最近幾周的文章將圍繞電動汽車和動力總成的振動噪音問題開展。這個問題幾乎是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的一個共性的頭疼的問題。我在以往的工作中也花了大量的時間去解決這類問題，最近兩周我將知識系統(tǒng)性的梳理了一遍，做成了一個個知識小晶體，容我慢慢道來。第一周的主要任務不是給出答案，而是將問題講清楚，講明白，建立大局觀。這有個專有名詞叫：概念性認知。這個概念性認知有幾個問題構成，讓我們來分析一下吧。

第一問：病癥--為什么動力總成振動噪音問題特別突出？

我們這里定義的動力總成包括 電機+差速器+減速器。在實際運行過程中，經(jīng)常發(fā)出高頻嘯叫聲、敲擊聲、有時還伴隨振動抖動的現(xiàn)象。為什么這種現(xiàn)象越來越突出？大概有這么幾種原因：

無遮蔽效應：電動汽車沒有了發(fā)動機這一最大噪音源頭，其他的聲音就會自然突出，矮個子中選高個，最明顯的就是動力總成的聲音了，NVH工程師們磨刀霍霍，不找它找誰。

強瞬態(tài)沖擊：電動機和發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩特性不一樣，它的轉(zhuǎn)矩能夠瞬時給到最大值，這固然帶來了無與倫比的加速體驗，但是這么大的沖擊給傳動系統(tǒng)帶來極大的考驗，很容易就會出現(xiàn)振動抖動，并在加速過程中發(fā)出嘯叫異響。

電磁噪音：這個是變頻驅(qū)動電機娘胎里帶來的毛病，和其他無關。一般是由控制電源PWM諧波引起或者是電機本身電磁諧波過多引起的。

轉(zhuǎn)速范圍更寬：不像傳統(tǒng)汽車有5檔變速，電動汽車一般都是一檔或者兩檔，也就是說電機、齒輪箱等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速范圍會更寬。我們知道任何旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)都是有其共振頻率的，在共振時噪音和振動都會放大。我們都想讓工作轉(zhuǎn)速避開共振頻率，可是轉(zhuǎn)速范圍很寬，總是會經(jīng)過共振點，無處可避。 

輕量化：電動汽車為了追求續(xù)航里程或者低成本，總是要求配件供應商將產(chǎn)品做輕做小，如此帶來的問題就是動力總成的剛度下降，同樣的激勵會激起更大的振動響應和噪音。




第二問：病理-- 振動噪音問題是怎么產(chǎn)生的？

定子側噪音振動機理

要回到這個問題，先把振動噪音分成兩類，一類是定子側另一類是轉(zhuǎn)子側。定子側噪音和振動的病理是這樣的：

定子側振動噪音指的是在定子機殼、減速箱箱體上產(chǎn)生的振動和輻射出的噪音，這是和系統(tǒng)內(nèi)存在的激勵有關的。



先說電磁激勵

電機存在交變的電磁場，在定子上產(chǎn)生兩種力，一種是徑向力，它會導致電機定子和機殼沿半徑方向振動，我們常說的電磁噪音一般都是徑向力引起的。



電機在徑向力作用下的變形模態(tài)
另一類是切向力，它們的作用方向是沿旋轉(zhuǎn)方向的。 電機單獨工作時，一般切向力是次要因素?？墒窃趧恿偝芍?，它卻鯉魚翻身，成了不能忽略的因素。切向力會使機殼產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，這種振動會通過減速器、懸掛傳遞到整車，引起整車的振動，并在剛度差的環(huán)節(jié)激發(fā)起較大的噪音。

再說機械激勵

機械激勵主要是齒輪嚙合激勵，一般是因為齒形誤差、嚙合剛度變化、沖擊激勵產(chǎn)生的。這些激勵不但在齒輪上產(chǎn)生噪音，還會經(jīng)過軸承傳遞到定子側，比如減速器機殼、電機機殼也會引起噪音。
此外電機轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)矩脈動，由于不同軸或者動不平衡、軸承約束剛度變化引起的旋轉(zhuǎn)激勵、也會成為機械激勵。同樣會通過軸承傳遞到定子機殼上，產(chǎn)生相應的噪音。
下圖就是通過仿真手段獲得的電機機殼上某一點上的綜合激勵響應，我們發(fā)現(xiàn)，在中低頻主要的激勵作用是機械激勵，在高頻段主要的激勵源是電磁。這一現(xiàn)象說明引起定子側噪音振動源頭是復雜的。



定子機殼上檢測到的加速度

最后說磁固耦合
磁固耦合讓振動噪音現(xiàn)象更復雜，它的機理是這樣的，在電磁或機械激勵下，電機的定子會產(chǎn)生形變，轉(zhuǎn)子軸的安裝位置也會偏離軸心，這會導致定轉(zhuǎn)子之間的氣隙變的不均勻，從而使氣隙磁密發(fā)生畸變，諧波變多，從而產(chǎn)生出更多的電磁激勵頻段，或者加強某些頻段的電磁激勵。這些被加強的電磁激勵又進一步產(chǎn)生更大的變形，從而形成正反饋。磁固耦合的正反饋使振動噪音問題更突出。

