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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】TH16
1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.1TorsionalVibrationalModelofthePureElectricCarDrivetrain
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Ⅰ/Ⅱ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k34—Ⅰ/Ⅱ挡齿轮副和主减速器齿轮副的啮合刚度;c12和c34—Ⅰ/Ⅱ挡齿轮副和主减速器齿轮副的啮合阻尼;r1、r2、r3、r4—Ⅰ挡或Ⅱ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;kh1、kh2、ch1、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:kt1、kt2、ct1、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;ρ—空
气密度;α—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
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