電動(dòng)汽車扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題的四種解法

　　電動(dòng)汽車和動(dòng)力總成的振動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題。因?yàn)樗皇菃蝹€(gè)零件或部件問題，而是動(dòng)力總成匹配問題。因?yàn)殡y以定位，所以難以解決。本周我梳理下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的學(xué)術(shù)文章，嘗試著回答如下三個(gè)問題：

　　1、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題的故障特征是什么？

　　2、如何分析定位扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題？

　　3、常用的解決方法有哪些？

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題的故障特征

　　故障一：加速共振

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(gè)速度段，車輛或有明顯的抖動(dòng)、震顫。過了這個(gè)速度點(diǎn)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(jiǎn)單理解成，傳動(dòng)系統(tǒng)的軸系存在若干個(gè)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(dòng)力總成存在許多激勵(lì)源，以電機(jī)輸出扭矩激勵(lì)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(shí)，總是會(huì)出現(xiàn)扭矩激勵(lì)頻率和固有頻率相同，此時(shí)共振就容易被激發(fā)，產(chǎn)生出較大的抖動(dòng)。共振發(fā)生時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和車速都會(huì)發(fā)生大的波動(dòng)。而且還伴隨較大的噪音，類似的情況也會(huì)在減速中發(fā)生，但減速時(shí)由于輸出能量較小，情況會(huì)略好。

　　故障二：?jiǎn)?dòng)抖動(dòng)

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題還發(fā)生在啟動(dòng)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(huì)發(fā)生在制動(dòng)瞬間。

　　這類問題的本質(zhì)是動(dòng)力激勵(lì)發(fā)生突變導(dǎo)致的，這是因?yàn)橄鄬?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力柔軟特性，電機(jī)的扭矩是剛性和瞬時(shí)性的，它能夠瞬時(shí)提供大轉(zhuǎn)矩。此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)就接受到了一個(gè)大的階躍激勵(lì)，在阻尼、剛度等匹配不講究時(shí)，非常容易發(fā)生大的振動(dòng)響應(yīng)，導(dǎo)致半軸的轉(zhuǎn)矩輸出是波動(dòng)的(如圖所示)，最終表現(xiàn)為車速的不平順。在制動(dòng)時(shí)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(gè)階躍激勵(lì)，車速也容易不平順。

　　故障三：齒輪拍擊

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

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的故障還有許多，比如說有些齒輪嘯叫也是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題導(dǎo)致的，或者扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)較大，導(dǎo)致齒輪軸的速度在微觀上是波動(dòng)的，這種波動(dòng)會(huì)使得齒輪嚙合接觸強(qiáng)度發(fā)生周期性波動(dòng)，和齒輪嚙合剛度激勵(lì)的原理一樣，齒輪會(huì)發(fā)出嘯叫聲。

　　如何定位分析扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題

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

　　在動(dòng)力學(xué)視角下，沒有絕對(duì)的剛體，也沒有零誤差的配合。任何機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都可以用剛度、阻尼、質(zhì)量、慣量來等價(jià)。構(gòu)建好每個(gè)零件的動(dòng)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(gè)完整的動(dòng)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(dòng)抖動(dòng)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(lì)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，和振動(dòng)噪音測(cè)試數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，就可以雙向驗(yàn)證問題原因。采用的方法就是上一篇文章將的仿真測(cè)試對(duì)標(biāo)法。

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)、動(dòng)不平衡、不對(duì)中都會(huì)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(huì)沿著軸系傳遞，如果和某個(gè)零件的固有頻率接近，就會(huì)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(xiǎn)，即便共振幅值也會(huì)大幅度降低。如下圖所示有人通過優(yōu)化電機(jī)三個(gè)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(duì)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(gè)盤耦合而成，主動(dòng)盤和主動(dòng)軸相連，從動(dòng)盤和被動(dòng)軸相連。主動(dòng)盤和被動(dòng)盤之間設(shè)置了彈性和阻尼，振動(dòng)會(huì)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(duì)中高頻隔振效果都很明顯。。

　　第三種方法：系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化方案

　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)歸根到底是一種動(dòng)力學(xué)問題，動(dòng)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(dòng)力學(xué)參數(shù)達(dá)到對(duì)某些頻段振動(dòng)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(dòng)慣量去優(yōu)化振動(dòng)響應(yīng)。他研究的大致結(jié)論如下：

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

　　2、軸系的阻尼對(duì)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(dòng)慣量，低頻時(shí)慣量越大，共振頻率減小，振幅變大，中頻和高頻時(shí)，慣量大振幅減弱。

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

　　還有一種系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化方法，就是階次分離法。階次分離就是避免動(dòng)力總成振動(dòng)激勵(lì)階次接近，加劇扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。如下圖所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子激勵(lì)的階次是8次、而軸承的激勵(lì)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(dòng)。因此系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化，就是要對(duì)動(dòng)力總成各零件的激勵(lì)階次進(jìn)行管理，避免出現(xiàn)階次重疊。以此類推也要對(duì)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(dòng)問題，其優(yōu)點(diǎn)在上一篇文章中已經(jīng)有過論述。其中一種簡(jiǎn)單的方法就是前饋控制法。其作用原理很簡(jiǎn)單，如果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)車速在30km/h時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。那么在這個(gè)速度段有針對(duì)性的控制轉(zhuǎn)矩輸出，讓轉(zhuǎn)矩輸出主動(dòng)發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)剛好和原來的抖動(dòng)是相互抵消的，如此疊加之后的振動(dòng)響應(yīng)反而更平穩(wěn)了。

　　道理雖然簡(jiǎn)單，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)卻比較講究，實(shí)際上就是設(shè)計(jì)一個(gè)前饋控制環(huán)節(jié)，經(jīng)過這個(gè)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(dòng)的轉(zhuǎn)矩）。要達(dá)到的這個(gè)效果，這個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)要根據(jù)動(dòng)力總成扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來反向設(shè)計(jì)。

　　前饋控制法在應(yīng)用中仍然有局限性，因?yàn)檐囁?、路況等條件比較復(fù)雜，而且動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建的精度也往往不夠，有時(shí)不免有刻舟求劍之嫌。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)變的更加平緩。此時(shí)系統(tǒng)給出的轉(zhuǎn)矩指令實(shí)際上不是連續(xù)的，而是波動(dòng)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(dòng)汽車的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是常見的故障，這些故障包括加速共振，啟動(dòng)抖動(dòng)、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?jiǎng)恿W(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。為了更好的理解問題，建議閱讀上一篇文章，鏈接如下：