新能源汽车振动实验到底采用V型还是Z型？

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汽车为啥需要振动实验？

在回答这个问题前，首先给大家介绍一个概念，在产品的严酷级别方面，排序是：航空航天>汽车>日常消费品（譬如手机，电视，各种智能硬件）？所以在汽车电子行业，尤其是芯片，汽车级别和消费级是严格进行区分的。不服？来跑个分呀。你把车拉到-40℃的漠河荒郊野外，照跑不误；你把你的IPHONE X，或者华为，或者小米手机拿出来晾几个小时，看看还行不？能开机已经可以作为卖点了（如果不对，欢迎手机行业的朋友们拍砖）。所以，汽车攻城狮朋友们，也不要妄自菲薄，虽然现在形势不好^_^。

行业内为啥有这个概念呢？与这些产品的工作环境有莫大的关系。飞机上天入地在几分钟之内，而环境温度的跨度高达100多℃。同时起飞降落和平飞的力学载荷也变化剧烈。每一次起飞和降落都是一次快速温变实验啊，飞机寿命期内需要跑多少次快速温变？直接碾压汽车行业的200，1000次…而飞机一旦有故障，很容易全机梭哈（尽管空难的死亡率比汽车交通事故小很多，但是人们还是对安全性有concern），所以飞机的可靠性要求很高。

回到汽车，虽然车到山前必有路，但是道路难走啊。以传统汽车为例，在颠簸的路面飞驰的时候，汽车上的零件，往往会受到几个方面的振动力：

  · 轮胎会受到地面的各种振动和冲击，而这种冲击通过轮胎，减振系统，会传递到汽车上的其他零件；

  · 汽车上自己挂的运动部件，譬如发动机、变速箱、起动机、冷却系统等，在各种往复和旋转运动的时候，也会产生振动和冲击（譬如大家听到突突突的声音）；

  · 车里的人类的各种运动（当然基本可以忽略不计）。

汽车的零件是否可靠，是否会被振动散架，需要在汽车的开发阶段进行各种验证，而振动实验就是其中的核心之一。

振动实验咋做？

在谈论振动实验咋做之前，先给大家一个概念，大推力的振动试验台国外是对咱们禁运的，为啥？因为可以用来做火箭、导弹、飞机等，重型零件的振动实验。当然，中国人还是有自己的聪明才智的。一方面，我们可以自己钻研大推力的振动台啊；另外一方面，也可以把总成的振动分解到零部件啊。这种分解在汽车行业也非常常见，因为有些DUT的重量确实太大，handle不了，就得分解到下级子零件。

汽车行业的振动实验有一套标准的流程和方法。基本原理就是根据零件的安装位置受到的载荷（包括路面和其他），决定了不同的振动方式和强度等级。从振动方式来讲，主要是正弦振动（有规律的旋转部件，譬如发动机）和随机振动（激励源主要来自路面）。振动等级通常以加速度g(m/S2) 来表示。对于正弦振动，比较简单，就是指定一个频率，然后告诉多少个g；随机振动由于频率是随机的，因此通常转换为功率谱密度，来定义功率谱密度线。汽车行业引用的比较多的是譬如ISO16750。

图1 ISO16750 装在发动机上零件的随机振动

图2 ISO16750 装在变速箱上的随机振动

ISO16750的随机谱都是V型？

细心的同学可能会有如下的问题：

1. 为啥图1发动机和图2变速箱的谱线这么相似，都是V型的呢？

也就是从图3，从100Hz到500Hz这部分频谱下沉下去（如图3红色区域）？这是因为，这个频段的大部分振动被扣出来了，单独编制了一个振动实验，叫做正弦振动，振动的量级从ISO16750里面可以找到。

图3 V型谱被挖掉的区域

2. 既然是正弦被扣出来，那么可以不扣么？

答案是可以的。譬如，GMW3172（通用汽车的实验大全），在2010版本以前，随机振动谱都是V型，在2012版本后，已经合并在一起，变成Π型了（如图4）。

图4 GMW3172-2012Π型随机振动曲线

3. 既然可以扣出来（发动机的正弦），也可以合并，那么ISO为啥分开？

这是因为，可以把正弦和随机振动分开来做，满足不同的振动目的。这就相当于篮球教练在教学的时候，一定是先练习分解动作，然后再合成。当然，如果是零件同时有两种载荷，那么一般实验的时候也是要正弦叠加随机的，譬如安装在发动机上的节气门的振动实验。

