一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112733265 A(43)申请公布日 2021.04.30

(21)申请号 2020110091.7(22)申请日 2020.12.31

(71)申请人 华南理工大学

地址 5100 广东省广州市天河区五山路

381号(72)发明人 康英姿　肖兵　上官文斌　(74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限

公司 44102

代理人 何淑珍　江裕强(51)Int.Cl.

G06F 30/15(2020.01)G06F 30/17(2020.01)G06F 30/20(2020.01)G06F 17/13(2006.01)G06F 17/16(2006.01)

权利要求书3页 说明书7页 附图3页

G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01)

CN 112733265 A(54)发明名称

一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法(57)摘要

本发明公开了一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，包括以下步骤：该方法首先建立了动力总成质心坐标系，并在此基础上获取了动力总成惯性参数、质心位置以及橡胶悬置的安装位置和静刚度曲线等参数；进一步

推导得建立了动力总成悬置系统的动力学模型，

出运动微分方程；根据能量解耦理论和瞬态响应特性建立目标函数；选取悬置系统能量解耦率最高、瞬态响应下动力总成质心纵向加速度以及冲击度幅值最小为目标，以悬置线性段刚度为设计变量，固有频率合理分布以及悬置刚度变化范围为约束条件，采用多岛遗传算法进行优化，最后通过一例实例验证了该方法的可行性。

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1.一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)建立参考坐标系并获取动力总成和副车架的惯性参数；(2)获取悬置的安装位置与安装角度；

(3)建立动力总成悬置系统的无阻尼运动微分方程；

(4)建立动力总成悬置系统的参数化动力学模型并以阶跃函数为激励，计算动力总成的质心纵向加速度和冲击度，将悬置刚度、安装位置作为模型输入参数，质心纵向加速度(Ax)和冲击度(J)作为模型的输出；

(5)以悬置的线性段刚度为设计变量，动力总成的固有频率为约束条件，动力总成的能量解耦率最大、冲击工况下动力总成的质心纵向加速度和冲击度幅值最小为优化目标，建立优化模型，根据所述优化模型得到悬置的设计刚度。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述建立参考坐标系并获取动力总成的惯性参数，具体包括：获得动力总成的质量m，以动力总成的质心位置O为坐标原点建立固定坐标系O‑XYZ，Y轴平行于电机输出轴线、正向指向电机输出轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定；获得动力总成分别对X轴、Y轴、Z轴的转动惯量Ixx、Iyy、Izz，获得动力总成对X轴和Y轴的惯性积Ixy、对Y轴和Z轴的惯性积Iyz以及对X轴和Z轴的惯性积Ixz。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述安装位置定义为悬置各弹性主轴的交点，第i个悬置的安装位置可以表示为[axi ayi azi]。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于，步骤(3)所建立的无阻尼运动微分方程为：

其中质量矩阵M为：

Mw＝diag([m m m])，

刚度矩阵K为：

其中：

Kgi＝RKsiRT

矩阵R为悬置局部坐标系与动力总成质心坐标系之间的余弦矩阵，其值由悬置的安装角度决定；

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运动微分方程中，q＝[wx wy wz θ θ θxyz]为动力总成质心位移向量，为加速度向量。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于：步骤(4)中在建立所述动力总成悬置系统的参数化动力学模型时，电驱动总成和副车架均采用刚体模型。

6.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于：步骤(4)中所述悬置的刚度是指在悬置局部坐标系下的弹性主轴静刚度：kui、kvi、kwi，分别为悬置在其局部坐标系下三个弹性主轴方向上的静刚度，即分别为u、v、w三个方向上的静刚度，悬置局部坐标系是以悬置的弹性中心为坐标原点，三个弹性主轴为坐标轴建立的坐标系，第i个悬置的静刚度矩阵形式可以表示为：Ksi＝diag([kui kvi kwi])。

7.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于：步骤(4)中所述冲击度的计算方法为：

其中，aβ为动力总成绕Y轴转动的角加速度。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于，步骤(5)中，建立所述动力总成的能量解耦率最大的目标函数为：

在动力总成质心坐标中，根据质量矩阵M和刚度矩阵K求解出动力总成悬置系统的六阶固有频率ωj(j＝1,2,...,6)和振型矩阵Φ，然后可获得系统在作各阶主振动时的能量分布，当系统作第j(j＝1,2,...,6)阶主振动时，其最大动能为：

