汽車NVH常見問題分析及故障診斷思路(一)

文/江蘇 高惠民

隨著當(dāng)今世界汽車工業(yè)的不斷快速地發(fā)展，汽車的品牌種類、汽車的使用用途及使用汽車的人群數(shù)量都在持續(xù)不斷的增加。然而，汽車的普及是一把雙刃劍，它既給現(xiàn)代人們帶來了工作生活便利的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。作為全球四大環(huán)境污染之一的噪聲污染主要來源于汽車的運(yùn)行噪聲，在我國大中城市，汽車噪聲占到環(huán)境噪聲的40%以上。早在1999年，世界衛(wèi)生組織在全球進(jìn)行噪聲污染范圍及危害程度調(diào)查，結(jié)果表明，噪聲除了對(duì)人的聽力系統(tǒng)有危害外，還會(huì)對(duì)消化系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)以及心理健康有危害。關(guān)于噪聲對(duì)聽力系統(tǒng)危害的研究數(shù)據(jù)顯示，人類處于80dB以下的噪聲環(huán)境中是安全的，而85dB以上則會(huì)有危險(xiǎn)，如果長期暴露在超過90dB的環(huán)境中，耳聾發(fā)病率明顯增加。由此可見控制汽車噪聲限值已是迫在眉睫，也受到了各國政府的高度重視，相繼頒布了汽車噪聲控制法規(guī)，圖1表示了世界主要國家和地區(qū)對(duì)汽車噪聲限值的變化情況。

圖1 世界主要國家對(duì)汽車噪聲限值控制

我國于2002年分別修訂國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 16170-1996《汽車定置噪聲限值》和GB1495-2002《汽車加速行駛外噪聲限值及測量方法》，國內(nèi)新車噪聲限值如圖2所示。這個(gè)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)的制修訂一方面是結(jié)合國內(nèi)汽車產(chǎn)品技術(shù)的實(shí)際情況，同時(shí)也重視與國際先進(jìn)汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)相協(xié)調(diào)和銜接。

圖2 我國對(duì)汽車噪聲控制限值

在汽車領(lǐng)域內(nèi)，通常用NVH(Noise Vibration Harshness)來描述汽車噪聲、振動(dòng)及汽車的乘坐舒適性問題，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，汽車大約三分之一的故障是由汽車 NVH 問題引起的，由于汽車的 NVH 問題日益嚴(yán)重突出及其危害性大，因此，汽車制造公司為達(dá)到控制噪聲限值的要求，在汽車的研發(fā)、制造階段投入了大量費(fèi)用來改善并提高整車的 NVH 性能問題，為汽車使用舒適性提供了很好的保證。本文主要闡述的是針對(duì)車輛使用過程中出現(xiàn)的NVH問題，如何以振動(dòng)與噪聲的基本理論為指導(dǎo)，認(rèn)真查找產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的振源，然后進(jìn)行了定性定量分析，制定準(zhǔn)確判斷和快捷修理NVH故障的方法。

一、汽車NVH概念

1.NVH定義

汽車NVH是指汽車的噪聲振動(dòng)和不舒適性。主要是研究汽車振動(dòng)和噪聲對(duì)整車性能和舒適性的影響。

N-Noise：指的是噪聲。一臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)或一輛行駛中的汽車會(huì)發(fā)出各種不同的聲音，判斷這些聲音是否是異響(Noise)，取決于它們實(shí)際聲壓、頻率們以及人們的感知。通常，異響是一種不恰當(dāng)?shù)摹⒘钊瞬挥淇斓幕蜻^度嘈雜的聲音。這些嘈雜的聲音不但增加駕駛員和乘員的疲勞,影響汽車的行駛安全，而且增加環(huán)境噪聲污染。

