PicoDiagnostics檢測實例：瑪莎拉蒂NVH診斷

PicoDiagnostics檢測實例：瑪莎拉蒂NVH診斷

車輛故障現(xiàn)象

一輛2010年生產(chǎn)的瑪莎拉蒂總裁，發(fā)動機代碼M139R，車主稱該車在靜止和行駛過程中乘客艙和發(fā)動機振動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 450～1 700r/min之間振動很明顯，在1 600r/min時振動最為強烈。

車輛振動分析與檢測

根據(jù)該車主所描述的癥狀，我們認為這是典型的車輛NVH問題（NVH是Noise、Vibration、Harshness的英文縮寫，意為噪聲、振動與聲振粗糙度，是用來衡量汽車制造質(zhì)量的一項重要指標）。為此，我們拿出PicoDiagnostics的NVH診斷工具，遵照NVH軟件的操作指引，對該車的振動頻率和幅值進行測量。需要指出的是，對車輛任何振動的計算和分析都要基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速，這是因為汽車上所有轉(zhuǎn)動部件的頻率都可以通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳動比/差速比和輪胎尺寸等參數(shù)計算得到。

在該案例中，車輛靜止時振動來自發(fā)動機，所以我們利用ELM數(shù)據(jù)線將發(fā)動機速度輸入至NVH軟件中，通過計算確定振動僅是由發(fā)動機引起的（ELM數(shù)據(jù)線使用J2534協(xié)議，通過OBD插口請求VIN、發(fā)動機及行駛速度數(shù)據(jù)）。

由于這是一輛右舵車輛，駕駛室的位置在右側(cè)，車主能夠感受到明顯的振動，這表明振動很可能與駕駛員所在的右側(cè)位置有關，因此，我們首先將用于振動測量的加速度計安放在發(fā)動機艙內(nèi)右側(cè)的組合板上進行測量，如圖1所示，很快顯示了振動頻率和幅值測量結(jié)果，在40.38Hz處超過了116mg，這無疑是一個異常的振動峰值；將加速度計安放在發(fā)動機艙內(nèi)左側(cè)的組合板上進行測量，振動值為61mg，遠小于右側(cè)的振動強度，可見問題的焦點在于右側(cè)的振動。

圖1 加速度計的安裝位置及測量值

從圖2可以看到，最強振動發(fā)生在“發(fā)動機階次”為E1.5的位置。所謂發(fā)動機階次，全稱應為發(fā)動機的振動階次。在此我們以一臺四沖程四缸發(fā)動機為例來解釋這一概念。首先，所有的振動階次都以單位g（重力加速度）來進行測量。我們正在研究的振動級的振幅單位為mg（g的千分之一），振動速度表示為Hz。

E1表示發(fā)動機振動的第一階，是指發(fā)動機轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的振動。E1振動可以歸因為與發(fā)動機速度相關的部件產(chǎn)生的，如飛輪和皮帶輪等。E2代表發(fā)動機的二階振動。對于四沖程的四缸發(fā)動機而言，曲軸每轉(zhuǎn)一周都會有兩個燃燒做功的過程（曲柄受到兩個沖擊），從而產(chǎn)生一個典型的高強度振動E2。換言之，E2等級的振動是由兩倍于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的燃燒過程或部件的旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生的。E2代表了四沖程四缸發(fā)動機振動的最高級別。對于六缸發(fā)動機，E3是最高級別的振動；對于八缸發(fā)動機，E4是最高級別的振動。

圖2 振動位置為“發(fā)動機次”E1.5

當然也有比E1低的振動階次，譬如E0.5。在E0.5處檢測到的高振動級可歸因于轉(zhuǎn)速為發(fā)動機轉(zhuǎn)速一半的部件，如凸輪軸等相關輔助零件。再回到本案例的車輛上，什么部件會導致發(fā)生異常的E1.5階振動？我們怎樣才能找到噪聲源呢？通過上述對發(fā)動機振動階次的介紹我們可以知道，E1.5階次的高振動級應該是三缸發(fā)動機導致的（如圖3中的幫助文檔所示），然而該車搭載的卻是一臺V8發(fā)動機。以下是我們對該車的故障排查過程。

任何故障的檢修都不能忽視最基本的檢查工作。因此，首先我們確認：發(fā)動機機油和冷卻液液位符合標準；軟管、支架、線路線束和發(fā)動機懸架的固定位置全都合理、安全，底盤的污垢和障礙物也要及時清理、檢查。接下來，我們對發(fā)動機的汽缸壓縮、汽缸功率平衡以及發(fā)動機的排放分別進行了測試，結(jié)果一切正常。之后，我們又將發(fā)動機外圍傳送皮帶拆除，以消除發(fā)動機外圍任何輔助驅(qū)動部件對振動可能產(chǎn)生的影響。但是，車輛的振動依然很明顯，而且情況變得越來越嚴重。此時，我們需要查閱發(fā)動機的原理圖，找出哪個部件以發(fā)動機轉(zhuǎn)速的1.5倍速度在旋轉(zhuǎn)，那么這個部件應是在發(fā)動機E1.5階次產(chǎn)生最高振動級別的原因。

