车辆振动与噪声
汽车产生的振动和噪声使人感到厌烦，严重影晌了汽车的乘用舒适性，甚至成为汽车某部位的故障征兆。汽车振动和噪声故障也是车辆故障诊断的难点之一。本文着重介绍了汽车振动和噪声的发生现象；运用切断或破坏振动源与振动件之间的传输途径，快速诊断和排除此类故障的案例。
高惠民
(本刊专家委员会委员)
现任江苏省常州外汽丰田汽车销售服务有限公司技术总监，江苏技术师范学院、常州机电职业技术学院汽车工程运用系专家委员，高级技师。
汽车是具有动力源的运动机械，它在振动模型中属于一个多自由度振动系统，因此汽车行驶时存在各种各样频带宽度的振动和噪声。它的生成形式分为，扭矩振动、惯量振动、几何振动、流体振动。它组成结构是，振源发生、介质传导、共振放大、环境破坏和零件损坏。如发动机产生的驱动力、动力传动系统和路面凹凸不平产生的作用力传递到车身、底盘上形成车身结构振动，以及汽车高速行驶中空气与车身之间的冲击和摩擦产生的空气动力学噪声。图1所示，根据振动和噪音频率不同，可分成多个区间。
案例一 丰田锐志行驶中方向盘振动
一辆锐志GRX122-AETZKC，发动机型为5GR，行驶了2000 km。客户反映车辆以90～100km／h的速度行驶时，手握在方向盘上有振动发麻的感觉，同时还伴有“呜呜”的声音。
1.故障现象确认
首先将车辆挂入P、N挡，发动机怠速和提高转速运转过程中无故障现象出现；将车辆举升后挂在D挡运行，车速在0～80km／h、80～90km／h、90km／h以上均无故障现象出现；车辆举升状态下，在S1-S6挡位运行确认，车速在0～80km／h、80～90km／h、90km／h以上也均无故障现象出现；车辆在D挡和S挡进行道路试车，车速在0-82km／h过程中无故障，车速在83-86km／h过程中故障出现，车速升到87km／h以上故障消失。
故障出现时，方向盘有垂直方向振动感觉，两前轮处伴有“硿硿”的周期性声音变化，车辆前后排座席地板上有振动感觉。
2.故障诊断与分析
初步判断故障可能是车辆传动部件运转共振所引起的。于是检查轮胎动动平衡、刹车盘、传动轴的圆跳动误差，没有发现异常；又调整了发动机、变速器、排气管安装支架，故障没有解决；接着又将该车的4条轮胎、刹车片、轮毂轴承、差速器和驱动轴与正常车辆进行对换，试车确认故障依旧。再借用振动检测仪检测，将振动仪探头固定在方向盘垂直方向和前后悬架底部，采集故障出现时的振动频率(采样车速为83km／h)，采集整理出5组可疑频率，47.5Hz、112Hz、125Hz、212Hz、330Hz，经计算确认与发动机转速、挡位及变矩器锁止状态无关。通过理论计算，该车速度在83km／h时轮胎各阶振动频率(f=V×1000／2×3600×π×R其中f－轮胎振动频率、V-车速km／h、R-轮胎半径m)与上述可疑频率对应结果(故障车轮胎型号为215 55 R17)如下：
轮胎的1阶振动频率为11.16Hz；轮胎的4阶振动频率为44.64Hz(可疑频率47.5Hz)；轮胎的10阶振动频率为111.6Hz(可疑频率112Hz)；轮胎的11阶振动频率为122.76Hz(可疑频率125Hz)；轮胎的19阶振动频率为212.04Hz(可疑频率212.04Hz)；轮胎的30阶振动频率为334.8Hz(可疑频率330Hz)。
通过振动频率检测证明方向盘振动还是由轮胎引起的可能性最大。于是再次更换了与原车不同品牌的米其林215／55R17的新轮胎试车，故障出现点还是出现在车速83～86km／h时。方向盘和车身地板上振动感有所减弱，但没有彻底消除。振动仪检测，故障出现时频率变化均不同，无固定的可疑频率。针对故障现象，运用车辆发生振动的原理来分析故障产生的机理：
