◆文/北京 任賀新

故障現(xiàn)象

一輛2010 年生產的寶馬M 3，搭載S65B40A 型V 8發(fā)動機，VIN碼為WBSPM9109BE19＊＊＊＊，行駛里程為200 000km。該車初始故障為掛擋不走車，變速器報警。拖車到店以后，修理工拆下變速器總成并進行解體維修，修復后試車時發(fā)現(xiàn)在高速行駛時加速出現(xiàn)異常振動。

高速行駛過程中在座椅、腳踏板等位置能感受到明顯振動，此時加速會明顯感覺到振動感增強，且車速超過80km/h后加速振動感最強，車速120km/h仍保持加速時，有明顯的嗡鳴聲，耳朵會有壓迫感，此時車內人員甚至聽不清對方講話的聲音。

故障診斷與排除

導致加速振動的原因有很多，如半軸、傳動軸、發(fā)動機液壓支撐故障等。傳統(tǒng)的診斷方法是依靠經驗或感覺，技師通過手、腳或身體感知振動，由于人的敏感性不同，往往分析出的結果也不一樣?？茖W的方法是通過NVH分析進行診斷。NVH是噪音、振動與聲振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文縮寫。筆者使用的是PICO示波器的NVH套裝，它可以測量振動的幅度和頻率，并根據檢測的頻率反推故障點，具體的連接方式如圖1所示。

采集振動信號的部件是加速度傳感器，它的頭部帶有磁鐵，可以吸附在鐵質部件上。振動信號傳遞至NVH檢測盒，并被轉化成電壓信號。加速度傳感器可以檢測X、Y、Z軸三個方向的振動量，因此需要三個通道(圖1中的藍、紅、綠線)分別傳遞振動信號。示波器接收電壓信號，將其轉化為圖像的形式，最終在電腦上顯示出波形。

上面講的是振動量的采集過程，僅憑這一點無法進行故障診斷，還需要計算振動發(fā)生時車輛上各個旋轉部件的工作頻率，例如輪胎、半軸、傳動軸、發(fā)動機等部件，那這些信息又是怎樣計算出來的？

將ELM327插在汽車的OBD診斷口，讀取發(fā)動機轉速和車速信號，并傳遞給筆記本電腦。電腦上安裝的Pico Diagnostics軟件將根據轉速和車速信號，結合車輛配置信息，就能計算出各個旋轉部件的工作頻率。

計算過程非常簡單，下面舉例說明。

1.曲軸的旋轉頻率

公式中，發(fā)動機轉速的單位是r/min，假設發(fā)動機轉速為6 000r/min，1min包含60s，那么曲軸1s旋轉100r，則曲軸旋轉頻率為100Hz。E是Engine(發(fā)動機)的縮寫。

2.輪胎的旋轉頻率

公式中，輪胎周長C=πd(d是輪胎直徑，單位是cm)，車速的單位是km/h，輪胎轉速的單位是r/min。T是Tyre(輪胎)的縮寫。

由于半軸、制動盤以及輪胎的旋轉頻率相同，因此這種分析方法只能鎖定大概的故障范圍，而無法精確定位故障點。

3.傳動軸的旋轉頻率

對于后驅或四驅車型，分析故障時還得考慮傳動軸的旋轉頻率，傳動軸旋轉頻率的計算公式是：P=T×后輪差減速器傳動比。

公式中，T是輪胎的旋轉頻率，P是Propshaft(傳動軸)的縮寫。

這樣，我們每項頻率我們就會有兩個數值，一種是通過實際測量獲得的振動頻率(實際值)，另一種是通過計算獲得的各旋轉部件的頻率(理論值)。將實際值與理論值進行比對，從而反推出故障范圍。

具體到本案例中的故障車，由于是在駕駛員座椅處感受到比較明顯的振動，因此將加速度傳感器吸附在駕駛員座椅的導軌上，在車速達到80km/h左右再加速時測量到的振動數據如圖2所示。

在圖2中，縱坐標表示的是振幅，其單位是g或mg，描述的是加速度(重力加速度g為9.81m/s2)。振幅越大，說明振動強度就越大，一般振幅超過20mg，人體就能感受到明顯的振動了。橫坐標表示的是頻率，是指單位時間(1s)內振動的次數，單位是赫茲Hz，如果1s內振動1次，其振動頻率就是1Hz。頻率越高，1s內振動的次數越多。

從圖2中可以看出，在車速77km/h、發(fā)動機轉速2 014r/min時，在駕駛員座椅處檢測到的振動頻率為34.1Hz，幅值為56mg，同時出現(xiàn)以34.1Hz為倍數遞增的諧振。而軟件計算出的理論振動頻率也是34.1Hz，與實際值一致。因此，自動標注了E1～E4階次的振動。需要解釋的是：每旋轉一周中發(fā)生“n”次的振動叫做“n”階次振動，例如E2振動代表曲軸每旋轉一周，發(fā)生2次振動。

一般，引起發(fā)動機產生異常振動的原因有兩個方面：發(fā)動機自身存在故障，如平衡軸位置錯誤；發(fā)動機至車身的緩沖裝置工作不良，即發(fā)動機液壓支撐損壞。

將故障車舉升后進行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機液壓支撐已經損壞(圖3)，內部橡膠部件開裂并完全分離，造成發(fā)動機位置下沉，壓在了前懸架的平衡桿上了(圖4)。

更換一對發(fā)動機液壓支撐后，信心滿滿地出去試車，結果故障依舊。將車速提升至80km/h左右時，依然能感受到很強的振動。連接NVH套裝測量振動頻率，分析結果顯示是振動來自于發(fā)動機。這是怎么回事？難道新?lián)Q的液壓支撐是副廠件？

