纯电驱动动汽车动力悬置系统NVH匹配要点

由于纯电动车辆的动力源是驱动电机，而非传统的内燃机，因此悬置系统所受到的激励与传统燃油汽车的悬置系统受到的激励有很大的区别，尤其是内部激励。

传统发动机所受到的内部激励主要有一下几个方面：

(1)活塞、连杆等质量往复运动产生的周期性质量力激励（1 阶和2 阶）；
(2)周期性质量力引起的质量扭矩（1 阶、2 阶、3 阶和4 阶）；
(3)点火燃烧压力产生的气体扭矩（0.5 阶、1 阶、1.5 阶和2 阶等）
所受的外部激励：
(4)车辆加速、制动和急转弯等形式工况带来的惯性力；
(5)路面不平度引起的激励（一般频率范围在0.3~28.3Hz）；
(6)传动轴的2阶激励

发动机产生的内部激励除了与发动机的缸数有关之外，还与各缸的相对位置、点火顺序以及燃烧过程的不一致性等因素有关，这些因素的综合会导致激励成分变得更为复杂和不确定。

与传统发动机汽车相比较，纯电动车辆由于电机的工作原理、结构和动力传递路线的不同，其悬置系统受到的内部激励有很大不同，归结起来主要有以下几种：
(1)转子机械不平衡（包括静不平衡、动不平衡和混合不平衡）产生的振动，该激励的幅值跟电机的工作转速有关，转速越高，该激励作用越明显。
(2)电机定、转子气隙中的电磁力作用产生的电磁振动，该振动激励与电机气隙内谐波磁场及由此产生的电磁力幅值、频率、极对数以及定子本身的固有特性有关。
(3)定、转子偏心引起的振动，该激励是由于加工和装配精度不够引起的；
(4)现阶段，电动车的驱动系统通常都会配有一个齿轮箱，一般是固定速比变速器或者是具有2 到3 个档位的机械式变速器，齿轮箱的制造精度和装配精度不够，也会引起整个动力系统的振动，这一点在电机高速工作时更为突出。
(5)电机输出扭矩的反作用简谐扭矩。
(6)车辆加速、制动和急转弯等形式工况带来的惯性力。
(7)路面不平度引起的激励。
(8)传动轴的2阶激励。

驱动电机动力总成的激励来源除了外部激励（6）（7）和（8）等与传统内燃机基本一致之外，其他内部激励源是完全不同的，因此在分析悬置系统在不同受力工况下的有效性时，需要与传统内燃机的分析方法区别对待。



图1 发动机的外特性 图2电机的扭矩特性



图3 电机转子不平衡引起的激励

图2是某电动车装备的交流异步电机的恒电压恒功率控制下的外特性曲线，与发动机的外特性（图1）有着明显的差异。在额定转速下，电机恒扭矩输出，且电机的瞬间（不超过20ms）启动输出扭矩可以达到很大，使得电动车可以快速起步。在不超过额定转速的行驶工况下，由于转速不是很高，电机转子不平衡离心力和力矩（如图3）带来的车辆振动很小，基本可以不考虑，这一阶段的主要激励来源于输出简谐扭矩（中低频），此时驱动电机以最大“恒”转矩进行动力输出，对于横向前置前驱的动力总成，该扭矩作用在动力总成坐标的Y 轴上。当电动车高速行驶时，由于电机工作转速很高，而此时的输出扭矩则比较小，这一工况下，动力总成受到的内部激励则主要来自转子的不平衡振动（高频），该激励可以分解在X 和Z 轴方向上。电机输出简谐扭矩和转子不平衡离心力（力矩）这两部分激励属于稳态激励。纯电动车辆在急加速、紧急制动和急转弯等行驶工况下，动力总成会产生较大的惯性力，从而使悬置元件在短时间内发生较大的变形，导致动力总成在机舱中发生较大位移，如果不加以限制，就有可能撞击到周围的零部件而产生振动和破坏，该工况下的惯性力主要集中在X 和Y 轴方向上。城市道路的路面不平度带来的低频随机振动激励，这一部分也属于稳态激励，通过悬挂系统传递到车架、车身、动力总成和座椅，路面随机振动激励经过悬架的衰减、过滤之后，其有效作用频率范围会进一步降低到5Hz 的范围内，且由于现阶段的电动车主要用于城市交通，城市道路的路面不平度一般都比较很小，因此可以暂时不考虑这一部分激励。但是在考虑动力总成受力极限工况时，路面所带来的垂直方向的回弹或冲击惯性力（瞬态激励）需要包括在内。因此对于纯电动汽车，电机的扭矩波动远低于发动机，而且主要出现在蠕行、加速、减速和制动工况，其频率与发动机转动阶次也无明显关联。但电机的扭矩则明显大于发动机。

所以悬置匹配优化的着眼点则应该是动力总成的扭矩，悬置系统首先应具备足够的抗扭限位能力，确保在大扭矩的作用下动力总成的位移量处于合理范围，在此基础上再考虑隔振性能。

因此，纯电动汽车对悬置系统的隔振能力要求低于传统燃油车，但对悬置系统抗扭限位能力的要求远高于燃油车。基于这种考虑，工艺简单、可靠性好能并且提供大刚度的橡胶悬置更适合电动汽车，液压悬置反而不适用。要注意的是，提升悬置软垫的刚度和限位能力并不意味着NVH性能的降低。相反，很多情况下悬置系统隔振能力差并不是因为悬置软垫过于刚硬，而是因为悬置软垫过于柔软，在大扭矩作用下被压死失去缓冲功能。例如，电机或者减速器的阶次噪声可能以结构噪声的形式，通过悬置系统传递到乘员舱内。如果悬置软垫太柔软，很可能在全扭矩工况被压死，从而加剧结构噪声的传递。一般建议在正向和反向最大扭矩下，每个悬置软垫的变形量都控制在10mm以内。



图4 电机悬置布置示意

关于刚体模态解耦和模态频率分布分析，对于燃油车一般都是将6阶刚体模态频率规划在5-18Hz，并且绕曲轴转动的模态频率要小于发动机怠速激励频率的0.707。但纯电驱动车的动力总成质量明显小于燃油车；因为抗扭限位的需要，其悬置软垫刚度则大于燃油车。所以电动车动力总成的刚体模态频率必然是高于同级别的燃油车。建议X、Y、Z方向的三个平动模态频率小于20Hz，Roll、Pitch、Yaw三个转动方向的模态频率控制在20-40Hz（同时考虑在常用车速范围内避开传动轴的2阶激励），同时要避开蠕行时的电机的一阶二阶谐频，对于空调压缩机集成在动力总成上，还应避开空调压缩机的工作频率。

纯电驱动的驱动电机的扭矩波动既可能在蠕行时发生，也可能在大扭矩情况下发生。所以在进行解耦度和模态频率计算时，要考虑两种情况，第一种是使用动力总成仅受重力作用时的悬置软垫动刚度，第二种是使用动力总成输出最大扭矩时的悬置软垫动刚度。两种情况下都要满足上述解耦度和刚体模态频率的要求。