2010年宝马M3高速时振动

◆文/北京 任贺新

故障现象

一辆2010 年生产的宝马M 3，搭载S65B40A 型V 8发动机，VIN码为WBSPM9109BE19＊＊＊＊，行驶里程为200 000km。该车初始故障为挂挡不走车，变速器报警。拖车到店以后，修理工拆下变速器总成并进行解体维修，修复后试车时发现在高速行驶时加速出现异常振动。

高速行驶过程中在座椅、脚踏板等位置能感受到明显振动，此时加速会明显感觉到振动感增强，且车速超过80km/h后加速振动感最强，车速120km/h仍保持加速时，有明显的嗡鸣声，耳朵会有压迫感，此时车内人员甚至听不清对方讲话的声音。

故障诊断与排除

导致加速振动的原因有很多，如半轴、传动轴、发动机液压支撑故障等。传统的诊断方法是依靠经验或感觉，技师通过手、脚或身体感知振动，由于人的敏感性不同，往往分析出的结果也不一样。科学的方法是通过NVH分析进行诊断。NVH是噪音、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)的英文缩写。笔者使用的是PICO示波器的NVH套装，它可以测量振动的幅度和频率，并根据检测的频率反推故障点，具体的连接方式如图1所示。

采集振动信号的部件是加速度传感器，它的头部带有磁铁，可以吸附在铁质部件上。振动信号传递至NVH检测盒，并被转化成电压信号。加速度传感器可以检测X、Y、Z轴三个方向的振动量，因此需要三个通道(图1中的蓝、红、绿线)分别传递振动信号。示波器接收电压信号，将其转化为图像的形式，最终在电脑上显示出波形。

上面讲的是振动量的采集过程，仅凭这一点无法进行故障诊断，还需要计算振动发生时车辆上各个旋转部件的工作频率，例如轮胎、半轴、传动轴、发动机等部件，那这些信息又是怎样计算出来的？

将ELM327插在汽车的OBD诊断口，读取发动机转速和车速信号，并传递给笔记本电脑。电脑上安装的Pico Diagnostics软件将根据转速和车速信号，结合车辆配置信息，就能计算出各个旋转部件的工作频率。

计算过程非常简单，下面举例说明。

1.曲轴的旋转频率

公式中，发动机转速的单位是r/min，假设发动机转速为6 000r/min，1min包含60s，那么曲轴1s旋转100r，则曲轴旋转频率为100Hz。E是Engine(发动机)的缩写。

2.轮胎的旋转频率

公式中，轮胎周长C=πd(d是轮胎直径，单位是cm)，车速的单位是km/h，轮胎转速的单位是r/min。T是Tyre(轮胎)的缩写。

由于半轴、制动盘以及轮胎的旋转频率相同，因此这种分析方法只能锁定大概的故障范围，而无法精确定位故障点。

3.传动轴的旋转频率

对于后驱或四驱车型，分析故障时还得考虑传动轴的旋转频率，传动轴旋转频率的计算公式是：P=T×后轮差减速器传动比。

公式中，T是轮胎的旋转频率，P是Propshaft(传动轴)的缩写。

这样，我们每项频率我们就会有两个数值，一种是通过实际测量获得的振动频率(实际值)，另一种是通过计算获得的各旋转部件的频率(理论值)。将实际值与理论值进行比对，从而反推出故障范围。

具体到本案例中的故障车，由于是在驾驶员座椅处感受到比较明显的振动，因此将加速度传感器吸附在驾驶员座椅的导轨上，在车速达到80km/h左右再加速时测量到的振动数据如图2所示。

在图2中，纵坐标表示的是振幅，其单位是g或mg，描述的是加速度(重力加速度g为9.81m/s²)。振幅越大，说明振动强度就越大，一般振幅超过20mg，人体就能感受到明显的振动了。横坐标表示的是频率，是指单位时间(1s)内振动的次数，单位是赫兹Hz，如果1s内振动1次，其振动频率就是1Hz。频率越高，1s内振动的次数越多。

从图2中可以看出，在车速77km/h、发动机转速2 014r/min时，在驾驶员座椅处检测到的振动频率为34.1Hz，幅值为56mg，同时出现以34.1Hz为倍数递增的谐振。而软件计算出的理论振动频率也是34.1Hz，与实际值一致。因此，自动标注了E1～E4阶次的振动。需要解释的是：每旋转一周中发生“n”次的振动叫做“n”阶次振动，例如E2振动代表曲轴每旋转一周，发生2次振动。

一般，引起发动机产生异常振动的原因有两个方面：发动机自身存在故障，如平衡轴位置错误；发动机至车身的缓冲装置工作不良，即发动机液压支撑损坏。

将故障车举升后进行检查，发现发动机液压支撑已经损坏(图3)，内部橡胶部件开裂并完全分离，造成发动机位置下沉，压在了前悬架的平衡杆上了(图4)。

更换一对发动机液压支撑后，信心满满地出去试车，结果故障依旧。将车速提升至80km/h左右时，依然能感受到很强的振动。连接NVH套装测量振动频率，分析结果显示是振动来自于发动机。这是怎么回事？难道新换的液压支撑是副厂件？

