基于實(shí)驗(yàn)和仿真的深度混合動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)油泵振動(dòng)響應(yīng)分析及優(yōu)化

徐章祿，袁晶，張彤

(科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 310025)

0 引言

目前政府提倡提高能源利用率、減少尾氣排放來(lái)保護(hù)環(huán)境,既能提高能源利用率，又不影響汽車?yán)m(xù)航能力的混合動(dòng)力系統(tǒng)能夠滿足要求。混合動(dòng)力系統(tǒng)是擁有多種動(dòng)力來(lái)源的系統(tǒng)，由電機(jī)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，混合動(dòng)力合成箱內(nèi)有濕式離合器、制動(dòng)器、齒輪行星排架等，這些都需要通過(guò)油液來(lái)驅(qū)動(dòng)、冷卻、潤(rùn)滑，所以在混合動(dòng)力合成箱上有一套液壓系統(tǒng)，這套液壓系統(tǒng)的動(dòng)力就是文中將要分析的電機(jī)油泵。

電機(jī)油泵工作時(shí)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)將油液運(yùn)送至混合動(dòng)力箱內(nèi)各部位，它的主要?jiǎng)恿κ怯捅脙?nèi)的電機(jī)。電機(jī)油泵在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，它的振動(dòng)會(huì)影響到整車噪聲和乘員舒適性，是電機(jī)油泵的重要性能指標(biāo)。電機(jī)油泵振動(dòng)主要原因有：

(1)泵體部分零件磨損；

(2)轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、安裝質(zhì)量不良、機(jī)組軸線不對(duì)稱、擺度超過(guò)允許值；

(3)出現(xiàn)水泵臨界轉(zhuǎn)速與機(jī)組固有頻率一致都會(huì)引起共振，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲；

(4)進(jìn)口流速和壓力不均勻，壓力脈動(dòng)、液體繞流、偏流和脫流；

(5)支撐水泵和電機(jī)的基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉陷或基礎(chǔ)的剛性較差，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動(dòng)。

文中采用嶄新的油泵和電機(jī)，部件質(zhì)量都嚴(yán)密監(jiān)控，不存在磨損和質(zhì)量問(wèn)題，泵體水流流速較小、壓力穩(wěn)定，電機(jī)輸出扭矩小，最大扭矩值僅為2.5 N·m，且扭矩不會(huì)發(fā)生劇烈變化，難以使油泵產(chǎn)生振動(dòng)。電機(jī)油泵內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高為4 000 r/min，頻率僅為66.6 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油泵結(jié)構(gòu)頻率，不會(huì)達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)分析，油泵與混合動(dòng)力合成箱相連接的部位是電子油泵的最大振動(dòng)來(lái)源。

本文作者將對(duì)電機(jī)油泵進(jìn)行模態(tài)和頻率響應(yīng)分析，計(jì)算其模態(tài)頻率和頻響振幅，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，之后在此基礎(chǔ)上改進(jìn)油泵結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高電機(jī)油泵模態(tài)頻率、增加油泵剛度來(lái)減少振動(dòng)量。

1 電機(jī)油泵振動(dòng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算流程

電機(jī)油泵穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)是通過(guò)混合動(dòng)力合成箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，混合動(dòng)力合成箱臺(tái)架實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試混合動(dòng)力系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)狀況，電機(jī)油泵位于混合動(dòng)力合成箱體外部，與混合動(dòng)力合成箱通過(guò)螺栓連接在一起，如圖1所示。

