玛莎拉蒂总裁-NVH 乘客舱振动​检测案例

车辆详细信息：玛莎拉蒂总裁
发动机代码： M139R
年份：2010
症状：乘客舱振动
发动机振动
作者：Steve Smith |Pico Technology

因为人类很难将电或振动形象化，因此只能倾向于经历两者产生的影响。例如，我们感觉到热是因为电流通过了一个加热元件或者我们感觉到颤动是因为振动施加于一个部件上。为了测量和展示这些影响含有的能量，我们可以应用示波器。

使用示波器有两大主要技巧，第一个是捕捉（示波器设置等等），另一个是对捕捉数据进行分析。振动分析是没有什么例外的，虽然它可能是一个难以把握的概念，但它与测量电路的电压没有什么不同。我们应用相关的探头和设置，测量我们能够感觉到的能量的影响（振动）。

对于大多数人来说，Pico汽车振动诊断依然处于初期阶段，但我使用NVH工具和分析结果的次数越多，我能发现的东西也越多。

下面是玛莎拉蒂总裁的一个案例，高级技师赛的冠军 Stuart White 和我很高兴能对它进行诊断，更重要的是能对它进行矫正。

Stuart是一家综合汽车保养店（CCM）的老板，提到一个顾客抱怨上述车辆在静止或行驶过程中达到1600rpm时会产生振动。

振动诊断的困难是我们对它的解释都不一样（这就是为什么我们应该去测量而不是去猜想）。但是对于这辆车，我们不可否认一个大的振动产生于特定的发动机转速范围。从1450rpm开始到1700rpm，振动是很明显的，在1600rpm时达到振动峰值。

拿出PicoDiagnostics 的NVH工具，遵照NVH软件里的操作指引，我们可轻松地测量到振动的频率和幅值。

获取发动机速度是任何振动分析的基石，因为这是我们计算所有振动的源头。汽车上所有转动部件的频率都可以通过发动机速度、传动比/差速比和轮胎尺寸计算得到。

在这一个案例中，车辆静止时这个振动来自发动机，所以通过我们的ELM线将发动机速度输入NVH软件中足够可以计算出振动仅是由引擎引起的（ELM线使用J2534协议通过OBD插口请求VIN、发动机及行驶速度数据）

加速度计最初被安放在右手边 组合板上（发动机舱）由于这种右舵车辆的驾驶室位置就在这里，所以这里似乎是比较受关注的区域。

很快我们的振动频率和幅值就出现了，并且显示了一个不同寻常的振动峰值，其在40.38Hz处超过了116mg(记住 RPM/60=Hz).

振动的位置显示为“发动机阶次”E1.5（发动机速度的1.5倍）



以下的频谱图代表了振动的高幅值为1.5*发动机速度：



以一个四冲程四缸发动机为例，来解释发动机的振动阶次。首先，所有的振动阶次都以单位g（重力加速度）来进行测量。我们正在研究的振动级是振幅单位为mg（g的千分之一），振动速度表示为Hz。

E1（发动机振动的第一阶）就是简单的发动机速度，用Hz表示(E1*60=RPM)。E1振动可以归因为与发动机速度相关的部件如飞轮和皮带轮产生的。

通常来说，E2（发动机二阶振动）发生在发动机速度的两部处，代表振动的最高级（对四缸发动机），曲轴的每次转动都会有两个燃烧的过程(曲柄受到两个冲击)，生成一个典型的高E2。E2振动级可归因于在两倍的发动机速度时的燃烧过程或部件的旋转运动。

对于6缸发动机，E3（不是E2）将会是最高级的振动，对于8缸发动机，同样的E4将会是最高级的振动，这个案例中的玛莎拉蒂应该就是这样的。

在E0.5处检测到的高振动级可归因于转速为发动机速度一半的部件，像如凸轮轴和相关辅助设备。再回到我们的玛莎拉蒂上，什么部件会导致发生不寻常的E1.5阶振动，我们怎样才能找到噪声源呢？从以上的信息我们发现高E1.5阶次应该是3缸发动机导致的，然而这里我们拥有的是V8的气缸。

下面的柱状图表示了E1.5高级的振动及相关的帮助文档：



在开始我们的工作以前，就像任何诊断一样，我们绝对不能忽视最基本的检查。发动机燃油和冷却液液位要确认是正确的；同时软管、支架、线路线束和发动机悬置都必须要检查确认是安全的，底盘的污垢和干扰也要注意检查。

