纯电动汽车动力总成支架模态分析

卢绪凤 井媛媛 董文亮 张海超

（国能新能源汽车有限责任公司）

纯电动汽车的电机动力总成的质量一般都小于150 kg[1-3]，明显小于内燃机动力总成的质量，并且为了满足抗扭限位的要求，其悬置系统弹性元件的刚度一般都大于燃油车[4-5]，因此电动汽车动力总成的刚体模态高于传统燃油车。纯电动汽车动力总成支架系统的主要作用是：在汽车前机舱内为悬置和多个控制单元提供支撑，隔离动力总成与客舱之间的振动，防止各个组件之间相互影响，因此动力总成支架系统的可靠性直接影响到电机的正常工作[6]。文章对某新能源汽车动力总成在自由状态和约束状态下各个支架的模态进行了分析，验证了动力总成支架系统满足设计要求。

1 系统有限元模型建立

1.1 模型搭建

动力总成系统的有限元模型主要包括电机、减速器、动力总成支架、悬置、电子电气组件（高低压转换器（DC/DC）、逆变器、车载充电器（OBC））等。模型中电机、减速器、DC/DC、逆变器和OBC 只有外部壳体部分，这样做是为了简化模型，但它们仍具有实际的零部件刚度[7]。为了补偿由于模型简化而损失的质量，保证模型质量与实际参数相等，在模型中添加了一些质量点[8]。系统中一些质量较小的组件，如车辆声响报警系统（AVAS）单元、阀门、空气分离器和压缩机、高低压线束、冷却装置等也简化为质量点，并在Nastran 仿真软件中采用柔性单元RBE3与支架相连。模型中的实体零件使用二阶四面体单元，而壳体零件使用一阶壳单元（目前二阶壳单元不能用于大位移分析）[9]。螺栓连接使用刚性元素RBE2 进行建模[10-11]，模型中的焊缝与焊点使用公司内部脚本进行创建。模型中的悬置等效为CBUSH 单元，悬置的一端与支架相连，另外一端固定。有限元模型，如图1所示。

图1 某新能源汽车动力总成系统有限元模型

1.2 材料属性

动力总成系统各个零部件的材料牌号及屈服极限，如表1所示。

表1 某新能源汽车动力总成系统零件的材料属性 Pa

2 模态分析要求

为了避免由于电机转子不平衡而引起的振动传递到车身上，动力总成支架的本征模态应该高于电机轴的旋转频率。系统的传动示意图，如图2所示。

图2 某新能源汽车动力总成系统模型传动示意图

电机轴的旋转频率fs受到轮胎直径、车速、减速器传动比以及安全系数的影响。

式中：r——轮胎半径，m；

d——轮胎直径，m；

v——车速，km/h；

n——减速器传动比；

s——安全系数；

ω——电机角速度，rad/s；

fs——传动轴输出频率，Hz；

fm——电机轴输出频率，Hz。

其中：d＝0.668 3 m，v＝150～160 km/h，n＝8～10，s＝1.414。可计算得出 fs为 225～300 Hz，因此动力总成支架的本征模态应大于300 Hz。对于较小的部件支架（如泵、空气分离器、阀门等），设置35 Hz为最低允许本征频率[12]。

悬置系统的刚体模态要求，如表2所示。

表2 某新能源汽车动力总成悬置系统刚体模态要求 Hz

3 自由模态分析

某新能源汽车动力总成悬置系统自由模态分析的结果，如表3所示。

表3 某新能源汽车动力总成悬置系统自由模态分析结果 Hz

在各小部件支架中，后水泵支架的模态最低为36 Hz，电机支架、变速器支架、动力总成托架的模态为385 Hz，均满足设计要求。各支架的自由模态云图，如图3所示。

图3 某新能源汽车动力总成悬置系统各部位支架模态

4 约束模态分析

系统的约束模态，如图4所示。约束模态的分析结果，如表4所示。从表4可知，刚体模态在6个方向均满足设计要求。

图4 某新能源汽车动力总成悬置系统各约束模态

表4 某新能源汽车动力总成悬置系统约束模态分析结果 Hz

5 结论

纯电动汽车使用的驱动电机具有低转速恒转矩、高转速恒功率和调速范围较大的特性，产生的激励与内燃机有很大的区别，文章通过对某纯电动汽车动力总成多工况自由模态和约束模态的分析得出：

1）该车动力总成托架及悬置支架的自由模态大于300 Hz，其他支架的模态大于35 Hz，即处于合理的范围；

2）系统约束模态在6个方向均满足设计要求；

3）对于纯电动汽车而言，前机舱的振动情况与燃油车有很大的区别，动力总成支架作为前机舱的重要支撑结构，其强度和模态应作为车辆研发过程中的重点研究内容。