測(cè)量點(diǎn)加速度頻譜圖如圖2所示。

圖1 混合動(dòng)力合成箱上的電機(jī)油泵

圖2 測(cè)量點(diǎn)加速度頻譜圖

混合動(dòng)力合成箱運(yùn)行時(shí)內(nèi)部電機(jī)會(huì)輸出不同轉(zhuǎn)矩，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，在工作時(shí)使箱體產(chǎn)生振動(dòng)，然后由箱體傳遞到電機(jī)油泵，在油泵支座部位和油泵電機(jī)殼端部貼上加速度傳感器即可測(cè)得支撐部位振動(dòng)輸入值與油泵電機(jī)殼端響應(yīng)值。文中測(cè)量混合動(dòng)力合成箱輸出軸轉(zhuǎn)速在65 s內(nèi)由1 400 r/min減速至300 r/min的工況，測(cè)得的振動(dòng)加速度頻譜如圖2所示。X向共振頻率為333.3 Hz，Y向共振頻率為500 Hz，Z向頻率為1 250 Hz。

電機(jī)油泵振動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致油泵附近噪聲加大，影響NVH性能，同時(shí)過(guò)大的振動(dòng)更容易引起結(jié)構(gòu)疲勞和磨損，最大振幅都處于低頻段。文中主要針對(duì)電機(jī)油泵低頻段進(jìn)行分析以減小振動(dòng)和降低噪聲。

采用基于模態(tài)的頻率響應(yīng)分析方法來(lái)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。模態(tài)分析是通過(guò)求解結(jié)構(gòu)剛度矩陣特征值來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的頻率和振型。頻率響應(yīng)計(jì)算是在模態(tài)基礎(chǔ)上通過(guò)加載頻域載荷獲得頻域響應(yīng)的計(jì)算方法，通過(guò)此方法可獲得振動(dòng)加速度頻域曲線。由于電機(jī)油泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部存在泵體偏心輪、電機(jī)。電機(jī)油泵有限元模型需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上不斷調(diào)試以提高精度。圖3將詳細(xì)說(shuō)明電機(jī)油泵有限元計(jì)算的流程。

圖3 技術(shù)方案流程

2 有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)

2.1 有限元模型的搭建

電機(jī)油泵總成由泵體部分與電機(jī)部分組成，包括支座、外殼、偏心輪、電機(jī)軸和軸承、襯套、電機(jī)定轉(zhuǎn)子等部件組成，整體模型如圖4所示。材料性能及零部件質(zhì)量見(jiàn)表1。

在前處理軟件中建立電機(jī)油泵有限元模型，模型中的各部件均采用高階四面體單元?jiǎng)澐郑瑔卧境叽鐬? mm。

各螺栓連接部件之間采用剛性單元RB2連接；電機(jī)軸這類運(yùn)動(dòng)部件與其他零件連接則采用柔性單元RB3連接，如圖5中○所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)單元，質(zhì)點(diǎn)位置為電機(jī)重心，將其與電機(jī)殼和電機(jī)軸同時(shí)柔性綁定。電機(jī)轉(zhuǎn)子作為運(yùn)動(dòng)部件，其剛度具有不可預(yù)測(cè)性，因而在仿真計(jì)算時(shí)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論調(diào)整電機(jī)質(zhì)心的綁定方式。吊耳螺栓孔與殼體螺栓孔均使用CBUSH彈簧阻尼單元連接。

有限元模型計(jì)算時(shí)將油泵支座固定約束，如圖5中△部位所示。

圖4 電機(jī)油泵總成模型

零件名材料彈性模量/GPa泊松比密度/(kg·m-3)質(zhì)量/kg支座和殼體YL113700.332 7000.655 4泵體內(nèi)外轉(zhuǎn)子15號(hào)鋼2000.277 8000.138 4電機(jī)軸合金鋼2070.257 8000.189 7電機(jī)定子、繞組和轉(zhuǎn)子————1.516 5

圖5 電機(jī)油泵內(nèi)部連接及約束

2.2 FEM模態(tài)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

為檢測(cè)電機(jī)油泵有限元模型的精度，首先對(duì)油泵模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，將支撐部位螺栓孔全部自由度固定，電機(jī)質(zhì)心點(diǎn)與電機(jī)軸和電機(jī)殼周向綁定，如圖6所示。