气缸的压缩、平衡及排放也必须要确认井然有序，并且移除蛇形传送带可消除任何辅助驱动部件。振动依然很明显，情况也变得越来越严重。现在是时候来评估一下我们发动机的原理图并找出哪个部件以发动机速度的1.5倍在旋转。

仔细观察正时齿轮/正时链的布置，可以发现一个精心设计的发动机油泵传动装配。这个油泵的位置远离正时齿轮（在发动机的右后方），通过一个六角形的驱动轴连接。观察油泵驱动齿轮和曲轴正时齿轮之间的关系，我们得出一个简单的1:1的驱动比。这样的比值应该会在发动机一阶（E1）时产生基础的发动机振动，但也会产生其他的振动（谐振），这取决于传到油泵驱动和组件上的振动。联想到我们4缸发动机的E1和E2：E1是基础振动，E2是E1的谐振，是由于在发动机速度时燃烧冲击传到曲轴上导致的。



油泵驱动装置

所以在答应维修以前我们怎么确认发动机的这个区域。这个简单的答案是“我们不能”。然而我们能够搜索发动机周围振动强烈的区域（这里我们开始使用加速度计，就像一个听诊器一样）。



生成一个振动我们需要一个激振力如发动机，一个传输路径如排气装置，以及一个振动元件如车身。

这里毫无疑问；我们肯定这辆车需要支付巨大的修理费。我们获取的任何诊断结果都可以使得Stuart 和我信服，即这个引擎需要被拆卸下来。

记住，最好在拆卸之前利用我们已有的事实故障来进行诊断。一旦发动机被拆卸下来，我们再想复原这个故障就不是那么容易了。

记录相同位置处的修理前后的振动级（幅值）能够比单独使用我们自身的感官提供更加客观的测试结果，因为我们每个人对振动的理解都是不同的。

我们知道激振力是引擎，并且最可能的传输路径是排气。加速度计的仔细定位能很快揭示右下侧排气安装支架的E1.5阶振动的最大幅值，这保证了振动能从排气系统传到传动装置。

我们细想一下驾驶员抱怨发生振动的座位位置（这是一个右舵车），现在我们知道发动机油泵的速度和位置以及相关的传递路径。我们能够看到一个模式正在形成.......甚至将加速度计安装在组合板左手边面板产生的振动级比右手边面板低。Pico NVH工具箱真正的优点在于我们能够快速精确的进行振动的测量而不带任何假设。

当在诊断中评估任何车辆时，对比测试都是非常重要的。使用PicoScope我们能够以一种制造商注意不到的方法进行测试和测量车辆。我的意思是说我们对组件的操作和行为功能有一个动态的了解，我们只是没有技术数据来证实我们的结论。例如，多少制造商引用他们的车辆在不同的发动机速度和驾驶速度时的振动水平？我们是幸运的，Stuart已经证实了这辆玛莎拉蒂在特定的发动机转速时会有明显的车舱振动特征，但是这种可预见的水平符合这种高性能发动机的类型。

当试图减少这种振动级时，我们应将我们的注意力集中在哪？车身是振动元件但我们不能简单的断开车内地板等来提高振动水平。排气系统是我们的传输路径但是它只是简单的传递来自发动机的多余的振动。因此我们还是需要处理振动源（发动机），而它是这个案例中最好的锻炼，如果忽视了它可能会导致重大的损失。

总结一下我们知道的事情：

· 抱怨车身在1600rpm时会有振动，可在驾驭员位置，车内地板及方向盘处感觉到；

· 在右手排气安装支架螺栓处可测量到振动的最高水平；

· 在E1.5处发生最高振动水平（1.5*发动机速度）；

· 在发动机线束、管道、电缆及车体处没有污染；

· 没有失火或各缸不均匀、没有故障码及具有良好的排放；

· 没有由附件引导产生的振动（辅助传动皮带断开连接）；

· 燃油泵的位置可以测到最高的振动（右手边后油底壳）。

为了揭示组件到汽缸体的连接（特别是油泵），带着以上所有信息我们有足够的证据要求移除油底壳。移除油底壳以后，没有再进行进一步的振动测量，而这也强调了在定论前进行的所有操作的重要性。