(1)影响方向盘垂直振动主要原因可能是车辆上某个旋转体运动中产生的激励频率与转向机构固有频率相耦合，而与转向机构连接的最直接的旋转体还是轮胎。其力的传递路线是，轮胎→转向节→方向机→转向传动轴(方向盘柱固定套管，仪表板横梁)→方向盘，与发动机运转速度、传动轴及半轴旋转速度无关。
(2)故障出现时车速范围很窄。一般轮胎动不平衡引起的方向盘摆振会随车速提高，振动会加大(已经2次换新轮胎，可以排除轮胎动不平衡的影响)。
(3)车辆在行驶中路面与轮胎产生的激励力，除了轮胎的动不平衡，还有轮胎的径向力变动。轮胎的径向力变动与轮胎质量均匀性、尺寸均匀性、刚性均匀性有关。轮胎受力后，胎体的弹性变形不能恢复，造成轮胎尺寸的不均匀以及制成轮胎的材料不能沿轮胎圆周完全均匀分布，造成轮胎刚度的不均匀。这些轮胎的不均匀性会在轮胎旋转时产生挠曲的波动，这种波动引起轮胎受地面作用力的周期性变化，产生轮胎径向力变化(如图2所示)，引发轮胎的径向跳动和径向力振动。
(4)轮胎气压也是对轮胎振动特性的主要影响，因为气压的变化改变了轮胎带束的张力和轮胎的刚度，因而改变了轮胎固有频率(气压每变化98kPa，径向的固有频率大致改变5～10Hz)。轮胎气压高则刚度强，阻尼小，轮胎固有频率高。轮胎气压低则刚度弱，阻尼大，轮胎固有频率低，振动传递率变小，出现峰值的频率也随之降低。根据上述分析，决定采取破坏振动源的方法，先对故障车辆的两个前轮胎气压调低到180kPa(标准230kPa)，经车速在60、70、80、90、100km／h道路试车5km，故障没有再现。
3.故障排除
由于两前轮胎属于转向轮，在特定的速度下转动与路面形成轮胎径向力变动，产生的激励频率接近轮胎的固有频率时，轮胎发生共振。此时轮胎的共振频率与转向机构的固有频率接近时，又造成了转向系统的共振，并且通过转向柱直接反映到方向盘上。根据振动理论，为防止零件产生共振，零件自身的固有频率要远离激励频率25％以上。降低轮胎气压，改变了轮胎的固有频率，避开了由轮胎共振引起转向机构的共振区。但是，轮胎不能在缺气的状态下行驶，要彻底排除故障还必须在转向机构上进行调整。考虑到方向盘安装在转向传动轴上，转向传动轴又通过转向柱套管安装在仪表板横梁上，对转向柱套管与仪表板横梁安装位置进行调整(如图3)，按规定扭矩紧固定位螺母。将两前轮气压重新调整至标准后试车，故障再未出现。
4.故障小结
(1)故障修理过程中，降低两前轮气压的目的有两个。①是为了寻找方向盘振动的振源。调低两前轮气压使轮胎的固有频率发生了变化，加大了轮胎的阻尼系数，如果故障症状得到改善，说明振源是路面的随机激励与车轮产生的振动。②是对于新车停放时间过久没有行驶轮胎或者是更换的经过包装挤压过新轮胎，容易出现轮胎“平点”引起的振动现象，一般经过一段里程的行驶“平点”现象能够消除。调低或者调高轮胎气压行驶，可以恢复轮胎弹性体的变形，减小径向力振动。
(2)分析过引起方向盘振动力的传输途径，因此在故障诊断时还必须考虑转向机构零件的共振问题。例如转向柱与仪表台横梁的安装，它们在设计时都通过了振动模态的分析与试验，得到各阶段固有振动频率和振型，避开与其他系统的共振耦合。本案故障排除方法中也结合重新对转向柱与仪表台横梁安装位置和紧固扭矩的调整，有效改善了方向盘振动现象。
案例二 皇冠轿车变速器锁止离合器打滑引起车身颤抖