轉(zhuǎn)子側噪音振動機理

轉(zhuǎn)子側噪音振動一般指的是齒輪的嘯叫，產(chǎn)生齒輪嘯叫的原因大致可以分為三大類：
第一類是齒輪本身嚙合激勵導致的，齒輪會在嚙合過程中產(chǎn)生高頻的嚙合力，產(chǎn)生齒輪振動噪音， 因為頻率較高，也叫齒輪嘯叫。
第二類是電機輸出的轉(zhuǎn)矩脈動過大導致的，電機輸出的轉(zhuǎn)矩是隨時間周期脈動變化的，會導致齒輪嚙合時產(chǎn)生相應的沖擊，不但會引起噪音還可能產(chǎn)生疲勞斷裂；
第三類是電機和齒輪箱裝配精度不夠，或者電機、齒輪箱本身制造精度不夠?qū)е碌男D(zhuǎn)偏差激勵產(chǎn)生的，這種激勵也是周期變化的，在齒輪嚙合時產(chǎn)生齒間沖擊。



另外一種轉(zhuǎn)子側故障是扭轉(zhuǎn)共振，一般是在某一個轉(zhuǎn)速下噪音振動特別明顯，甚至發(fā)生整車抖動的現(xiàn)象，這是因為轉(zhuǎn)子上的機械激勵頻率和扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固有頻率剛好吻合導致的。

病理本質(zhì)：多源動態(tài)激勵下復雜響應
無論是定子側振動噪音還是轉(zhuǎn)子側振動噪音，問題的本質(zhì)是多源動態(tài)激勵，即多種激勵作用在系統(tǒng)上，產(chǎn)生復雜的振動噪音響應。所以如何甄別誰是主要激勵，誰是主要矛盾成了最考究的工作。



第三問：望聞問切--高手是怎么診斷的？

怎么治療的關鍵是怎么診斷病因，通過望聞問切找出相關線索，大膽假設，仔細論證。 我發(fā)現(xiàn)高手們有一個共同的套路，這個套路我稱之為仿真-測試-對標 法，這是一個三角結構。



仿真：通過仿真的方法獲得電磁力、齒輪嚙合力等力的幅值和特征頻率。
測試：通過測試獲得電機、減速器、懸架關鍵點的加速度響應信號、或噪音信號。通過模態(tài)測試獲取動力總成的模態(tài)構成
對標：將測試的響應頻率和激勵頻率對比，通過它們之間的相關性，推測哪些激勵是主要矛盾。
在比較復雜的情況下，高手們還主動設計一些振動實驗，將一些因素屏蔽掉，讓另一些因素放大，這樣更容易對標出關鍵特征。



上圖一個電機機殼共振問題的分析例子，有人通過分析獲得系統(tǒng)的模態(tài)，并通過模態(tài)測試校正系統(tǒng)模態(tài)。然后在實際振動測試中采集電機機殼振動信號，發(fā)現(xiàn)在540HZ附件有較大的振動幅值，這個剛好和動力總成的2階模態(tài)是一致的，由此可以大致可以定性出：定子系統(tǒng)共振了。

再舉一個例子，通過測試發(fā)現(xiàn)電動車在受到突變的轉(zhuǎn)矩輸入時，整車沿縱向產(chǎn)生8.1 Hz左右的明顯波動。于是有人建立了電機+減速器+傳動半軸的動力學模型，通過分析系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率為8.1HZ.通過簡單的對標就會知道這兩者具備很大的相關性，因此這個故障可以定性為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振。



第四問：藥方--高手是怎么治療的？

通過診斷可以確定病因是什么，在哪里出了問題，是齒輪嚙合問題還是機殼電磁振動問題，是軸系共振問題，還是定子共振問題。問題清楚了就可以對癥下藥，下圖是前輩們總結出的各種藥方。



舉一個例子，通過建模仿真分析發(fā)現(xiàn)減速器一級齒輪的嚙合精度較差，存在較大的嚙合激勵，在實物測試中也發(fā)現(xiàn)了29階和58階的噪音頻譜較大，這兩個頻譜剛好和一級小齒輪齒數(shù)和2倍齒數(shù)相當?shù)?。從而判斷出故障是小齒輪嚙合質(zhì)量過差導致的。在優(yōu)化的方案中隊小齒輪的鼓形、傾斜度作了優(yōu)化。修形后的齒輪在實測時發(fā)現(xiàn)29階和58階的噪音幅值明顯降低。這是一個通過結構側解決問題的例子。



值的注意的是國外的同行們越來越傾向于通過控制側來解決問題，這樣有兩個好處：
第一.結構側解決問題成本較高，周期較長，而控制側只需要通過軟件調(diào)整即可，基本不增加成本。
第二.控制側解決問題的通用性和靈活度都遠遠大于結構側解決，可以方便的應用在躲在場合。
下面第二個例子講的是：優(yōu)化前發(fā)現(xiàn)齒輪箱有較大的嘯叫聲，通過電磁力分析和對標分析，發(fā)現(xiàn)這是矢量控制中電機電流中存在非正弦成分（PWM諧波）導致。 控制側解決的方案是將矢量控制切換成DTC控制，沒有了固有了PWM諧波成分，減速箱箱體的振動明顯減小了。



總結
電動汽車的NVH問題逐漸成為行業(yè)的痛點和熱點，其中動力總成的振動噪音問題尤為突出。本文概念性的介紹了振動和噪音故障的機理、原因、診斷方法、解決問題的方法，如此大家在碰到問題時，有一個大局觀，可以更從容鎮(zhèn)定的解決問題。