圖6 電機(jī)質(zhì)心綁定方式

前3階頻率值與振型如圖7所示。

圖7 模態(tài)頻率

將前3階頻率與實(shí)驗(yàn)共振頻率對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 模態(tài)計(jì)算頻率值與實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)

由表2中可見(jiàn)電機(jī)油泵實(shí)驗(yàn)共振頻率與分析頻率在前2階基本一致，精度達(dá)到99%，第3階精度為96.9%，說(shuō)明有限元模型精度達(dá)標(biāo)。

2.3 電機(jī)油泵模態(tài)計(jì)算頻率影響因素研究

在模態(tài)計(jì)算中，頻率值與質(zhì)量呈反比，與材料剛度呈正比[10]。模態(tài)計(jì)算結(jié)果偏大的原因主要有：(1)零部件之間約束方式；(2)邊界約束方式；(3)材料剛度；(4)單元類型；(5)零部件質(zhì)量。

文中有限元模型采用2階單元模擬，高階單元相對(duì)低階單元節(jié)點(diǎn)數(shù)增多，計(jì)算量更大，速度較慢，但精度更高，剛度偏柔，能更好地模擬真實(shí)狀況[1]。由單元類型引起的模型剛度和頻率增大可以排除。材料剛度數(shù)據(jù)不會(huì)有顯著偏差，不屬于主要因素。零部件質(zhì)量經(jīng)過(guò)檢測(cè)并未偏小，邊界約束方式正確。目前有顯著影響的因素是零部件之間約束方式，在活動(dòng)部位約束過(guò)剛，主要是吊耳與電機(jī)部位。

電機(jī)油泵底座與箱體之間通過(guò)螺栓連接在一起。利用吊耳對(duì)電機(jī)殼進(jìn)行支撐，吊耳兩端分別通過(guò)螺栓與箱體和電機(jī)殼連接，直徑7.5 mm的吊耳孔比箱體和電機(jī)殼體5 mm的螺栓孔都要大2.5 mm左右，如圖8所示。它依靠摩擦力在箱體與電機(jī)殼之間支撐，所以吊耳對(duì)油泵的支撐剛度會(huì)有波動(dòng)。另外電機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，且電機(jī)軸在軸向也可以輕微移動(dòng)，因而也會(huì)產(chǎn)生剛度波動(dòng)。文中主要依靠修正電機(jī)質(zhì)心的綁定連接方式和吊耳的綁定剛度來(lái)測(cè)試各方向模態(tài)頻率受到的影響。

圖8 吊耳、電機(jī)殼和箱體之間的螺栓孔

將吊耳與殼體之間的CBUSH彈簧單元?jiǎng)偠却蛘蹃?lái)測(cè)試吊耳支撐剛度對(duì)各方向頻率的影響。從表3中可以清晰地看出CBUSH剛度由1×1010N/m降低至1×109N/m，X向頻率僅減少2.5 Hz，為原來(lái)的99.2%，Y向頻率減少108.7 Hz，為原來(lái)的78.1%，Z向頻率減少11 Hz，為原來(lái)的99.1%。電機(jī)油泵X向和Z向頻率受吊耳剛度影響相對(duì)較小，Y向頻率受吊耳剛度影響相對(duì)較大。

表3 不同CBUSH剛度參數(shù)下油泵頻率

電機(jī)Z向模態(tài)云圖及電機(jī)質(zhì)心綁定方式如圖9所示。

圖9 電機(jī)Z向模態(tài)云圖及電機(jī)質(zhì)心綁定方式

由于電機(jī)軸是活動(dòng)部件，剛度難預(yù)測(cè)，電機(jī)定子與電機(jī)殼之間存在接觸面，在振動(dòng)過(guò)程中電機(jī)內(nèi)部接觸面之間能夠發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，剛度會(huì)存在波動(dòng)。因而將電機(jī)質(zhì)心與殼體內(nèi)表面周向使用RB2單元全部剛性綁定會(huì)造成剛度增加，需要調(diào)整電機(jī)質(zhì)點(diǎn)與殼體的連接，如圖9所示。

