文/廣東 汪俊

振動和聲音本質(zhì)上是相同的，聲音是空氣的振動，振動與聲音同樣都能以“波”的形式表示。本文介紹了關(guān)于車輛噪音與振動的基礎(chǔ)知識；分析了常見的幾種車輛噪音和振動的發(fā)生原理；以豐田凱美瑞故障案例診斷過程為基礎(chǔ)，總結(jié)了車輛噪音和振動診斷的一般思路和方法。

一、振動源

噪音是由于車身的振動產(chǎn)生。如低頻噪音、沖擊音等。異響是車廂內(nèi)、外物體與物體接觸產(chǎn)生。如剎車鳴響、風(fēng)切音等。本文介紹的是車輛噪音，暫不考慮車輛異響。

振動源產(chǎn)生振動，通過共振系放大，再通過傳達(dá)系傳播到振動體(圖1)。如果振動體是車身，坐在車上或用手觸摸車體就會感覺到振動。振動體振動也能發(fā)出聲音，如果發(fā)出的聲音頻率在人耳可聽到的頻率范圍，這就是噪音。

振動源就是使物體發(fā)生振動的強(qiáng)制力，是振動的根源。在汽車上振動源多種多樣。主要是扭力變動產(chǎn)生的振動和旋轉(zhuǎn)部件的不平衡離心力產(chǎn)生的振動。如發(fā)動機(jī)的爆發(fā)壓力(扭力變動)、輪胎不平衡產(chǎn)生的離心力等。以下介紹幾種常見的振動源。

1.發(fā)動機(jī)的爆發(fā)壓力(扭力變動)導(dǎo)致的曲軸振動(圖2)

發(fā)動機(jī)1個(gè)汽缸燃燒做功1次，曲軸扭力變化1次，振動1次。這種振動是恒定存在的。當(dāng)加油時(shí)，扭力變動變大時(shí)，振動也會相應(yīng)加大。

2.車輪振動

(1)輪胎不平衡導(dǎo)致的振動有兩種。輪胎靜不平衡：在離心力的作用下輪胎上下振動(圖3)；輪胎動不平衡：旋轉(zhuǎn)時(shí)兩個(gè)重的部分產(chǎn)生離心力，2個(gè)離心力形成一個(gè)力矩，使車輪左右振動(圖4)。

(2)車輪跳動量過大導(dǎo)致振動(圖5)。輪胎旋轉(zhuǎn)中心偏離、旋轉(zhuǎn)時(shí)縱向跳動過大也會造成車輪振動。輪胎或輪轂外形失常，旋轉(zhuǎn)時(shí)橫向跳動過大也會造成車輪振動。

(3)輪胎剛度不均勻?qū)е抡駝?。輪胎由橡膠胎體、帶束層等材料在圓周上分布而產(chǎn)生。輪胎在路面上每旋轉(zhuǎn)1周，承受力呈周期性變化，導(dǎo)致車輪上下振動。

3.傳動軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動

傳動軸質(zhì)量分布不平衡(圖6)、傳動軸中間支撐偏離、傳動軸后端差速器主動齒輪法蘭盤縱向跳動和橫向跳動過大(圖7)，使得傳動軸旋轉(zhuǎn)1周，振動1次。傳動軸的十字軸萬向節(jié)扭力變動為傳動軸旋轉(zhuǎn)次數(shù)的2倍。

二、振動體

所謂振動體(發(fā)音體)就是振動或聲音產(chǎn)生的部位。汽車上指的是車體、方向盤、車身鐵板等。

三、車輛振動和噪音發(fā)生原理分析

在各頻段中，車輛常發(fā)生的振動和噪音頻率分布(表1)。

1.振動(shake)

車輛行駛中，車體、方向盤上下或者左右顫抖，多由車輪原因?qū)е隆＠?，輪胎質(zhì)量靜不平衡時(shí)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使車輪上下振動，該振動通過懸架傳遞到車身。振動頻率計(jì)算方法為：

當(dāng)車速到達(dá)特定的范圍時(shí)，振動頻率接近車身或方向盤等固有頻率時(shí)，就會產(chǎn)生共振。另外，振動也通過懸架傳達(dá)到發(fā)動機(jī)，放大發(fā)動機(jī)的振動，再傳遞到車身各部位，進(jìn)一步加劇車身的振動。產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(圖8)和扭曲振動(圖9)。振動故障檢修時(shí)，要重點(diǎn)車輪的檢查和共振系各部位的緊固。