圖3 柱狀圖表示E1.5高級振動及相關文檔

我們通過查閱發(fā)動機結(jié)構(gòu)原理圖發(fā)現(xiàn)，該車的發(fā)動機機油泵傳動機構(gòu)比較特殊。如圖4所示，機油泵位于遠離正時齒輪的發(fā)動機的右后方，一根端面為六角形的驅(qū)動軸貫穿發(fā)動機的前后，前端連接一個齒輪通過鏈條與曲軸正時齒輪連接，后端與機油泵連接，由正時齒輪帶動六角形驅(qū)動軸完成對機油泵的驅(qū)動。觀察機油泵驅(qū)動齒輪和曲軸正時齒輪之間的關系，我們可以確定其傳動比為1：1。這樣的比值應該會在發(fā)動機一階（E1）時產(chǎn)生基礎的發(fā)動機振動，當然也可能會產(chǎn)生其他振動（諧振），這主要取決于傳遞到機油泵驅(qū)動軸和組件上的振動。由此我們聯(lián)想到四缸發(fā)動機的E1和E2：E1是基礎振動，E2是E1的諧振，由發(fā)動機的燃燒做功沖擊傳到曲軸上導致。

圖4 油泵驅(qū)動裝置

工作進行到此，盡管我們還不能確定機油泵這個區(qū)域是該車問題的出處，但是我們可以利用加速度計（就像一個聽診器一樣）搜索發(fā)動機周圍振動強烈的區(qū)域，逐步鎖定故障的根源。毫無疑問，這臺發(fā)動機最終需要被拆卸檢查，并且車主需要為此支付不菲的修理費用。

在發(fā)動機拆卸之前，我們最好利用已經(jīng)獲得的測試結(jié)果對故障進行診斷和分析。因為一旦發(fā)動機被拆卸下來，我們再想復原這個故障就很難了。記錄相同位置處修理前后的振動級（幅值）會比單憑我們自身的感受提供更加客觀的測試結(jié)果，畢竟我們每個人對同樣振動的敏感程度都不盡相同。

我們知道，產(chǎn)生一個振動需要一個具備激振力的振動源（如發(fā)動機），一個傳輸路徑（如排氣裝置），以及一個振動元件（如車身）。對本案例中的這輛汽車而言，激振力源自發(fā)動機，最可能的傳輸路徑則是排氣管路。于是，我們將加速度計分別安裝在如圖5所示的排氣安裝支架的左右兩側(cè)位置進行振動測量，很快就在右下側(cè)排氣安裝支架上測試出了E1.5階次的最大幅值振動。而機油泵的位置位于發(fā)動機油底殼的右后側(cè)，這似乎為我們的故障排查指引了方向。

回想一下，駕駛員經(jīng)常抱怨發(fā)生振動的座位位置（在車輛右側(cè)），結(jié)合前面對發(fā)動機艙左右側(cè)組合板振動的測試以及對排氣管路振動的測試，我們不難發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律，即車輛左側(cè)產(chǎn)生的振動級都遠小于右側(cè)產(chǎn)生的振動級。我們可以斷言，即使不用測試，我們也可以肯定將加速度計安裝在左側(cè)面板產(chǎn)生的振動級一定比右側(cè)面板產(chǎn)生的振動級低。這就是Pico NVH工具的優(yōu)點所在，它能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確的振動測量而不帶任何假設。

為了減少這種振動，我們該將關注的重點放在哪里？車身是振動元件，這毋庸置疑，但我們不可能通過斷開車內(nèi)地板的方式來改善振動水平；排氣系統(tǒng)是發(fā)動機振動的傳輸路徑，但它只是簡單的傳遞來自發(fā)動機的多余振動。因此，我們最終還是需要通過處理振動源——發(fā)動機來實現(xiàn)對振動的治理。

圖5 在排氣管路上測量E1.5階次的振動幅值

進行到此，我們暫且總結(jié)一下目前已獲取的信息：車主抱怨車身在1 600r/min時會有振動，能夠在駕駛員位置、車內(nèi)地板及方向盤處感覺到；在右側(cè)排氣安裝支架螺栓處可測量到振動的最高水平；在E1.5處發(fā)生最高振動水平；發(fā)動機線束、管道、電纜及車體等各處沒有異常或污染；沒有失火或各缸不均勻現(xiàn)象、沒有故障碼、具有良好的排放；沒有由外圍附件引起的額外振動（外圍傳動皮帶已經(jīng)拆卸）；機油泵的位置可以測到最高的振動（油底殼的后右側(cè)）。