展开式为：

那么，第k(k＝1,2,...,6)个广义坐标在第j阶主振动时能量占比为：

通过该公式可以获得动力总成六个主振动方向上的能量分布；

若ej＝maxE(k,j),k＝1,2,3...6，则ej为动力总成某个振动方向上的解耦率，则优化的目标便是：通过改变悬置的刚度，使得ej在满足约束条件的情况下尽可能接近1。

9.根据权利要求8所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，其特征在于，由于各个方向的振动对整车NVH性能影响程度不同，通常使绕Y轴和垂直方向上的解耦程度最高，为此引入一个六维的权重向量b＝[b1 b2 b3 b4 b5 b6]来表示各个方向上能量解耦率的重要程度。

10.根据权利要求1‑9所述的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，步骤(5)所述动力总成的能量解耦率最大、冲击工况下动力总成的质心纵向加速度和冲击

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度幅值最小为优化目标中，建立的优化模型如下：

min f2＝max(Ax)

min f3＝max(J)s.t.

kuil≤kui≤kuiu；kvil≤kvi≤kviu；kwil≤kwi≤kwiu；

ωj‑ωj+1≤‑1,(j＝1,2,...,6)；5‑ω1≤0；ω6‑40≤0；90‑e5≤0。

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一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法

技术领域

[0001]本发明属于汽车动力总成悬置系统优化设计邻域，特别涉及一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法。

背景技术

[0002]动力总成作为汽车的主要激励源，其产生的振动经悬置系统传递到副车架，再传递至车身，从而引起车身的振动。性能良好的悬置系统不仅可以减少动力总成传向车架的振动，提高乘坐舒适性，而且还能更好地延长动力总成和其它零部件的使用寿命，因此悬置

输出系统的设计就变得尤为重要。与传统燃油车不同的是，电动汽车驱动电机输出响应快，

扭矩大。驱动电机的输出扭矩通常在几毫秒内就能上升到几百牛米，具有比较明显的冲击

这对电动汽车悬置系统的设计提出了新的要求。特征，

[0003]目前关于动力总成悬置系统的研究中，一般是以各阶固有频率合理分布和能量解耦率最大为优化目标。单纯考虑动力总成悬置系统的固有特性在一定程度上忽略了系统在特定工况下的隔振性能。尤其是在电动汽车悬置系统中，电驱动总成受到的激励具有比较明显的冲击特征，如果仅仅只是考虑动力总成悬置系统的固有特性，则无法评估瞬态冲击对系统的影响。目前还没有关于冲击工况下的电动汽车悬置系统优化设计方面的发明专利。

[0004]在中国授权专利“一种动力总成悬置系统的设计优化方法和优化装置(CN102609551B)”中，构建的动力总成悬置系统模型为六自由度模型，并未考虑目前汽车中广泛使用的副车架对系统振动的影响，并且只进行了动力总成悬置系统的固有特性分析和优化，也就是只进行了静态的优化，对于电动汽车中频繁出现的瞬态工况没有进行分析，这样处理的缺陷就在于可能会使得固有特性达到优化目标，但是在实际工况中却依然存在不良的振动问题。

发明内容

[0005]为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，在考虑动力总成悬置系统固有频率和能量解耦率的同时，引入冲击度和纵向加速度两个指标，充分考虑系统的固有特性和瞬态响应，以固有频率合理分布、能量解耦率最高以及瞬态响应指标最优为优化目标，为电动汽车动力总成悬置系统的设计研发提供指导。

[0006]本发明目的至少通过以下技术方案之一实现。

[0007]一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，包括以下步骤：[0008](1)建立参考坐标系并获取动力总成和副车架的惯性参数；[0009](2)获取悬置的安装位置与安装角度；[0010](3)建立动力总成悬置系统的无阻尼运动微分方程；[0011](4)建立动力总成悬置系统的参数化动力学模型并以阶跃函数为激励，计算动力