冷静下来继续分析，在车辆加速、减速过程中，我们注意到一个细节，车速较低时故障频率与发动机一阶振动并不一致，但随着车速的提升，它们的频率才越来越接近，车速达到80km/h以上时，两者才重叠在一起。这个神秘的振动频率是哪个部件引起的？经仔细观察，发现其频率大约是轮胎旋转频率的3倍，存在这种传动比关系的只能是传动轴。

查询维修手册发现，该车后轮差速器的传动比是3.15，将该数据输入Pico Diagnostics软件，计算结果如图5所示。车速59km/h时，传动轴一阶振动P1的频率为26.8Hz，发动机一阶振动E1的频率为37Hz，P1比E1小了10.2Hz，两者并不重叠。此时P1振幅为40mg，P2振幅为90mg，明显超出正常范围。

随着车速提升，P1的频率逐渐升高，车速达到80km/h以上时，P1和E1频率重叠。例如图6中车速为94km/h，发动机转速为2 463r/min，P1和E1频率一致。

再次举升故障车，并拆掉排气管和隔热板，观察故障车的传动轴，其结构如图7所示。传动轴将来自前端变速器的转矩传递到后轮主减速器。为避免较长的传动轴由于弯曲而产生振动，将其分成两段并在分开位置用轴承进行支撑。当车辆在道路上行驶时，车桥会上、下运动，为了适应变速器和主减速器相对位置的变化，需要使用万向节和可轴向伸缩的滑动节。

这款传动轴上安装了3个万向节、1个滑动节和1个中间轴承。前端是一个多角型橡胶万向节，可以吸收传动系统的振动和扭转冲击，获得更加平稳的传动效果。中间是滑动节、中间轴承以及虎克式万向节(图8)，滑动节让传动轴实现长度的变化，中间轴承用球轴承来支撑轴，它安装在橡胶垫中，以吸收传递到车身上的振动。虎克式万向节结构紧凑，机械效率高，但这是一个不等速万向节，每旋转一周会发生两次输出转速波动。后端是一个球笼式等速万向节，它可实现较大的传动夹角，并且输入和输出之间不会产生转速波动。

让一名维修技师坐在车内，在举升状态将车辆加速至80km/h，笔者在故障车下方观察时发现，传动轴后端和后轮差速器处振动最明显，因此怀疑传动轴后端的球笼式等速万向节损坏。拆下球笼式等速万向节(图9)，发现其内部已经卡死，外圈和内圈的角度不能变化。

更换球笼式等速万向节后，重新试车，故障车上的异常振动明显消失，该车故障被彻底排除。

维修小结

本案例中，在诊断过程中发现，当发动机怠速(626r/min)、挡位处于D挡、车速为0时，在故障车驾驶员座椅上采集到的振动波形如图10所示，从中可以看出，此时检测到接近30mg的E4振动。怠速状态下的这种振动异常，就是由液压支撑损坏所引起的。为什么会是E4振动呢？对于单个汽缸来说，曲轴每旋转两周，汽缸做功一次，该车装配V8发动机，也就是说曲轴每旋转一周，有四个汽缸共做功四次。这就是E4振动的来源。

本案例中，为什么故障车车速80km/h以上加速时，传动轴和发动机的振动频率趋于一致？通过查询资料发现，该车装配7速双离合自动变速器，其中7挡的传动比为1，即直接挡。车速80km/h以上时变速器正好处于7挡，此时相当于发动机直接连到传动轴上，因此两者转动的频率相同。

最后，本案例中故障现象中提到的“嗡鸣声”，一般是由传动轴的振动引起的。车辆高速驶入隧道，或爬升至较高海拔时，我们常常会感到双耳不适，这是因为耳膜会因周围压力的突然变化而感受到向内或向外的力。令人不适的嗡鸣声会使人体产生相似的感受，因为此时车内的空气发生了剧烈的波动。

嗡鸣声分为低速、中速以及高速三种。低速嗡鸣声一般是车速在50km/h以下产生的，频率范围一般为30～60Hz；中速嗡鸣声一般是在车速处于50～80km/h的范围内产生的，频率范围一般在60～100Hz；高速嗡鸣声一般是在车速80km/h以上产生的，频率范围为100～200Hz。低速和中速行驶中令人不适的嗡鸣声是一种持续时间长、声音较小的噪声，没有方向性，很难听到，感觉更像是耳内出现了压力，此时人体往往只会感受到小幅振动。高速行驶时令人不适的嗡鸣声是一种持续时间长，没有方向性的嗡嗡声，会引起双耳的不适感。