摘要：對燃料電池空壓機懸置子系統(tǒng)采用ADAMS 進(jìn)行建模，計算其剛體模態(tài)和解耦率。模態(tài)間隔不滿足要求的情況下，使用ADMAS/Insight 進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。懸置剛度優(yōu)化后解耦率所有方向大于80%，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向達(dá)到94%，模態(tài)頻率分布避開路面和空壓機本體怠速激勵，前6 階模態(tài)間隔大于1Hz。對該懸置系統(tǒng)進(jìn)行7 種極限工況運算，求出其位移和受力分布，為燃料電池系統(tǒng)布置提供理論依據(jù)。

引言

由于汽車排放問題的日益突出，世界各地十分關(guān)心新能源技術(shù)，燃料電池汽車屬于零排放車型，他與內(nèi)燃機車有著相近的續(xù)航里程，從而備受關(guān)注，成為未來汽車的發(fā)展方向。燃料電池的工作原理為將氫氣和氧氣通過電極反映直接轉(zhuǎn)化為電能并產(chǎn)生水。由于沒有發(fā)動機工作時不平衡力和力矩的主要激勵源，燃料電池車通常被認(rèn)為具有低噪聲的優(yōu)勢。但是，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車相比，燃料電池汽車總體聲壓級并無明顯優(yōu)勢，且聲品質(zhì)較差。其中，空氣壓縮機為燃料電池車的主要噪聲源。

空壓機懸置作為連接空壓機和燃料電池總成之間的彈性系統(tǒng)，主要用于支撐和隔振，其隔振性能的優(yōu)劣將直接影響燃料電池總成的耐久和NVH 性能，因此空壓機懸置設(shè)計是燃料電池汽車減震降噪中不可忽視的環(huán)節(jié)。目前開展的懸置研究工作大部分針對傳統(tǒng)汽車，本文以某燃料電池空壓機系統(tǒng)懸置作為研究對象，建立了燃料電池懸置系統(tǒng)的仿真模型，采用ADAMS 進(jìn)行分析，對懸置系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)解耦率進(jìn)行動力學(xué)求解及優(yōu)化。

1 空壓機懸置子系統(tǒng)動力學(xué)模型

某燃料電池空壓機系統(tǒng)物理模型如圖1 所示，采用4點支撐方式，序號1，2，3，4 對應(yīng)4 個懸置，懸置的彈性中心方向與主坐標(biāo)方向相同。XYZ 是定義的空壓機總成坐標(biāo)系，O 為總成的質(zhì)心位置，X 軸指車輛前進(jìn)方向，Y 軸指車輛寬度方向，Z 軸為垂直方向。

 

圖1 燃料電池空壓機懸置子系統(tǒng)動力學(xué)簡化模型

空壓機總成有6 個自由度，分別是X，Y，Z 方向平動x，y，z，以及X，Y，Z 方向的轉(zhuǎn)動α，β，γ。故懸置廣義坐標(biāo)可表示為：

 

由此，空壓機懸置的拉格朗日振動表達(dá)式為：

 

式中：[M]空壓機總成質(zhì)量矩陣；

[C]懸置阻尼矩陣；

[K]懸置剛度矩陣。

假設(shè)空壓機是作為剛體，忽略其阻尼影響，則自由振動方程可簡化為：

 

式中，ωi 為系統(tǒng)固有頻率，φi 為模態(tài)矩陣。

當(dāng)懸置系統(tǒng)在第i 階固有頻率振動時，第k 個廣義坐標(biāo)振動能量占系統(tǒng)總能量的百分比為：

 

Tki 的大小反映了某k 個自由度上振動能量耦合程度，也就是反映了振動形式下的耦合情況。如果Tki=100%，則表示第i 階模態(tài)在k 個自由度上完全解耦。

2 空壓機總成仿真分析

2.1 空壓機懸置系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

傳統(tǒng)燃油車動力總成模態(tài)分布在6-30Hz，燃料電池不同于內(nèi)燃機，空壓機的振動情況不同于傳統(tǒng)燃油車動力總成，總體設(shè)計思路應(yīng)該是：避開空壓機工作轉(zhuǎn)速范圍，避免共振；在激勵較大的方向，懸置總體剛度較小，降低傳遞給電堆的振動；在激勵較小的方向，懸置總體剛度較大，保證空壓機的支撐。根據(jù)隔振理論，懸置設(shè)計目標(biāo)如下：

①懸置系統(tǒng)的固有頻率分布間隔大于1Hz；

②前六階能量解耦率要達(dá)到80%，空壓機轉(zhuǎn)動方向要達(dá)到90%；

③系統(tǒng)固有頻率避開路面激勵和自身激勵，避免共振。

2.2 空壓機總成基本參數(shù)