2.顫動(Flutter)

車輪質(zhì)量動不平衡時(shí)，在離心力的作用下產(chǎn)生力矩，使車輪左右劇烈振動，頻率一般為5～15Hz左右。該振動傳遞到方向盤，特定車速時(shí)，車輪振動頻率與方向盤固有頻率接近時(shí)，與其發(fā)生共振，方向盤劇烈抖動。此時(shí)，轉(zhuǎn)向軸為彈簧，方向盤為振動體(圖10)。

表1 振動、噪音在頻段上的分布

3.低頻噪音

低頻噪音是發(fā)動機(jī)振動或驅(qū)動系振動傳送到車身，產(chǎn)生的振動。是一種不易形容的“嗡嗡”聲音，但耳朵感覺有種壓迫感。類似于，登上高山或坐車進(jìn)入隧道

時(shí)，空氣的壓力忽然變化，耳膜就有外推或內(nèi)壓的感覺。低速時(shí)產(chǎn)生的音頻為30～100Hz；高速壓為100～200Hz，隨著車速變化。低頻噪音與駕駛室共鳴時(shí)，低頻噪音將被增大(圖11)。固體包圍氣體，氣體作為振動體，當(dāng)振動體固有頻率與外部來的聲音頻率接近時(shí)，聲音被放大，產(chǎn)生共鳴。

(1)萬向節(jié)扭力變動產(chǎn)生低頻噪音

特定車速時(shí)，扭力變動頻率與驅(qū)動系固有頻率接近時(shí)，驅(qū)動系共振。振動經(jīng)發(fā)動機(jī)后支撐腳、傳動軸中間支撐軸承、后懸掛的襯套分別傳遞到車身，使車身振動產(chǎn)生低頻噪音(圖12)。當(dāng)十字軸式萬向角發(fā)生故障時(shí)(主要是安裝位置不當(dāng))，扭力變動加劇。振動頻率計(jì)算方法為：

(2)傳動軸的不平衡導(dǎo)致的低頻噪音

傳動軸不平衡，高旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力使驅(qū)動系彎曲振動。驅(qū)動系的振動經(jīng)由發(fā)動機(jī)支撐腳、中間支撐軸承及后懸掛的襯套分別傳遞到車身，使車身振動產(chǎn)生低頻噪音(圖13)。振動頻率計(jì)算方法為：

(3)發(fā)動機(jī)扭力變動產(chǎn)生的低頻噪音

發(fā)動機(jī)扭力變動產(chǎn)生振動，通過發(fā)動機(jī)支撐腳傳遞到車身，造成車身共振，低頻噪音產(chǎn)生。檢修時(shí)，發(fā)動機(jī)懸置各部位緊固，要重點(diǎn)檢修。振動頻率計(jì)算方法為：

(4)于排氣管振動產(chǎn)生的低頻噪音

由于發(fā)動機(jī)振動和排氣脈動，使排氣管產(chǎn)生共振，經(jīng)過O型橡膠圈、消聲器夾鉗等傳達(dá)到車身，使車身振動產(chǎn)生低頻噪音。排氣管細(xì)而長，容易產(chǎn)生振動。這種情況下，順序?qū)⑴艢夤躉型橡膠圈、消聲器夾鉗卸下，能切斷傳遞途徑，便能確認(rèn)車身的振動由那里傳來了。

(5)排氣音透過產(chǎn)生的低頻噪音

排氣脈動音透過車體地面進(jìn)入車室內(nèi)，與車室共鳴產(chǎn)生低頻噪音。這種情況下、因?yàn)樵胍舻膫鬟_(dá)是由于空氣的振動來進(jìn)行，所以不能通過順序?qū)⑴艢夤躉型橡膠圈、消聲器夾鉗卸下，來確認(rèn)車身的振動由那里傳來了。

(6)發(fā)動機(jī)吸氣音的透過產(chǎn)生的低頻噪音

吸氣脈動音進(jìn)入駕駛室內(nèi)，與駕駛室共鳴產(chǎn)生低頻噪音。

(7)輔機(jī)類的共振而產(chǎn)生的低頻噪音

安裝在發(fā)動機(jī)上的輔機(jī)裝置(交流發(fā)電機(jī)、動轉(zhuǎn)向油泵、A/C 壓縮機(jī)等)安裝支座的剛度低時(shí)。

①發(fā)動機(jī)振動與輔助裝置固有頻率接近時(shí)，產(chǎn)生共振，該振動通過發(fā)動機(jī)懸置傳送到車身，使車身振動產(chǎn)生低頻噪音。交流發(fā)電機(jī)或A/C壓縮機(jī)多直接安裝到缸體，容易產(chǎn)生低頻噪音。檢查時(shí)要注意各部件安裝的緊固情況。

