电动汽车扭转振动问题的四种解法

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　　电动汽车和动力总成的振动噪音问题有很多方面，如电磁噪音、齿轮啸叫、轴承噪音等等，其中最复杂的当属于传动系统扭转振动问题。因为它不是单个零件或部件问题，而是动力总成匹配问题。因为难以定位，所以难以解决。本周我梳理下扭转振动的学术文章，尝试着回答如下三个问题：

　　1.扭转振动问题的故障特征是什么?
　　2.如何分析定位扭转振动问题?
　　3.常用的解决方法有哪些?

　　扭转振动问题的故障特征

　　故障一：加速共振

　　扭转振动问题常见的故障是发生在加速或减速过程中，我们经常遇到在某一个速度段，车辆或有明显的抖动、震颤。过了这个速度点就消失了，这就是典型的加速共振问题了。

　　加速共振的形成机理可以简单理解成，传动系统的轴系存在若干个固有频率，这些频率是由电机、减速箱、差速箱、半桥等组合决定，基本不随速度变化而变化。而动力总成存在许多激励源，以电机输出扭矩激励为例，它的频率是随速度变化而增加的，当速度达到一定时，总是会出现扭矩激励频率和固有频率相同，此时共振就容易被激发，产生出较大的抖动。共振发生时电机的转速和车速都会发生大的波动。而且还伴随较大的噪音，类似的情况也会在减速中发生，但减速时由于输出能量较小，情况会略好。

　　故障二：启动抖动

　　扭转振动问题还发生在启动瞬间，表现出来的是不平稳，不顺畅，有顿挫感。类似的感觉也会发生在制动瞬间。

　　这类问题的本质是动力激励发生突变导致的，这是因为相对发动机的动力柔软特性，电机的扭矩是刚性和瞬时性的，它能够瞬时提供大转矩。此时传动系统就接受到了一个大的阶跃激励，在阻尼、刚度等匹配不讲究时，非常容易发生大的振动响应，导致半轴的转矩输出是波动的(如图所示)，最终表现为车速的不平顺。在制动时情况相反，原来的转矩突然撤掉了，就好从高原像突然跌倒了平地，也是给了系统一个阶跃激励，车速也容易不平顺。

　　故障三：齿轮拍击

　　扭转振动的另一类故障表现为在载荷突变时，会发出“啪啪”或者“啪嗒啪嗒”的异响，过一会儿声音会自然消失，这类问题一般是两个原因共同导致的。第一齿轮间隙过大，第二个传动系统的转速发生快速的波动。如此从动轮和被动轮两者的运转是不同步的，两者时快时慢，这导致主动齿轮在从动齿轮内双侧来回接触。等速度平稳后，会从双侧啮合过渡到单侧平稳啮合。

　　扭转振动的故障还有许多，比如说有些齿轮啸叫也是扭转振动问题导致的，或者扭转振动恶化了齿轮啸叫。这种情况一般的机理是：电机的转矩脉动较大，导致齿轮轴的速度在微观上是波动的，这种波动会使得齿轮啮合接触强度发生周期性波动，和齿轮啮合刚度激励的原理一样，齿轮会发出啸叫声。

　　如何定位分析扭转振动问题

　　扭转振动问题，归根到底是一个动力学的问题，是轴系传动的问题。除了经验分析的方法，最有用、最科学的就是动力学分析法。那么首先要解决如何动力学建模的问题。

　　在动力学视角下，没有绝对的刚体，也没有零误差的配合。任何机械传动机构都可以用刚度、阻尼、质量、惯量来等价。构建好每个零件的动力学模型后就可以将其组装成完整的模型，并进行分析。一个完整的动力学建模分析过程如下所示：

　　一般分析共振问题，我们要求解模态，分析启动抖动等瞬态问题，还要求出系统传递函数。分析在不同激励下系统的表现需要求解力学响应特性。这种求解就和一般控制问题一样了。

　　将求解出的系统动力学响应特性，和振动噪音测试数据作对比分析，就可以双向验证问题原因。采用的方法就是上一篇文章将的仿真测试对标法。

　　扭转振动常用解决方法

　　第一种方法：输入侧改善

　　所谓输入侧改善，就是将改善电机的旋转扭矩输出的平稳性。一般电机的转矩脉动、动不平衡、不对中都会影响旋转稳定性，产生各种阶次的激振力，这些激振力会沿着轴系传递，如果和某个零件的固有频率接近，就会产生附加的共振响应。因此改善旋转品质是有效避免问题的方法。

