纯电动汽车传动系统扭转振动特性分析

纯电动汽车传动系统扭转振动特性分析刘成强;徐海港;柴本本;陈林用【摘要】重点研究某匹配两挡机械自动变速器(2AMT)的小型纯电动车电驱动传动 系存在的扭转振动问题.传动系统包括驱动电机、双速变速器总成、主减速器差速 器总成、半轴和车轮,根据其传动链建立了完整的扭转振动力学模型.为了详细讨论 驱动电机的电磁转矩激励对整个传动系的影响,驱动电机采用空间矢量模型.在MATLAB/Simulink中,将传动系统振动模型转换成系统仿真模型，并分别研究了驱动电机的电磁转矩控制参数和轮胎刚度对整个传动系统振动的影响.通过匹配分析, 该小型纯电动汽车传动系的扭转振动得到了优化.期刊名称】 机械设计与制造年(卷),期】 2018(000)012【总页数】4页(P223-226)【关键词】 纯电动轿车;两挡机械式自动变速器;电驱动系统;多自由度扭转振动【作 者】 刘成强;徐海港;柴本本;陈林用【作者单位】 山东时风(集团)有限责任公司,山东 聊城 252800;山东时风(集团)有限 责任公司,山东 聊城 252800;上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240;上 海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240【正文语种】 中 文中图分类】 TH161 引言 纯电动汽车传动系统的扭转振动问题包含了驱动电机与机械传动系统的机电耦合， 受到驱动电机磁场气隙变化和扭矩波动的影响。在车辆起步、加速时，驱动电机的 扭矩波动直接传递到车辆，进而造成了车辆的起步喘振(surge )，加速抖振(shuffle )现象1-2。文献3主要通过振动机械机电耦合的动态特性及研究，提 出了多机耦合协同控制的理论。文献4对伺服驱动系统进行了机电耦合分析，讨 论了机电参数对其的影响。文献5建立了电机集中式驱动车辆传动系统的仿真模 型，分析了比较典型的传动系扭转阵型分布。一种部分集中式的传动系统建模方法 在文献6中给出，并与分布式的建模方法作了比较。文献7讨论了功率分流式混 合动力汽车传动系统的扭转振动对发动机启停的影响，分析了不同模式下变速器噪 声的来源。目前的研究很少涉及对电驱动双速变速器传动系统的扭转振动研究，本 研究以搭载双速变速器的某款纯电动乘用车为研究对象，运用 Simulink 建立包括 动力传动系统模型和空间矢量控制的电机模型，并对二者的相互耦合进行了综合， 系统研究了电驱动传动系统的机电耦合振动特性。2 纯电动汽车传动系统概述 某款纯电动轿车的传动系统，驱动电机产生的驱动力先经过 2AMT 传入主减速器， 再经由左右半轴传递到车轮上。车辆在起步加速或爬坡时，变速器采用一挡提供较 大的扭矩来驱动车辆，提升车辆的牵引能力；在中高速时，采用二挡的直接挡使驱 动电机尽可能工作在恒功率的高效区间，提升车辆的经济性。采用电驱动双速变速 器动力总成可以在保证车辆最高车速和加速能力的前提下，降低驱动电机的额定功 率，减少电机控制器和驱动电机的成本。3 动力传动系的扭振建模 忽略齿轮的啮合间隙、传动系的摩擦损失，传动系统的扭转动力学模型可简化，如 图1所示。图1某纯电动汽车传动系扭转动力学模型Fig.1 Torsional Vibrational Model of the Pure Electric Car Drivetrain根据机械振动原理，选取各个部件的角位移作为变量，电机的电磁转矩经过电磁气 隙作用到电机的转子端，从驱动电机端可以得到下动力学方程：式中：Tm驱动电机的输出扭矩；k1和c1分别变速器输入轴的扭转刚度和阻尼。双速变速器为三轴式结构，输入轴的转矩经过1/口挡齿轮副到中间轴，然后通过 主减速器传到输出轴，齿轮副之间通过齿轮的啮合作用来传递扭矩。进而得到变速 器总成的扭转振动方程为：式中：k12和k34I/H挡齿轮副和主减速器齿轮副的啮合刚度；C12和C34 1/口挡齿轮副和主减速器齿轮副的啮合阻尼；r1、r2、r3、r4I挡或口挡齿轮 副和主减速器齿轮副的基圆半径；k2和c2变速器中间轴的扭转刚度和阻尼； khl、kh2、chi、ch2左右半轴的扭转刚度和阻尼。不考虑车辆的转弯特性，差速器输出的扭矩经过半轴传递到车轮端，半轴可以看作 具有刚度和阻尼的弹性元件，进而得到从半轴到车轮端的动力学方程为：式中：kti、kt2、eti、ct2轮胎的扭转刚度和阻尼。轮胎与地面之间的接触作用，可以看作由于轮胎的弹性变形进而产生反作用力来驱 动车辆，通过等效轮胎刚度的办法，建立从车轮到整车之间等效扭转动力学方程：式中：TL车辆行驶中受到的等效阻力矩，其表达为： 式中：f滚动阻力系数；Cd空气阻力系数；A迎风面积；p空气密度；a路面坡度；r车轮半径；m整车质量。通过式（1） 式（9）联立，并忽略方程中的阻尼项及外加驱动力Tm，负载阻力 矩TL,可以整合整个传动系无阻尼自由振动微分方程组：式中：M质量矩阵；K刚度矩阵；X广义位移向量。