從表4可見(jiàn)使用RB2單元和局部綁定時(shí)，X向和Y向頻率波動(dòng)在10 Hz內(nèi)，而Z向頻率波動(dòng)在100 Hz左右，Z向頻率受電機(jī)質(zhì)心和電機(jī)殼體、電機(jī)軸連接方式的影響。使用RB3單元綁定時(shí)總成模態(tài)頻率值在3個(gè)方向上與實(shí)驗(yàn)值基本一致，可以用于頻率響應(yīng)計(jì)算。

表4 不同的電機(jī)質(zhì)心與殼體連接方式下模態(tài)頻率 Hz

2.4 電機(jī)油泵頻率響應(yīng)分析

頻率響應(yīng)計(jì)算是計(jì)算結(jié)構(gòu)在周期正弦振蕩載荷作用下對(duì)每一個(gè)計(jì)算頻率的動(dòng)響應(yīng)。頻率響應(yīng)計(jì)算方式有直接法和模態(tài)法兩種：直接法精度高，但無(wú)法計(jì)算來(lái)自固定部位的激勵(lì)；模態(tài)頻率響應(yīng)計(jì)算中結(jié)構(gòu)矩陣用忽略阻尼的實(shí)特征值分析進(jìn)行了壓縮，然后用模態(tài)坐標(biāo)建立廣義剛度和質(zhì)量矩陣，而頻率響應(yīng)阻尼系數(shù)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)獲得。由于電機(jī)油泵激勵(lì)來(lái)自底部固定部位，所以只能使用基于模態(tài)的頻率響應(yīng)計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。基于模態(tài)的頻率響應(yīng)計(jì)算方式相比直接頻率響應(yīng)法更加快速，計(jì)算效率更高。在電機(jī)油泵與混合動(dòng)力箱體連接處約束全部自由度，在約束部位施加通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的加速度振動(dòng)激勵(lì)，如圖10所示，頻率范圍為20～1 300 Hz，從輸入的加速度曲線得出混合動(dòng)力箱體傳遞的振動(dòng)加速度幅值最低頻率為500 Hz，由于加速度輸出值為加速度輸入值的18倍，所以500 Hz也是液壓油泵的振動(dòng)頻率。使用頻響分析進(jìn)行仿真計(jì)算，測(cè)量點(diǎn)位置如圖10所示。

圖10 電機(jī)殼端部測(cè)量點(diǎn)和加載部位示意圖及各方向輸入曲線

圖11為臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)加速度曲線與頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。

從表5看，仿真與實(shí)驗(yàn)高度吻合，X向和Y向?yàn)檎駝?dòng)主要方向，Z向振動(dòng)較小，其中Y向振動(dòng)最大。在3個(gè)方向上頻率響應(yīng)峰值與實(shí)驗(yàn)值接近，在Z向頻響計(jì)算時(shí)阻尼取0.02，X向和Y向取0.04。Z向振動(dòng)峰值相對(duì)其他兩個(gè)方向相對(duì)較小，其大小為X向的17%，Y向的6%。

模態(tài)阻尼系數(shù)對(duì)頻率響應(yīng)結(jié)果影響極大，圖11為X向和Y向阻尼系數(shù)取0.04和Z向阻尼系數(shù)取0.02時(shí)的電機(jī)油泵電機(jī)殼端部測(cè)量點(diǎn)的頻率響應(yīng)幅值曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同阻尼下頻響峰值是不一樣的，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在上述阻尼條件下仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本一致。從X、Y、Z3個(gè)方向?qū)?biāo)結(jié)果看，針對(duì)文中電機(jī)油泵模型，模態(tài)阻尼系數(shù)設(shè)定為0.04時(shí)比較合理。