　　第二种方法：传递过程阻断

　　车辆振动的一次振源一般是电机或减速器，从振源到振体的力波传递有两个途径，途径一是通过轴系传递，途径二是通过定子组件到车架。有人做过分析研究发现途径二是车辆振动的主要传递路径。因此在途径二上设置柔性或者半刚性悬置能够大大降低共振风险，即便共振幅值也会大幅度降低。如下图所示有人通过优化电机三个悬置的位置、刚度，达到了很好的隔振效果，加速度传递率不到2.5%。

　　对于传递路径一的轴系传递，也有相应的阻断方法，就是设置轴系减振器。这种减震器一般有两个盘耦合而成，主动盘和主动轴相连，从动盘和被动轴相连。主动盘和被动盘之间设置了弹性和阻尼， 振动会被弹簧和阻尼吸收掉，传递不过去，相当于设置了一道防火墙。下图是两种轴系减振器，他们对中高频隔振效果都很明显。。

　　第三种方法：系统级优化方案

　　扭转振动归根到底是一种动力学问题，动力学问题就不仅仅和振源有关，还和轴系统的本身的参数相关，比如刚度、阻尼等等。因此有人通过优化动力学参数达到对某些频段振动的抑制效果。

　　上图说的是有人通过研究发现可以通过调节轴的刚度、阻尼、转动惯量去优化振动响应。他研究的大致结论如下：

　　1、轴的刚度对低频振动影响不大，但对高频有较大影响，轴的刚度变大共振频率会上升，振幅会略有加强;
　　2、轴系的阻尼对低频也无影响，在中频阻尼越大振幅越小，高频阻尼越大振幅变大。
　　3、电机的转动惯量，低频时惯量越大，共振频率减小，振幅变大，中频和高频时，惯量大振幅减弱。

　　优化时可以通过上述规律，有针对性的采取参数调整方案。

　　还有一种系统级的优化方法，就是阶次分离法。阶次分离就是避免动力总成振动激励阶次接近，加剧扭转振动 。如下图所示，电机转子激励的阶次是8次、而轴承的激励阶次是9次和9.76次，三者的阶次非常接近，很容易发生能量叠加，产生大幅度的振动。因此系统级的优化，就是要对动力总成各零件的激励阶次进行管理，避免出现阶次重叠。以此类推也要对各零件的固有频率进行管理，避免出现频率重叠。

　　第四种方法：控制侧解决问题

　　国外倾向于通过控制来解决扭转振动问题，其优点在上一篇文章中已经有过论述。其中一种简单的方法就是前馈控制法。其作用原理很简单，如果已经发现车速在30km/h时会发生抖动。那么在这个速度段有针对性的控制转矩输出，让转矩输出主动发生波动，这种波动产生的振动响应刚好和原来的抖动是相互抵消的，如此叠加之后的振动响应反而更平稳了。

　　道理虽然简单，在实际设计时却比较讲究，实际上就是设计一个前馈控制环节，经过这个环节，踏板转矩转变成调谐转矩(可以理解为抵消抖动的转矩)。要达到的这个效果，这个环节的传递函数要根据动力总成扭转系统的传递函数来反向设计。

　　前馈控制法在应用中仍然有局限性，因为车速、路况等条件比较复杂，而且动力学模型构建的精度也往往不够， 有时不免有刻舟求剑之嫌。因此需要设计一个反馈环，将车速引入进来。加上后馈环节后车速波动变的更加平缓。此时系统给出的转矩指令实际上不是连续的，而是波动的。这就是不稳定的输出控制，反而达到了稳定的效果。

　　总结

　　电动汽车的扭转振动是常见的故障，这些故障包括加速共振，启动抖动、齿轮拍击和啸叫等等。我们讨论了引起这些故障的机理， 这些问题需要动力学的视角去理解、建模和分析。最后我们给出了四类解决方案， 从输入侧、传递环节、系统、控制侧都可以解决问题。为了更好的理解问题，建议阅读下一篇文章，链接如下：

　　电动汽车动力总成振动噪音问题的概念性认知

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