其具体表达式为：带入一挡和二挡时的质量和刚度参数，分别可以得到传动系的固有模态，如表1 所示。表 1 传动系扭转振动固有频率 Tab.1 Natural Frequencies of Drivetrain? 将模态阵型归一化，并除去传动比的影响，得到一挡和二挡时整个传动系的各阶模 态阵型，如图2所示。图2 /二挡时传动系的模态阵型图Fig.2 The Mode Shape of DrivelineNatural Frequency at First or Second Gear其中节点（17 ）依次为驱动电机、一挡/二挡主动齿轮、一挡/二挡被动齿轮、 主减速器主动齿轮、主减速器被动齿轮、车轮和整车。阶模态下，整车和车轮的 振幅较大；二阶模态下车轮处的振幅较大；在高阶模态下，变速器内部齿轮的振幅 比较明显。4永磁同步电机矢量控制仿真模型 该乘用车的驱动电机为同步电机，在中，其空间矢量控制模型主要包括电机本体、 电压逆变器、速度和电流控制、SVPWM、电压坐标转换等模块。其中，电机定子电阻R=3Q,等效电感Ld二Lq=000085H，极对数np=4，转子 磁链屮f=0.175Wb。其转速闭环过程中，永磁同步电机的转矩和转速响应，如图 3所示。图3永磁同步电机转速控制曲线Fig.3 The Speed Control Curve of Permanent Magnet Synchronous Motor5 传动系机电耦合振动仿真5.1 速度控制参数对系统机电耦合振动特性的影响为研究速度控制参数Kp1和Ki1对驱动电机传动系扭转振动特性的影响，设Kp1 分别取1,2,3;Ki1分别取0.21, 0.42，0.63时整车角加速度时域响应，如图 4所示。图4速度控制参数对传动系扭转振动的影响Fig.4 The Influence of Velocity Control Parameters on Torsional Vibration of the Drivetrain由图4可见，在Kp1逐渐变大时，（02）s车辆加速度呈现相同的变化规律。在（28）s时，整车加速度振幅由大变小，共振周期略提前。与Kp1作用相反， 随着Ki1的增大，车辆加速度的振动响应延迟，振幅增大，波动时间更长。二挡和 一挡的扭转振动响应类似，二挡传动比相对于一挡较小，整车加速度的幅值小于一 挡，到达稳态的时间变长。5.2 电流控制参数对系统机电耦合振动特性的影响同样为研究电流控制参数Kp2和Ki2对电驱动传动系统扭转振动特性的影响， Kp2分别取5,10,15; Ki2分别取4,8,12时，加速度时域响应，如图5所 示。图5电流控制参数对传动系扭转振动的影响Fig.5 The Influence of Current Control Parameters on Torsional Vibration of the Drivetrain由图5可见，在（02）s时随着Kp2增加，车辆加速度的响应呈现相同的变化 规律。在（28）s时，在Kp2 = 5附近时，车辆的角加速度振动的峰值和周期较 长；在Kp210时，电流参数对车辆的角加速度影响不大。Kp2变化时二挡和一 挡的振动呈现相同的变化规律。与Kp2相反，在一挡时，Ki2变化时，车辆的加 速度变化不明显；在二挡时，随着Ki2增加，车辆的角加速度振动的峰值变大，而 且振动周期显著增长。5.3 轮胎刚度和阻尼对系统机电耦合振动特性的影响轮胎刚度kt和阻尼系数ct的变化对传动系和整车振动亦有很大的影响。这里分别取 kt 为 2250Nmrad-1,4500Nmrad-1 和 6750Nmrad-1,取 ct 为 53msrad-1,106msrad-1和159msrad-1计算整车加速度时域响应数值结果， 如图6所示。由图6可见，随着轮胎刚度增加，在（01）s时车辆的加速度振 幅增加，共振周期变长；在（28）s时，车辆的加速度振幅基本保持不变，但共 振周期缩短。二挡与一挡呈现相同的变化规律。随着轮胎阻尼系数增加，在（0 1） s时车辆的加速度振幅减小，共振周期缩短，在（28）s时，车辆的加速度 振幅和共振周期基本上不随阻尼系数变化。图6轮胎参数对传动系扭转振动的影响Fig.6 The Influence of Tire Parameters on Torsional Vibration of the Drivetrain6 结论通过建立2AMT动力传动系统的七自由度扭转振动动力学模型，分析了变速器不 同挡位下的自由模态及其固有阵型；并运用Simulink把动力学模型转化为数值仿 真模型。把永磁同步电机矢量控制模型与传动系扭转振动模型结合起来，分析了驱 动电机速度控制参数、电流控制参数以及轮胎刚度和阻尼系数等因素对电驱动传动 系统扭转振动的影响，为纯电动车动力传动系统的优化设计和车辆的扭转振动控制 提供了参考，同时对永磁同步电机参数与纯电动汽车的匹配设计有重要价值。