日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

電動汽車兩擋變速器柔性化建模與仿真

2020-01-12 19:22:34·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
傳動原理及構(gòu)成考慮到電動汽車的行駛里程、電動機性能及蓄電池容量等因素，設計變速器時應盡量減小其質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。以某型純電動汽車變速器結(jié)構(gòu)為參考，如圖1
傳動原理及構(gòu)成
 
考慮到電動汽車的行駛里程、電動機性能及蓄電池容量等因素，設計變速器時應盡量減小其質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。以某型純電動汽車變速器結(jié)構(gòu)為參考，如圖1所示，該電動汽車為前置前驅(qū)，變速器采用機械式齒輪傳動，通過兩個擋位來控制動力傳遞和速度輸出，換擋操作由同步器6與Ⅰ擋從動齒輪2和Ⅱ擋從動齒輪4的離合來實現(xiàn)。采用兩軸式傳動結(jié)構(gòu)可以有效減小變速器整體尺寸，有利于車體的輕量化和降低制造成本。
圖1 變速器結(jié)構(gòu)示意圖
1.Ⅰ擋主動齒輪；2.Ⅰ擋從動齒輪；3.Ⅱ擋主動齒輪；4.Ⅱ擋從動齒輪；5.變速器主動齒輪；6.輸入軸；7.輸出軸；8.同步器
動力系統(tǒng)匹配
加速性能
國家標準《純電動乘用車技術(shù)條件》（GB/T 28382—2012）對電動汽車行駛性能的要求主要包括：加速性能、爬坡性能、續(xù)駛里程、可靠性和安全性等方面。根據(jù)國標所規(guī)定的技術(shù)要求和實驗方法，電動汽車的最高行駛車速不高于85 km/h，車輛加速過程分為兩種情況：在0～50 km/h內(nèi)，加速時間不超過10 s；在50～80 km/h內(nèi)，加速時間不超過15 s。
對于小型家用電動汽車，一般多在城市道路工況下運行?？紤]到城市交通擁堵，車輛在行駛過程中啟停頻繁，為使汽車能夠?qū)崿F(xiàn)快速安全啟動，要求其加速過程盡量較短，且不能超過國標所規(guī)定的時間范圍。因此，參考國標GB/T 28382—2012的相關(guān)技術(shù)要求，設定電動汽車從啟動加速至50 km/h的時間為8 s，從50 km/h勻速行駛加速至80 km/h的時間為5 s。
傳動速比
兩擋變速器能夠以兩個速比進行動力輸出?？紤]到電動汽車行駛過程的平穩(wěn)性和舒適度，變速器多采用斜齒輪傳動，這樣能夠有效減小齒輪嚙合過程產(chǎn)生的動態(tài)沖擊載荷。該變速器采用斜齒圓柱齒輪傳動，其結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：模數(shù)mn=2 mm，端面壓力角α=20o，螺旋角β=22o；齒數(shù)分別為z1=19、z2=70、z3=26、z4=64。齒輪傳動速比計算方法為
將齒數(shù)參數(shù)代入式（1），計算出變速器Ⅰ擋輸出速比i1=3.7，Ⅱ擋輸出速比i2=2.5。
電動機轉(zhuǎn)矩
電動汽車的動力性能和驅(qū)動電機密切相關(guān)。在行車過程中，當變速器在兩個擋位之間進行切換時，為電動汽車提供動力輸入的驅(qū)動電機性能也會發(fā)生相應變化，主要表現(xiàn)在電動機的輸出特性，即電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。根據(jù)經(jīng)驗公式，可得到驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系為
其中，Tm為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)距，N·m；nm為驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，r/min；各擬合系數(shù)分別為b0=-1.77×10-9、b1=3.219×10-5、b2=-0.812 5、b3=508.9。驅(qū)動電機輸出特性部分參數(shù)如表1所示。
表1 驅(qū)動電機輸出特性
變速器輸出軸轉(zhuǎn)速nr與汽車行駛速度v之間的關(guān)系為