圖6 機油泵組件在曲軸箱中的安裝位置、連接形式

根據(jù)以上信息，為了查明故障原因，我們需要直觀地了解機油泵組件在發(fā)動機曲軸箱中的安裝位置和連接方式（圖6），因此有必要拆卸油底殼。拆卸油底殼以后，將無法進行下一步的振動測量，這也充分說明在故障定論前進行所有測試操作的重要性。

為了更清晰地觀察曲軸箱內(nèi)所有可以看得見的部件，并且便于進行必要的安全性檢查（如螺栓扭矩檢查、是否有明顯的運動干涉痕跡檢查等），我們將機油泵和驅(qū)動軸拆卸下來。檢查結(jié)果顯示，這一切都很正常。

鑒于E1.5是我們要考慮的振動問題，所以我們將機油泵分解并進行了必要的磨損測量：泵殼體及驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間、驅(qū)動軸與驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間以及驅(qū)動轉(zhuǎn)子間的間隙測量，測量結(jié)果表明全部滿足標準要求，具體如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 泵殼體及驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間的測量

圖8 驅(qū)動軸與驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間的測量

圖9 驅(qū)動轉(zhuǎn)子間的間隙測量

由于機油泵本身沒有故障，我們將注意力轉(zhuǎn)移到六角形的泵驅(qū)動軸上。查看六角泵驅(qū)動軸兩邊的安裝點位置，我們能夠清晰的看到驅(qū)動軸上的磨損標記（圖10），這是由于油壓產(chǎn)生時來自正時齒輪的驅(qū)動力和油泵的反向推力共同作用導致。這兩種相對的力最后導致油泵驅(qū)動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)及機油的密封增壓。六角形驅(qū)動軸帶動驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在驅(qū)動軸帶動驅(qū)動轉(zhuǎn)子之前，會有過度的自由轉(zhuǎn)動（反沖），這將造成六角形驅(qū)動軸的磨損和變形，如圖11所示。六角形驅(qū)動軸兩端驅(qū)動面的磨損標記分別代表了驅(qū)動軸與驅(qū)動轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動軸與正時齒輪之間不同的接觸區(qū)域。

圖10 驅(qū)動軸上的磨損標記

機油泵驅(qū)動轉(zhuǎn)子雖然以與發(fā)動機曲軸相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，但是由于驅(qū)動軸和驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間的機油壓力作用，所以每轉(zhuǎn)一周都會經(jīng)受6個沖擊脈沖，這將會產(chǎn)生6階次的發(fā)動機振動（E6）。那么施加在六角形驅(qū)動軸上的油泵負載以及驅(qū)動軸的部分磨損和變形能否產(chǎn)生E1.5的振動？

我們認為，負載施加在具有良好接觸面的六角形驅(qū)動軸上只會產(chǎn)生很小的振動甚至沒有振動產(chǎn)生，然而負載施加在磨損了的六角形驅(qū)動軸上則可能會產(chǎn)生噪聲/振動（記住振動和噪聲是一回事），因此產(chǎn)生E1.5振動的可能性是存在的。

圖12 測量1 600r/min時的振動情況

為徹底修復故障，應整套更換機油泵、六角形驅(qū)動軸和正時齒輪，但基于維修成本的考慮，客戶只同意更換機油泵和六角形驅(qū)動軸（如果更換正時齒輪，需要進行正時鏈條的拆裝，這將大大增加維修工時成本）。我們按照客戶的要求進行了部件的更換并對發(fā)動機進行重新組裝，維修后的六角形驅(qū)動軸和機油泵驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間只有很小的轉(zhuǎn)動間隙量，這保證了驅(qū)動軸的驅(qū)動會瞬間轉(zhuǎn)移到機油泵。我們運行發(fā)動機并將加速度計放置在相同的位置再次測量1 600r/min時的振動情況，如圖12所示。

圖11 六角形驅(qū)動軸的磨損

總結(jié)

測試結(jié)果表明，盡管振動沒能完全消除，但在1 600r/min時整車的振動情況已經(jīng)得到明顯改善，修理前后的振動測量結(jié)果（修理前是113mg，修理后是6mg）充分地說明了這一點。

實踐表明，正是由于驅(qū)動軸的磨損、驅(qū)動軸與機油泵驅(qū)動轉(zhuǎn)子之間的間隙等這些因素導致了過度的E1.5階發(fā)動機振動的產(chǎn)生。車輛修復之后，我們對本次維修作業(yè)進行了反思：如果在修理前后使用WPS5000壓力傳感器分析發(fā)動機機油壓力的波動將會看到什么情形？我們是否能夠看到由于油泵驅(qū)動軸的磨損而導致在1 600r/min時的異常油壓波形？我們的收獲是：不僅擁有PicoScope，還掌握了所有可用的新的測試方法和技巧，并且通過NVH工具的測試，證明了什么是振動。

（供稿：廣州虹科電子科技有限公司）