電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)建模方法的研究

1、電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)建模方法的研究    2012-09-12     論文導(dǎo)讀:為探索機電耦聯(lián)的研究方法對電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)是否適用，將某電動車動力傳動系統(tǒng)的機械振動模型簡化為兩自由度系統(tǒng)模型，對其在左端邊界為自由、線性扭簧及非線性扭簧三類條件下的固有特性及響應(yīng)進行了分析。結(jié)果表明，由扭簧模擬的機電耦合系統(tǒng)與不.    為探索機電耦聯(lián)的研究方法對電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)是否適用，將某電動車動力傳動系統(tǒng)的機械振動模型簡化為兩自由度系統(tǒng)模型，對其在左端邊界為自由、線性

2、扭簧及非線性扭簧三類條件下的固有特性及響應(yīng)進行了分析。結(jié)果表明，由扭簧模擬的機電耦合系統(tǒng)與不考慮機電耦聯(lián)的系統(tǒng)相比，動力學(xué)特性發(fā)生明顯改變，證明了進行電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)機電耦聯(lián)非線性振動研究的必要性。在工業(yè)領(lǐng)域，電機驅(qū)動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動問題最早出現(xiàn)在軋機的應(yīng)用中。國外多數(shù)學(xué)者將其視為機電耦聯(lián)系統(tǒng)，并從控制策略上尋求減振措施。之后機電耦聯(lián)系統(tǒng)的研究被拓展到多個領(lǐng)域，如對于潛水油井泵電機系統(tǒng)由負阻尼特性引起的機電耦合自激振蕩的研究，對考慮傳動系統(tǒng)柔性的工業(yè)機器人的研究，以及對電動車進行電動機反饋控制以抑制傳動系振動的研究等。國內(nèi)對于機電耦合系統(tǒng)的研究起步較晚，最早應(yīng)用于水輪發(fā)電機的研究中。如用

3、平方非線性剛度模擬電磁剛度揭示了發(fā)電機組轉(zhuǎn)子軸系的響應(yīng)曲線存在跳躍現(xiàn)象，用計算和試驗的方法得出不同電壓下的電磁阻尼的變化曲線，對發(fā)電機及直流電動機產(chǎn)生的電磁剛度引起新固有頻率進行的理論和實驗研究。但是鮮有結(jié)合機電耦合非線性振動理論進行新能源汽車動力傳動系統(tǒng)的研究。本文將機電耦聯(lián)的建模方法引入新能源汽車動力傳動系統(tǒng)的研究中，通過對簡化模型的分析確定了電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)的機電耦聯(lián)建模方法。1集中電機驅(qū)動系統(tǒng)機械振動模型圖1描述了一個前輪驅(qū)動、集中電機橫置的電動車振動模型。電機的電磁力矩MM通過轉(zhuǎn)動慣量JM加速，扭矩通過電機轉(zhuǎn)子動力輸出軸剛度kmr作用到變速器輸入軸，進而通過變速箱、半軸、輪胎

4、，驅(qū)動車輛行駛。其運動方程為:圖1集中電機驅(qū)動系統(tǒng)機械振動模型JM為電動機動力輸出軸、變速器、傳動軸、等效到半軸、左右兩輪轂、左右兩輪胎及電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，iG，iA為變速器一、二級減速比，kat，krt，kmr為半軸、輪胎、電機輸出軸的扭轉(zhuǎn)剛度，MM，ML為電磁力矩、驅(qū)動阻力矩。集中電機驅(qū)動系統(tǒng)簡化振動模型為了闡述電動車傳動系統(tǒng)與內(nèi)燃機驅(qū)動車輛究生，研究方向:新能源汽車動力傳動系統(tǒng)振動研究。第4期于蓬，等:電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)建模方法的研究用傳動系統(tǒng)在建模方面的不同，將上述模型簡化為雙慣量扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng):邊界條件為左端自由的系統(tǒng)模型用于模擬內(nèi)燃機驅(qū)動車輛的傳動系統(tǒng)或者不考慮機電耦合的電驅(qū)

5、動車輛的傳動系統(tǒng);邊界條件為線性彈簧km的扭振系統(tǒng)模型用于模擬考慮機電耦合作用的電驅(qū)動傳動系統(tǒng)。圖2左端自由的械振動簡化模型圖3特征根隨慣量比的變化規(guī)律圖4振幅比隨慣量比的變化規(guī)律圖5左端線性彈簧約束的振動簡化模型圖2描述了集中電機驅(qū)動系統(tǒng)機械振動簡化模型，這也是目前內(nèi)燃機驅(qū)動車輛傳動系統(tǒng)或者電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動研究所用的常用系統(tǒng)的簡化等效模型，其運動方程、頻率方程見式(2)、式(3)，其特征根、振幅比隨慣量比(=JMJL)的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。運動方程:圖9振幅比隨慣量比的變化規(guī)律圖10考慮阻尼和非線性電磁剛度的機電耦合振動簡化模型特征根與振幅比隨慣量比、剛度比變化的曲線如

