电动汽车动力总成振动噪音问题的概念性分析

最近几周的文章将围绕电动汽车和动力总成的振动噪音问题开展。这个问题几乎是电动汽车产业发展中面临的一个共性的头疼的问题。我在以往的工作中也花了大量的时间去解决这类问题，最近两周我将知识系统性的梳理了一遍，做成了一个个知识小晶体，容我慢慢道来。第一周的主要任务不是给出答案，而是将问题讲清楚，讲明白，建立大局观。这有个专有名词叫：概念性认知。这个概念性认知有几个问题构成，让我们来分析一下吧。

第一问：病症--为什么动力总成振动噪音问题特别突出？

我们这里定义的动力总成包括 电机+差速器+减速器。在实际运行过程中，经常发出高频啸叫声、敲击声、有时还伴随振动抖动的现象。为什么这种现象越来越突出？大概有这么几种原因：

无遮蔽效应：电动汽车没有了发动机这一最大噪音源头，其他的声音就会自然突出，矮个子中选高个，最明显的就是动力总成的声音了，NVH工程师们磨刀霍霍，不找它找谁。

强瞬态冲击：电动机和发动机的转矩特性不一样，它的转矩能够瞬时给到最大值，这固然带来了无与伦比的加速体验，但是这么大的冲击给传动系统带来极大的考验，很容易就会出现振动抖动，并在加速过程中发出啸叫异响。

电磁噪音：这个是变频驱动电机娘胎里带来的毛病，和其他无关。一般是由控制电源PWM谐波引起或者是电机本身电磁谐波过多引起的。

转速范围更宽：不像传统汽车有5档变速，电动汽车一般都是一档或者两档，也就是说电机、齿轮箱等转子系统的工作转速范围会更宽。我们知道任何旋转系统都是有其共振频率的，在共振时噪音和振动都会放大。我们都想让工作转速避开共振频率，可是转速范围很宽，总是会经过共振点，无处可避。 

轻量化：电动汽车为了追求续航里程或者低成本，总是要求配件供应商将产品做轻做小，如此带来的问题就是动力总成的刚度下降，同样的激励会激起更大的振动响应和噪音。




第二问：病理-- 振动噪音问题是怎么产生的？

定子侧噪音振动机理

要回到这个问题，先把振动噪音分成两类，一类是定子侧另一类是转子侧。定子侧噪音和振动的病理是这样的：

定子侧振动噪音指的是在定子机壳、减速箱箱体上产生的振动和辐射出的噪音，这是和系统内存在的激励有关的。



先说电磁激励

电机存在交变的电磁场，在定子上产生两种力，一种是径向力，它会导致电机定子和机壳沿半径方向振动，我们常说的电磁噪音一般都是径向力引起的。



电机在径向力作用下的变形模态
另一类是切向力，它们的作用方向是沿旋转方向的。 电机单独工作时，一般切向力是次要因素。可是在动力总成中，它却鲤鱼翻身，成了不能忽略的因素。切向力会使机壳产生扭转振动，这种振动会通过减速器、悬挂传递到整车，引起整车的振动，并在刚度差的环节激发起较大的噪音。

再说机械激励

机械激励主要是齿轮啮合激励，一般是因为齿形误差、啮合刚度变化、冲击激励产生的。这些激励不但在齿轮上产生噪音，还会经过轴承传递到定子侧，比如减速器机壳、电机机壳也会引起噪音。
此外电机转子输出的转矩脉动，由于不同轴或者动不平衡、轴承约束刚度变化引起的旋转激励、也会成为机械激励。同样会通过轴承传递到定子机壳上，产生相应的噪音。
下图就是通过仿真手段获得的电机机壳上某一点上的综合激励响应，我们发现，在中低频主要的激励作用是机械激励，在高频段主要的激励源是电磁。这一现象说明引起定子侧噪音振动源头是复杂的。



定子机壳上检测到的加速度

最后说磁固耦合
磁固耦合让振动噪音现象更复杂，它的机理是这样的，在电磁或机械激励下，电机的定子会产生形变，转子轴的安装位置也会偏离轴心，这会导致定转子之间的气隙变的不均匀，从而使气隙磁密发生畸变，谐波变多，从而产生出更多的电磁激励频段，或者加强某些频段的电磁激励。这些被加强的电磁激励又进一步产生更大的变形，从而形成正反馈。磁固耦合的正反馈使振动噪音问题更突出。