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总成的质心纵向加速度和冲击度，将悬置刚度、安装位置作为模型输入参数，质心纵向加速度(Ax)和冲击度(J)作为模型的输出；[0012](5)以悬置的线性段刚度为设计变量，动力总成的固有频率为约束条件，动力总成的能量解耦率最大、冲击工况下动力总成的质心纵向加速度和冲击度幅值最小为优化目标，建立优化模型，根据所述优化模型得到悬置的设计刚度。[0013]进一步地，步骤(1)中所述建立参考坐标系并获取动力总成的惯性参数，具体包括：获得动力总成的质量m，以动力总成的质心位置O为坐标原点建立固定坐标系O‑XYZ，Y轴平行于电机输出轴线、正向指向电机输出轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定；获得动力总成分别对X轴、Y轴、Z轴的转动惯量Ixx、Iyy、Izz，获得动力总成对X轴和Y轴的惯性积Ixy、对Y轴和Z轴的惯性积Iyz以及对X轴和Z轴的惯性积Ixz。[0014]进一步地，步骤(2)中所述安装位置定义为悬置各弹性主轴的交点，第i个悬置的安装位置可以表示为[axi ayi azi]。[0015]进一步地，步骤(3)所建立的无阻尼运动微分方程为：

[0016][0017]

其中质量矩阵M为：

Mw＝diag([m m m])，

刚度矩阵K为：

[0018]

[0019][0020][0021][0022]

其中：

Kgi＝RKsiRT

[0023]

[0024]

矩阵R为悬置局部坐标系与动力总成质心坐标系之间的余弦矩阵，其值由悬置的

安装角度决定；

T

运动微分方程中，q＝[wx wy wz θ θ θ]xyz为动力总成质心位移向量，为加速度

[0025]

向量。

进一步地，步骤(4)中在建立所述动力总成悬置系统的参数化动力学模型时，电驱

动总成和副车架均采用刚体模型。[0027]进一步地，步骤(4)中所述悬置的刚度是指在悬置局部坐标系下的弹性主轴静刚

即分别为u、度：kui、kvi、kwi，分别为悬置在其局部坐标系下三个弹性主轴方向上的静刚度，

v、w三个方向上的静刚度，悬置局部坐标系是以悬置的弹性中心为坐标原点，三个弹性主轴为坐标轴建立的坐标系，第i个悬置的静刚度矩阵形式可以表示为：Ksi＝diag([kui kvi 

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[0026]

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kwi])。

[0028][0029][0030]

进一步地，步骤(4)中所述冲击度的计算方法为：

其中，aβ为动力总成绕Y轴转动的角加速度。

[0031]进一步地，步骤(5)中，建立所述动力总成的能量解耦率最大的目标函数为：[0032]在动力总成质心坐标中，根据质量矩阵M和刚度矩阵K求解出动力总成悬置系统的六阶固有频率ωj(j＝1,2,...,6)和振型矩阵Φ，然后可获得系统在作各阶主振动时的能量分布，当系统作第j(j＝1,2,...,6)阶主振动时，其最大动能为：

[0033][0034][0035][0036]

展开式为：

那么，第k(k＝1,2,...,6)个广义坐标在第j阶主振动时能量占比为：

[0037]

通过该公式可以获得动力总成六个主振动方向上的能量分布；[0039]若e＝max E(k,j),k＝1,2,3...6，则ej为动力总成某个振动方向上的解耦率，则j

优化的目标便是：通过改变悬置的刚度，使得ej在满足约束条件的情况下尽可能接近1。[0040]进一步地，由于各个方向的振动对整车NVH性能影响程度不同，若要绕Y轴和垂直方向上的解耦程度最高，为此引入一个六维的权重向量b＝[b1 b2 b3 b4 b5 b6]来表示各个方向上能量解耦率的重要程度。[0041]进一步地，步骤(5)所述动力总成的能量解耦率最大、冲击工况下动力总成的质心纵向加速度和冲击度幅值最小为优化目标中，建立的优化模型如下：

[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050]

[0038]

min f2＝max(Ax)

min f3＝max(J)s.t.

kuil≤kui≤kuiu；kvil≤kvi≤kviu；kwil≤kwi≤kwiu；

ωj‑ωj+1≤‑1,(j＝1,2,...,6)；5‑ω1≤0；

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ω6‑40≤0；

[0052]90‑e≤0.5

[0053]本发明与现有技术相比，至少具有如下技术效果：

[0054]1)本发明的设计计算与优化方法充分考虑了悬置系统的固有特性和瞬态响应特征，并以此为优化目标，建立优化模型进行优化，兼顾了静态和动态两者的优化效果；[0055]2)本发明所述方法同时考虑了动力总成悬置系统的静态特性和动态特性，既能保证动力总成的固有频率分布合理，有较高的解耦率，同时还能保证其在瞬态冲击工况下有较好的隔振效果。

