燃料電池空壓機懸置子系統分析及優化

張巍

摘要：對燃料電池空壓機懸置子系統采用ADAMS進行建模，計算其剛體模態和解耦率。模態間隔不滿足要求的情況下，使用ADMAS/Insight進行多目標優化。懸置剛度優化后解耦率所有方向大于80%，轉子轉動方向達到94%，模態頻率分布避開路面和空壓機本體怠速激勵，前6階模態間隔大于1Hz。對該懸置系統進行7種極限工況運算，求出其位移和受力分布，為燃料電池系統布置提供理論依據。

關鍵詞：燃料電池;空壓機;懸置;隔振

0 ?引言

由于汽車排放問題的日益突出，世界各地十分關心新能源技術，燃料電池汽車屬于零排放車型，他與內燃機車有著相近的續航里程[1]，從而備受關注，成為未來汽車的發展方向。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化為電能并產生水[2]。由于沒有發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為具有低噪聲的優勢。但是，與傳統內燃機車相比，燃料電池汽車總體聲壓級并無明顯優勢，且聲品質較差[3]。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，主要用于支撐和隔振，其隔振性能的優劣將直接影響燃料電池總成的耐久和NVH性能，因此空壓機懸置設計是燃料電池汽車減震降噪中不可忽視的環節。目前開展的懸置研究工作大部分針對傳統汽車[4]，本文以某燃料電池空壓機系統懸置作為研究對象，建立了燃料電池懸置系統的仿真模型，采用ADAMS進行分析，對懸置系統的固有頻率和模態解耦率進行動力學求解及優化。

1 ?空壓機懸置子系統動力學模型

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

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方向的轉動α，β，γ。故懸置廣義坐標可表示為：

由此，空壓機懸置的拉格朗日振動表達式為：

式中：[M]空壓機總成質量矩陣;

[C]懸置阻尼矩陣;

[K]懸置剛度矩陣。

假設空壓機是作為剛體，忽略其阻尼影響，則自由振動方程可簡化為[5]：

式中， ？棕i為系統固有頻率，？漬i為模態矩陣。

當懸置系統在第i階固有頻率振動時，第k個廣義坐標振動能量占系統總能量的百分比為[6]：

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[7]。如果Tki=100%，則表示第i階模態在k個自由度上完全解耦。

2 ?空壓機總成仿真分析

2.1 空壓機懸置系統設計目標

傳統燃油車動力總成模態分布在6-30Hz[8]，燃料電池不同于內燃機，空壓機的振動情況不同于傳統燃油車動力總成， 總體設計思路應該是：避開空壓機工作轉速范圍，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。根據隔振理論，懸置設計目標如下：

①懸置系統的固有頻率分布間隔大于1Hz;

②前六階能量解耦率要達到80%，空壓機轉動方向要達到90%;

③系統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

該系統由電機總成和壓縮機總成組成，在ADAMS建立模型時，將系統視為具有六個自由度的剛體，系統相關參數如表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。

2.3 空壓機總成模態分析

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

此方案各個方向的解耦率比較好，均大于80%。且空壓機轉動方向Rxx解耦率大于90%，但是X和Z方向模態間隔只有0.36Hz，不滿足設計要求，需要進行優化設計。

3 ?優化設計

3.1 目標函數

本文以前6階解耦率作為優化設計目標函數，表示如下：

式中：Tki —第i階的模態解耦率;

k=1……6。

3.2 設計變量

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。減震墊軸向對稱，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個剛度進行解耦優化。

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生碰撞，防止振動過大，系統各個方向位移必須小于5mm。

③頻率約束：空壓機的怠速轉速為3000rpm，路面在高速時激勵為5～10Hz，綜合前文中的設計目標，系統頻率應該在10～50Hz之間，模態間隔在1Hz。

3.4 優化結果分析

3.4.1 模態及解耦率

經過優化仿真DOE，優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。

優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，可發現某些方向固有頻率降低，一階模態大于10Hz，可以避開路面激勵，6階模態為45.82Hz，小于空壓機怠速激勵50Hz，且模態間隔均大于1Hz，滿足模態要求。系統解耦率在各個方向均大于80%， 空壓機轉動方向Rxx大于90%，滿足解耦率要求。

3.4.2 極限工況

本文借鑒某公司規定的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，優化后極限工況和靜載結果如表5所示。

在靜態只受重力情況下，懸置3和4靠近質心，承受主要載荷。6種極限狀態下，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，滿足設計要求，空壓機本體不會與其他零件發生碰撞。

4 ?結束語

綜上所述，應用ADAMS對燃料電池空壓機懸置子系統進行剛體模態和解耦率進行求解，使用ADAMS/Insight隔振優化設計，使得模態間隔達到目標值，模態分布更加合理。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，為燃料電池系統布置提供理論依據和設計參考。

參考文獻：

[1]石川哲平，佐野真一，藤谷宏，等.新型燃料電池汽車的振動噪聲性能開發[J].國外內燃機，2017（5）：55-59.

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[3]郭榮，萬鋼，左曙光，等.燃料電池轎車主要聲源識別的試驗研究[J]，汽車工程，2007，29（5）：377-380.

[4]徐中明，李曉，劉和平，等.純電動汽車動力總成懸置系統的優化[J].汽車工程，2012，34（9）：806-815.

[5]Y.S. Chang， Design optimization and development of vibration analysis program for engine mount system， Technical Paper.

[6]王欲峰.燃料電池車瞬態工況下動力總成懸置系統的分析與優化[D].上海：同濟大學，2008.

[7]呂兆平.汽車動力總成懸置系統振動控制設計計算方法研究[J].振動工程學報，2007，20（6）：577-583.

[8]Jian Pang， Gang Zhan， Hua He， Automotive noise and vibration， China， Bejing Institute of Technology Press， 2006.