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汽车|燃料电池空压机悬置子系统分析及优化


来源 | 汽车燃料电池之家
摘要：对燃料电池空压机悬置子系统采用ADAMS 进行建模 ， 计算其刚体模态和解耦率 。 模态间隔不满足要求的情况下 ， 使用ADMAS/Insight 进行多目标优化 。 悬置刚度优化后解耦率所有方向大于80% ， 转子转动方向达到94% ， 模态频率分布避开路面和空压机本体怠速激励 ， 前6 阶模态间隔大于1Hz 。 对该悬置系统进行7 种极限工况运算 ， 求出其位移和受力分布 ， 为燃料电池系统布置提供理论依据 。
0 引言
由于汽车排放问题的日益突出 ， 世界各地十分关心新能源技术 ， 燃料电池汽车属于零排放车型 ， 他与内燃机车有着相近的续航里程[1] ， 从而备受关注 ， 成为未来汽车的发展方向 。 燃料电池的工作原理为将氢气和氧气通过电极反映直接转化为电能并产生水[2] 。 由于没有发动机工作时不平衡力和力矩的主要激励源 ， 燃料电池车通常被认为具有低噪声的优势 。 但是 ， 与传统内燃机车相比 ， 燃料电池汽车总体声压级并无明显优势 ， 且声品质较差[3] 。 其中 ， 空气压缩机为燃料电池车的主要噪声源 。
空压机悬置作为连接空压机和燃料电池总成之间的弹性系统 ， 主要用于支撑和隔振 ， 其隔振性能的优劣将直接影响燃料电池总成的耐久和NVH 性能 ， 因此空压机悬置设计是燃料电池汽车减震降噪中不可忽视的环节 。 目前开展的悬置研究工作大部分针对传统汽车[4] ， 本文以某燃料电池空压机系统悬置作为研究对象 ， 建立了燃料电池悬置系统的仿真模型 ， 采用ADAMS 进行分析 ， 对悬置系统的固有频率和模态解耦率进行动力学求解及优化 。
1 空压机悬置子系统动力学模型
某燃料电池空压机系统物理模型如图1 所示 ， 采用4点支撑方式 ， 序号1 ， 2 ， 3 ， 4 对应4 个悬置 ， 悬置的弹性中心方向与主坐标方向相同 。 XYZ 是定义的空压机总成坐标系 ， O 为总成的质心位置 ， X 轴指车辆前进方向 ， Y 轴指车辆宽度方向 ， Z 轴为垂直方向 。
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图1 燃料电池空压机悬置子系统动力学简化模型
空压机总成有6 个自由度 ， 分别是X ， Y ， Z 方向平动x ， y ， z ， 以及X ， Y ， Z 方向的转动α ， β ， γ 。 故悬置广义坐标可表示为：
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由此 ， 空压机悬置的拉格朗日振动表达式为：
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式中：[M]空压机总成质量矩阵；
[C]悬置阻尼矩阵；
[K]悬置刚度矩阵 。
假设空压机是作为刚体 ， 忽略其阻尼影响 ， 则自由振动方程可简化为[5]：
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式中 ， ωi 为系统固有频率 ， φi 为模态矩阵 。
当悬置系统在第i 阶固有频率振动时 ， 第k 个广义坐标振动能量占系统总能量的百分比为[6]：
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Tki 的大小反映了某k 个自由度上振动能量耦合程度 ， 也就是反映了振动形式下的耦合情况[7] 。 如果Tki=100% ， 则表示第i 阶模态在k 个自由度上完全解耦 。
2 空压机总成仿真分析2.1 空压机悬置系统设计目标
传统燃油车动力总成模态分布在6-30Hz[8] ， 燃料电池不同于内燃机 ， 空压机的振动情况不同于传统燃油车动力总成 ， 总体设计思路应该是：避开空压机工作转速范围 ， 避免共振；在激励较大的方向 ， 悬置总体刚度较小 ， 降低传递给电堆的振动；在激励较小的方向 ， 悬置总体刚度较大 ， 保证空压机的支撑 。 根据隔振理论 ， 悬置设计目标如下：


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