②由于輔機(jī)類的旋轉(zhuǎn)不平衡，產(chǎn)生離心力，使其振動，與安裝支座、發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振，振動經(jīng)過發(fā)動機(jī)懸置傳送到車身，使車身鋼板振動產(chǎn)生低頻噪音。

4.沖擊音

“喔喔”的聲音大小周期性的變化，象波浪的拍打。隨著車速的提高、重復(fù)也會加快。喔喔”的次數(shù)1s內(nèi)2～6次左右容易感覺到。

沖擊音產(chǎn)生的基本條件和原理(圖14)。沖擊音產(chǎn)生的基本條件是，有兩種聲音的存在。A、B兩種聲音的頻率僅有很少的差異，A頻率－B頻率＝?jīng)_擊頻率(Hz)，2～6Hz左右最容易感受到。

①電風(fēng)扇的扇葉不平衡與發(fā)動機(jī)扭力變動。電子扇的扇葉不平衡，使其振動產(chǎn)生噪音。發(fā)動機(jī)扭力變動使發(fā)動機(jī)各部位振動產(chǎn)生噪音。當(dāng)車速到達(dá)特定范圍時(shí)，發(fā)動機(jī)振動頻率與電子扇振動頻率相差2～6Hz時(shí)，合成為沖擊音。

②其它沖擊音的振動源。如發(fā)動機(jī)扭力變動與傳動軸十字軸式萬向節(jié)的扭力變動、發(fā)動機(jī)扭力變動與傳動軸十字軸式萬向節(jié)的扭力變動、曲軸不平衡與傳動軸不平衡等。

低頻噪音和沖擊音發(fā)生同時(shí)往往伴隨著振動。

四、故障案例

一輛豐田凱美瑞裝配2AZ-FE發(fā)動機(jī)，采取FF驅(qū)動形式，已行駛1845km?？蛻舴磻?yīng)，車輛行駛時(shí)，方向盤和座椅會“喀嗒”、“喀嗒”響，并伴有振動。有時(shí)和空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行相關(guān)聯(lián)。

接到車后啟動車輛，開空調(diào)，方向盤和座椅會“喀嗒”、“喀嗒”響和振動；關(guān)空調(diào)，響聲和振動消失。但運(yùn)行一段時(shí)間后，關(guān)空調(diào)依然存在。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1150r/min附近振動更加明顯。發(fā)動機(jī)停駛時(shí)發(fā)生，與驅(qū)動無關(guān)，能排除傳動系原因；與發(fā)動機(jī)或其輔助裝置有關(guān)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1150r/min附近振動更加明顯，應(yīng)在此轉(zhuǎn)速范圍產(chǎn)生共振。

檢查發(fā)動機(jī)懸置情況、安裝緊固狀況、輔助裝置緊固狀況，未發(fā)現(xiàn)異常。拆下發(fā)動機(jī)驅(qū)動皮帶，振動未消失。故障發(fā)生時(shí)，用聽診器聽診發(fā)動機(jī)及輔助裝置(交流發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī))，未發(fā)現(xiàn)異常。故障可能不在發(fā)動機(jī)輔助裝置。在駕駛員座椅軌道右前側(cè)螺栓上安裝振動計(jì)(VA11)探頭，進(jìn)行振動頻率測定，測定振動頻率在38Hz，振動頻率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化無關(guān)。

將測量的振動頻率38Hz換算成轉(zhuǎn)速：38Hz×60＝2280r/min，考慮到散熱風(fēng)扇(該車有2個(gè))高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速是2140±125r/min(標(biāo)準(zhǔn)范圍)，測量的振動頻率與散熱風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)頻率接近。那么，推測是散熱風(fēng)扇的劇烈振動傳遞到了車身。

