最近幾周的文章將圍繞電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)力總成的振動(dòng)噪音問(wèn)題開(kāi)展。這個(gè)問(wèn)題幾乎是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的一個(gè)共性的頭疼的問(wèn)題。我在以往的工作中也花了大量的時(shí)間去解決這類(lèi)問(wèn)題，最近兩周我將知識(shí)系統(tǒng)性的梳理了一遍，做成了一個(gè)個(gè)知識(shí)小晶體，容我慢慢道來(lái)。第一周的主要任務(wù)不是給出答案，而是將問(wèn)題講清楚，講明白，建立大局觀。這有個(gè)專(zhuān)有名詞叫：概念性認(rèn)知。這個(gè)概念性認(rèn)知有幾個(gè)問(wèn)題構(gòu)成，讓我們來(lái)分析一下吧。

第一問(wèn)：病癥--為什么動(dòng)力總成振動(dòng)噪音問(wèn)題特別突出？

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

無(wú)遮蔽效應(yīng)：電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有了發(fā)動(dòng)機(jī)這一最大噪音源頭，其他的聲音就會(huì)自然突出，矮個(gè)子中選高個(gè)，最明顯的就是動(dòng)力總成的聲音了，NVH工程師們磨刀霍霍，不找它找誰(shuí)。

強(qiáng)瞬態(tài)沖擊：電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不一樣，它的轉(zhuǎn)矩能夠瞬時(shí)給到最大值，這固然帶來(lái)了無(wú)與倫比的加速體驗(yàn)，但是這么大的沖擊給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)極大的考驗(yàn)，很容易就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)抖動(dòng)，并在加速過(guò)程中發(fā)出嘯叫異響。

電磁噪音：這個(gè)是變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)娘胎里帶來(lái)的毛病，和其他無(wú)關(guān)。一般是由控制電源PWM諧波引起或者是電機(jī)本身電磁諧波過(guò)多引起的。

轉(zhuǎn)速范圍更寬：不像傳統(tǒng)汽車(chē)有5檔變速，電動(dòng)汽車(chē)一般都是一檔或者兩檔，也就是說(shuō)電機(jī)、齒輪箱等轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速范圍會(huì)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(shí)噪音和振動(dòng)都會(huì)放大。我們都想讓工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)共振頻率，可是轉(zhuǎn)速范圍很寬，總是會(huì)經(jīng)過(guò)共振點(diǎn)，無(wú)處可避。 

輕量化：電動(dòng)汽車(chē)為了追求續(xù)航里程或者低成本，總是要求配件供應(yīng)商將產(chǎn)品做輕做小，如此帶來(lái)的問(wèn)題就是動(dòng)力總成的剛度下降，同樣的激勵(lì)會(huì)激起更大的振動(dòng)響應(yīng)和噪音。




第二問(wèn)：病理-- 振動(dòng)噪音問(wèn)題是怎么產(chǎn)生的？

定子側(cè)噪音振動(dòng)機(jī)理

要回到這個(gè)問(wèn)題，先把振動(dòng)噪音分成兩類(lèi)，一類(lèi)是定子側(cè)另一類(lèi)是轉(zhuǎn)子側(cè)。定子側(cè)噪音和振動(dòng)的病理是這樣的：

定子側(cè)振動(dòng)噪音指的是在定子機(jī)殼、減速箱箱體上產(chǎn)生的振動(dòng)和輻射出的噪音，這是和系統(tǒng)內(nèi)存在的激勵(lì)有關(guān)的。



先說(shuō)電磁激勵(lì)

電機(jī)存在交變的電磁場(chǎng)，在定子上產(chǎn)生兩種力，一種是徑向力，它會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子和機(jī)殼沿半徑方向振動(dòng)，我們常說(shuō)的電磁噪音一般都是徑向力引起的。



電機(jī)在徑向力作用下的變形模態(tài)
另一類(lèi)是切向力，它們的作用方向是沿旋轉(zhuǎn)方向的。 電機(jī)單獨(dú)工作時(shí)，一般切向力是次要因素。可是在動(dòng)力總成中，它卻鯉魚(yú)翻身，成了不能忽略的因素。切向力會(huì)使機(jī)殼產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)通過(guò)減速器、懸掛傳遞到整車(chē)，引起整車(chē)的振動(dòng)，并在剛度差的環(huán)節(jié)激發(fā)起較大的噪音。