圖11 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果

方向?qū)嶒?yàn)峰值/g實(shí)驗(yàn)頻率/Hz仿真峰值/g仿真頻率/Hz仿真峰值精度/%頻響阻尼X0.73333.330.74333.398.60.04Y2.145002.2550094.80.04Z0.561 2500.581 25096.40.02

3 電機(jī)油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)上面模態(tài)計(jì)算分析，此電機(jī)油泵剛度主要受吊耳以及電機(jī)支撐剛度影響，而電機(jī)殼內(nèi)是黑匣子件，因而通過(guò)吊耳優(yōu)化是主要途徑。油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要需要提高吊耳剛度，通過(guò)優(yōu)化吊耳結(jié)構(gòu)、增加吊耳數(shù)量、改變吊耳位置來(lái)對(duì)電機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖12所示為文中研究的3種優(yōu)化方案。

圖12 電機(jī)油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)這4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，依次命名為原始模型、模型1、模型2、模型3，獲得以下結(jié)果，如表6所示。

表6 各結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率值 Hz

從模態(tài)結(jié)果分析可知，在吊耳與外部完全剛性綁定的條件下，加厚吊耳對(duì)結(jié)構(gòu)頻率提高幫助最大，這要求吊耳與外部的螺栓連接非常緊密，在吊耳孔與外部螺栓孔尺寸間隙太大、連接不夠結(jié)實(shí)的情況下增加吊耳數(shù)量比較合適。從模態(tài)分析結(jié)果看，在電機(jī)殼上下方位放置吊耳比較好。接下來(lái)將對(duì)模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，輸入載荷和測(cè)量點(diǎn)與上文相同，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

由表7可見(jiàn)模型2雖然頻率提高明顯，但由于X向頻率接近支撐部位振動(dòng)峰值點(diǎn)處頻率500 Hz，反而X向振動(dòng)峰值最大，達(dá)到2.34g，達(dá)不到減小振動(dòng)的目的。由圖中可見(jiàn)在阻尼取通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)所獲取數(shù)值時(shí)，頻率響應(yīng)結(jié)果中模型3振動(dòng)加速度最小，所以在電機(jī)殼上下方位放置吊耳比較好。

圖13 各結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

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4 結(jié)論

文中對(duì)電機(jī)油泵進(jìn)行了模態(tài)和基于模態(tài)的頻率響應(yīng)計(jì)算，修改和驗(yàn)證了有限元模型，提高了有限元模型的精度。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)果：

(1)通過(guò)CAE仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知：仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和幅值。通過(guò)頻率響應(yīng)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，可以確定頻率響應(yīng)分析阻尼取0.04時(shí)比較準(zhǔn)確。

(2)通過(guò)模態(tài)頻率和基于模態(tài)的頻率響應(yīng)計(jì)算，驗(yàn)證了在電機(jī)殼上下方位放置吊耳能夠最優(yōu)地減小振動(dòng)加速度，X向加速度峰值由0.74g降至0.19g，Y向加速度峰值由2.25g降至0.2g，Z向加速度峰值由0.58g降至0.15g。其X向頻率由330.7 Hz提高至357.4 Hz，Y向頻率由497.2 Hz提高至642.1 Hz，Z向頻率由1 288 Hz提高至1 424 Hz。

(3)加厚吊耳時(shí)結(jié)構(gòu)頻率提高最大，但頻率響應(yīng)計(jì)算出的振動(dòng)加速度反而最大，原因在于結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的頻率與混合動(dòng)力箱體傳遞的振動(dòng)峰值重合，即與混合動(dòng)力箱體產(chǎn)生共振，因而優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高頻率的同時(shí)，還需要使結(jié)構(gòu)頻率遠(yuǎn)離混合動(dòng)力合成箱傳遞的振動(dòng)加速峰值最低頻率500 Hz。

(4)文中分析流程可用于后續(xù)混合動(dòng)力系統(tǒng)電機(jī)油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠避免后續(xù)產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷，提高開(kāi)發(fā)效率，增加電機(jī)油泵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。