时间，节约开发成本。

Description

一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法

技术领域

本发明涉及汽车的动力悬置系统技术领域，具体涉及一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法。

背景技术

目前随着纯电动汽车的高速发展，汽车的驱动形式也由传统的燃油发动机驱动直接切换到电机驱动的形式，随着这种驱动形式的改变，传统的悬置橡胶衬套的开发要求及方法无法满足目前的电动车的悬置衬套的要求。同时，目前国内部分实力不强的悬置生厂商，在开发电动车悬置橡胶衬套时，完全依靠传统汽车的开发经验进行产品开发，这种产品的开发模式效率极低，开发周期长，同时开发的产品无法满足主机厂的性能要求，严重的影响到电动汽车公司的开发节点及新车的上市时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的、标准化的电动车动力总成的悬置橡胶衬套结构的开发方法及流程，大大优化了电动汽车动力总成悬置橡胶衬套的开发效率及周期，为悬置橡胶衬套企业提升产品竞争力提供了有力的支撑。

为实现上述目的，本发明的一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法，包括以下步骤：

步骤1：根据电机动力总成悬置系统的质量、质心以及转动惯量，初步确定各个橡胶悬置的三向刚度。

步骤2：搭建电机动力总成悬置系统的刚体模态分析模型，计算初始刚度值下的六阶刚体模态及六个方向的解耦率。

步骤3：根据电动汽车的激励频率及悬架的模态，设定合理的动力总成的刚体模态分布。步骤4：以各个橡胶悬置的衬套刚度作为优化变量进行优化，经过多次的优化迭代，最终选取一组或者多组优化结果，用于后续的流程。

步骤5：将优化后的刚度值结果，结合通用汽车的28工况及针对电动汽车额外的8种工况进行电机动力总成悬置系统的包络校核，主要评价指标为三向位移及三向转角，挑选出最佳的满足包络要求的刚度值。

步骤6：根据橡胶悬置的设计要求，将橡胶衬套设计为实心的结构，然后进行拓扑优化。

步骤7：对橡胶衬套进行有限元建模，根据约束边界条件，建立拓扑优化的模型，然后进行迭代计算；结合迭代结果，根据生产制造的工艺及企业的综合制造实力，进行三维模型重构，并细化数据。

步骤8：根据细化数据，结合橡胶悬置的超弹性材料属性，构建合理的本构关系，进行仿真校核计算，确认新设计的结构是否满足设计要求，如果满足设计要求，则整个开发过程结束，如果不满足设计要求，则回到步骤7进行重新进行数据细化，直到满足目标要求。

本发明的有益效果是：将整个橡胶悬置的开发流程进行了完整地描述，为企业高效地开发出橡胶悬置产品提供了可靠的开发思路，使产品的开发过程更加标准化，流程化以及科学化。

附图说明

图1本发明实施悬置橡胶衬套的结构开发方法流程图；

图2电机动力总成包络面分析28+8工况表；

图3橡胶悬置的原始状态结构三维模型；

图4橡胶悬置的原始状态结构有限元拓扑优化模型；

图5橡胶悬置的有限元拓扑优化结构；

图6橡胶悬置的最终优化结构；

图7橡胶悬置的最终刚度曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

悬置是汽车车身或车架与动力总成之间的连接部分。此种悬置主要包含了两个部分：动力总成自身和悬置部件。该悬置对动力总成的布置以及隔振降噪等性能方面起着至关重要的作用，一方面支撑起动力总成，另一方面衰减震动以及降噪，提升车辆的舒适度。在动力总成至车身的振动传递路径中，悬置起着支撑和隔振的作用，作为汽车必备元件应用于汽车工金属支架组业中，纯橡胶悬置是目前最广泛使用的悬置，一般由橡胶衬套、金属内管和金属支架组成。悬置点数量一般包括三点支承、四点支承和五点支承，汽车动力总成悬置系统一般采用三点或四点位置设计。从支承的角度考虑，要求悬置的刚度越大越好，能够满足支撑性能；从隔振的角度考虑，要求悬置的刚度越小越好，可以有良好的隔振效果。因此悬置需匹配合适的刚度，以达到系统的设计目标。

由于纯电动汽车和燃油汽车在动力总成激励上有所不同，本发明结合电动车独特的动力驱动形式，开发出了一套完整的电动汽车电机动力总成橡胶悬置的方法及流程，首先通过建立电机动力总成悬置系统的刚体模态分析模型，将初步确定的橡胶衬套的三向刚度值带入到上述分析模型中，计算出电机动力总成悬置系统的模态频率和解耦率，然后反复优化，最终输出满足约束条件的模态频率、解耦率和橡胶衬套的刚体值，以实现振动隔离效果；然后结合36种工况，再对橡胶衬套的刚度值进行优化，以满足电机动力总成悬置系统的总布置要求；利用有限元分析，对橡胶衬套的结构进行优化，针对优化结果进行反复验算，以满足衬套的三向刚度结果。

如图1所示，一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法，包括以下步骤：

步骤1：首先根据动力部门提供的电机动力总成悬置系统的质量、质心以及转动惯量，初步确定各个悬置的三向刚度。

步骤2：依据电机动力总成悬置系统解耦率的目标设计，尽可能多地考虑边界条件，尽量确保电机动力总成悬置系统在三个绕柱坐标以及三个主坐标平行方向上的振动解耦，以达到既定的解耦率指标，利用多体动力学软件ADAMS或者基于matlab开发的平台，搭建电机动力总成悬置系统的刚体模态分析模型，计算初始刚度值下的六阶刚体模态及六个方向的解耦率。悬置系统解耦率尽量达到最大化，动力总成的绕电机的旋转方向及跳动方向的解耦率要求大于85％,其它方向的解耦率大于80％。