再說(shuō)機(jī)械激勵(lì)

機(jī)械激勵(lì)主要是齒輪嚙合激勵(lì)，一般是因?yàn)辇X形誤差、嚙合剛度變化、沖擊激勵(lì)產(chǎn)生的。這些激勵(lì)不但在齒輪上產(chǎn)生噪音，還會(huì)經(jīng)過(guò)軸承傳遞到定子側(cè)，比如減速器機(jī)殼、電機(jī)機(jī)殼也會(huì)引起噪音。
此外電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，由于不同軸或者動(dòng)不平衡、軸承約束剛度變化引起的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)、也會(huì)成為機(jī)械激勵(lì)。同樣會(huì)通過(guò)軸承傳遞到定子機(jī)殼上，產(chǎn)生相應(yīng)的噪音。
下圖就是通過(guò)仿真手段獲得的電機(jī)機(jī)殼上某一點(diǎn)上的綜合激勵(lì)響應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)，在中低頻主要的激勵(lì)作用是機(jī)械激勵(lì)，在高頻段主要的激勵(lì)源是電磁。這一現(xiàn)象說(shuō)明引起定子側(cè)噪音振動(dòng)源頭是復(fù)雜的。



定子機(jī)殼上檢測(cè)到的加速度

最后說(shuō)磁固耦合
磁固耦合讓振動(dòng)噪音現(xiàn)象更復(fù)雜，它的機(jī)理是這樣的，在電磁或機(jī)械激勵(lì)下，電機(jī)的定子會(huì)產(chǎn)生形變，轉(zhuǎn)子軸的安裝位置也會(huì)偏離軸心，這會(huì)導(dǎo)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(lì)頻段，或者加強(qiáng)某些頻段的電磁激勵(lì)。這些被加強(qiáng)的電磁激勵(lì)又進(jìn)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(dòng)噪音問(wèn)題更突出。

轉(zhuǎn)子側(cè)噪音振動(dòng)機(jī)理

轉(zhuǎn)子側(cè)噪音振動(dòng)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(lèi)：
第一類(lèi)是齒輪本身嚙合激勵(lì)導(dǎo)致的，齒輪會(huì)在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生高頻的嚙合力，產(chǎn)生齒輪振動(dòng)噪音， 因?yàn)轭l率較高，也叫齒輪嘯叫。
第二類(lèi)是電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致的，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩是隨時(shí)間周期脈動(dòng)變化的，會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊，不但會(huì)引起噪音還可能產(chǎn)生疲勞斷裂；
第三類(lèi)是電機(jī)和齒輪箱裝配精度不夠，或者電機(jī)、齒輪箱本身制造精度不夠?qū)е碌男D(zhuǎn)偏差激勵(lì)產(chǎn)生的，這種激勵(lì)也是周期變化的，在齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生齒間沖擊。



另外一種轉(zhuǎn)子側(cè)故障是扭轉(zhuǎn)共振，一般是在某一個(gè)轉(zhuǎn)速下噪音振動(dòng)特別明顯，甚至發(fā)生整車(chē)抖動(dòng)的現(xiàn)象，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子上的機(jī)械激勵(lì)頻率和扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固有頻率剛好吻合導(dǎo)致的。

病理本質(zhì)：多源動(dòng)態(tài)激勵(lì)下復(fù)雜響應(yīng)
無(wú)論是定子側(cè)振動(dòng)噪音還是轉(zhuǎn)子側(cè)振動(dòng)噪音，問(wèn)題的本質(zhì)是多源動(dòng)態(tài)激勵(lì)，即多種激勵(lì)作用在系統(tǒng)上，產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)噪音響應(yīng)。所以如何甄別誰(shuí)是主要激勵(lì)，誰(shuí)是主要矛盾成了最考究的工作。



第三問(wèn)：望聞問(wèn)切--高手是怎么診斷的？

怎么治療的關(guān)鍵是怎么診斷病因，通過(guò)望聞問(wèn)切找出相關(guān)線索，大膽假設(shè)，仔細(xì)論證。 我發(fā)現(xiàn)高手們有一個(gè)共同的套路，這個(gè)套路我稱(chēng)之為仿真-測(cè)試-對(duì)標(biāo) 法，這是一個(gè)三角結(jié)構(gòu)。



