電動汽車和動力總成的振動噪音這個問題幾乎是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的一個令人頭疼的共性問題。電動汽車和動力總成的振動噪音問題有很多方面，如電磁噪音、齒輪嘯叫、軸承噪音等等，其中最復(fù)雜的當(dāng)屬于傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動問題。因為它不是單個零件或部件問題，而是動力總成匹配問題。因為難以定位，所以難以解決。本周我梳理下扭轉(zhuǎn)振動的學(xué)術(shù)文章，嘗試著回答如下三個問題：

1、扭轉(zhuǎn)振動問題的故障特征是什么？

2、如何分析定位扭轉(zhuǎn)振動問題？

3、常用的解決方法有哪些？

扭轉(zhuǎn)振動問題的故障特征

故障一：加速共振

扭轉(zhuǎn)振動問題常見的故障是發(fā)生在加速或減速過程中，我們經(jīng)常遇到在某一個速度段，車輛或有明顯的抖動、震顫。過了這個速度點就消失了，這就是典型的加速共振問題了。

加速共振的形成機(jī)理可以簡單理解成，傳動系統(tǒng)的軸系存在若干個固有頻率，這些頻率是由電機(jī)、減速箱、差速箱、半橋等組合決定，基本不隨速度變化而變化。而動力總成存在許多激勵源，以電機(jī)輸出扭矩激勵為例，它的頻率是隨速度變化而增加的，當(dāng)速度達(dá)到一定時，總是會出現(xiàn)扭矩激勵頻率和固有頻率相同，此時共振就容易被激發(fā)，產(chǎn)生出較大的抖動。共振發(fā)生時電機(jī)的轉(zhuǎn)速和車速都會發(fā)生大的波動。而且還伴隨較大的噪音，類似的情況也會在減速中發(fā)生，但減速時由于輸出能量較小，情況會略好。

故障二：啟動抖動

扭轉(zhuǎn)振動問題還發(fā)生在啟動瞬間，表現(xiàn)出來的是不平穩(wěn)，不順暢，有頓挫感。類似的感覺也會發(fā)生在制動瞬間。

這類問題的本質(zhì)是動力激勵發(fā)生突變導(dǎo)致的，這是因為相對發(fā)動機(jī)的動力柔軟特性，電機(jī)的扭矩是剛性和瞬時性的，它能夠瞬時提供大轉(zhuǎn)矩。此時傳動系統(tǒng)就接受到了一個大的階躍激勵，在阻尼、剛度等匹配不講究時，非常容易發(fā)生大的振動響應(yīng)，導(dǎo)致半軸的轉(zhuǎn)矩輸出是波動的(如圖所示)，最終表現(xiàn)為車速的不平順。在制動時情況相反，原來的轉(zhuǎn)矩突然撤掉了，就好從高原像突然跌倒了平地，也是給了系統(tǒng)一個階躍激勵，車速也容易不平順。

故障三：齒輪拍擊

扭轉(zhuǎn)振動的另一類故障表現(xiàn)為在載荷突變時，會發(fā)出“啪啪”或者“啪嗒啪嗒”的異響，過一會兒聲音會自然消失，這類問題一般是兩個原因共同導(dǎo)致的。第一齒輪間隙過大，第二個傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速發(fā)生快速的波動。如此從動輪和被動輪兩者的運轉(zhuǎn)是不同步的，兩者時快時慢，這導(dǎo)致主動齒輪在從動齒輪內(nèi)雙側(cè)來回接觸。等速度平穩(wěn)后，會從雙側(cè)嚙合過渡到單側(cè)平穩(wěn)嚙合。

扭轉(zhuǎn)振動的故障還有許多，比如說有些齒輪嘯叫也是扭轉(zhuǎn)振動問題導(dǎo)致的，或者扭轉(zhuǎn)振動惡化了齒輪嘯叫。這種情況一般的機(jī)理是：電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動較大，導(dǎo)致齒輪軸的速度在微觀上是波動的，這種波動會使得齒輪嚙合接觸強(qiáng)度發(fā)生周期性波動，和齒輪嚙合剛度激勵的原理一樣，齒輪會發(fā)出嘯叫聲。

如何定位分析扭轉(zhuǎn)振動問題

扭轉(zhuǎn)振動問題，歸根到底是一個動力學(xué)的問題，是軸系傳動的問題。除了經(jīng)驗分析的方法，最有用、最科學(xué)的就是動力學(xué)分析法。那么首先要解決如何動力學(xué)建模的問題。

在動力學(xué)視角下，沒有絕對的剛體，也沒有零誤差的配合。任何機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)都可以用剛度、阻尼、質(zhì)量、慣量來等價。構(gòu)建好每個零件的動力學(xué)模型后就可以將其組裝成完整的模型，并進(jìn)行分析。一個完整的動力學(xué)建模分析過程如下所示：

一般分析共振問題，我們要求解模態(tài)，分析啟動抖動等瞬態(tài)問題，還要求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。分析在不同激勵下系統(tǒng)的表現(xiàn)需要求解力學(xué)響應(yīng)特性。這種求解就和一般控制問題一樣了。
將求解出的系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)特性，和振動噪音測試數(shù)據(jù)作對比分析，就可以雙向驗證問題原因。采用的方法就是上一篇文章將的仿真測試對標(biāo)法。