其中，車輪直徑d=0.45 m。當電動汽車從啟動加速至50 km/h時，由式（3）計算得到nr=590 r/min。將nr和傳動速比i1、i2代入式（1），計算出變速器輸入軸轉(zhuǎn)速：n1=2 183 r/min，n2=1 475 r/min。根據(jù)電動汽車結(jié)構(gòu)組成可知，n1、n2即為驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速（nm）。根據(jù)式（2）和表1數(shù)據(jù)，可確定出電動機在Ⅰ、Ⅱ擋狀態(tài)下的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：T1=237.8 N·m，T2=278 N·m。
仿真模型設計
約束及負載
根據(jù)變速器傳動形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Adams/View環(huán)境下設計其仿真模型，如圖2所示。為便于約束設置和仿真計算，建模過程對變速器結(jié)構(gòu)進行簡化處理。忽略輸入軸和輸出軸的軸端支撐軸承，并通過固定副的激活或失效狀態(tài)來替代同步器功能。根據(jù)變速器結(jié)構(gòu)組成和傳動原理，在相關(guān)零部件之間設置相應的轉(zhuǎn)動副、齒輪副及固定副等約束。
圖2 變速器仿真模型
利用Step函數(shù)模擬驅(qū)動電機的啟動和加速過程。Step函數(shù)為階躍函數(shù)，其常用表達式為Step（x，x0，q0，x1，q1），其中，x為函數(shù)自變量，x0、x1分別為自變量的初始值和最終值，q0、q1分別為函數(shù)的初始值和最終值。令a=q1-q0，△=（x-x0）/（x1-x0），則Step函數(shù)的計算方法如式（4）所示。根據(jù)電動汽車加速性能，結(jié)合式（4）計算得出電動機驅(qū)動函數(shù)，即：Ⅰ擋驅(qū)動角速度為Step（time，0，0，8，13 062d）；2擋驅(qū)動角速度為 Step（time，0，0，8，8 676d）。在輸入軸轉(zhuǎn)動副上添加速度驅(qū)動函數(shù)，并在輸出軸上添加行駛負載轉(zhuǎn)矩（186.2 N·m）。
柔性化實現(xiàn)
在Adams環(huán)境下可以通過模型的柔性化來提高仿真結(jié)果的精度與可靠性。柔性建模的基本原理是利用模態(tài)坐標與模態(tài)向量的線性組合來表征結(jié)構(gòu)體的彈性位移，其實質(zhì)是通過有限個單元節(jié)點自由度來近似替代連續(xù)體結(jié)構(gòu)的無限自由度。
柔性體在廣義坐標下的運動微分方程為
式中，M為質(zhì)量矩陣；K為廣義剛度矩陣；D為模態(tài)阻尼矩陣；fg為廣義重力；ψ為約束方程；λ為拉格朗日因子；ξ為廣義坐標；Q為廣義作用力。
利用Autoflex模塊對變速器各零部件進行柔性建模，在網(wǎng)格離散過程中需綜合考慮單元類型、階數(shù)、大小、增長率及誤差等因素。圖3所示為大齒輪柔性建模參數(shù)設置界面，由于影響建模的因素較多，往往需要根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點選擇不同的建模參數(shù)，系統(tǒng)會對相關(guān)參數(shù)進行大量分析與計算，同時需要設計者根據(jù)經(jīng)驗對建模參數(shù)進行適時修正，直至柔性模型成功創(chuàng)建，這一過程耗費的機時和工作量巨大，對此不予贅述。
圖3 柔性建模參數(shù)設置
柔性模型計算生成后，與模型相連的約束副會過渡至相關(guān)單元節(jié)點，在柔性體仿真過程中，各零件和約束之間通過節(jié)點發(fā)生作用，從而實現(xiàn)運動和動力的傳遞。Ⅰ擋條件下的柔性變速器仿真形態(tài)如圖4所示。不同于剛體結(jié)構(gòu)，由于柔性體仿真過程考慮了結(jié)構(gòu)的形變和振動，因此在很大程度上提高了仿真結(jié)果的精度和可靠性，由此獲得的變速器傳動性能仿真數(shù)據(jù)更加逼近實際行車工況。
圖4 柔性模型實時仿真形態(tài)（一擋）
性能仿真與分析
變速特性
根據(jù)電動汽車在0～50 km/h加速區(qū)間的行駛性能，設置相關(guān)仿真條件，分別在Ⅰ擋和Ⅱ擋條件下對柔性變速器進行仿真計算。圖5所示為電動機的Ⅰ擋、Ⅱ擋速度驅(qū)動曲線，比較可知，從電動汽車啟動到加速至50 km/h過程中，電動機的Ⅰ擋驅(qū)動速度明顯高于Ⅱ擋，且在啟動8 s后電動機驅(qū)動速度達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時車輛完成加速過程，并以50 km/h勻速行進。由此可見，當電動汽車加速至某一恒定速度且勻速運行時，低速擋位的電動機驅(qū)動速度相對較高，要使電動汽車獲得更高的行駛速度和牽引力，可通過改進變速器傳動形式或齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)。