[0056]3)本发明在悬置系统设计的初期阶段即可预测悬置系统振动特性以及优化空间，通过对悬置系统相关参数的修改，可快速、高效的得到优化方案，缩短悬置系统的前期研发周期，降低企业的研发成本，同时对保障悬置系统的整体性能具有比较重要的工程意义。附图说明

[0057]图1是一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算方法流程图。[0058]图2是动力总成悬置系统动力学模型。[0059]图3是仿真所采用的激励扭矩曲线，其作用在动力总成质心上，扭矩方向为绕参考坐标系的Y轴正方向。

[0060]图4是优化前后动力总成质心纵向加速度的瞬态响应对比。[0061]图5是优化前后动力总成冲击度的瞬态响应对比。

具体实施方式

[0062]以下结合附图通过一实例对本发明作进一步详细描述。

[0063]本实施例提供的一种电动汽车动力总成悬置系统的设计计算与优化方法，步骤如下：[00](1)建立如图2动力总成悬置系统力学模型中所示的质心坐标系。动力总成的质心位置为坐标原点O，以O为原点建立固定坐标系O‑XYZ，Y轴平行于电机输出轴轴线、正向指向电机输出轴自由端，Z轴正向竖直向上，X轴以右手定则确定。利用三线摆惯性参数测量试验台测量动力总成分别对X轴、Y轴、Z轴的转动惯量Ixx、Iyy、Izz，获得动力总成对X轴和Y轴的惯性积Ixy、对Y轴和Z轴的惯性积Iyz以及对X轴和Z轴的惯性积Ixz。，同时测得动力总成的质量m。并获得副车架的惯性参数以用于后续的动态仿真。[0065](2)获取悬置的安装位置与安装角度。将悬置的安装位置定义为悬置各弹性主轴的交点，第i个悬置的安装位置表示为[axi ayi azi]。axi、ayi、azi分别代表悬置在参考坐标系里的安装位置坐标，也就是悬置的弹性中心点在参考坐标系里的位置.。[0066]表1悬置弹性主轴与参考坐标轴之间的夹角

[0067]

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表中，u、v、w为悬置的三个弹性主轴；αααv轴、wui、vi、wi分别表示第i个悬置的u轴、

轴与参考坐标系X轴之间的夹角，βββv、w轴与参考坐标系Yui、vi、wi分别表示第i个悬置的u、轴之间的夹角，γui、γvi、γwi分别表示第i个悬置的u、v、w轴与参考坐标系Z轴之间的夹角。[0070](3)根据步骤(1)建立的参考坐标系和步骤(2)获取的相关参数，可以推导得到动力总成悬置系统的无阻尼运动微分方程如下：

[0071][0072]

[0069]

其中质量矩阵为：

[0073]

Mw＝diag([m m m])，

刚度矩阵为：

[0074][0075][0076][0077]

上式中，

Kgi＝RKsiRT

[0078]

矩阵R为悬置局部坐标系与动力总成质心坐标系之间的余弦矩阵，可以通过表3中

的数据得到。

[0080]F(t)表示动力总成受到的作用力，是一个6×1的向量；Ksi表示第i个悬置在其局部坐标系下的刚度；Kgi表示第i个悬置在参考坐标系下的刚度矩阵，即在动力总成质心坐标系下的刚度矩阵；Ki表示第i个悬置在动力总成质心处的等效刚度，从Ksi到Ki的转化过程是将悬置的刚度从其局部坐标系等效到动力总成质心的过程；Bi是由悬置安装位置决定的转换矩阵；n表示悬置个数。

[0081]

T

运动微分方程中，q＝[wx wy wz θ θ θ]xyz为动力总成质心位移向量，为加速度

[0079]

向量。wx、wy、wz分别代表动力总成质心在x、y、z三个方向上的平动位移；θθθx、y、z分别代表动

力总成质心在x、y、z三个方向上的转动位移。[0082](4)在多体动力学软件中建立动力总成悬置系统的参数化动力学模型(即仿真模型)以便于后续的优化，增加优化效率，并以阶跃函数为激励，计算动力总成的质心纵向加速度和冲击度，将悬置刚度、安装位置作为模型输入参数，质心纵向加速度(Ax)和冲击度(J)作为模型的输出，同时，将这两个参数作为优化目标之一。本实施例的阶跃函数为如图3所示的扭矩曲线。本实施例采用的多体动力学软件为ADAMS，可以理解的是，在其他实施例中可以采用其他的多体动力学软件。

