◆文/山東 焦建剛

焦建剛(本刊編委會(huì)委員)

現(xiàn)任山東東方優(yōu)速特汽車(chē)服務(wù)連鎖有限公司總工程師，山東交通學(xué)院客座教授;曾任博世山東培訓(xùn)基地主任。對(duì)當(dāng)代汽車(chē)故障診斷以及電子控制系統(tǒng)波形有較深入的研究，著有《圖解汽車(chē)波形分析與診斷應(yīng)用》等書(shū)。

隨著汽車(chē)進(jìn)入家庭，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的品質(zhì)要求逐漸上升，對(duì)乘坐的舒適性要求也日益提高，其中，汽車(chē)行駛中產(chǎn)生的噪聲也成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。技術(shù)狀況良好的汽車(chē)，運(yùn)轉(zhuǎn)中僅能聽(tīng)到均勻的胎噪聲和輕微的風(fēng)噪聲，這是正常響聲。如果汽車(chē)在運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)異常響聲，即異響，表明有關(guān)部位出現(xiàn)了故障。對(duì)于有異響的汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)身部分，應(yīng)根據(jù)故障現(xiàn)象，分析產(chǎn)生的原因，找出異響的部位，準(zhǔn)確地將其診斷出來(lái)。

本文主要講述汽車(chē)底盤(pán)噪聲及振動(dòng)的幾種表現(xiàn)形式，噪聲及異響的影響因素和診斷條件，以及常見(jiàn)異響的診斷方法。

一、概述

汽車(chē)底盤(pán)的噪聲主要是傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)發(fā)出的輪胎噪聲，以及制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器發(fā)出的高頻鳴叫聲或尖叫聲，如圖1所示。本文主要以動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)的噪聲分析來(lái)講述。

圖1 底盤(pán)噪聲及異響來(lái)源

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率傳遞給車(chē)輪并帶動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的系統(tǒng)。圖2所示的后輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動(dòng)軸、支撐軸承和萬(wàn)向節(jié)、驅(qū)動(dòng)橋、主減速器、差速器、半軸等。

圖2 汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)組成

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)源有變速器、分動(dòng)器、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋、半軸和萬(wàn)向節(jié)等。圖3所示為一個(gè)變速器的解剖圖。變速器里面有很多齒輪，通過(guò)不同齒輪之間的嚙合，傳動(dòng)軸以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而使得車(chē)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度變化。這些齒輪之間不可能完美的嚙合，因此會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。同樣，在驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部和分動(dòng)器中，動(dòng)力的傳遞和分配也是靠齒輪嚙合進(jìn)行的，同樣齒輪嚙合不好就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。傳動(dòng)軸和半軸都是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，當(dāng)軸系的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心線不重合的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生離心力，而這些額外的離心力會(huì)將振動(dòng)傳遞到車(chē)身上。另外，從變速器到半軸組成一個(gè)整體的系統(tǒng)，當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)的彎曲和扭轉(zhuǎn)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率一致的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振。當(dāng)軸系用十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)連接時(shí)，由于被動(dòng)軸的角速度不均勻，所以會(huì)發(fā)生2階振動(dòng)。

圖3 變速器解剖圖

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲源有變速器、分動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)橋和傳動(dòng)軸等。變速器、分動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)都是靠齒輪嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力和改變速度的，這些齒輪嚙合不好不僅產(chǎn)生振動(dòng)，而且會(huì)發(fā)出噪聲。另外，傳動(dòng)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中也可能發(fā)出噪聲。

車(chē)輛停止，手動(dòng)變速器的變速桿位于空擋，離合器處于結(jié)合狀態(tài)，這時(shí)變速器會(huì)發(fā)出“嗒嗒”的敲擊聲，這種噪聲被稱為怠速敲擊聲，如圖4所示。