把燃油泵或驱动移除是为了能够接近和检查曲轴箱内所有可以看得见的部件并确保良好的安全性（螺栓检查），以及没有明显的干扰/证明标记。这一切都还不错。

鉴于E1.5是我们要考虑的振动问题，燃油泵随后被拆卸下来并测量了其中的一些磨损情况：泵壳体及驱动转子之间，驱动器和驱动转子之间以及驱动转子侧间隙间。同时，对泵壳体来说有一些可见的痕迹证据，所有的测量都是正确的（鉴于发动机没有遭受任何相关的油压问题，这里没有真正的惊喜。）









由于泵装置里没有故障，我们的注意力转移到六角形的泵驱动轴上。查看六角泵驱动轴两边的安装点位置，我们能够清晰的看到驱动器上的磨损标记，这是由于油压产生时来自正时齿轮和泵对面的驱动推力导致。

这两种力是相对的，最后导致了油泵驱动转子的旋转及机油的密封增压。六角驱动轴带动驱动转子旋转，在驱动轴带动驱动转子之前，会有过度的自由转动（反冲）。六角驱动轴两端的驱动面的磨损标记代表了驱动转子和正时齿轮之间的不同的接触区域，在六角驱动中表明了磨损和变形。

我们将直尺和测隙规应用于六角驱动来突出任何变形，并且对油泵驱动转子返回一个0.076mm的值（这个测量是不规范的）。

所以现在我们决定基于我们的目测、振动测试结果及进行的测量来替换周围一些部件。在这些信息中，1.5*发动机速度（E1.5）时振动明显。

我们知道曲轴不平衡会导致发动机第一阶振动（E1），并且我们的曲轴由于燃烧（4*动力冲程 每转）会受到发动机四阶振动（E4），这两个与我们的测试结果都是不相关的。

在发动机速度（与曲轴比例为1:1）时油泵驱动转子转动，但是会经受6个脉冲，这是由驱动轴和驱动转子之间的燃油压缩造成的。这将会是6阶发动机振动（E6）并且其中一个是不明显的。在六角驱动上的油泵负载及部分扭转/磨损能否产生E1.5的振动？

油泵和驱动负载施加于有良好接触面的六角驱动上将会产生很小的振动甚至没有振动产生，然而负载施加于磨损的六角驱动面上可能会产生噪声/振动（记住振动和噪声是一回事）





基于维修的成本来更换燃油泵、六角驱动和正时齿轮，客户只同意更换燃油泵和六角驱动。作为除去正时链条的结果，更换正时齿轮会大大增加劳动成本。

重新装配后的效果变得立即明显，在六角驱动和油泵驱动转子之间有最小的转动，而这导致了驱动会瞬间转移到油泵。发动机被重新组装过，并且加速度计放置在相同的位置来测量1600rpm时的振动级。





在1600rpm时整车的振动级已经有所改善（不能完全清除），并且获得的值能够充分说明这点，在修理前是113mg，修理后是6mg。

综合六角驱动面的磨损、六角驱动轴及油泵驱动转子之间的间隙以及正时齿轮和驱动转子之间的六角驱动的一致性，这些都可以导致过度的E1.5阶发动机振动产生。

这里值得注意的是，通过我们对振动的评估，我们可能排除许多基于他们各自的振动频率振动的发动机部件。我们正在从一系列部件中寻找一个能够导致E1.5阶振动的发动机部件，然而，这些部件都是以其他的频率旋转。

事后来看，在修理前后使用WPS5000压力传感器分析发动机机油压力的波动是一件很奇妙的事情。我们是否能够看到由于油泵驱动的磨损导致的在1600rpm时油压的波形？我想我们永远不会知道但值得考虑的是现在我们拥有PicoScope和所有可用的新的测试技巧。

再一次，它不仅证明了什么是振动，而且也迅速证明了什么不是振动，这都是非常宝贵的。

修理前后的客观结果已经被证明是非常重要的，因为在1600rpm时发动机振动依然是明显的，但已经得到大大的改善，将我们的NVH工具箱提供的确凿的证据进行备份并确认维修。非常感谢Stuart在这个充满挑战的案例研究中给予的帮助和支持。

原文链接：https://bbs.qichebo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=66320&extra=page%3D1

编者按：本文表明，车辆磨损（耐久）后发生的振动噪声特征信号与常见的振动阶次激励不同，需要详细研究该振动噪声发生的原因。不同学科专业之间的交叉研究对车辆开发是必要的，是需要进行深入研究的。