冷靜下來繼續(xù)分析，在車輛加速、減速過程中，我們注意到一個細節(jié)，車速較低時故障頻率與發(fā)動機一階振動并不一致，但隨著車速的提升，它們的頻率才越來越接近，車速達到80km/h以上時，兩者才重疊在一起。這個神秘的振動頻率是哪個部件引起的？經仔細觀察，發(fā)現(xiàn)其頻率大約是輪胎旋轉頻率的3倍，存在這種傳動比關系的只能是傳動軸。

查詢維修手冊發(fā)現(xiàn)，該車后輪差速器的傳動比是3.15，將該數據輸入Pico Diagnostics軟件，計算結果如圖5所示。車速59km/h時，傳動軸一階振動P1的頻率為26.8Hz，發(fā)動機一階振動E1的頻率為37Hz，P1比E1小了10.2Hz，兩者并不重疊。此時P1振幅為40mg，P2振幅為90mg，明顯超出正常范圍。

隨著車速提升，P1的頻率逐漸升高，車速達到80km/h以上時，P1和E1頻率重疊。例如圖6中車速為94km/h，發(fā)動機轉速為2 463r/min，P1和E1頻率一致。

再次舉升故障車，并拆掉排氣管和隔熱板，觀察故障車的傳動軸，其結構如圖7所示。傳動軸將來自前端變速器的轉矩傳遞到后輪主減速器。為避免較長的傳動軸由于彎曲而產生振動，將其分成兩段并在分開位置用軸承進行支撐。當車輛在道路上行駛時，車橋會上、下運動，為了適應變速器和主減速器相對位置的變化，需要使用萬向節(jié)和可軸向伸縮的滑動節(jié)。

這款傳動軸上安裝了3個萬向節(jié)、1個滑動節(jié)和1個中間軸承。前端是一個多角型橡膠萬向節(jié)，可以吸收傳動系統(tǒng)的振動和扭轉沖擊，獲得更加平穩(wěn)的傳動效果。中間是滑動節(jié)、中間軸承以及虎克式萬向節(jié)(圖8)，滑動節(jié)讓傳動軸實現(xiàn)長度的變化，中間軸承用球軸承來支撐軸，它安裝在橡膠墊中，以吸收傳遞到車身上的振動?；⒖耸饺f向節(jié)結構緊湊，機械效率高，但這是一個不等速萬向節(jié)，每旋轉一周會發(fā)生兩次輸出轉速波動。后端是一個球籠式等速萬向節(jié)，它可實現(xiàn)較大的傳動夾角，并且輸入和輸出之間不會產生轉速波動。

讓一名維修技師坐在車內，在舉升狀態(tài)將車輛加速至80km/h，筆者在故障車下方觀察時發(fā)現(xiàn)，傳動軸后端和后輪差速器處振動最明顯，因此懷疑傳動軸后端的球籠式等速萬向節(jié)損壞。拆下球籠式等速萬向節(jié)(圖9)，發(fā)現(xiàn)其內部已經卡死，外圈和內圈的角度不能變化。

更換球籠式等速萬向節(jié)后，重新試車，故障車上的異常振動明顯消失，該車故障被徹底排除。

維修小結

本案例中，在診斷過程中發(fā)現(xiàn)，當發(fā)動機怠速(626r/min)、擋位處于D擋、車速為0時，在故障車駕駛員座椅上采集到的振動波形如圖10所示，從中可以看出，此時檢測到接近30mg的E4振動。怠速狀態(tài)下的這種振動異常，就是由液壓支撐損壞所引起的。為什么會是E4振動呢？對于單個汽缸來說，曲軸每旋轉兩周，汽缸做功一次，該車裝配V8發(fā)動機，也就是說曲軸每旋轉一周，有四個汽缸共做功四次。這就是E4振動的來源。

本案例中，為什么故障車車速80km/h以上加速時，傳動軸和發(fā)動機的振動頻率趨于一致？通過查詢資料發(fā)現(xiàn)，該車裝配7速雙離合自動變速器，其中7擋的傳動比為1，即直接擋。車速80km/h以上時變速器正好處于7擋，此時相當于發(fā)動機直接連到傳動軸上，因此兩者轉動的頻率相同。

最后，本案例中故障現(xiàn)象中提到的“嗡鳴聲”，一般是由傳動軸的振動引起的。車輛高速駛入隧道，或爬升至較高海拔時，我們常常會感到雙耳不適，這是因為耳膜會因周圍壓力的突然變化而感受到向內或向外的力。令人不適的嗡鳴聲會使人體產生相似的感受，因為此時車內的空氣發(fā)生了劇烈的波動。

嗡鳴聲分為低速、中速以及高速三種。低速嗡鳴聲一般是車速在50km/h以下產生的，頻率范圍一般為30～60Hz；中速嗡鳴聲一般是在車速處于50～80km/h的范圍內產生的，頻率范圍一般在60～100Hz；高速嗡鳴聲一般是在車速80km/h以上產生的，頻率范圍為100～200Hz。低速和中速行駛中令人不適的嗡鳴聲是一種持續(xù)時間長、聲音較小的噪聲，沒有方向性，很難聽到，感覺更像是耳內出現(xiàn)了壓力，此時人體往往只會感受到小幅振動。高速行駛時令人不適的嗡鳴聲是一種持續(xù)時間長，沒有方向性的嗡嗡聲，會引起雙耳的不適感。