一辆皇冠GRS182L-DETBKC发动机型号为3GR，变速器型号为A760E，行驶了13.8万km。客户反映一个月前车辆在50～60km／h速度行驶时出现类似过减速带的振动，现在这种现象越来越严重了。
1.故障现象确认
按照客户描述的故障现象，我们模拟试车，确认车辆匀速行驶到40km／h(4挡)和55km／h(5挡)时，传动系统发出“啃啃”的响声，并伴有车身颤抖感觉(类似车辆拖挡时，车身会发生颤抖一样的症状)，持续时间5—8s。这种现象上坡行驶更加明显，如果急踩加速踏板，故障现象不会出现。根据试车结果，初步分析故障原因可能是发动机动力不足或是发动机扭矩传递过程中损失，造成传动系统转矩不稳引起车身颤抖。
2.故障诊断与分析
(1)连接智能诊断仪(IT-II)，检查相关系统是否有故障信息，结果没有DTC存储。
(2)自动变速器失速试验。在做失速试验前，先检查ATF的油量和油质，结果油量正常，油质有轻微焦味，更换ATF。失速试验转速2390r／min(标准2470±150r／min)，试验数据在正常范围内。
(3)为了进一步确认发动机动力性，查看发动机运行数据流(如图4)。节气门开度80.7％、发动机转速5060r／min、空气流量121.09g／s，计算出容积效率为80％；判断发动机进气系统和排气系统都正常。由于发动机处在加速工况。混合汽浓度持续升高，所以燃油系统处于“QL DRLVE”状态。长期燃油修正值在4.6％，说明发动机燃烧良好。动力输出没有问题。
(4)检查自动变速器工作性能，测量自动变速器管路油压。怠速状态下，D挡测量值为400kPa(标准值356～416kPa)；R挡测量值为500kPa(标准值482～562kPa)。发动机加速到3000r／min，D挡测量值为1200kPa，R挡测量值为1600kPa，也符合失速时的管路油压。这项检查说明各挡位管路没有泄漏，油压正常。
(5)变矩器锁止离合器控制检查。该车采用柔性锁止控制，变速器根据发动机转速信号、车速信号、节气门位置信号、发动机冷却液温度信号和变速器油温信号来控制车辆在低中速范围内有微量打滑(A760E变速器柔性锁止离合器控制原理如图5所示)。来扩大变速器的锁止范围(锁止离合器柔性锁止的传动效率可以达到95％-98％)，以达到改善燃油经济性(A760F变速器柔性锁止离合器工作范围图6所示)。
但是在柔性锁止工作过程中，如果电控或液压零件出现问题就会造成柔性锁止离合器打滑过量。如果发动机扭矩没有正常地传递给变速器输入轴，车辆会在动力不足的情况下运行。传动部件运转不稳，就会引起车身颤抖。查看该车故障状态下的发动机转速和变速器输入轴转速(NT)数据显示(如图7所示)，最大转速相差150r／min(正常车辆不超过50r／min)。
图7所示为，发动机转速和变速器输入轴转速数据流。此时正是发动机ECU向线性锁止电磁阀(SLU)输出35％占空比的锁止信号，进行柔性锁止控制的时刻。根据故障车发动机和变速器输入轴转速差与对比车数据比较，确定故障车柔性锁止离合器控制有问题。不知是电气控制元件有问题，还是液压元件有问题?接着参照电路图8，从变速器配线连接器上拔掉12号端子(SLU+)和4号端子(SLU-)的SLU电磁阀插头进行试车，故障消失了。恢复SLU电磁阀插头，采取车辆高于60km／h速度行驶，对SLU电磁阀主动测试(完全锁止)。读取发动机转速和变速器输入轴转速为1：1，这说明ECU至SLU电磁阀控制线路正常，SLU电磁阀能够在完全锁止指令下工作。
(6)检查ECU对变矩器柔性锁止离合器控制信号，车速40～55km／h，控制信号占空比在35％(图9)，与对比车相同。
