電動汽車和動力總成的振動噪音這個問題幾乎是電動汽車產業發展中面臨的一個令人頭疼的共性問題。電動汽車和動力總成的振動噪音問題有很多方面，如電磁噪音、齒輪嘯叫、軸承噪音等等，其中最復雜的當屬于傳動系統扭轉振動問題。因為它不是單個零件或部件問題，而是動力總成匹配問題。因為難以定位，所以難以解決。本周我梳理下扭轉振動的學術文章，嘗試著回答如下三個問題：
1、扭轉振動問題的故障特征是什么？
2、如何分析定位扭轉振動問題？
3、常用的解決方法有哪些？
扭轉振動問題的故障特征
故障一：加速共振
扭轉振動問題常見的故障是發生在加速或減速過程中，我們經常遇到在某一個速度段，車輛或有明顯的抖動、震顫。過了這個速度點就消失了，這就是典型的加速共振問題了。
加速共振的形成機理可以簡單理解成，傳動系統的軸系存在若干個固有頻率，這些頻率是由電機、減速箱、差速箱、半橋等組合決定，基本不隨速度變化而變化。而動力總成存在許多激勵源，以電機輸出扭矩激勵為例，它的頻率是隨速度變化而增加的，當速度達到一定時，總是會出現扭矩激勵頻率和固有頻率相同，此時共振就容易被激發，產生出較大的抖動。共振發生時電機的轉速和車速都會發生大的波動。而且還伴隨較大的噪音，類似的情況也會在減速中發生，但減速時由于輸出能量較小，情況會略好。
故障二：啟動抖動
扭轉振動問題還發生在啟動瞬間，表現出來的是不平穩，不順暢，有頓挫感。類似的感覺也會發生在制動瞬間。
這類問題的本質是動力激勵發生突變導致的，這是因為相對發動機的動力柔軟特性，電機的扭矩是剛性和瞬時性的，它能夠瞬時提供大轉矩。此時傳動系統就接受到了一個大的階躍激勵，在阻尼、剛度等匹配不講究時，非常容易發生大的振動響應，導致半軸的轉矩輸出是波動的(如圖所示)，最終表現為車速的不平順。在制動時情況相反，原來的轉矩突然撤掉了，就好從高原像突然跌倒了平地，也是給了系統一個階躍激勵，車速也容易不平順。
故障三：齒輪拍擊
扭轉振動的另一類故障表現為在載荷突變時，會發出“啪啪”或者“啪嗒啪嗒”的異響，過一會兒聲音會自然消失，這類問題一般是兩個原因共同導致的。第一齒輪間隙過大，第二個傳動系統的轉速發生快速的波動。如此從動輪和被動輪兩者的運轉是不同步的，兩者時快時慢，這導致主動齒輪在從動齒輪內雙側來回接觸。等速度平穩后，會從雙側嚙合過渡到單側平穩嚙合。
扭轉振動的故障還有許多，比如說有些齒輪嘯叫也是扭轉振動問題導致的，或者扭轉振動惡化了齒輪嘯叫。這種情況一般的機理是：電機的轉矩脈動較大，導致齒輪軸的速度在微觀上是波動的，這種波動會使得齒輪嚙合接觸強度發生周期性波動，和齒輪嚙合剛度激勵的原理一樣，齒輪會發出嘯叫聲。
如何定位分析扭轉振動問題
扭轉振動問題，歸根到底是一個動力學的問題，是軸系傳動的問題。除了經驗分析的方法，最有用、最科學的就是動力學分析法。那么首先要解決如何動力學建模的問題。
在動力學視角下，沒有絕對的剛體，也沒有零誤差的配合。任何機械傳動機構都可以用剛度、阻尼、質量、慣量來等價。構建好每個零件的動力學模型后就可以將其組裝成完整的模型，并進行分析。一個完整的動力學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，分析啟動抖動等瞬態問題，還要求出系統傳遞函數。分析在不同激勵下系統的表現需要求解力學響應特性。這種求解就和一般控制問題一樣了。
將求解出的系統動力學響應特性，和振動噪音測試數據作對比分析，就可以雙向驗證問題原因。采用的方法就是上一篇文章將的仿真測試對標法。
扭轉振動常用解決方法
第一種方法：輸入側改善
