基于12自由度的副車架-電機懸置系統仿真設計及優化

關鍵詞：副車架-電機懸置系統；12 自由度分析模型；剛體模態頻率；能量分布

0 前言

電機懸置是連接電機和車身或副車架之間的橡膠隔振零件，其主要作用是支撐、限位、隔振和衰減沖擊等，因此懸置系統對整車的舒適性、安全性和可操控性都有著顯著影響［1］。通過選取適當的懸置系統設計參數（如安裝位置、角度和剛度），可以合理配置動力總成剛體振動模態的固有頻率，實現系統振動解耦［2］。目前，國內各大主機廠及懸置供應商針對懸置系統的設計優化都基于6 自由度模型，即將動力總成視為具有6 個自由度的剛體，通過懸置支承在剛性的且質量無限大的基礎上［3］。但實際上，由于動力總成懸置系統處于整車的多自由度復雜系統中，而建模時忽略了車身質量、懸架剛度和阻尼、輪胎剛度等因素的影響，因此6 自由度模型并不能準確反映動力總成在整車環境下的模態和運動耦合情況。相關研究者們進一步建立了包含車身、懸架、車輪、動力總成和懸置的12 自由度分析模型［4］、13 自由度分析模型［5］和16 自由度分析模型［6］。近年來，隨著電動汽車的普及，以及消費者對車輛乘坐舒適性要求的提升，副車架與車身之間不再是硬連接，而是通過副車架襯套與車身進行軟連接。由于電機懸置剛度設計較傳統燃油車懸置高很多，副車架襯套剛度對電機懸置系統剛體模態頻率的影響不可忽略。因此，本文以某電動車型A 搭載的電機懸置系統為研究對象，建立副車架-電機懸置系統12 自由度振動分析模型，通過自主編寫的圖形用戶界面（GUI）程序計算電機懸置系統的剛體模態頻率和能量分布，并與傳統的6 自由度振動分析模型的計算結果和試驗結果進行對比，以驗證計算程序的準確性和工程應用價值。

1 模型介紹

1. 1 數學模型

某電動車型的后驅動電機通過4 點懸置裝配在副車架上，副車架與車身之間通過4 個橡膠襯套進行軟連接。圖1 為副車架-電機懸置系統12 自由度振動分析模型示意圖，該模型中電機和副車架均被簡化為在空間6 個方向上可以自由運動的剛體，懸置和副車架襯套均只考慮其3 個主軸方向的線性剛度和阻尼，忽略扭轉剛度的影響。整個模型共12 個自由度，相比傳統的6 自由度模型多了副車架的6 個自由度，如果考慮車身、懸架和車輪系統的影響，還可以將該分析模型擴展到18 自由度（包括車身6 個自由度）或者22 自由度（包括車身6 個自由度和懸架4 個自由度），這些將會在后續的研究工作中開展。

1. 2 振動固有頻率和能量分布

在整車坐標系下，通過對上述12 自由度振動分析模型中的電機和副車架分別進行運動學分析，可以得到系統的12 自由度振動微分方程［8］：

圖2 為通過編寫的GUI 程序計算得到的電機剛體模態頻率和能量分布情況。

為了驗證上述12 自由度振動分析模型和GUI程序的準確性，筆者在整車上對后電機的剛體模態和振型進行了測試，同時還與6 自由度模型的計算結果進行對比分析，2 種模型的計算結果和實車試驗結果見表5。

從表5 可以看出：① 12 自由度模型的電機剛體模態頻率計算結果比6 自由度模型的計算結果低，尤其是垂向、俯仰和側傾3 個方向，2 種模型的計算結果相差8～11 Hz；② 2 種模型的計算結果均比試驗結果高，尤其是垂向、俯仰、側傾和橫搖4 個方向，其中模型計算結果與試驗結果在傾側方向上相差超過20 Hz；③ 與6 自由度模型相比，12 自由度模型的計算結果與試驗結果更接近，其中12 自由度模型計算結果與試驗結果在橫向、垂向和俯仰方向上非常吻合，在縱向上的差異也在3 Hz 以內。但是因為在12 自由度模型中，本文將與副車架連接的車身視為質量無限大的剛體，且未考慮電機懸置和副車架襯套扭轉剛度的影響，以及其他一些簡化處理，使得計算得到的電機剛體模態頻率在傾側和橫搖2 個方向上與試驗結果仍差異較大。不過由于電機在這2 個方向上的激勵相比其他幾個方向較小，所以懸置設計中這2 個方向上的電機剛體模態頻率一般不作特殊要求，故此處差異不影響其在工程上的應用。

3 結語

本文以某電動車型搭載的后副車架-電機懸置系統為研究對象，在傳統的6 自由度動力總成懸置系統振動分析模型的基礎上，考慮副車架及其襯套的影響，建立了12 自由度的副車架-電機懸置系統振動分析模型。通過編寫的GUI 程序，計算了2 種振動分析模型下的電機剛體模態頻率和能量分布情況，并與電機剛體模態實車測試結果進行了對比。結果表明：12 自由度模型計算得到的電機剛體模態頻率與試驗結果較吻合，尤其是電機的垂向和俯仰方向上的模態頻率與試驗結果非常吻合，而6自由度模型的計算結果則與試驗結果差異較大，已經超出仿真誤差的許可范圍。由于傳統的6 自由度模型將車身或副車架近似為絕對剛體（質量和剛度無窮大），而在本文的副車架-電機懸置系統中，電機和副車架的質量以及電機懸置和副車架襯套的剛度差異較小，故此時6 自由度模型已不再適用，而12 自由度計算模型由于考慮了副車架的質量和副車架襯套剛度的影響，因此計算結果與實際情況比較吻合。