6、圖69，與圖34比較發(fā)現(xiàn)，特征根與振幅比均發(fā)生了較大變化。從圖6中可以看到當轉(zhuǎn)子軸系受到模擬電磁剛度km這個附加約束的作用時，除使原來非零的扭振固有頻率有所提高外，還增加了一個較小的固有頻率，該頻率與電磁參數(shù)和運行工況密切相關(guān)，對應(yīng)著軸系的整體轉(zhuǎn)動(屬于零階振型)，類似于“零頻”。從圖7中看到該頻率的值隨著值的增加而上升，在相同的值下，較小的值反而產(chǎn)生更明顯的“增頻”作用，所以即使電磁剛度為小量，在建模時也不能忽視其在電驅(qū)動車輛傳動系統(tǒng)中的作用。圖89表明，km的存在使系統(tǒng)的振型發(fā)生變化。從圖9看出，當值較小時，振幅比與圖4中的曲線非常接近，說明了數(shù)值仿真的正確性。圖11無阻尼時的諧波響應(yīng)圖1

7、2有阻尼時的諧波響應(yīng)3機電耦合非線性振動系統(tǒng)簡化模型電磁剛度和電磁參數(shù)及運行工況密切相關(guān)，實為非線性，下面用非線性漸硬彈簧模擬電磁剛度，并分析仿真模型的響應(yīng)。圖10描述了考慮電磁剛度和電磁阻尼的集中電機驅(qū)動系統(tǒng)機電耦合振動簡化模型，為討論方便，假設(shè)電磁剛度相比電機動力輸出軸的扭轉(zhuǎn)剛度為小量，則模型可進一步簡化為單質(zhì)量系統(tǒng)，理論和試驗研究證明此種簡化方法滿足工程精度。令km'=km(1+2)為非線性電磁剛度(設(shè)為漸硬彈簧)，其中為非線性度，cm用于模擬電磁阻尼。該模型的運動方程見式(6):圖13不同阻尼下的時間響應(yīng)曲線圖14相平面曲線從圖11中可以看出，漸硬彈簧非線性諧波響應(yīng)向高頻段傾斜

8、，當激勵頻率向共振點增加時，幅值和彈簧的剛度也增加，使系統(tǒng)固有頻率提高。幅值A(chǔ)對激勵頻率的關(guān)系曲線表明響應(yīng)是多值函數(shù)，系統(tǒng)會產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象。對于非線性漸軟彈簧亦有類似結(jié)論，不同的是響應(yīng)曲線向左傾斜。若系統(tǒng)有阻尼，將=Acost帶入運動方程得到:從圖中可以清楚的看到跳躍現(xiàn)象:頻率增加時，響應(yīng)|A|沿著123增加，但一旦到達3點，|A|會跳到5點，即響應(yīng)突然下降到5點處;頻率減小時，響應(yīng)|A|沿著654增加，但一旦到達4點，亦會產(chǎn)生跳躍，響應(yīng)突然上升到2點處。3點與4點的響應(yīng)是極不穩(wěn)定的，但較大的阻尼可以使跳躍現(xiàn)象減小或者消失。對系統(tǒng)在不同阻尼時的時域響應(yīng)進行數(shù)值求解，扭轉(zhuǎn)位移和速度的時域響應(yīng)曲線以

9、及相平面曲線如圖13，圖14所示。從圖中可以明顯看出，阻尼的存在有助于非線性系統(tǒng)振幅的衰減。也就是說，在電驅(qū)動車輛傳動系統(tǒng)的特性分析中，忽略電磁阻尼的存在會夸大系統(tǒng)的響應(yīng)情況，造成對傳動系統(tǒng)特性的非準確估計。結(jié)論電磁剛度的存在增加了電驅(qū)動動力傳動系統(tǒng)的自由度，傳統(tǒng)純機械振動建模方法會產(chǎn)生“漏頻”，不利于解釋電動車低速失穩(wěn)等現(xiàn)象。(2)電磁阻尼的存在對傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生了一定的抑制作用，電驅(qū)動車輛的傳動系統(tǒng)是否是“欠阻尼”系統(tǒng)有待進一步深入研究。(3)在進行電機驅(qū)動車輛傳動系統(tǒng)建模與仿真時，忽略電磁效應(yīng)的影響會造成一定誤差，將機電耦合系統(tǒng)中“零頻”的概念引入電機驅(qū)動車輛傳動系統(tǒng)的建模與分析中，闡明了進行電機驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng)機電耦聯(lián)非線性振動研究的必要性。一種地鐵運營組織與管理的模糊綜合評價樣可得到調(diào)度指揮、列車運行、客運組織的評價結(jié)果，見表3。計算得地鐵運營組織與管理的綜合模糊評價結(jié)果為S=(0。3138，0。3058，0。3804)。其中，隸屬于不可接受的隸屬度最大，說明該運營組織與管理的安全狀態(tài)處在不可接受的級別，急需調(diào)整改進。通過進一步分析其子項的評價結(jié)果可知，該不可接受的安全狀態(tài)主要因調(diào)度指揮評價水平太低引起，因而在進行調(diào)整改進工作時應(yīng)將重點放在調(diào)度指揮