V-Vibration：指的是振動(dòng)。振動(dòng)描述的是系統(tǒng)位移狀態(tài)的參量在其基準(zhǔn)值上下交替變化的過程。汽車低頻振動(dòng)不僅危害駕駛員和乘員的身體健康,同時(shí)不良的振動(dòng)還會(huì)給汽車零部件帶來損壞,影響零部件的壽命。車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生不同的振動(dòng)(Vibration)量。比如：方向盤上下振動(dòng)，使得駕駛員的手震顫；座椅晃動(dòng)，給乘坐人帶來不適的振動(dòng)感。此外，還有換擋桿或加速踏板顫動(dòng)等現(xiàn)象。如同判定噪音是否是異響一樣，出現(xiàn)的振動(dòng)是否屬于異常，取決于振動(dòng)是在哪里發(fā)生的以及如何發(fā)生的。振動(dòng)與噪聲的研究是密不可分的。振動(dòng)是噪聲產(chǎn)生的原因。

H-Harshness：指的是乘座不舒適性，即聲振粗糙度。反映的是振動(dòng)和噪聲的品質(zhì)。它并不是一個(gè)與振動(dòng)、噪聲相并列的物理概念,而是描述人體對(duì)振動(dòng)和噪聲的主觀感覺,不能直接用客觀測量方法來直接度量。由于聲振粗糙度經(jīng)常用來描述沖擊激勵(lì)產(chǎn)生的使人極不舒服的瞬態(tài)響應(yīng),又被稱為沖擊特性或不平順性的危害。如輪胎受到強(qiáng)烈沖擊而產(chǎn)生的單獨(dú)的、瞬間的振動(dòng)，仿佛就像有人拿著大錘在猛力擊打輪胎。這種振動(dòng)會(huì)傳給方向盤和地板。

2.振動(dòng)與噪聲特征

我們用手、腳及身體體驗(yàn)振動(dòng)；用耳朵感受聲音。但是，由于每個(gè)人的感官差異，所以即使聲音和振動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)，有人可以同時(shí)感受到二者，有人卻只能感受到其中之一，還有人感受不到任何東西。從本質(zhì)上講，聲音和振動(dòng)是一回事，聲音不過是空氣的一種振動(dòng)，二者均是波，當(dāng)然，由于波的頻率不同或發(fā)生變化，有時(shí)波以聲音形式被我們感覺到，有時(shí)則以振動(dòng)形式被我們感覺到。簡言之，究竟是聽到聲音還是感到振動(dòng)，取決于波的頻率。人所能聽到的聲音的頻率范圍為20Hz-20kHz,低于或高于此頻率范圍的聲音都不能被聽到。一個(gè)振動(dòng)即使蘊(yùn)含有很高能量，但假如其頻率不在上述范圍內(nèi)，仍無法像“聲音”那樣被人耳聽到，如圖3所示人的聲音和振動(dòng)的感覺。人耳的聽范圍受聲音頻率的影響。即使dB值相同，不同頻率的聲音就它們的響度而言聽上去也是不一樣的。一般說來，頻率較低或較高的聲音可聽度差，尤其是較低的頻率情況更是這樣。如圖4表示聲壓強(qiáng)度與聲音頻率關(guān)系所示，500Hz的聲音在A點(diǎn)可被聽到，但100Hz的聲音則在B點(diǎn)聽到，而50Hz的聲音只在C點(diǎn)聽到。作為有一種車輛的噪聲，在100Hz以下的“隆隆”噪聲則幾乎聽不到，然而，它的振動(dòng)能量是大的，因此這種“隆隆”噪聲也被感覺到是一種振動(dòng)，同時(shí)伴有令人不舒服的噪聲。在圖4中最低聽覺水平的實(shí)線表示具有很好聽力的人的最低聽覺水平。普通人的聽覺平均值用虛線表示。

圖3 聽覺對(duì)聲音和振動(dòng)的感覺

圖4 聲壓強(qiáng)度與聲音頻率關(guān)系

3.振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生

如上所述，振動(dòng)描述的是物體(系統(tǒng))位移狀態(tài)的參量在其基準(zhǔn)值(平衡位置)上下交替變化(往復(fù)運(yùn)動(dòng))的過程。一切有質(zhì)量及彈性的物體都具有振動(dòng)的性質(zhì)。例如機(jī)械在工作中或工程結(jié)構(gòu)在使用中都會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)與噪聲現(xiàn)象，且都有不同的特色。振動(dòng)系統(tǒng)可用相似的力學(xué)模型來描述，質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器是振動(dòng)系統(tǒng)的三個(gè)主要組件，質(zhì)量塊具有慣性的力學(xué)模型；彈簧通常不計(jì)質(zhì)量，具有彈性的模型，能夠儲(chǔ)存能量；阻尼器既不具有慣性，也不具有彈性，它對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，是耗能組件。振動(dòng)系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系，如圖5所示。