步骤3：根据电动汽车的激励频率及悬架的模态，设定合理的电机动力总成悬置系统的刚体模态分布。电机动力总成悬置系统设计要求：电动汽车的第一阶模态大于10Hz，第六阶模态大于40Hz，为避免发生共振，相邻的两阶模态差值要大于2.5Hz；还需要综合考虑电动车蠕行时电机的激励以及悬架的频率。

步骤4：根据步骤3的要求，利用多体动力学软件或者基于matlab开发的平台的优化工具，以各个橡胶悬置的衬套刚度作为优化变量进行优化，经过多次的优化迭代，最终选取一组或者多组优化结果，用于后续的流程，如图7所示。

步骤5：根据位移设计要求：在常用路面以及极限工况下，动力总成应避免与发动机机舱内各部位或其他零部件接触或干涉。保证电机动力总成悬置系统质心运动位置在合理范围内，防止动力总成跟周边部件发生碰撞。主要评价指标为三向位移及三向转角，目前电机动力总成悬置系统的三向位置控制在±12mm,转角控制在±(2°-5°)。将步骤4计算的刚度值结果，结合通用汽车的28载荷工况及针对电动汽车额外的8种载荷工况进行动力总成悬置系统的包络校核，如图2所示，对电机动力总成悬置系统进行包络面分析，挑选出最佳的满足包络要求的刚度值用于后续步骤。

步骤6：如图3所示，橡胶衬套包括橡胶、橡胶金属外圈和橡胶金属内圈。设计人员根据橡胶悬置的设计要求，将衬套设计为实心的结构，提供给CAE工程师进行拓扑优化。

步骤7：如图4-5所示，CAE工程师根据设计人员提供的数据，进行有限元建模，根据约束边界条件，并建立拓扑优化的模型，提交给软件进行迭代计算，并将迭代结果反馈给设计人员，设计人员根据生产制造的工艺及企业的综合制造实力，进行三维模型重构，并细化数据，提供给CAE人员。

步骤8：如图6所示，CAE工程师根据设计人员提供的细化数据，结合橡胶悬置的超弹性材料属性，构建合理的本构关系，进行仿真校核计算，确认新设计的结构是否满足设计要求，如果满足设计要求，则整个开发过程结束，如果不满足设计要求，则回到步骤7进行重新进行数据细化，直到满足目标要求。悬置系统起主要作用的是橡胶材料，而橡胶材料的材料属性与钢材不同，呈现出非线性特性，称为超弹性特性。弹性模量值并不为恒定的值，通常以应力-应变曲线来描述橡胶材料的物理特性，然而应力-应变曲线需通过材料本构试验获取。如果得到的刚度值等于或接近理论设计值，则可以采用该橡胶材料进行衬套试制，若相差很大，则需重新选择橡胶材料或调整配方。本发明通过实心的橡胶悬置结构，利用有限元拓扑优化技术，完成橡胶悬置的内部结构的设计，减少了设计人员由于个人经验的不足带来的工作量的增加和反复，优化了整个开发过程的流程。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电动车动力总成悬置橡胶衬套结构的设计开发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据电机动力总成悬置系统的质量、质心以及转动惯量，初步确定各个橡胶悬置的三向刚度；

步骤2：依据电机动力总成悬置系统解耦率的目标设计，确保电机动力总成悬置系统在三个绕柱坐标以及三个主坐标平行方向上的振动解耦，以达到既定的解耦率指标，搭建电机动力总成悬置系统的刚体模态分析模型，计算初始刚度值下的六阶刚体模态及六个方向的解耦率，动力总成的绕电机的旋转方向及跳动方向的解耦率要求大于85％,其它方向的解耦率大于80％；

步骤3：根据电动汽车的激励频率及悬架的模态，设定合理的动力总成的刚体模态分布，电机动力总成悬置系统设计要求：电动汽车的第一阶模态大于10Hz，第六阶模态大于40Hz，为避免发生共振，相邻的两阶模态差值要大于2.5Hz；还需要综合考虑电动车蠕行时电机的激励以及悬架的频率；

步骤4：以各个橡胶悬置的衬套刚度作为优化变量进行优化，经过多次的优化迭代，最终选取一组或者多组优化结果，用于后续的流程；

步骤5：将优化后的刚度值结果，结合通用汽车的28工况及针对电动汽车额外的8种工况进行电机动力总成悬置系统的包络校核，主要评价指标为三向位移及三向转角，挑选出最佳的满足包络要求的刚度值；

步骤6：根据橡胶悬置的设计要求，将橡胶衬套设计为实心的结构，然后进行拓扑优化；

步骤7：对橡胶衬套进行有限元建模，根据约束边界条件，建立拓扑优化的模型，然后进行迭代计算；结合迭代结果，根据生产制造的工艺及企业的综合制造实力，进行三维模型重构，并细化数据；

步骤8：根据细化数据，结合橡胶悬置的超弹性材料属性，构建合理的本构关系，进行仿真校核计算，确认新设计的结构是否满足设计要求，如果满足设计要求，则整个开发过程结束，如果不满足设计要求，则回到步骤7进行重新进行数据细化，直到满足目标要求。