转子侧噪音振动机理

转子侧噪音振动一般指的是齿轮的啸叫，产生齿轮啸叫的原因大致可以分为三大类：
第一类是齿轮本身啮合激励导致的，齿轮会在啮合过程中产生高频的啮合力，产生齿轮振动噪音， 因为频率较高，也叫齿轮啸叫。
第二类是电机输出的转矩脉动过大导致的，电机输出的转矩是随时间周期脉动变化的，会导致齿轮啮合时产生相应的冲击，不但会引起噪音还可能产生疲劳断裂；
第三类是电机和齿轮箱装配精度不够，或者电机、齿轮箱本身制造精度不够导致的旋转偏差激励产生的，这种激励也是周期变化的，在齿轮啮合时产生齿间冲击。



另外一种转子侧故障是扭转共振，一般是在某一个转速下噪音振动特别明显，甚至发生整车抖动的现象，这是因为转子上的机械激励频率和扭转系统的固有频率刚好吻合导致的。

病理本质：多源动态激励下复杂响应
无论是定子侧振动噪音还是转子侧振动噪音，问题的本质是多源动态激励，即多种激励作用在系统上，产生复杂的振动噪音响应。所以如何甄别谁是主要激励，谁是主要矛盾成了最考究的工作。



第三问：望闻问切--高手是怎么诊断的？

怎么治疗的关键是怎么诊断病因，通过望闻问切找出相关线索，大胆假设，仔细论证。 我发现高手们有一个共同的套路，这个套路我称之为仿真-测试-对标 法，这是一个三角结构。



仿真：通过仿真的方法获得电磁力、齿轮啮合力等力的幅值和特征频率。
测试：通过测试获得电机、减速器、悬架关键点的加速度响应信号、或噪音信号。通过模态测试获取动力总成的模态构成
对标：将测试的响应频率和激励频率对比，通过它们之间的相关性，推测哪些激励是主要矛盾。
在比较复杂的情况下，高手们还主动设计一些振动实验，将一些因素屏蔽掉，让另一些因素放大，这样更容易对标出关键特征。



上图一个电机机壳共振问题的分析例子，有人通过分析获得系统的模态，并通过模态测试校正系统模态。然后在实际振动测试中采集电机机壳振动信号，发现在540HZ附件有较大的振动幅值，这个刚好和动力总成的2阶模态是一致的，由此可以大致可以定性出：定子系统共振了。

再举一个例子，通过测试发现电动车在受到突变的转矩输入时，整车沿纵向产生8.1 Hz左右的明显波动。于是有人建立了电机+减速器+传动半轴的动力学模型，通过分析系统的扭转振动的固有频率为8.1HZ.通过简单的对标就会知道这两者具备很大的相关性，因此这个故障可以定性为转子系统的扭转共振。



第四问：药方--高手是怎么治疗的？

通过诊断可以确定病因是什么，在哪里出了问题，是齿轮啮合问题还是机壳电磁振动问题，是轴系共振问题，还是定子共振问题。问题清楚了就可以对症下药，下图是前辈们总结出的各种药方。



举一个例子，通过建模仿真分析发现减速器一级齿轮的啮合精度较差，存在较大的啮合激励，在实物测试中也发现了29阶和58阶的噪音频谱较大，这两个频谱刚好和一级小齿轮齿数和2倍齿数相当的。从而判断出故障是小齿轮啮合质量过差导致的。在优化的方案中队小齿轮的鼓形、倾斜度作了优化。修形后的齿轮在实测时发现29阶和58阶的噪音幅值明显降低。这是一个通过结构侧解决问题的例子。



值的注意的是国外的同行们越来越倾向于通过控制侧来解决问题，这样有两个好处：
第一.结构侧解决问题成本较高，周期较长，而控制侧只需要通过软件调整即可，基本不增加成本。
第二.控制侧解决问题的通用性和灵活度都远远大于结构侧解决，可以方便的应用在躲在场合。
下面第二个例子讲的是：优化前发现齿轮箱有较大的啸叫声，通过电磁力分析和对标分析，发现这是矢量控制中电机电流中存在非正弦成分（PWM谐波）导致。 控制侧解决的方案是将矢量控制切换成DTC控制，没有了固有了PWM谐波成分，减速箱箱体的振动明显减小了。



总结
电动汽车的NVH问题逐渐成为行业的痛点和热点，其中动力总成的振动噪音问题尤为突出。本文概念性的介绍了振动和噪音故障的机理、原因、诊断方法、解决问题的方法，如此大家在碰到问题时，有一个大局观，可以更从容镇定的解决问题。