纯电动汽车一体化电驱动系统耦合动力学研究

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电驱动系统是纯电动汽车的关键部件之一,随着电驱动系统向着高速化、集成化、轻量化方向发展,随之引发的振动噪声问题愈发明显。电驱动系统在运行过程多种物理场交互影响,其系统的内外部激励和非线性因素丰富,从而导致系统动态特性复杂多样,其动态性能好坏又直接影响汽车舒适性、安全性和可靠性。因此研究内外部激励对一体化电驱动系统动态特性的影响规律以及不同运行状态下一体化驱动系统动力学特性,是实现纯电动汽车运行安全性、保障系统运行稳定性和可靠性的关键技术基础。本文依托于国家重点研发计划“高性能纯电动运动型多功能汽车(SUV)开发”(编号:2018YFB01062)和青年科学基金项目“高速柔性行星齿轮传动系统耦合动力学机理与设计方法研究”(编号:51705042),以某型纯电动汽车一体化电驱动系统为对象,提出了一种适用于变速工况的一体化驱动系统机电耦合动力学模型,计入了永磁同步电机电磁激励特性,齿轮系统的时变啮合刚度、齿轮啮合误差等非线性激励以及箱体、旋转构件的结构柔性。本文重点研究了稳态/加速等工况激励以及电机波动转矩、时变啮合刚度、齿轮啮合误差、箱体柔性等内外部激励联合作用下的电驱动系统的动力学行为,掌握了系统内外部激励和典型工况对系统动态特性的影响规律,可为纯电动汽车一体化电驱动系统的设计和动态性能提升提供理论支撑。主要的研究内容如下:(1)纯电动汽车一体化电驱动系统耦合动力学建模。采用有限元法建立了考虑径向和切向电磁力在时间和空间分布的永磁同步电机模型。基于模态缩聚方法,建立了箱体等固定构件的有限元缩聚模型,针对旋转构件,提出离心力、惯性力以及科里奥利力的计算方法,建立了齿轮、轴、差速器壳体等旋转构件的有限元缩聚模型。采用角位移和平移位移作为广义坐标建立了平行轴斜齿轮六自由度集中参数动力学模型,将齿轮时变啮合刚度、误差激励表示为齿轮角位移的函数,使其适用于变速工况的动力学分析。基于非惯性系的牛顿定律建立了差速器动力学模型。最后,将电机模型、齿轮动力学模型耦合建立一体化电驱动系统机电耦合动力学模型。(2)稳态工况下纯电动汽车一体化电驱动系统动态特性研究。以固有特性分析和动力学仿真为手段,对缩聚模型和旋转构件离心力推导的正确性进行了验证。研究了一体化电驱动系统在稳态工况下的动态特性,结合时域和频域分析,研究了电机波动转矩、旋转构件离心力、齿轮啮合误差等动态参数激励对系统动力学特性的影响规律;研究了耦合箱体前后系统动态特性差异,分析了箱体柔性对齿轮动态啮合力矩、齿轮中心动态位移、轴承支反力的影响规律以及箱体振动响应,为系统参数选取和动力学设计提供指导。(3)加速工况下纯电动汽车一体化电驱动系统动态特性研究。计算了耦合箱体前后一体化电驱动系统在考虑阻尼下的复特征值,分析了箱体柔性对系统固有频率的影响。在加速工况下分别对一体化电驱动系统在耦合箱体前后进行了动力学仿真,研究了齿轮啮合误差对系统共振的影响规律。分析了耦合箱体前后系统的共振转速和共振频率,研究了箱体柔性对系统低阶共振的影响规律,并分析了加速过程中的箱体振动响应。
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