车辆底盘噪声与振动故障的诊断与检测(一)

◆文/山东 焦建刚

焦建刚(本刊编委会委员)

现任山东东方优速特汽车服务连锁有限公司总工程师，山东交通学院客座教授;曾任博世山东培训基地主任。对当代汽车故障诊断以及电子控制系统波形有较深入的研究，著有《图解汽车波形分析与诊断应用》等书。

随着汽车进入家庭，消费者对汽车的品质要求逐渐上升，对乘坐的舒适性要求也日益提高，其中，汽车行驶中产生的噪声也成了人们关注的焦点。技术状况良好的汽车，运转中仅能听到均匀的胎噪声和轻微的风噪声，这是正常响声。如果汽车在运转中出现异常响声，即异响，表明有关部位出现了故障。对于有异响的汽车底盘、车身部分，应根据故障现象，分析产生的原因，找出异响的部位，准确地将其诊断出来。

本文主要讲述汽车底盘噪声及振动的几种表现形式，噪声及异响的影响因素和诊断条件，以及常见异响的诊断方法。

一、概述

汽车底盘的噪声主要是传动系统、转向系统、行驶系统发出的轮胎噪声，以及制动时制动器发出的高频鸣叫声或尖叫声，如图1所示。本文主要以动力传动系统、转向系统、悬架系统、制动系统的噪声分析来讲述。

图1 底盘噪声及异响来源

动力传动系统是将发动机发出的功率传递给车轮并带动汽车运行的系统。图2所示的后轮驱动的动力传动系统，包括离合器、变速器、传动轴、支撑轴承和万向节、驱动桥、主减速器、差速器、半轴等。

图2 汽车传动系统组成

动力传动系统的振动源有变速器、分动器、传动轴、驱动桥、半轴和万向节等。图3所示为一个变速器的解剖图。变速器里面有很多齿轮，通过不同齿轮之间的啮合，传动轴以不同的速度旋转，从而使得车轮的运转速度变化。这些齿轮之间不可能完美的啮合，因此会产生振动。同样，在驱动桥内部和分动器中，动力的传递和分配也是靠齿轮啮合进行的，同样齿轮啮合不好就会产生振动。传动轴和半轴都是旋转运动部件，当轴系的质心与旋转中心线不重合的时候就会产生离心力，而这些额外的离心力会将振动传递到车身上。另外，从变速器到半轴组成一个整体的系统，当这个系统的弯曲和扭转频率与发动机的激振频率一致的时候，系统会发生共振。当轴系用十字轴式刚性万向节连接时，由于被动轴的角速度不均匀，所以会发生2阶振动。

图3 变速器解剖图

动力传动系统的噪声源有变速器、分动器、驱动桥和传动轴等。变速器、分动器和驱动桥内都是靠齿轮啮合来传递动力和改变速度的，这些齿轮啮合不好不仅产生振动，而且会发出噪声。另外，传动轴在运转过程中也可能发出噪声。

车辆停止，手动变速器的变速杆位于空挡，离合器处于结合状态，这时变速器会发出“嗒嗒”的敲击声，这种噪声被称为怠速敲击声，如图4所示。

图4 变速器敲击噪声

若将离合器断开，或使发动机转速升高，这种敲击声将消失。为了降低怠速敲击声，常用的对策是在离合器上加装具有一定扭转刚度和摩擦力的垫片，以便调节摩擦力。如离合器本身存在故障或扭转减振性能不良，则容易出现变速器敲击声。2000年至2010年代之间的丰田柯斯达中巴曾经因为中间轴支撑轴承(滚柱轴承)故障，因异响返修。其中也有部分车辆出现了离合器不良导致的“嗒嗒”异响，更换改进后的离合器后，异响消失。

动力传动系统是通过轴承和隔振器与车体相连接的。传动轴上安装有轴承，一方面是支撑轴系，另一方面是提高系统的固有频率。在驱动桥、变速器和功率分配器上安装着隔振器。隔振器有两个作用，一是支撑系统，二是减小振动。这些轴承和隔振器一边连接动力传动系统，另一边连接车身，这样动力传动轴系的振动会通过这些轴承和隔振器传递到车厢内。轴承和隔振器是振动与噪声的传递通道，因此这些通道的隔振设计非常重要。车内感觉到的噪声主要有传动轴系旋转阶次引起的轰鸣声(boom)，与发动机发火阶次有关的呼啸声(moan)，齿轮啮合引起的单频噪声，以及一些碰撞噪声。车内感觉到的振动主要有车底板的振动、方向盘的振动和座椅的振动。

通常，后轮驱动轴系的振动与噪声比前轮驱动轴系要严重些。因为后轮驱动必须用比较长的传动轴，而前轮驱动的传动轴比较短，甚至没有前传动轴。所以前轮驱动的轴系频率比后轮驱动的轴系频率要高，比较难得被激励起来。全轮驱动的振动与噪声包括了前轮和后轮驱动的特征。

传动轴有万向节夹角的状况下，传动轴每旋转一次都会出现两次扭力波动。如果万向节夹角增大，这种扭力波动也更大。按照一定车速，这些扭力波动使驱动系统产生振动，这些振动传递到后悬架衬套或弹簧，引起车身板振动，导致车身噪声，如图5所示。

