CN112668094B - 一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法，具体涉及车辆噪声与振动控制领域，其目的在于解决双电机耦合驱动电动汽车的扭振NVH问题。该方法通过建立汽车动力传动系统的扭振模型、数学计算与分析流程，针对传动系统固有特性与强迫扭转振动响应完成了系统全面的分析，从而能够全面分析涉及双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振NVH问题，直观展现分析结果，有效缩短产品开发周期，并降低了开发成本。

Description

一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法
技术领域
本发明涉及车辆噪声与振动控制领域，具体涉及针对双电机耦合驱动电动汽车的动力传动系统扭振分析方法。
背景技术
汽车传动系统的扭转振动直接影响到汽车的舒适性和安全性，汽车扭转振动程度的优劣已经成为人们评价汽车质量的重要参考因素之一，影响着人们购车的选择倾向。在汽车的传动系统中，发动机特性、路面输入、传动系统中齿轮齿隙等是引起传动系统载荷变化的主要激励源。传动系统扭转振动与发动机振动、传动系的弯曲振动和轴向振动等其他的振动形式相互耦合，共同构成了汽车复杂的振动、噪声问题。而对于纯电动汽车来说，由于电机具有相对较快的转矩动态响应、较宽的转速调节范围和较高的转矩波动频率，使得纯电动汽车传动系统的扭转振动具有与燃油动力汽车完全不同的特点。尤其是在双电机耦合驱动电动汽车中，两个电机的输出转矩经传动系统耦合之后，对汽车整体造成的NVH问题相对而言更加复杂。因此，建立合理、准确的传动系统扭振模型，对于双电机耦合驱动电动汽车的扭转振动进行分析是汽车研发过程中具有重要意义的内容。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法，具体包括以下步骤：
步骤1、基于双电机耦合驱动电动汽车的动力传动系统构型，建立动力传动系统扭转振动模型；将动力传动系统中的各部件抽象为具有转动惯量的节点，各节点之间的轴段及齿轮啮合部分则视为具有刚度和阻尼的弹性体；
步骤2、确定与所述动力传动系统扭转振动模型中的所述节点、所述轴段以及所述齿轮啮合部分等对应的结构参数；
步骤3、基于机械振动理论求解所述动力传动系统扭转振动模型的自由振动方程，得到所述动力传动系统扭转振动模型的各阶固有频率及对应振型；
步骤4、计算电机激励频率，确定使所述动力传动系统扭转振动模型达到固有频率时的临界车速；
步骤5、计算对应固有频率对各部件参数的灵敏度，通过调整对应部件参数对共振车速点进行优化；
步骤6、基于车辆动力学理论建立动力传动系统强迫振动模型，仿真计算关键轴段的转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线；
步骤7、基于转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线计算响应曲线超调量和响应时间，评价扭振模型强迫振动动态响应性能；
步骤8、若关键轴段处转矩变化曲线超调量与振荡超出预定阈值条件，则调整电机转输出转矩变化率，对比不同输入转矩变化率情况下的转矩动态响应曲线及速度响应滞后时间，并主动兼顾汽车动力性和扭振抑制提供对应的控制策略。
进一步地，所述步骤1中建立动力传动系统扭转振动模型采用集中质量法将动力传动系统简化为扭振模型。
进一步地，所述结构参数利用理论计算、工程试验等方式获得各所述节点的转动惯量、所述轴段的刚度、阻尼及齿轮结构参数等。
进一步地，所述步骤4中具体基于电机控制理论计算电机激励频率，确定达到模型固有频率时的电机临界转速并作临界转速图，基于传动比计算临界车速，设定汽车常用行驶工况，判断工况内的临界车速点。
进一步地，所述步骤5中所述灵敏度具体通过选取临界车速点对应的固有频率，基于直接求导法计算得到；在计算得到的灵敏度中选取绝对值较大的灵敏度所对应的结构参数进行调整，结合固有频率调整目标及灵敏度的正负判断将该参数进行放大或缩小操作，重复执行步骤2至步骤4以实现最优的优化效果。
进一步地，所述步骤8中针对转矩变化曲线超调量与振荡超出预定阈值条件的关键轴段处，对输入转矩的变化率分别以不同百分比进行调整；重复执行步骤6至步骤7，对比转矩变化曲线的超调量和响应时间，对比整车角速度变化曲线的速度响应滞后时间，在允许的速度响应滞后时间范围内取转矩变化曲线超调量最小、振荡程度最小、响应最快的输入转矩变化率，从而实现兼顾汽车动力性和扭振抑制。
上述本发明所提供的方法，相对于现有技术至少具有以下有益效果：
1、本发明所提供的方法，针对双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统的扭转振动特性实现了具体、全面的分析。综合考虑了定轴及非定轴传动结构中的齿轮啮合刚度和啮合阻尼，并建立了准确的扭转振动模型，基于振动理论进行模态分析，确定相对振幅较大的节点位置，能够为工程优化工作提供可靠的数据支撑。