圖4 變速器敲擊噪聲

若將離合器斷開(kāi)，或使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，這種敲擊聲將消失。為了降低怠速敲擊聲，常用的對(duì)策是在離合器上加裝具有一定扭轉(zhuǎn)剛度和摩擦力的墊片，以便調(diào)節(jié)摩擦力。如離合器本身存在故障或扭轉(zhuǎn)減振性能不良，則容易出現(xiàn)變速器敲擊聲。2000年至2010年代之間的豐田柯斯達(dá)中巴曾經(jīng)因?yàn)橹虚g軸支撐軸承(滾柱軸承)故障，因異響返修。其中也有部分車(chē)輛出現(xiàn)了離合器不良導(dǎo)致的“嗒嗒”異響，更換改進(jìn)后的離合器后，異響消失。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)軸承和隔振器與車(chē)體相連接的。傳動(dòng)軸上安裝有軸承，一方面是支撐軸系，另一方面是提高系統(tǒng)的固有頻率。在驅(qū)動(dòng)橋、變速器和功率分配器上安裝著隔振器。隔振器有兩個(gè)作用，一是支撐系統(tǒng)，二是減小振動(dòng)。這些軸承和隔振器一邊連接動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，另一邊連接車(chē)身，這樣動(dòng)力傳動(dòng)軸系的振動(dòng)會(huì)通過(guò)這些軸承和隔振器傳遞到車(chē)廂內(nèi)。軸承和隔振器是振動(dòng)與噪聲的傳遞通道，因此這些通道的隔振設(shè)計(jì)非常重要。車(chē)內(nèi)感覺(jué)到的噪聲主要有傳動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)階次引起的轟鳴聲(boom)，與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火階次有關(guān)的呼嘯聲(moan)，齒輪嚙合引起的單頻噪聲，以及一些碰撞噪聲。車(chē)內(nèi)感覺(jué)到的振動(dòng)主要有車(chē)底板的振動(dòng)、方向盤(pán)的振動(dòng)和座椅的振動(dòng)。

通常，后輪驅(qū)動(dòng)軸系的振動(dòng)與噪聲比前輪驅(qū)動(dòng)軸系要嚴(yán)重些。因?yàn)楹筝嗱?qū)動(dòng)必須用比較長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，而前輪驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)軸比較短，甚至沒(méi)有前傳動(dòng)軸。所以前輪驅(qū)動(dòng)的軸系頻率比后輪驅(qū)動(dòng)的軸系頻率要高，比較難得被激勵(lì)起來(lái)。全輪驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)與噪聲包括了前輪和后輪驅(qū)動(dòng)的特征。

傳動(dòng)軸有萬(wàn)向節(jié)夾角的狀況下，傳動(dòng)軸每旋轉(zhuǎn)一次都會(huì)出現(xiàn)兩次扭力波動(dòng)。如果萬(wàn)向節(jié)夾角增大，這種扭力波動(dòng)也更大。按照一定車(chē)速，這些扭力波動(dòng)使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)傳遞到后懸架襯套或彈簧，引起車(chē)身板振動(dòng)，導(dǎo)致車(chē)身噪聲，如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)軸振動(dòng)與噪聲

傳動(dòng)軸的振動(dòng)主要是因不平衡及旋轉(zhuǎn)時(shí)有彈性彎曲變形造成的，一般情況下，傳動(dòng)軸的不平衡會(huì)影響一階次振動(dòng)(也稱一級(jí)振動(dòng))。階次是指旋轉(zhuǎn)部件每旋轉(zhuǎn)1圈，事件出現(xiàn)的次數(shù)，如圖6所示。所謂的階次是指轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率f的倍數(shù)，例如一階次為f，二階次為2f，依此類推。例如，帶有1個(gè)高點(diǎn)的輪胎，每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一次擾動(dòng)，稱為一階振動(dòng)(圖7)。

圖6 階次的定義

圖7 階次振動(dòng)的概念

有兩個(gè)高點(diǎn)的橢圓形輪胎，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生兩次擾動(dòng)。稱為二階振動(dòng)。三個(gè)高點(diǎn)為三階，以此類推。兩個(gè)一階振動(dòng)的振幅可能會(huì)使擾動(dòng)總振幅增加，也可能使其削減，但僅此而已。兩個(gè)一階振動(dòng)不等于一個(gè)二階振動(dòng)。在離心力的作用下，失衡的部件總是會(huì)產(chǎn)生至少一個(gè)一階振動(dòng)。

例如，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為1800r/min，傳動(dòng)軸不平衡時(shí)，我們?cè)谲?chē)內(nèi)將測(cè)量到1800/60=30Hz的振動(dòng)峰值。當(dāng)使用十字萬(wàn)向接頭時(shí)，因其為不等速萬(wàn)向接頭，當(dāng)主動(dòng)軸均勻轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速會(huì)由大到小、再由小到大變化2次，即從動(dòng)軸的振動(dòng)頻率為主動(dòng)軸的2倍(60Hz)，也就是二階次振動(dòng)。

傳動(dòng)軸不平衡而產(chǎn)生的離心力，使傳動(dòng)軸兩端向外彎曲，繞軸中心線形成大圈。當(dāng)然這種情況不會(huì)出現(xiàn)，因傳動(dòng)軸兩端都是固定的。但是傳動(dòng)軸每旋轉(zhuǎn)一圈，都會(huì)引起軸振動(dòng)一次，振動(dòng)力會(huì)造成傳動(dòng)軸彎曲。這種振動(dòng)力通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)后支架，傳動(dòng)軸的中間支承、后懸架襯套傳遞到車(chē)身板，使車(chē)身板振動(dòng)，產(chǎn)生車(chē)身聲振噪聲。