系統(tǒng)所受的激振力、初始位移、初始速度等稱為輸入或激勵(lì)；系統(tǒng)在輸入下所產(chǎn)生的輸出成為系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)一個(gè)物體(質(zhì)量塊以下稱為剛體)被彈簧約束正在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則該剛體的振動(dòng)被稱為剛性振動(dòng)，如圖6所示。

圖5 振動(dòng)原理框圖

圖6 剛性振動(dòng)示意圖

通常這個(gè)剛體有它自身的固有振動(dòng)頻率，如下表達(dá)式：

在剛性振動(dòng)中，如果一外來振動(dòng)力(激振力)的頻率與剛體的固有振動(dòng)頻率相等，則共振將發(fā)生，并進(jìn)而會(huì)使剛體的振動(dòng)得到極大加強(qiáng)。如圖7所示，激振力通過馬達(dá)上的曲柄加到彈簧和重錘上，重錘會(huì)上下移動(dòng)。當(dāng)頻率(馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù))低的時(shí)候，重錘運(yùn)動(dòng)振幅較小；頻率增大時(shí)，振幅逐漸增大；當(dāng)增大到一個(gè)較高的頻率時(shí)振幅在一個(gè)特定的頻率(馬達(dá)的轉(zhuǎn)數(shù)與重錘的固有頻率相等)上時(shí)達(dá)到最大。這就是共振狀態(tài)，在這種狀態(tài)時(shí)的頻率叫做共振點(diǎn)；如果頻率繼續(xù)增大，超過了共振點(diǎn)，振幅就開始逐漸減小。

圖7 物體共振發(fā)生原理

對(duì)于汽車來說，為了研究汽車車身振動(dòng)分析方便，由汽車舒適性的振動(dòng)模型(地面不平給行駛的車輛輸入激振力，引起車身質(zhì)量的垂直、俯仰、側(cè)傾運(yùn)動(dòng)以及4個(gè)車輪質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，整車形成共7個(gè)自由度)簡化而來的車身單質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)的模型如圖8所示。由此可以看出,車身(剛體m)、懸架彈簧(彈簧k)、減振器(阻尼C)組成了車身有阻尼振動(dòng)系統(tǒng)。

圖8 車身單質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)的模型

當(dāng)類似于用手指拉琴弦，琴弦產(chǎn)生連續(xù)的振動(dòng)叫做彈性振動(dòng)，如圖9所示。

圖9 彈性振動(dòng)發(fā)生示意圖

圖10 彈性振動(dòng)中多階共振示意圖

對(duì)于汽車而言，振動(dòng)頻率低的時(shí)候，可以將車身看作一個(gè)既不會(huì)變形，也不會(huì)彎曲的剛體。但是當(dāng)車身在某一特殊外力激振時(shí)，產(chǎn)生諸如“車身搖動(dòng)”之類的問題時(shí)，就不能將車身僅僅認(rèn)為是剛體了，而應(yīng)將其視為會(huì)產(chǎn)生彎曲/扭曲等變形的彈性振動(dòng)元件了。因?yàn)檐嚿碛蓱壹堋壹軓椈奢喬ブ沃Ｔ趶椥哉駝?dòng)中，存在一個(gè)以上的共振點(diǎn)。以撥動(dòng)琴弦為例。當(dāng)撥動(dòng)琴弦時(shí)，振動(dòng)以各種不同的頻率發(fā)生，如圖10中所示，各點(diǎn)峰值可以被認(rèn)為是弦的一系列共振點(diǎn)。若施加不同頻率振動(dòng)力時(shí)，振動(dòng)會(huì)在每一個(gè)共振點(diǎn)上變大。如圖11所示例如在某個(gè)車速范圍內(nèi)，輪胎不平衡會(huì)增大車身的振動(dòng)，不平衡的傳動(dòng)軸會(huì)引起“隆隆”噪聲。