图5 传动轴振动与噪声

传动轴的振动主要是因不平衡及旋转时有弹性弯曲变形造成的，一般情况下，传动轴的不平衡会影响一阶次振动(也称一级振动)。阶次是指旋转部件每旋转1圈，事件出现的次数，如图6所示。所谓的阶次是指转速对应的频率f的倍数，例如一阶次为f，二阶次为2f，依此类推。例如，带有1个高点的轮胎，每旋转一圈产生一次扰动，称为一阶振动(图7)。

图6 阶次的定义

图7 阶次振动的概念

有两个高点的椭圆形轮胎，每转一圈产生两次扰动。称为二阶振动。三个高点为三阶，以此类推。两个一阶振动的振幅可能会使扰动总振幅增加，也可能使其削减，但仅此而已。两个一阶振动不等于一个二阶振动。在离心力的作用下，失衡的部件总是会产生至少一个一阶振动。

例如，传动轴的转速为1800r/min，传动轴不平衡时，我们在车内将测量到1800/60=30Hz的振动峰值。当使用十字万向接头时，因其为不等速万向接头，当主动轴均匀转动一圈时，从动轴转速会由大到小、再由小到大变化2次，即从动轴的振动频率为主动轴的2倍(60Hz)，也就是二阶次振动。

传动轴不平衡而产生的离心力，使传动轴两端向外弯曲，绕轴中心线形成大圈。当然这种情况不会出现，因传动轴两端都是固定的。但是传动轴每旋转一圈，都会引起轴振动一次，振动力会造成传动轴弯曲。这种振动力通过发动机后支架，传动轴的中间支承、后悬架衬套传递到车身板，使车身板振动，产生车身声振噪声。

胎纹噪声为空气传音，它是轮胎在接触地面时，轮胎花纹沟部分的容积缩小，沟内的空气被挤出；而当胎面离开地面时，沟部的容积恢复，空气流入沟内。这样因空气流出，流入胎纹沟槽内而产生的噪声称为胎纹噪声，如图8所示，此噪声的频率会随车速增加而增大。

图8 胎纹噪声

轮胎/车轮不平衡的动态力，路面激励、发动机燃烧、发动机和传动系统旋转部件不平衡，以及其他部件的相对运动都会产生动态作用力，直接或间接传导车身，引起车身振动，并通过结构辐射噪声到车内。车内这样产生的噪声称为结构传播噪声(structure-borne oise)。对于轿车，结构振动和噪声主要频率范围一般是几十赫兹到几百赫兹甚至更高。空气传播噪声一般指车外轮胎一路面噪声和发动机系统噪声通过车身透射到车内。轿车内的空气传播噪声的主要频率范围一般是从几百赫兹到几千赫兹甚至更高。

对于车辆行驶到某一速度范围时，轮胎因不平衡产生的振动，我们可以通过振动分析仪来进行评价。一般情况下，当轮胎由于不平衡产生振动时，尤其是振动的频率与悬架系统固有频率一致时，会加剧振动的幅度，严重影响行驶安全与乘坐舒适性。对于车辆前轮不平衡产生的振动，直接的表象是方向盘摆动或抖动加剧，车辆后轮不平衡产生的振动，主要是车身有抖动感觉。车轮转动一圈，动不平衡引起的扭矩来回变动一次，故方向盘上得到的摆动频率与车轮转动频率一致；而轮胎不平衡对悬架造成的是上下方向的二阶振动。所以，在使用振动频谱分析仪对其进行检测时，会得到两个频率范围的峰值显示，一个是由于摆振造成的与车轮转动频率相同的摆振频率，另一个是由于共振导致的车轮转动频率2倍的振动频率峰值显示。

如车身或方向盘发生振动，而同时我们测得的振动频率是对应车速范围下的轮胎转动频率2倍时，即说明发生了轮胎不平衡的问题。因为，轮胎存在动不平衡时，轮胎旋转一圈，会产生2次激振，所以，轮胎振动频率是此时车轮转动频率的2倍；发生方向盘摆振时，方向盘的摆振频率与车轮转动频率一致，我们利用这一特性，即可迅速判断故障的原因。

首先，我们可以通过计算车轮的半径，将车速带入后，即可得到相应车速下对应的车轮转动频率，其具体计算方法如下。

车速换算成频率：

式中，f为转动频率(Hz)，va为车速(km/h)，r为车轮半径(m)。

以某车速为80km/h，车轮轮胎型号为215/60R15为例，求车轮的转动频率。

首先，计算轮胎半径r:

根据车速80km/h，代入上式中：

下面，我将轿车常用的子午线轮胎50、55、60、65、70系列的滚动频率列出，以供一线的技术人员使用。

根据表1~表5中列出的轮胎型号，再对应各自的车速范围，就可以得到各种型号轮胎在相应车速下的轮胎转动频率，这样，再根据振动测试仪的振动频率测量数据，就可以很快地得出轮胎是否存在故障的结论了。

表1 轿车用子午线轮胎50系列转动频率

表2 轿车用子午线轮胎55系列转动频率

表3 轿车用子午线轮胎60系列转动频率

表4 轿车用子午线轮胎65系列转动频率

表5 轿车用子午线轮胎70系列转动频率