4. 为啥频段是从100Hz到500Hz区间被挖掉了，而不是其他的值？

这是因为传统的内燃机，根据气缸和活塞的运动规律，从怠速到最高转速，活塞的振动冲击的频率大致上为100Hz到500Hz。

5. 这些曲线的限值是怎么来的？

通常情况下，ISO在制定标准的时候，会收集一些典型的车型，然后去典型的路况进行振动的采集，采集完成后，进行数据的处理，采用包罗的方法得出限值。

6. 为啥V型的两头（<100Hz，>500Hz）都是平的？

实际载荷肯定是波动的，而且随着每个车型和发动机不同而不同。但是为了简化处理，便于实验，本着等损伤的原则，在抽取载荷谱的时候进行了简化。

7. V型的三段（<100Hz，100Hz~500Hz，>500Hz）主要激励是哪些？

可以介绍一下不？一般来说，<100Hz 500Hz="">500Hz主要是发动机及附件带来的随机振动（譬如喷油器，油轨，节气门等）。

8. 既然每个车的振动都不一样，那为啥大家都采用ISO16750-3的振动？

最真实的振动强度当然是根据每一个车型在典型的路况上进行测试，然后进行提取，分析和等效损伤的统计分析。如果每个车型都这么正向解决，那么成本就太高了。显然不符合汽车行业的薄利多销的特征。也不符合工程思维。ISO解决了绝大部分车型的需求，如果没有特别的变更，基于成本和开发周期的考虑，一般就follow ISO标准了。

新能源汽车的振动实验咋做？

从上面的ISO16750-3的介绍来看，主要是针对传统内燃机的车型。所以早期搞新能源（特指电动车，下同）的同学见面总是离不开一个问题，新能源汽车的振动实验咋做啊？为什么有这个问题呢？因为新能源汽车没有了发动机变速箱，取而代之的是电机，电机控制器和减速器，这些零件的典型振动特征和内燃机有着天壤之别。好在ISO及时跟进潮流，在2018年，针对电动车和混动车制定了特殊的SPEC，这就是ISO19453。

针对电动车，随机载荷谱典型如图5，主要是针对安装在驱动电机上面的零件。听到这，有的同学就欢欣雀跃了。如果有人问，新能源电驱动产品应该采用什么振动实验标准？答案肯定就是ISO19453咯。这个说法有道理么？我们下面来分析一下。

对比ISO16750-3和ISO19453-3来看，典型的区别就是，在100Hz左右，振动功率谱密度，ISO16750是V型，也就是中间段下降后，又上升回去了。而ISO19453-3 曲线拐下来后，后半段完全是平的（Z型）。针对只安装在电机上的零件（注意，没有其他零件噢，也就没有附件的振动载荷），如Inverter，基本是适用的，这是因为相比于发动机，电机在高频的随机振动几乎可以忽略不记。

图5 ISO19453-3Test III（Z型）

但是，当前电动车技术发展一日千里。电动车的发展趋势就是动力总成集成化。VW 以MEB开创了3in1的先河（电机，电机控制器，减速箱），也就是电驱动桥的解决方案。后面甚至有人提出了更加激进的集成方式，譬如6in1，8in1，暂且不表。那么对比ISO16750和ISO19453可以看出，在100Hz以上，ISO16750的随机激励载荷主要来自发动机和减速箱。而上一段阐明了，电机相比发动机，振动非常小，这部分内部载荷可以忽略。但是电驱动总成是将电机、电机控制器、减速箱进行深度集成。这里面还有电机控制器（机械振动也可以忽略）和减速箱。因此，电驱动总成采用ISO19453-3的Z型，就漏考虑了内部的振动载荷，尤其是减速箱带来的。

那么，减速箱的随机振动载荷如何进行考核呢？方法和思路有很多，就看你懂不懂了。

总    结

新能源电驱动总成的随机振动应该参考ISO19453-3的Z型，而不是ISO16750-3的V型。但是仅仅用ISO19453-3，会漏考虑内部的随机载荷，尤其是中高频部分。怎么对内部载荷进行考核？如何基于电驱动总成的载荷，分解到关键零部件，如何进行实验验证？本文没有深入阐述。

来源：AlphaToOmega微信公众号（ID：AlphaBetaGemmaOmega），作者：郭靖。