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悬置的刚度是指在悬置局部坐标系下的弹性主轴静刚度：kui、kvi、kwi，分别为悬置

在其局部坐标系下三个弹性主轴方向上的静刚度，即分别为u、v、w三个方向上的静刚度，悬置局部坐标系是以悬置的弹性中心为坐标原点，三个弹性主轴为坐标轴建立的坐标系，第i个悬置的静刚度矩阵形式可以表示为：Ksi＝diag([kui kvi kwi])。[0084]本步骤中，在建立动力总成悬置系统的参数化动力学模型时，电驱动总成和副车架均采用刚体模型。[0085]本步骤中，冲击度的计算方法为：

[0086]

其中，aβ为动力总成绕Y轴转动的角加速度。

[0088]通过ADAMS可直接获取动力总成质心的纵向加速度。[00](5)以悬置的线性段刚度为设计变量，动力总成的固有频率为约束条件，动力总成的能量解耦率最大、冲击工况下动力总成质心纵向加速度和冲击度幅值最小为优化目标，建立优化模型，根据优化模型得到悬置的设计刚度。具体如下：[0090]在动力总成质心坐标中，根据质量矩阵M和刚度矩阵K可以求解出六阶固有频率ωj(j＝1,2,...,6)和振型矩阵Φ，进一步可以获得系统在作各阶主振动时的能量分布。当系统作第j(j＝1,2,...,6)阶主振动时，其最大动能为：

[0087][0091][0092]

φj表示动力总成第j阶振型向量，代表其转置向量，目的是为了计算振动时的

动能；展开式为：

[0093][0094][0095]

k为质量矩阵的行数，mlk为质量矩阵中第l行k列的元素。l为列数，

那么，第k(k＝1,2,...,6)个广义坐标在第i阶主振动时能量占比为：

[0096]

Tl代表的含义是振动能量矩阵中的第l列向量，mkl代表质量矩阵M中的第k行，第l

列的元素，单位为kg。

[0098]通过该公式可以获得动力总成六个主振动方向上的能量分布；[0099]若e＝maxE(k,j),k＝1,2,3...6，则ej为动力总成某个振动方向上的解耦率，则优j化的目标便是：通过改变悬置的刚度，使得ej在满足约束条件的情况下尽可能接近1。[0100]由于各个方向的振动对整车NVH性能影响程度不同，通常来说，希望绕Y轴和垂直方向上的解耦程度最高。为此引入一个六维的权重向量b＝[b1 b2 b3 b4 b5 b6]来表示各个方向上能量解耦率的重要程度。

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[0097]

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由此可以得到一个优化模型如下所示：

min f2＝max(Ax)

[0104]min f3＝max(J)[0105]s.t.

[0106]k≤k≤k；uiluiuiu[0107]k≤k≤k；vilviviu[0108]k≤k≤k；wilwiwiu

[0109]ω‑ω≤‑1,(j＝1,2,...,6)；jj+1[0110]5‑ω≤0；1

[0111]ω‑40≤0；6

[0112]90‑e≤0.5[0113]其中，minf1：使得六个方向上(1‑能量解耦率)的和最小，也就是总体的能量解耦率最大；minf2：使得动力总成质心的纵向加速度曲线的峰值最小；minf3：使得冲击度曲线的峰值最小；kuil：表示第i个悬置u向刚度变化的下限；kuiu：表示第i个悬置u向刚度变化的上限，kvil、kviu分别表示第i个悬置v向刚度变化的下限与上限；kwil、kwiu分别表示第i个悬置w向刚度变化的下限与上限；e5表示动力总成Pitch方向上的解耦率，即俯仰方向上的解耦率。

[0114]表2各个悬置的初始刚度及其变化范围

[0103]

[0115]

优化前后系统瞬态响应对比如图4和图5所示。图4为优化前后动力总成纵向加速

度的瞬态响应，图5为优化前后动力总成冲击度对比。通过对比可以发现，使用该设计计算与优化方法优化过后，动力总成悬置系统的能量解耦率得到提升；同时，冲击激励下动力总成的纵向加速度和冲击度均有所降低，瞬态响应得到改善，由此说明了该设计计算与优化方法的有效性。[0117]显然，本发明的上述实施例，仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

[0116]

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图4

图5

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