2、本发明所提供的方法中基于电机理论对电机进行谐波分析，计算传动系统在电机激励转矩下达到系统固有频率时的电机临界转速，进而计算在常用工况下的临界车速点；通过灵敏度分析对关键部件结构参数进行调整，从而能够实现将临界车速点尽可能移出常用车速范围的目的。
3、利用本发明所提供的方法在不同工况下的强迫振动仿真分析，可在工程上实现与实车实验结果进行对标。通过分析传动系统强迫扭转振动动态响应，能够方便、快速地展现扭振响应的可视化结果，并能够相应地提供简单的转矩主动控制策略，有利于缩短产品研发时间，降低研发成本。
附图说明
图1为本发明的双电机耦合驱动电动汽车传动系统扭振分析方法逻辑框图；
图2为本发明的双电机耦合驱动电动汽车传动系统构型图；
图3为本发明的双电机耦合驱动电动汽车传动系统扭振模型图；
图4为本发明的双电机耦合驱动电动汽车传动系统临界转速图；
图5为本发明的双电机耦合驱动电动汽车传动系统强迫振动响应图。
附图中：1为驱动电机，2为两挡变速箱主动齿轮，3为两挡变速箱从动齿轮，4为两挡变速箱输出主动齿轮，5为作业电机，6为作业电机输出齿轮，7为惰轮，8为太阳轮，9为行星轮，10为齿圈，11为主减速器主动齿轮，12为主减速器从动齿轮，13、14为车轮，15为整车。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1、基于双电机耦合驱动电动汽车的动力传动系统构型，建立动力传动系统扭转振动模型；将动力传动系统中的各部件抽象为具有转动惯量的节点，各节点之间的轴段及齿轮啮合部分则视为具有刚度和阻尼的弹性体；
步骤2、确定与所述动力传动系统扭转振动模型中的所述节点、所述轴段以及所述齿轮啮合部分等对应的结构参数；
步骤3、基于机械振动理论求解所述动力传动系统扭转振动模型的自由振动方程，得到所述动力传动系统扭转振动模型的各阶固有频率及对应振型；
步骤4、计算电机激励频率，确定使所述动力传动系统扭转振动模型达到固有频率时的临界车速；
步骤5、计算对应固有频率对各部件参数的灵敏度，通过调整对应部件参数对共振车速点进行优化；
步骤6、基于车辆动力学理论建立动力传动系统强迫振动模型，仿真计算关键轴段的转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线；
步骤7、基于转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线计算响应曲线超调量和响应时间，评价扭振模型强迫振动动态响应性能；
步骤8、若关键轴段处转矩变化曲线超调量与振荡超出预定阈值条件，则调整电机转输出转矩变化率，对比不同输入转矩变化率情况下的转矩动态响应曲线及速度响应滞后时间，并主动兼顾汽车动力性和扭振抑制提供对应的控制策略。
在本发明的一个优选实施方式中，所采用的双电机耦合驱动电动汽车传动系统构型如图2所示，其动力源为驱动电机和作业电机。驱动电机传递的扭矩经过两挡自动变速箱后与作业电机传递的扭矩在行星排处实现耦合，而后扭矩传递至驱动轴，经主减速器后传递至车轮，最终作用于整车。
首先，在步骤1中对汽车传动系统进行简化处理，其中电动机转子、各齿轮、车轮以及整车等部分因具有较大的转动惯量和较小的扭转刚度，可将其视为具有转动惯量的节点，各节点之间的轴段以及齿轮啮合的部分视为具有刚度和阻尼的弹性体。建立起共15个节点的传动系统扭振模型如图3所示。
对于步骤2中的结构参数，由工程试验或理论计算等方式获取传动系统中各部件的转动惯量和扭转刚度等，扭转阻尼参数难以由工程试验直接得到，可由如下经验公式计算获得：
轮齿啮合阻尼系数cv的计算公式：
Figure BDA0002850415790000041
式中，εv为啮合阻尼比；kv为齿轮副啮合刚度；rb1、rb2为主、从动齿轮的基圆半径；J1、J2为主、从动齿轮的转动惯量。
轴的扭转阻尼系数cT的计算公式：
Figure BDA0002850415790000042
式中，εT为扭转阻尼比；kT为轴的扭转刚度；J1、J2为轴两端部件的转动惯量。
对于步骤3，基于机械振动理论对扭振模型自由振动方程进行求解，得到传动系统各阶固有频率。将各阶振型消除传动比影响后进行归一化处理，分析各阶振型中相对振幅较大的节点位置。
在随后的步骤4中基于电机控制理论分析各谐次激励频率，作电机临界转速图如图4所示，激励频率与固有频率相交时的转速点即为电机的临界转速点，临界转速计算公式如下。
Figure BDA0002850415790000043
式中，nc表示电机临界转速，r/min；∫表示传动系统扭振的固有频率，Hz；k表示电机转矩波动中的谐波转矩频次。
基于传动比关系将临界转速点换算为共振车速点，并与常用工况下的车速范围进行比较，在这些临界车速点下传动系统的共振可能影响到汽车行驶的安全性。此实例中，汽车行驶工况为C-WTVC工况，一挡和二挡时在常用车速范围内的临界车速点各有8个。