(7)为防止SLU电磁阀在小电流工作时有发卡问题，更换同型号SLU电磁阀，故障依旧，说明原车SLU电磁阀没有问题。
(8)检查变速器阀体上锁止控制阀，结果发现此阀芯与阀孔存在单边的偏磨状态(图10)。由于锁止控制阀不能单独修理和更换，所以更换了同型号的阀体总成。切开变矩器，发现锁止离合器摩擦片也有轻微磨损(图11)，更换锁止离合器摩擦片和锁止离合器油封，变矩器翻新修理后装车，通过道路试车，故障排除。
3.故障小结
通过此例故障的诊断与修理，有以下几点值得我们要注意。
(1)过去老的丰田车变速器锁止离合器引起车身颤抖现象都发生在车辆高速范围内，而现代车辆变速器采用的是柔性锁止离合器控制策略，在车辆低中速范围内就进行了打滑锁止，诊断锁止离合器打滑故障时要考虑车速偏低的现象。
(2)过去的SLU电磁阀采用的是脉宽调制(PWM)控制，工作频率较低(在35Hz)。而现代的SLU电磁阀采用的是线性控制，工作频率较高(在300Hz)。这不仅对SLU电磁阀的工作性能有很高要求，对受其控制的锁止控制阀工作要求也提高了。正常工作情况下，SLU电磁阀在ECU的指令下，以高频率振动来控制锁止滑阀的运动。如果当滑阀因不正常的磨损，造成锁止油压泄漏，使锁止离合器接合速度变慢，打滑率变大。引起自动变速器扭矩传递波动，这种扭矩波动与传动轴扭转振动耦合就发生传动系统的共振，再经悬架装置传递到车身，发生车身颤抖。
案例三 皇冠轿车前挡风玻璃风噪声
一辆皇冠GRS188L-DETRKC发动机型号为5GR，行驶了10000km。客户反映车速到120km／h以上时，前挡风玻璃上部有“嘘嘘”的啸叫声。
1.故障现象确认
由客户驾驶车辆，维修技师陪同，在高速公路上行驶速度到120km／h时，确实存在前挡风玻璃中上部至右上部发出“嘘嘘”的啸叫声。随着车速越快，啸叫声越响。
2.故障诊断与维修
根据车辆啸叫声发出的部位，详细检查了前挡风玻璃上部装饰压条，发现装饰压条平面低于车身斜面(图12)，且装饰压条的橡胶边略有翘起，前挡风玻璃装饰压条上部与车身结合处间隙比对比车辆要大一些，对比车在4mm，而故障车在6mm(图12)。
通过上述的检查，判断车辆发出啸叫声原因可能是车辆高速行驶时，高速空气流通过前挡风玻璃上部装饰压条与车身接合处，高低落差的窄缝，造成装饰压条橡胶边缘上下部分有压力差，引起气流高频振动，产生簧片啸叫的风噪声(图13)。维修技师在前挡风玻璃压条橡胶边缘窄缝处填充少量玻璃胶，待玻璃胶干透后试车，“嘘嘘”啸叫声没有再出现。
3.故障小结
在排除车辆高速行驶时的风噪声是非常困难的作业。首先要确认客户报修的现象是困难的，如本案需要车辆在高速公路上行驶到120km／h速度时才能听到啸叫的风噪声；其次是噪声源的定位是困难的，技术人员有时要进行反复探索和试验作业，才能确认噪声源。
虽然在车辆制造时就考虑到风噪声的限制标准，但是还有一些情况下。即使不是因车辆零部件功能不正常引起的噪声，客户主观上还是有抱怨。要求处理。因此，我们在排除车辆风噪声过程中，必须分析确认客户反映或投诉的问题，是否属于零部件功能不正常引起的，还是在正常规定范围内。在技术方面，我们要依据振动和噪声产生的原理，认真检查车身表面是否有零部件会妨碍或影响空气流动。发现缺陷可以用调整零部件安装位置、填料填充缝隙或更换密封条的方法。消除或减轻车辆行驶风噪声。在诊断作业中多动脑筋。制作一些易于快速准确诊断的小工具(如图14所示，自制的噪声异响诊断器)，来提高了诊断故障的效率。工作中要对故障排除的方法给予及时总结，成为今后修理车辆风噪声的经验。