圖11 車輛輪胎、傳動(dòng)軸不平衡產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲

在振動(dòng)系統(tǒng)中即使有能夠產(chǎn)生振動(dòng)的組件，但如果沒有某種外力激勵(lì)，那么振動(dòng)仍然不會(huì)發(fā)生。一個(gè)迫使振動(dòng)組件發(fā)生振動(dòng)的外力就是激振力。對(duì)于汽車來說，典型的激振力(振源)主要有：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力或輸出扭矩波動(dòng)；

(2)輪胎不平衡；

(3)粗糙的車輛行駛路面；

(4)傳動(dòng)軸動(dòng)平衡不良或傳動(dòng)軸萬向節(jié)夾角的因素；

(5)變速器或差速器齒輪嚙合問題；

(6)離合器或制動(dòng)器接合/分離問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致曲軸輸出扭矩波動(dòng)，這種扭矩波動(dòng)進(jìn)而被傳到傳動(dòng)系；同時(shí)，它又作為一種反力作用在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。例如：四缸發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)兩次扭矩波動(dòng)，屬二階振動(dòng)(振動(dòng)頻率=轉(zhuǎn)數(shù)×2)；六缸發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)三次扭矩波動(dòng)，屬三階振動(dòng)(振動(dòng)頻率=轉(zhuǎn)數(shù)×3)； 每一轉(zhuǎn)發(fā)生n次的振動(dòng)叫做n階振動(dòng)。將n乘以轉(zhuǎn)數(shù)便可以計(jì)算出振動(dòng)的頻率。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，這種扭矩波動(dòng)是不可避免的，但發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)越多或轉(zhuǎn)速高，可以減少這種波動(dòng)。總之，振動(dòng)頻率越高，振幅就越小，二階以上振動(dòng)可以忽略不計(jì)，而一階振動(dòng)形式占整個(gè)振動(dòng)的70%以上，是振動(dòng)的主要來源。

振動(dòng)的表示方法一般用振幅“大、小”或頻率“高、低”來表示，如圖12所示。

圖12 振幅表示振動(dòng)大小示意圖

它的快慢程度用頻率表示。即使振幅相同，通常因頻率不同而對(duì)振動(dòng)的感覺不同，所以，車輛振動(dòng)的幅度常用加速度單位表示， 振幅、頻率、加速度關(guān)系如圖13所示。

圖13 振動(dòng)系統(tǒng)表示振幅、頻率、加速度關(guān)系

如果方向盤在旋轉(zhuǎn)方向上大約1cm的振幅內(nèi)振動(dòng)，而且頻率是低的，那么方向盤的顫動(dòng)緩慢，手感到的是小的，它加速度是小的。在同樣的情況下，如果頻率隨車速增加變大，方向盤的振動(dòng)變快，手感到的振動(dòng)是大的，加速度也是大的。因此，即使振幅相同，頻率越高，加速度變得越大。如果頻率相同，振幅越大，加速度也變得越大。

噪聲可以用振動(dòng)相同的方法聲波的振動(dòng)幅度和頻率來表示，如圖14所示。如果振幅變大，噪聲聲音變；，如果頻率變高，噪聲的音調(diào)變高；如果聲波的形狀不同，音色就會(huì)不同。噪聲的音調(diào)可以用頻率來表示，但是噪聲的聲壓大小是感覺上的東西，因此，不能只用振幅(聲音的能量)來表示，必需使用各種校正而引入聲壓級(jí)單位dB，來表示噪聲在聽覺上的感受。如圖15所示各種噪聲程度對(duì)應(yīng)的環(huán)境。

圖14 聲波振幅與頻率關(guān)系示意圖

圖15 不同噪聲程度對(duì)應(yīng)的環(huán)境 （未完待續(xù)）