所謂輸入側改善，就是將改善電機的旋轉扭矩輸出的平穩性。一般電機的轉矩脈動、動不平衡、不對中都會影響旋轉穩定性，產生各種階次的激振力，這些激振力會沿著軸系傳遞，如果和某個零件的固有頻率接近，就會產生附加的共振響應。因此改善旋轉品質是有效避免問題的方法。
第二種方法：傳遞過程阻斷
車輛振動的一次振源一般是電機或減速器，從振源到振體的力波傳遞有兩個途徑，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現途徑二是車輛振動的主要傳遞路徑。因此在途徑二上設置柔性或者半剛性懸置能夠大大降低共振風險，即便共振幅值也會大幅度降低。如下圖所示有人通過優化電機三個懸置的位置、剛度，達到了很好的隔振效果，加速度傳遞率不到2.5%。
對于傳遞路徑一的軸系傳遞，也有相應的阻斷方法，就是設置軸系減振器。這種減震器一般有兩個盤耦合而成，主動盤和主動軸相連，從動盤和被動軸相連。主動盤和被動盤之間設置了彈性和阻尼，振動會被彈簧和阻尼吸收掉，傳遞不過去，相當于設置了一道防火墻。下圖是兩種軸系減振器，他們對中高頻隔振效果都很明顯。
第三種方法：系統級優化方案
扭轉振動歸根到底是一種動力學問題，動力學問題就不僅僅和振源有關，還和軸系統的本身的參數相關，比如剛度、阻尼等等。因此有人通過優化動力學參數達到對某些頻段振動的抑制效果。
上圖說的是有人通過研究發現可以通過調節軸的剛度、阻尼、轉動慣量去優化振動響應。他研究的大致結論如下：
1、軸的剛度對低頻振動影響不大，但對高頻有較大影響，軸的剛度變大共振頻率會上升，振幅會略有加強；
2、軸系的阻尼對低頻也無影響，在中頻阻尼越大振幅越小，高頻阻尼越大振幅變大。
3、電機的轉動慣量，低頻時慣量越大，共振頻率減小，振幅變大，中頻和高頻時，慣量大振幅減弱。
優化時可以通過上述規律，有針對性的采取參數調整方案。
還有一種系統級的優化方法，就是階次分離法。階次分離就是避免動力總成振動激勵階次接近，加劇扭轉振動。如下圖所示，電機轉子激勵的階次是8次、而軸承的激勵階次是9次和9.76次，三者的階次非常接近，很容易發生能量疊加，產生大幅度的振動。因此系統級的優化，就是要對動力總成各零件的激勵階次進行管理，避免出現階次重疊。以此類推也要對各零件的固有頻率進行管理，避免出現頻率重疊。
第四種方法：控制側解決問題
國外傾向于通過控制來解決扭轉振動問題，其優點在上一篇文章中已經有過論述。其中一種簡單的方法就是前饋控制法。其作用原理很簡單，如果已經發現車速在30km/h時會發生抖動。那么在這個速度段有針對性的控制轉矩輸出，讓轉矩輸出主動發生波動，這種波動產生的振動響應剛好和原來的抖動是相互抵消的，如此疊加之后的振動響應反而更平穩了。
道理雖然簡單，在實際設計時卻比較講究，實際上就是設計一個前饋控制環節，經過這個環節，踏板轉矩轉變成調諧轉矩（可以理解為抵消抖動的轉矩）。要達到的這個效果，這個環節的傳遞函數要根據動力總成扭轉系統的傳遞函數來反向設計。
前饋控制法在應用中仍然有局限性，因為車速、路況等條件比較復雜，而且動力學模型構建的精度也往往不夠，有時不免有刻舟求劍之嫌。因此需要設計一個反饋環，將車速引入進來。加上后饋環節后車速波動變的更加平緩。此時系統給出的轉矩指令實際上不是連續的，而是波動的。這就是不穩定的輸出控制，反而達到了穩定的效果。
總結
電動汽車的扭轉振動是常見的故障，這些故障包括加速共振，啟動抖動、齒輪拍擊和嘯叫等等。我們討論了引起這些故障的機理，這些問題需要動力學的視角去理解、建模和分析。最后我們給出了四類解決方案，從輸入側、傳遞環節、系統、控制側都可以解決問題。