扭轉(zhuǎn)振動常用解決方法

第一種方法：輸入側(cè)改善

所謂輸入側(cè)改善，就是將改善電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩輸出的平穩(wěn)性。一般電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動、動不平衡、不對中都會影響旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，產(chǎn)生各種階次的激振力，這些激振力會沿著軸系傳遞，如果和某個零件的固有頻率接近，就會產(chǎn)生附加的共振響應(yīng)。因此改善旋轉(zhuǎn)品質(zhì)是有效避免問題的方法。

第二種方法：傳遞過程阻斷

車輛振動的一次振源一般是電機(jī)或減速器，從振源到振體的力波傳遞有兩個途徑，途徑一是通過軸系傳遞，途徑二是通過定子組件到車架。有人做過分析研究發(fā)現(xiàn)途徑二是車輛振動的主要傳遞路徑。因此在途徑二上設(shè)置柔性或者半剛性懸置能夠大大降低共振風(fēng)險，即便共振幅值也會大幅度降低。如下圖所示有人通過優(yōu)化電機(jī)三個懸置的位置、剛度，達(dá)到了很好的隔振效果，加速度傳遞率不到2.5%。

對于傳遞路徑一的軸系傳遞，也有相應(yīng)的阻斷方法，就是設(shè)置軸系減振器。這種減震器一般有兩個盤耦合而成，主動盤和主動軸相連，從動盤和被動軸相連。主動盤和被動盤之間設(shè)置了彈性和阻尼，振動會被彈簧和阻尼吸收掉，傳遞不過去，相當(dāng)于設(shè)置了一道防火墻。下圖是兩種軸系減振器，他們對中高頻隔振效果都很明顯。

第三種方法：系統(tǒng)級優(yōu)化方案

扭轉(zhuǎn)振動歸根到底是一種動力學(xué)問題，動力學(xué)問題就不僅僅和振源有關(guān)，還和軸系統(tǒng)的本身的參數(shù)相關(guān)，比如剛度、阻尼等等。因此有人通過優(yōu)化動力學(xué)參數(shù)達(dá)到對某些頻段振動的抑制效果。

上圖說的是有人通過研究發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)軸的剛度、阻尼、轉(zhuǎn)動慣量去優(yōu)化振動響應(yīng)。他研究的大致結(jié)論如下：

1、軸的剛度對低頻振動影響不大，但對高頻有較大影響，軸的剛度變大共振頻率會上升，振幅會略有加強(qiáng)；

2、軸系的阻尼對低頻也無影響，在中頻阻尼越大振幅越小，高頻阻尼越大振幅變大。

3、電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，低頻時慣量越大，共振頻率減小，振幅變大，中頻和高頻時，慣量大振幅減弱。

優(yōu)化時可以通過上述規(guī)律，有針對性的采取參數(shù)調(diào)整方案。

還有一種系統(tǒng)級的優(yōu)化方法，就是階次分離法。階次分離就是避免動力總成振動激勵階次接近，加劇扭轉(zhuǎn)振動。如下圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子激勵的階次是8次、而軸承的激勵階次是9次和9.76次，三者的階次非常接近，很容易發(fā)生能量疊加，產(chǎn)生大幅度的振動。因此系統(tǒng)級的優(yōu)化，就是要對動力總成各零件的激勵階次進(jìn)行管理，避免出現(xiàn)階次重疊。以此類推也要對各零件的固有頻率進(jìn)行管理，避免出現(xiàn)頻率重疊。

第四種方法：控制側(cè)解決問題

國外傾向于通過控制來解決扭轉(zhuǎn)振動問題，其優(yōu)點在上一篇文章中已經(jīng)有過論述。其中一種簡單的方法就是前饋控制法。其作用原理很簡單，如果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)車速在30km/h時會發(fā)生抖動。那么在這個速度段有針對性的控制轉(zhuǎn)矩輸出，讓轉(zhuǎn)矩輸出主動發(fā)生波動，這種波動產(chǎn)生的振動響應(yīng)剛好和原來的抖動是相互抵消的，如此疊加之后的振動響應(yīng)反而更平穩(wěn)了。

道理雖然簡單，在實際設(shè)計時卻比較講究，實際上就是設(shè)計一個前饋控制環(huán)節(jié)，經(jīng)過這個環(huán)節(jié)，踏板轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成調(diào)諧轉(zhuǎn)矩（可以理解為抵消抖動的轉(zhuǎn)矩）。要達(dá)到的這個效果，這個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)要根據(jù)動力總成扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來反向設(shè)計。

前饋控制法在應(yīng)用中仍然有局限性，因為車速、路況等條件比較復(fù)雜，而且動力學(xué)模型構(gòu)建的精度也往往不夠，有時不免有刻舟求劍之嫌。因此需要設(shè)計一個反饋環(huán)，將車速引入進(jìn)來。加上后饋環(huán)節(jié)后車速波動變的更加平緩。此時系統(tǒng)給出的轉(zhuǎn)矩指令實際上不是連續(xù)的，而是波動的。這就是不穩(wěn)定的輸出控制，反而達(dá)到了穩(wěn)定的效果。

總結(jié)

電動汽車的扭轉(zhuǎn)振動是常見的故障，這些故障包括加速共振，啟動抖動、齒輪拍擊和嘯叫等等。我們討論了引起這些故障的機(jī)理，這些問題需要動力學(xué)的視角去理解、建模和分析。最后我們給出了四類解決方案，從輸入側(cè)、傳遞環(huán)節(jié)、系統(tǒng)、控制側(cè)都可以解決問題。