根據(jù)文獻[9]要求，對某型純電動汽車進行加速性能試驗，得到車輛在0～50 km/h范圍內(nèi)速度爬升測試曲線，如圖6所示。將試驗結(jié)果與圖5比較可知，兩者在車輛啟動后速度都呈逐漸爬升趨勢，只是由Step函數(shù)擬合而來的速度曲線較為光滑，而試驗曲線在爬升過程中則存在一定波動，但加速過程較為平穩(wěn)。總體來看，由Step函數(shù)模擬的電動機啟動加速過程與實際試驗結(jié)果基本吻合，產(chǎn)生的部分誤差如加速時間、曲線波形等，主要是由電動機特性、車型及試驗條件等因素造成的。
圖5 基于Step函數(shù)的電動機速度爬升曲線
圖6 0～50 km/h加速試驗曲線
根據(jù)變速器功能原理，變速的主要目的在于調(diào)節(jié)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由圖7可知，在Ⅰ擋條件下，變速器輸入軸角速度和角加速度均高于輸出軸，說明經(jīng)過變速器減速后，電動機驅(qū)動速度和加速度被降低后輸出至車輪，符合變速器的變速目的和功能要求。變速器在Ⅱ擋狀態(tài)下的輸入輸出軸運動學特性與Ⅰ擋相似，對此不予贅述。
圖7 Ⅰ擋輸入、輸出軸運動學曲線
軸端載荷
變速器是典型的旋轉(zhuǎn)機械裝置，電動汽車在加速或勻速行駛過程中，變速器的傳動軸處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于材料屬性、制造精度及裝配誤差等因素的影響，傳動軸會對變速器箱體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沖擊載荷。
在0～50 km/h加速過程中，不同形態(tài)下的輸入軸作用于箱體的動態(tài)沖擊載荷如圖8所示。通過波形比較和數(shù)據(jù)分析可知，剛性軸的載荷曲線始終呈直線分布，且載荷值穩(wěn)定在3 260 N左右；相比之下，由于柔性軸在仿真過程考慮了振動和形變，因此其產(chǎn)生的載荷波動十分明顯，特別是在電動機啟動瞬間，最大軸端動態(tài)載荷達到了43 487 N，隨后載荷值逐漸遞減并按正弦波規(guī)律穩(wěn)態(tài)分布，符合實際工況下的電動機啟動和運行特性。由此可見，剛性軸與柔性軸仿真結(jié)果存在明顯差異，由柔性軸計算獲得的動態(tài)沖擊載荷更加接近實際效果，這也是柔性體仿真的優(yōu)勢所在。
圖8 剛性軸與柔性軸沖擊載荷比較
如圖9所示，電動汽車在Ⅱ擋行駛狀態(tài)下，輸出軸作用于箱體支撐區(qū)域的沖擊載荷要高于Ⅰ擋，說明輸出軸轉(zhuǎn)速提高后會產(chǎn)生更大的動態(tài)沖擊載荷；另外，兩個擋位的輸出軸沖擊載荷曲線在3 s后逐漸呈周期性小幅振蕩分布，且振蕩區(qū)間分別為：（Ⅰ擋：1 763～1 840 N）和（Ⅱ擋：2 079～2 306 N），這些軸端振蕩載荷會對變速器箱體形成激振，不利于變速器的穩(wěn)定運行，同時也可能引發(fā)電動汽車出現(xiàn)振動及噪聲等問題。
圖9 Ⅰ擋、Ⅱ擋輸出軸沖擊載荷
軸端動態(tài)載荷的研究對于變速器的結(jié)構(gòu)動力學設計具有重要參考意義。通過3D頻譜分析，可獲得動態(tài)沖擊載荷在時域和頻域的連續(xù)分布規(guī)律，如圖10所示，電動汽車在0～8 s加速區(qū)間內(nèi)，變速器輸出軸在Ⅰ擋和Ⅱ擋條件下的軸端動態(tài)載荷呈連續(xù)分布。此外，動態(tài)載荷幅值在頻域范圍內(nèi)從高到低分布，且主要集中在低頻區(qū)域（0～2.5 Hz），頻率高于2.5 Hz的動態(tài)載荷很小，因此在改進變速器系統(tǒng)動力學特性時，應盡量消除2.5 Hz以下的頻率。
圖10 軸端載荷3D頻譜
加速過程比較
變速器的設計不僅需要考慮傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，同時還要能夠順利實現(xiàn)擋位切換過程中的動力傳遞。在50～80 km/h加速段，假設汽車為勻加速行駛，加速時間設定為5 s。由Step函數(shù)構(gòu)建輸入軸驅(qū)動速度，即Ⅰ擋速度：v1=Step（time，0，13 062d，5，20 898d），Ⅱ擋速度：v2=Step（time，0，8 676d，5，13 878d）。分別在Ⅰ擋和Ⅱ擋條件下對變速器傳動系統(tǒng)進行仿真，計算得到電動汽車從50 km/h加速至80 km/h的傳動軸速度曲線，如圖11所示。比較可知，變速器輸入軸速度明顯高于輸出軸，且傳動軸速度曲線爬升過程平穩(wěn)，說明汽車為勻加速行駛，符合變速器工作原理和加速要求。