仿真：通過(guò)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(cè)試：通過(guò)測(cè)試獲得電機(jī)、減速器、懸架關(guān)鍵點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)、或噪音信號(hào)。通過(guò)模態(tài)測(cè)試獲取動(dòng)力總成的模態(tài)構(gòu)成
對(duì)標(biāo)：將測(cè)試的響應(yīng)頻率和激勵(lì)頻率對(duì)比，通過(guò)它們之間的相關(guān)性，推測(cè)哪些激勵(lì)是主要矛盾。
在比較復(fù)雜的情況下，高手們還主動(dòng)設(shè)計(jì)一些振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，將一些因素屏蔽掉，讓另一些因素放大，這樣更容易對(duì)標(biāo)出關(guān)鍵特征。



上圖一個(gè)電機(jī)機(jī)殼共振問(wèn)題的分析例子，有人通過(guò)分析獲得系統(tǒng)的模態(tài)，并通過(guò)模態(tài)測(cè)試校正系統(tǒng)模態(tài)。然后在實(shí)際振動(dòng)測(cè)試中采集電機(jī)機(jī)殼振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在540HZ附件有較大的振動(dòng)幅值，這個(gè)剛好和動(dòng)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(gè)例子，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)在受到突變的轉(zhuǎn)矩輸入時(shí)，整車(chē)沿縱向產(chǎn)生8.1 Hz左右的明顯波動(dòng)。于是有人建立了電機(jī)+減速器+傳動(dòng)半軸的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)分析系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率為8.1HZ.通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)標(biāo)就會(huì)知道這兩者具備很大的相關(guān)性，因此這個(gè)故障可以定性為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振。



第四問(wèn)：藥方--高手是怎么治療的？

通過(guò)診斷可以確定病因是什么，在哪里出了問(wèn)題，是齒輪嚙合問(wèn)題還是機(jī)殼電磁振動(dòng)問(wèn)題，是軸系共振問(wèn)題，還是定子共振問(wèn)題。問(wèn)題清楚了就可以對(duì)癥下藥，下圖是前輩們總結(jié)出的各種藥方。



舉一個(gè)例子，通過(guò)建模仿真分析發(fā)現(xiàn)減速器一級(jí)齒輪的嚙合精度較差，存在較大的嚙合激勵(lì)，在實(shí)物測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)了29階和58階的噪音頻譜較大，這兩個(gè)頻譜剛好和一級(jí)小齒輪齒數(shù)和2倍齒數(shù)相當(dāng)?shù)?。從而判斷出故障是小齒輪嚙合質(zhì)量過(guò)差導(dǎo)致的。在優(yōu)化的方案中隊(duì)小齒輪的鼓形、傾斜度作了優(yōu)化。修形后的齒輪在實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)29階和58階的噪音幅值明顯降低。這是一個(gè)通過(guò)結(jié)構(gòu)側(cè)解決問(wèn)題的例子。



值的注意的是國(guó)外的同行們?cè)絹?lái)越傾向于通過(guò)控制側(cè)來(lái)解決問(wèn)題，這樣有兩個(gè)好處：
第一.結(jié)構(gòu)側(cè)解決問(wèn)題成本較高，周期較長(zhǎng)，而控制側(cè)只需要通過(guò)軟件調(diào)整即可，基本不增加成本。
第二.控制側(cè)解決問(wèn)題的通用性和靈活度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)側(cè)解決，可以方便的應(yīng)用在躲在場(chǎng)合。
下面第二個(gè)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(guò)電磁力分析和對(duì)標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)這是矢量控制中電機(jī)電流中存在非正弦成分（PWM諧波）導(dǎo)致。 控制側(cè)解決的方案是將矢量控制切換成DTC控制，沒(méi)有了固有了PWM諧波成分，減速箱箱體的振動(dòng)明顯減小了。



總結(jié)
電動(dòng)汽車(chē)的NVH問(wèn)題逐漸成為行業(yè)的痛點(diǎn)和熱點(diǎn)，其中動(dòng)力總成的振動(dòng)噪音問(wèn)題尤為突出。本文概念性的介紹了振動(dòng)和噪音故障的機(jī)理、原因、診斷方法、解決問(wèn)題的方法，如此大家在碰到問(wèn)題時(shí)，有一個(gè)大局觀，可以更從容鎮(zhèn)定的解決問(wèn)題。