得到共振车速点后，步骤5中基于直接求导法计算对应固有频率对各部件参数的灵敏度，对灵敏度绝对值较大的结构参数进行调整，以达到将共振车速点尽可能移出常用车速范围的目的。此本实施方式中，分别对齿圈的转动惯量、主减速器主动齿轮的转动惯量、主减速器从动齿轮的转动惯量以及行星排输出轴的刚度进行调整，实现了常用车速内临界车速点的减少。
步骤6中利用MATLAB/SIMULINK软件中搭建传动系统扭振模型进行强迫振动响应仿真计算，此本实施方式中，选用变步长ode223tb算法，仿真完成后记录电机轴、驱动轴转矩数据，保存并绘制转矩变化曲线，记录整车角速度数据，保存并绘制角速度变化曲线。
取急加速和缓加速两种工况进行仿真计算，在驱动电机和作业电机处施加阶跃转矩模拟急加速工况，施加斜坡转矩模拟缓加速工况，得到两种工况下的扭振响应曲线图如图5所示。通过对8000Nm/s转矩变化率进行50％、25％、12.5％幅度的调整，重复执行步骤6至步骤7，基于对转矩变化曲线的超调量和响应时间和整车角速度变化曲线的速度响应滞后时间进行对比，认为当电机转矩变化率调整为原50％时，速度响应仅滞后0.05s，整车等效角加速度的超调量却降低了69.5％，能够在兼顾汽车动力性的同时实现扭振抑制。
在强迫振动响应计算中，本发明使用MATLAB/SIMULINK软件和变步长ode223tb算法进行仿真计算，也可以使用其它可行的数学手段和仿真工具进行求解。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种双电机耦合驱动电动汽车动力传动系统扭振分析方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、基于双电机耦合驱动电动汽车的动力传动系统构型，建立动力传动系统扭转振动模型；将动力传动系统中的各部件抽象为具有转动惯量的节点，各节点之间的轴段及齿轮啮合部分则视为具有刚度和阻尼的弹性体；
步骤2、确定与所述动力传动系统扭转振动模型中的所述节点、所述轴段以及所述齿轮啮合部分对应的结构参数；
步骤3、基于机械振动理论求解所述动力传动系统扭转振动模型的自由振动方程，得到所述动力传动系统扭转振动模型的各阶固有频率及对应振型；
步骤4、计算电机激励频率，确定使所述动力传动系统扭转振动模型达到固有频率时的临界车速；
步骤5、计算对应固有频率对各部件参数的灵敏度，通过调整对应部件参数对共振车速点进行优化；
步骤6、基于车辆动力学理论建立动力传动系统强迫振动模型，仿真计算关键轴段的转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线；
步骤7、基于转矩变化曲线和整车角加速度变化曲线计算响应曲线超调量和响应时间，评价扭振模型强迫振动动态响应性能；
步骤8、若关键轴段处转矩变化曲线超调量与振荡超出预定阈值条件，则调整电机转输出转矩变化率，对比不同输入转矩变化率情况下的转矩动态响应曲线及速度响应滞后时间，并主动兼顾汽车动力性和扭振抑制提供对应的控制策略。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中建立动力传动系统扭转振动模型采用集中质量法将动力传动系统简化为扭振模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述结构参数利用理论计算、工程试验方式获得各所述节点的转动惯量、所述轴段的刚度、阻尼及齿轮结构数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中具体基于电机控制理论计算电机激励频率，确定达到模型固有频率时的电机临界转速并作临界转速图，基于传动比计算临界车速，设定汽车常用行驶工况，判断工况内的临界车速点。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5中所述灵敏度具体通过选取临界车速点对应的固有频率，基于直接求导法计算得到；在计算得到的灵敏度中选取绝对值较大的灵敏度所对应的结构参数进行调整，结合固有频率调整目标及灵敏度的正负判断将该参数进行放大或缩小操作，重复执行步骤2至步骤4以实现最优的优化效果。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤8中针对转矩变化曲线超调量与振荡超出预定阈值条件的关键轴段处，对输入转矩的变化率分别以不同百分比进行调整；重复执行步骤6至步骤7，对比转矩变化曲线的超调量和响应时间，对比整车角速度变化曲线的速度响应滞后时间，在允许的速度响应滞后时间范围内取转矩变化曲线超调量最小、振荡程度最小、响应最快的输入转矩变化率。
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