電動汽車在Ⅱ擋工作狀態(tài)下加速行駛時，變速器的軸端動態(tài)載荷如圖12所示，分析可知，輸入軸產(chǎn)生的沖擊載荷波動較大，輸出軸的軸端動態(tài)載荷變化較平穩(wěn)，說明在從50 km/h加速至80 km/h的過程中，變速器輸入軸會對箱體結(jié)構(gòu)形成較強激振，但經(jīng)Ⅱ擋斜齒輪傳動減速后，動態(tài)載荷波動范圍明顯減小，有利于車輛的平穩(wěn)行駛。
圖11 變速器傳動軸加速曲線
圖12 Ⅱ擋軸端沖擊載荷
此外，變速器在不同加速區(qū)間的軸端沖擊載荷也存在一定差異。當電動汽車以Ⅱ擋加速行駛時，對軸端動態(tài)載荷在1～5 s時間點進行離散采樣，得到變速器傳動軸在不同加速區(qū)間的動態(tài)載荷比較結(jié)果，如圖13所示。由圖可清晰看出，在相同的加速時間點，傳動軸在50～80 km/h加速過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷明顯高于0～50 km/h，說明軸端沖擊載荷的大小與傳動軸的轉(zhuǎn)速成正比，符合實際路況下的變速器工作狀態(tài)。
 
圖13 不同加速區(qū)間的軸端沖擊載荷（Ⅱ擋條件下）
傳動軸動力學優(yōu)化
變速器在運行過程中，其傳動軸會受到各種直接或間接干擾因素作用，如齒輪嚙合力、軸端載荷及路況負載等。為保證電動汽車在高速行駛狀態(tài)下的安全性和穩(wěn)定性，要求變速器傳動軸必須具備良好的動力學特性。
表2 材料屬性
通過模態(tài)分析可以有效評判傳動軸的自振頻率及其動態(tài)形變，對于變速器傳動系統(tǒng)的可靠性設計具有重要研究意義和參考價值。利用四面體實體網(wǎng)格對軸結(jié)構(gòu)進行離散，建立輸入軸和輸出軸的有限元模型，軸材料選用45#鋼，其物理屬性見表2。
圖14 模態(tài)頻率比較
不計剛體模態(tài)，通過自由模態(tài)分析計算出傳動軸前6階模態(tài)頻率，如圖14所示，比較可知，輸出軸的各階模態(tài)頻率明顯大于輸入軸，可見，輸出軸的動力學特性更佳，能夠適應更高的變速器工作轉(zhuǎn)速。
根據(jù)動力學理論，低階模態(tài)對于結(jié)構(gòu)振動最為敏感，且在實際工況下也最易被激發(fā)。由圖14可知，從基頻開始，輸入軸各階模態(tài)頻率均小于輸出軸，考慮到各擋速度匹配及動力傳遞過程中的振動噪聲，有必要進一步改進輸入軸的動力學特性，從而提高減速器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
令輸入軸長度一定，選用3段軸徑為設計變量，如圖15所示，設計變量初始值分別為DV1=46 mm、DV2=40 mm、DV3=35 mm。以輸入軸基頻f1（1 852.3 Hz）最大為優(yōu)化目標，并以各軸段直徑大小關(guān)系為條件約束，建立如式（6）所示的優(yōu)化數(shù)學模型。
圖15 定義設計變量
對輸入軸結(jié)構(gòu)進行簡化處理，通過命令流在ANSYS環(huán)境下建立其參數(shù)化幾何模型。采用零件階尋算法運行優(yōu)化迭代過程，優(yōu)化結(jié)果如圖16所示。分析可知，優(yōu)化后的輸入軸基頻f1=1 946.5 Hz，相對于初始值提高了94.2 Hz，與之對應的設計變量取值為：DV1=41.2 mm、DV2=33.8 mm、DV3=32.4 mm。優(yōu)化結(jié)果將輸入軸第1階模態(tài)頻率提高了約5.1%，不僅有效改進了輸入軸的動力學特性，而且能夠使減速器傳動系統(tǒng)適應更高的工作轉(zhuǎn)速，有利于電動汽車傳動系統(tǒng)的減振降噪。
圖16 動力學優(yōu)化結(jié)果
 
結(jié)語
變速器的設計不僅需要考慮傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性，同時還要能夠順利實現(xiàn)擋位切換過程中的動力傳遞。通過兩擋變速器的柔性化建模與仿真，比較分析了不同加速區(qū)間的變速器傳動性能，計算和分析了不同擋位下的傳動軸運動學特性和軸端載荷分布；在模態(tài)分析基礎上實現(xiàn)了輸入軸的動力學優(yōu)化，有效增強了減速器傳動系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，為電動汽車變速裝置的動態(tài)設計和性能改進提供了重要技術(shù)參考。
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25