振動發(fā)生時(shí)，用豐田診斷儀的主動測試功能啟動散熱風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，故障現(xiàn)象發(fā)生；散熱風(fēng)扇停止，故障停止。考慮到散熱風(fēng)扇還有低速運(yùn)轉(zhuǎn)，我們將散熱風(fēng)扇設(shè)定到低速運(yùn)轉(zhuǎn)，振動也發(fā)生，此時(shí)測得的振動頻率為20Hz。將測量的振動頻率20Hz換算成轉(zhuǎn)速：20Hz×60＝1200r/min，與散熱風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)速度1070±125r/min(標(biāo)準(zhǔn)范圍)接近。確定振動源為散熱風(fēng)扇。拔左側(cè)風(fēng)扇相應(yīng)的繼電器(風(fēng)扇1號繼電器)，振動消失，插回再現(xiàn)。進(jìn)一步確定，振動源是左側(cè)散熱風(fēng)扇本身。更換后，故障消失。

故障排除后，分析故障原因。左側(cè)散熱風(fēng)扇的不平衡，產(chǎn)生劇烈振動，該振動通過車身傳遞到方向盤和座椅。開空調(diào)散熱風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)，方向盤和座椅會“喀嗒”、“喀嗒”響和振動，這時(shí)是20Hz的振動頻率。關(guān)空調(diào)，風(fēng)扇停止，嗒響和振動消失。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1150r/min附近時(shí)，發(fā)動機(jī)扭力變動頻率為1150×2/60=38.3Hz，與散熱風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率接近。發(fā)動機(jī)與散熱風(fēng)扇產(chǎn)生了共振，所以此時(shí)感覺振動更加明顯。

五、總結(jié)

1.振動、噪音類故障的排除思路

車輛振動和噪音故障診斷過程，就是振動源的查找過程。找到振動源，再分析振動傳播的過程。原則上優(yōu)先查找振動源，再依次是共振系、傳達(dá)系。

2.振動源的查找方法

(1)如果發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)發(fā)生，與驅(qū)動無關(guān)，振動源可能在發(fā)動機(jī)及其輔助裝置。拆卸發(fā)動機(jī)驅(qū)動皮帶，故障消失，振動源可能在發(fā)動機(jī)輔助裝置。反之，在發(fā)動機(jī)本身。如果振動源在發(fā)動機(jī)本身，振動頻率一定與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。

測量振動頻率，對照旋轉(zhuǎn)部件(發(fā)動機(jī)曲軸、交流發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等)的旋轉(zhuǎn)頻率，看是否對應(yīng)。如果能對應(yīng)，振動源一般就是該旋轉(zhuǎn)部件。

(2)如果振動和噪音與車速有關(guān)

慣性驅(qū)動時(shí)發(fā)生，與扭力變動無關(guān)，因?yàn)檫@時(shí)的驅(qū)動力小，扭力變動小。振動源一般為汽車傳動系旋轉(zhuǎn)部件不平衡振動(發(fā)動機(jī)曲軸不平衡、傳動軸不平衡、車輪不平衡、差速器不平衡、傳動軸不平衡等)，再舉升車輛，故障消失，振動源在車輪，故障仍在，再脫開傳動軸，故障消失，振動源在傳動軸，故障仍在，振動源在傳動軸之前。脫開傳動軸，故障消失，振動源在傳動軸和差速器，故障仍在，振動源在傳動軸之前。

慣性驅(qū)動時(shí)不發(fā)生，大負(fù)荷驅(qū)動時(shí)發(fā)生，也就是只在汽車傳動系扭力變動大時(shí)發(fā)生，說明振動源為汽車傳動系扭力變動(發(fā)動機(jī)、傳動軸十字軸等)。

測量振動頻率，對照旋轉(zhuǎn)部件(發(fā)動機(jī)曲軸、傳動軸等)和扭力變動的頻率，看是否對應(yīng)。如果能對應(yīng)，振動源一般就是該部件。

3.診斷工具

在鎖定的可能范圍內(nèi)，進(jìn)行必要基本檢查。先用聽診器輔助，鎖定故障范圍。再用噪音儀輔助(圖15)，鎖定故障部件。聽出大概發(fā)生的部位后，用噪音儀距離約10cm檢測，確認(rèn)哪個(gè)位置的聲音最大，再以更短間距用噪音儀聽取聲音。聲音最大的部位就是音的產(chǎn)生部位。

故障發(fā)生條件確認(rèn)時(shí)，注意發(fā)動機(jī)工作條件、附屬設(shè)備的工作狀況(空調(diào)，轉(zhuǎn)向助力泵、ABS泵等)、外界環(huán)境(路面狀況、天氣等)等因素。