胎紋噪聲為空氣傳音，它是輪胎在接觸地面時(shí)，輪胎花紋溝部分的容積縮小，溝內(nèi)的空氣被擠出；而當(dāng)胎面離開(kāi)地面時(shí)，溝部的容積恢復(fù)，空氣流入溝內(nèi)。這樣因空氣流出，流入胎紋溝槽內(nèi)而產(chǎn)生的噪聲稱為胎紋噪聲，如圖8所示，此噪聲的頻率會(huì)隨車(chē)速增加而增大。

圖8 胎紋噪聲

輪胎/車(chē)輪不平衡的動(dòng)態(tài)力，路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件不平衡，以及其他部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)作用力，直接或間接傳導(dǎo)車(chē)身，引起車(chē)身振動(dòng)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)輻射噪聲到車(chē)內(nèi)。車(chē)內(nèi)這樣產(chǎn)生的噪聲稱為結(jié)構(gòu)傳播噪聲(structure-borne oise)。對(duì)于轎車(chē)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲主要頻率范圍一般是幾十赫茲到幾百赫茲甚至更高?？諝鈧鞑ピ肼曇话阒杠?chē)外輪胎一路面噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)噪聲通過(guò)車(chē)身透射到車(chē)內(nèi)。轎車(chē)內(nèi)的空氣傳播噪聲的主要頻率范圍一般是從幾百赫茲到幾千赫茲甚至更高。

對(duì)于車(chē)輛行駛到某一速度范圍時(shí)，輪胎因不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，我們可以通過(guò)振動(dòng)分析儀來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般情況下，當(dāng)輪胎由于不平衡產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，尤其是振動(dòng)的頻率與懸架系統(tǒng)固有頻率一致時(shí)，會(huì)加劇振動(dòng)的幅度，嚴(yán)重影響行駛安全與乘坐舒適性。對(duì)于車(chē)輛前輪不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，直接的表象是方向盤(pán)擺動(dòng)或抖動(dòng)加劇，車(chē)輛后輪不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)，主要是車(chē)身有抖動(dòng)感覺(jué)。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，動(dòng)不平衡引起的扭矩來(lái)回變動(dòng)一次，故方向盤(pán)上得到的擺動(dòng)頻率與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致；而輪胎不平衡對(duì)懸架造成的是上下方向的二階振動(dòng)。所以，在使用振動(dòng)頻譜分析儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，會(huì)得到兩個(gè)頻率范圍的峰值顯示，一個(gè)是由于擺振造成的與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的擺振頻率，另一個(gè)是由于共振導(dǎo)致的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率2倍的振動(dòng)頻率峰值顯示。

如車(chē)身或方向盤(pán)發(fā)生振動(dòng)，而同時(shí)我們測(cè)得的振動(dòng)頻率是對(duì)應(yīng)車(chē)速范圍下的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)頻率2倍時(shí)，即說(shuō)明發(fā)生了輪胎不平衡的問(wèn)題。因?yàn)椋喬ゴ嬖趧?dòng)不平衡時(shí)，輪胎旋轉(zhuǎn)一圈，會(huì)產(chǎn)生2次激振，所以，輪胎振動(dòng)頻率是此時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍；發(fā)生方向盤(pán)擺振時(shí)，方向盤(pán)的擺振頻率與車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致，我們利用這一特性，即可迅速判斷故障的原因。

首先，我們可以通過(guò)計(jì)算車(chē)輪的半徑，將車(chē)速帶入后，即可得到相應(yīng)車(chē)速下對(duì)應(yīng)的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，其具體計(jì)算方法如下。

車(chē)速換算成頻率：

式中，f為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(Hz)，va為車(chē)速(km/h)，r為車(chē)輪半徑(m)。

以某車(chē)速為80km/h，車(chē)輪輪胎型號(hào)為215/60R15為例，求車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

首先，計(jì)算輪胎半徑r:

根據(jù)車(chē)速80km/h，代入上式中：

下面，我將轎車(chē)常用的子午線輪胎50、55、60、65、70系列的滾動(dòng)頻率列出，以供一線的技術(shù)人員使用。

根據(jù)表1~表5中列出的輪胎型號(hào)，再對(duì)應(yīng)各自的車(chē)速范圍，就可以得到各種型號(hào)輪胎在相應(yīng)車(chē)速下的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，這樣，再根據(jù)振動(dòng)測(cè)試儀的振動(dòng)頻率測(cè)量數(shù)據(jù)，就可以很快地得出輪胎是否存在故障的結(jié)論了。

表1 轎車(chē)用子午線輪胎50系列轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

表2 轎車(chē)用子午線輪胎55系列轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

表3 轎車(chē)用子午線輪胎60系列轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

表4 轎車(chē)用子午線輪胎65系列轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

表5 轎車(chē)用子午線輪胎70系列轉(zhuǎn)動(dòng)頻率