PicoDiagnostics檢測實(shí)例：瑪莎拉蒂NVH診斷

PicoDiagnostics檢測實(shí)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(dòng)機(jī)代碼M139R，車主稱該車在靜止和行駛過程中乘客艙和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 450～1 700r/min之間振動(dòng)很明顯，在1 600r/min時(shí)振動(dòng)最為強(qiáng)烈。

車輛振動(dòng)分析與檢測

根據(jù)該車主所描述的癥狀，我們認(rèn)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(dòng)與聲振粗糙度，是用來衡量汽車制造質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)）。為此，我們拿出PicoDiagnostics的NVH診斷工具，遵照NVH軟件的操作指引，對(duì)該車的振動(dòng)頻率和幅值進(jìn)行測量。需要指出的是，對(duì)車輛任何振動(dòng)的計(jì)算和分析都要基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)槠嚿纤修D(zhuǎn)動(dòng)部件的頻率都可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比/差速比和輪胎尺寸等參數(shù)計(jì)算得到。

在該案例中，車輛靜止時(shí)振動(dòng)來自發(fā)動(dòng)機(jī)，所以我們利用ELM數(shù)據(jù)線將發(fā)動(dòng)機(jī)速度輸入至NVH軟件中，通過計(jì)算確定振動(dòng)僅是由發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)，這表明振動(dòng)很可能與駕駛員所在的右側(cè)位置有關(guān)，因此，我們首先將用于振動(dòng)測量的加速度計(jì)安放在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)右側(cè)的組合板上進(jìn)行測量，如圖1所示，很快顯示了振動(dòng)頻率和幅值測量結(jié)果，在40.38Hz處超過了116mg，這無疑是一個(gè)異常的振動(dòng)峰值；將加速度計(jì)安放在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)左側(cè)的組合板上進(jìn)行測量，振動(dòng)值為61mg，遠(yuǎn)小于右側(cè)的振動(dòng)強(qiáng)度，可見問題的焦點(diǎn)在于右側(cè)的振動(dòng)。

圖1 加速度計(jì)的安裝位置及測量值

從圖2可以看到，最強(qiáng)振動(dòng)發(fā)生在“發(fā)動(dòng)機(jī)階次”為E1.5的位置。所謂發(fā)動(dòng)機(jī)階次，全稱應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)階次。在此我們以一臺(tái)四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例來解釋這一概念。首先，所有的振動(dòng)階次都以單位g（重力加速度）來進(jìn)行測量。我們正在研究的振動(dòng)級(jí)的振幅單位為mg（g的千分之一），振動(dòng)速度表示為Hz。

E1表示發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的第一階，是指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的振動(dòng)。E1振動(dòng)可以歸因?yàn)榕c發(fā)動(dòng)機(jī)速度相關(guān)的部件產(chǎn)生的，如飛輪和皮帶輪等。E2代表發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)。對(duì)于四沖程的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，曲軸每轉(zhuǎn)一周都會(huì)有兩個(gè)燃燒做功的過程（曲柄受到兩個(gè)沖擊），從而產(chǎn)生一個(gè)典型的高強(qiáng)度振動(dòng)E2。換言之，E2等級(jí)的振動(dòng)是由兩倍于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的燃燒過程或部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。E2代表了四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的最高級(jí)別。對(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，E3是最高級(jí)別的振動(dòng)；對(duì)于八缸發(fā)動(dòng)機(jī)，E4是最高級(jí)別的振動(dòng)。

圖2 振動(dòng)位置為“發(fā)動(dòng)機(jī)次”E1.5

當(dāng)然也有比E1低的振動(dòng)階次，譬如E0.5。在E0.5處檢測到的高振動(dòng)級(jí)可歸因于轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一半的部件，如凸輪軸等相關(guān)輔助零件。再回到本案例的車輛上，什么部件會(huì)導(dǎo)致發(fā)生異常的E1.5階振動(dòng)？我們怎樣才能找到噪聲源呢？通過上述對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)階次的介紹我們可以知道，E1.5階次的高振動(dòng)級(jí)應(yīng)該是三缸發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致的（如圖3中的幫助文檔所示），然而該車搭載的卻是一臺(tái)V8發(fā)動(dòng)機(jī)。以下是我們對(duì)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(rèn)：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和冷卻液液位符合標(biāo)準(zhǔn)；軟管、支架、線路線束和發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)清理、檢查。接下來，我們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸壓縮、汽缸功率平衡以及發(fā)動(dòng)機(jī)的排放分別進(jìn)行了測試，結(jié)果一切正常。之后，我們又將發(fā)動(dòng)機(jī)外圍傳送皮帶拆除，以消除發(fā)動(dòng)機(jī)外圍任何輔助驅(qū)動(dòng)部件對(duì)振動(dòng)可能產(chǎn)生的影響。但是，車輛的振動(dòng)依然很明顯，而且情況變得越來越嚴(yán)重。此時(shí)，我們需要查閱發(fā)動(dòng)機(jī)的原理圖，找出哪個(gè)部件以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1.5倍速度在旋轉(zhuǎn)，那么這個(gè)部件應(yīng)是在發(fā)動(dòng)機(jī)E1.5階次產(chǎn)生最高振動(dòng)級(jí)別的原因。