該系統(tǒng)由電機總成和壓縮機總成組成，在ADAMS 建立模型時，將系統(tǒng)視為具有六個自由度的剛體，系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

懸置的4 個橡膠軟墊由bushing 單元代替，靜剛度為100N/mm，動靜比1.4，bushing 單元初始XYZ 三個方向剛度為140N/mm。

表1 空壓機總成質(zhì)量慣性矩陣（質(zhì)心坐標(biāo)系下）

 

2.3 空壓機總成模態(tài)分析

模態(tài)分析在ADAMS/Vibration 中進(jìn)行，依次選擇plugins -> test -> vibration analysis，利用normal mode analysis 進(jìn)行模態(tài)和解耦率分析，得到其前六階固有頻率以及每個方向的解耦率，仿真結(jié)果如下表2 所示：

表2 空壓機懸置子系統(tǒng)模態(tài)以及解耦率結(jié)果

 

此方案各個方向的解耦率比較好，均大于80%。且空壓機轉(zhuǎn)動方向Rxx 解耦率大于90%，但是X 和Z 方向模態(tài)間隔只有0.36Hz，不滿足設(shè)計要求，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以前6 階解耦率作為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，表示如下：

 

式中：Tki —第i 階的模態(tài)解耦率；

 

3.2 設(shè)計變量

由于燃料電池的空間布置原因，本文的安裝位置和角度不做調(diào)整，主要改變懸置各個方向的剛度?？紤]懸置安裝特性，前懸置2 個減震墊相同，后懸置2 個減震墊相同。減震墊軸向?qū)ΨQ，周向X 和Y 向剛度相同，Z 方向為軸向剛度。因此前懸置2 個剛度變量Kr1、Kz1，后懸置2 個剛度Kr2、Kz2，使用ADAMS/Insight 對4 個剛度進(jìn)行解耦優(yōu)化。

3.3 約束條件

約束條件主要從三個方面考慮：

①剛度約束：考慮到橡膠懸置的材料和工藝，以及空壓機高頻振動特性，懸置的剛度在20~200N/mm 之間。

②位移約束：為了防止空壓機運行時與其他部件發(fā)生碰撞，防止振動過大，系統(tǒng)各個方向位移必須小于5mm。

③頻率約束：空壓機的怠速轉(zhuǎn)速為3000rpm，路面在高速時激勵為5~10Hz，綜合前文中的設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)頻率應(yīng)該在10~50Hz 之間，模態(tài)間隔在1Hz。

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

3.4.1 模態(tài)及解耦率

經(jīng)過優(yōu)化仿真DOE，優(yōu)化后的懸置剛度如表3 所示，總體上懸置的剛度減小，個別方向變大。

表3 懸置優(yōu)化后剛度

 

優(yōu)化后的固有頻率和解耦率分布見表4。通過表4 和表2 的對比，可發(fā)現(xiàn)某些方向固有頻率降低，一階模態(tài)大于10Hz，可以避開路面激勵，6 階模態(tài)為45.82Hz，小于空壓機怠速激勵50Hz，且模態(tài)間隔均大于1Hz，滿足模態(tài)要求。系統(tǒng)解耦率在各個方向均大于80%，空壓機轉(zhuǎn)動方向Rxx 大于90%，滿足解耦率要求。

表4 優(yōu)化后固有頻率和解耦率

 

表5 極限工況和靜載時懸置點受力和位移情況

 

3.4.2 極限工況

本文借鑒某公司規(guī)定的28 工況，選取6 極限工況和靜載下工況，計算4 個懸置點的位移和受力情況，優(yōu)化后極限工況和靜載結(jié)果如表5 所示。

在靜態(tài)只受重力情況下，懸置3 和4 靠近質(zhì)心，承受主要載荷。6 種極限狀態(tài)下，4 個懸置XYZ 方向上的最大位移分別為3.54mm、1.26mm、2.16mm，所有位移均小于5mm，滿足設(shè)計要求，空壓機本體不會與其他零件發(fā)生碰撞。

4 結(jié)束語

綜上所述，應(yīng)用ADAMS 對燃料電池空壓機懸置子系統(tǒng)進(jìn)行剛體模態(tài)和解耦率進(jìn)行求解，使用ADAMS/Insight隔振優(yōu)化設(shè)計，使得模態(tài)間隔達(dá)到目標(biāo)值，模態(tài)分布更加合理。通過懸置極限工況計算，可以得到每個懸置點的受力和位移變化。利用這些結(jié)果，可以校核支架和橡膠的強度。求出空壓機的最大位移，為燃料電池系統(tǒng)布置提供理論依據(jù)和設(shè)計參考