電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模方法的研究

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模方法的研究    2012-09-12     論文導(dǎo)讀:為探索機(jī)電耦聯(lián)的研究方法對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是否適用，將某電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)模型簡(jiǎn)化為兩自由度系統(tǒng)模型，對(duì)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(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由扭簧模擬的機(jī)電耦合系統(tǒng)與不.    為探索機(jī)電耦聯(lián)的研究方法對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是否適用，將某電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)模型簡(jiǎn)化為兩自由度系統(tǒng)模型，對(duì)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(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由扭簧模擬的機(jī)電耦合系統(tǒng)與不考慮機(jī)電耦聯(lián)的系統(tǒng)相比，動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生明顯改變，證明了進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦聯(lián)非線性振動(dòng)研究的必要性。在工業(yè)領(lǐng)域，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題最早出現(xiàn)在軋機(jī)的應(yīng)用中。國(guó)外多數(shù)學(xué)者將其視為機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)，并從控制策略上尋求減振措施。之后機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)的研究被拓展到多個(gè)領(lǐng)域，如對(duì)于潛水油井泵電機(jī)系統(tǒng)由負(fù)阻尼特性引起的機(jī)電耦合自激振蕩的研究，對(duì)考慮傳動(dòng)系統(tǒng)柔性的工業(yè)機(jī)器人的研究，以及對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行電動(dòng)機(jī)反饋控制以抑制傳動(dòng)系振動(dòng)的研究等。國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)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(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)子軸系的響應(yīng)曲線存在跳躍現(xiàn)象，用計(jì)算和試驗(yàn)的方法得出不同電壓下的電磁阻尼的變化曲線，對(duì)發(fā)電機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁剛度引起新固有頻率進(jìn)行的理論和實(shí)驗(yàn)研究。但是鮮有結(jié)合機(jī)電耦合非線性振動(dòng)理論進(jìn)行新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究。本文將機(jī)電耦聯(lián)的建模方法引入新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的研究中，通過對(duì)簡(jiǎn)化模型的分析確定了電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電耦聯(lián)建模方法。1集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)模型圖1描述了一個(gè)前輪驅(qū)動(dòng)、集中電機(jī)橫置的電動(dòng)車振動(dòng)模型。電機(jī)的電磁力矩MM通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM加速，扭矩通過電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力輸出軸剛度kmr作用到變速器輸入軸，進(jìn)而通過變速箱、半軸、輪胎

4、，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。其運(yùn)動(dòng)方程為:圖1集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)模型JM為電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸、變速器、傳動(dòng)軸、等效到半軸、左右兩輪轂、左右兩輪胎及電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，iG，iA為變速器一、二級(jí)減速比，kat，krt，kmr為半軸、輪胎、電機(jī)輸出軸的扭轉(zhuǎn)剛度，MM，ML為電磁力矩、驅(qū)動(dòng)阻力矩。集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化振動(dòng)模型為了闡述電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛究生，研究方向:新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)研究。第4期于蓬，等:電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模方法的研究用傳動(dòng)系統(tǒng)在建模方面的不同，將上述模型簡(jiǎn)化為雙慣量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)或者不考慮機(jī)電耦合的電驅(qū)

5、動(dòng)車輛的傳動(dòng)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(jī)電耦合作用的電驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。圖2左端自由的械振動(dòng)簡(jiǎn)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(dòng)簡(jiǎn)化模型圖2描述了集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)簡(jiǎn)化模型，這也是目前內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究所用的常用系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效模型，其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)電耦合振動(dòng)簡(jiǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)子軸系受到模擬電磁剛度km這個(gè)附加約束的作用時(shí)，除使原來非零的扭振固有頻率有所提高外，還增加了一個(gè)較小的固有頻率，該頻率與電磁參數(shù)和運(yùn)行工況密切相關(guān)，對(duì)應(yīng)著軸系的整體轉(zhuǎn)動(dòng)(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(shí)也不能忽視其在電驅(qū)動(dòng)車輛傳動(dòng)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(dāng)值較小時(shí)，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(shí)的諧波響應(yīng)圖1

7、2有阻尼時(shí)的諧波響應(yīng)3機(jī)電耦合非線性振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型電磁剛度和電磁參數(shù)及運(yùn)行工況密切相關(guān)，實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦合振動(dòng)簡(jiǎn)化模型，為討論方便，假設(shè)電磁剛度相比電機(jī)動(dòng)力輸出軸的扭轉(zhuǎn)剛度為小量，則模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單質(zhì)量系統(tǒng)，理論和試驗(yàn)研究證明此種簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)方程見式(6):圖13不同阻尼下的時(shí)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(dāng)激勵(lì)頻率向共振點(diǎn)增加時(shí)，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(duì)激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線表明響應(yīng)是多值函數(shù)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生跳躍現(xiàn)象。對(duì)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(yùn)動(dòng)方程得到:從圖中可以清楚的看到跳躍現(xiàn)象:頻率增加時(shí)，響應(yīng)|A|沿著123增加，但一旦到達(dá)3點(diǎn)，|A|會(huì)跳到5點(diǎn)，即響應(yīng)突然下降到5點(diǎn)處;頻率減小時(shí)，響應(yīng)|A|沿著654增加，但一旦到達(dá)4點(diǎn)，亦會(huì)產(chǎn)生跳躍，響應(yīng)突然上升到2點(diǎn)處。3點(diǎn)與4點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)在不同阻尼時(shí)的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值求解，扭轉(zhuǎn)位移和速度的時(shí)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(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的特性分析中，忽略電磁阻尼的存在會(huì)夸大系統(tǒng)的響應(yīng)情況，造成對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)特性的非準(zhǔn)確估計(jì)。結(jié)論電磁剛度的存在增加了電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的自由度，傳統(tǒng)純機(jī)械振動(dòng)建模方法會(huì)產(chǎn)生“漏頻”，不利于解釋電動(dòng)車低速失穩(wěn)等現(xiàn)象。(2)電磁阻尼的存在對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生了一定的抑制作用，電驅(qū)動(dòng)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是否是“欠阻尼”系統(tǒng)有待進(jìn)一步深入研究。(3)在進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真時(shí)，忽略電磁效應(yīng)的影響會(huì)造成一定誤差，將機(jī)電耦合系統(tǒng)中“零頻”的概念引入電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與分析中，闡明了進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電耦聯(lián)非線性振動(dòng)研究的必要性。一種地鐵運(yùn)營(yíng)組織與管理的模糊綜合評(píng)價(jià)樣可得到調(diào)度指揮、列車運(yùn)行、客運(yùn)組織的評(píng)價(jià)結(jié)果，見表3。計(jì)算得地鐵運(yùn)營(yíng)組織與管理的綜合模糊評(píng)價(jià)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(yùn)營(yíng)組織與管理的安全狀態(tài)處在不可接受的級(jí)別，急需調(diào)整改進(jìn)。通過進(jìn)一步分析其子項(xiàng)的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)水平太低引起，因而在進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)工作時(shí)應(yīng)將重點(diǎn)放在調(diào)度指揮