参考文献【相关文献】1沈丹玺汽车行业未来的四大趋势及八个变化方向J.重型汽车，2016 ( 3 ): 40-42.(Shen Dan-xi.The four major trends of the future of the automobile industry and eight changes direction J .Heavy Truck，2016(3)：40-42.) 2 于永初.节能与新能源汽车技术路线图引领中国汽车产业发展 J .汽车工艺师， 2016 ( 12 ) ： 23-25.(Yu Yong-chu.The road map of energy conservation and new energy vehicles leads the development of Chinas automobile industry J .Auto Manufacturing Engineer ， 2 0 1 6(12)：23-25.) 3 梁迪，赵春雨.振动系统机电耦合研究的现状与展望 J .机械设计与制造， 2005 ( 2 ) ： 111-112.(Liang Di，Zhao Chun-yu.State and prospect in studies on electromechanical coupling of vibration system J .Machinery Design Manufacture ， 2 0 07 ( 2 ) ： 1 1 1 - 1 1 2 . ) 4 林利红，陈小安，周伟.永磁交流伺服精密驱动系统机电耦合振动特性分析 J .振动与冲击， 2010，29(4)：48-53.(Lin Li-hong ， Chen Xiao-an ， Zhou Wei.Analysis of electromechanical coupling vibration characteristics of permanent magnet ac servo precision drive system J .Journal of Vibration and Shock，2010，29(4)：48-53.) 5 于蓬，章桐，孙玲.集中驱动式纯电动车动力传动系统扭转振动研究 J .振动与冲击， 2015 ， 34(10)：121-127.(Yu Peng，Zhang Tong ， Sun Ling.Powertrain torsional vibration of a central-driven pure EVJ.Journal of Vibration and Shock，2015，34(10)：121-127.)6 Tang X，Jin Y，Zhang J.Torsional Vibration and Acoustic Noise Analysis of A Compound Planetary Power-Split Hybrid Electric Vehicle J .Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering ， 2 0 1 3 ， 228(1)：94-103.7 Farshidianfar A ， Ebrahimi M ， Bartlett H.Hybrid Modelling and Simulation of The Torsional Vibration of Vehicle Driveline Systems J .Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering ， 2 0 0 3 ， 2 1 5 ( 2 ) ： 2 1 7 - 229. 8 傅洪，田光宇，陈红旭.电机-变速器集成驱动系统扭转振动控制的研究 J .汽车工程，2010，32(7)：596-600.(Fu Hong，Tian Guang-yu，Chen Hong-xu.A study on the torsional vibration control of motor-transmission integrated drive systemJ.Automotive Engineering，2010，32 (7)：596-600.)9 袁登科，徐延东，李秀涛永磁同步电动机变频调速系统及其控制M.北京：机械工业出版 社，2015.(Yuan Deng-ke ， Xu Yan-dong，Li Xiu-tao.Permanent magnet synchronousmotor variable frequency speed control system and its control M.Beijing ： Mechanical Industry Press，2015.)