圖3 柱狀圖表示E1.5高級(jí)振動(dòng)及相關(guān)文檔

我們通過查閱發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖發(fā)現(xiàn)，該車的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較特殊。如圖4所示，機(jī)油泵位于遠(yuǎn)離正時(shí)齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)的右后方，一根端面為六角形的驅(qū)動(dòng)軸貫穿發(fā)動(dòng)機(jī)的前后，前端連接一個(gè)齒輪通過鏈條與曲軸正時(shí)齒輪連接，后端與機(jī)油泵連接，由正時(shí)齒輪帶動(dòng)六角形驅(qū)動(dòng)軸完成對(duì)機(jī)油泵的驅(qū)動(dòng)。觀察機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)齒輪和曲軸正時(shí)齒輪之間的關(guān)系，我們可以確定其傳動(dòng)比為1：1。這樣的比值應(yīng)該會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)一階（E1）時(shí)產(chǎn)生基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，當(dāng)然也可能會(huì)產(chǎn)生其他振動(dòng)（諧振），這主要取決于傳遞到機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)軸和組件上的振動(dòng)。由此我們聯(lián)想到四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的E1和E2：E1是基礎(chǔ)振動(dòng)，E2是E1的諧振，由發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒做功沖擊傳到曲軸上導(dǎo)致。

圖4 油泵驅(qū)動(dòng)裝置

工作進(jìn)行到此，盡管我們還不能確定機(jī)油泵這個(gè)區(qū)域是該車問題的出處，但是我們可以利用加速度計(jì)（就像一個(gè)聽診器一樣）搜索發(fā)動(dòng)機(jī)周圍振動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，逐步鎖定故障的根源。毫無疑問，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fèi)用。

在發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸之前，我們最好利用已經(jīng)獲得的測試結(jié)果對(duì)故障進(jìn)行診斷和分析。因?yàn)橐坏┌l(fā)動(dòng)機(jī)被拆卸下來，我們再想復(fù)原這個(gè)故障就很難了。記錄相同位置處修理前后的振動(dòng)級(jí)（幅值）會(huì)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(gè)人對(duì)同樣振動(dòng)的敏感程度都不盡相同。

我們知道，產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)需要一個(gè)具備激振力的振動(dòng)源（如發(fā)動(dòng)機(jī)），一個(gè)傳輸路徑（如排氣裝置），以及一個(gè)振動(dòng)元件（如車身）。對(duì)本案例中的這輛汽車而言，激振力源自發(fā)動(dòng)機(jī)，最可能的傳輸路徑則是排氣管路。于是，我們將加速度計(jì)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(jìn)行振動(dòng)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(dòng)。而機(jī)油泵的位置位于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)的座位位置（在車輛右側(cè)），結(jié)合前面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙左右側(cè)組合板振動(dòng)的測試以及對(duì)排氣管路振動(dòng)的測試，我們不難發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，即車輛左側(cè)產(chǎn)生的振動(dòng)級(jí)都遠(yuǎn)小于右側(cè)產(chǎn)生的振動(dòng)級(jí)。我們可以斷言，即使不用測試，我們也可以肯定將加速度計(jì)安裝在左側(cè)面板產(chǎn)生的振動(dòng)級(jí)一定比右側(cè)面板產(chǎn)生的振動(dòng)級(jí)低。這就是Pico NVH工具的優(yōu)點(diǎn)所在，它能夠?qū)崿F(xiàn)快速精確的振動(dòng)測量而不帶任何假設(shè)。

為了減少這種振動(dòng)，我們該將關(guān)注的重點(diǎn)放在哪里？車身是振動(dòng)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(dòng)水平；排氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的傳輸路徑，但它只是簡單的傳遞來自發(fā)動(dòng)機(jī)的多余振動(dòng)。因此，我們最終還是需要通過處理振動(dòng)源——發(fā)動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的治理。

圖5 在排氣管路上測量E1.5階次的振動(dòng)幅值

進(jìn)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(shí)會(huì)有振動(dòng)，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(dòng)的最高水平；在E1.5處發(fā)生最高振動(dòng)水平；發(fā)動(dòng)機(jī)線束、管道、電纜及車體等各處沒有異?；蛭廴荆粵]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(dòng)（外圍傳動(dòng)皮帶已經(jīng)拆卸）；機(jī)油泵的位置可以測到最高的振動(dòng)（油底殼的后右側(cè)）。

圖6 機(jī)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(jī)油泵組件在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行下一步的振動(dòng)測量，這也充分說明在故障定論前進(jìn)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(jìn)行必要的安全性檢查（如螺栓扭矩檢查、是否有明顯的運(yùn)動(dòng)干涉痕跡檢查等），我們將機(jī)油泵和驅(qū)動(dòng)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(dòng)問題，所以我們將機(jī)油泵分解并進(jìn)行了必要的磨損測量：泵殼體及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間、驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子間的間隙測量，測量結(jié)果表明全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 泵殼體及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的測量

圖8 驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的測量

圖9 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子間的間隙測量

由于機(jī)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(dòng)軸上。查看六角泵驅(qū)動(dòng)軸兩邊的安裝點(diǎn)位置，我們能夠清晰的看到驅(qū)動(dòng)軸上的磨損標(biāo)記（圖10），這是由于油壓產(chǎn)生時(shí)來自正時(shí)齒輪的驅(qū)動(dòng)力和油泵的反向推力共同作用導(dǎo)致。這兩種相對(duì)的力最后導(dǎo)致油泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)及機(jī)油的密封增壓。六角形驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之前，會(huì)有過度的自由轉(zhuǎn)動(dòng)（反沖），這將造成六角形驅(qū)動(dòng)軸的磨損和變形，如圖11所示。六角形驅(qū)動(dòng)軸兩端驅(qū)動(dòng)面的磨損標(biāo)記分別代表了驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動(dòng)軸與正時(shí)齒輪之間不同的接觸區(qū)域。

圖10 驅(qū)動(dòng)軸上的磨損標(biāo)記

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

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

圖12 測量1 600r/min時(shí)的振動(dòng)情況

為徹底修復(fù)故障，應(yīng)整套更換機(jī)油泵、六角形驅(qū)動(dòng)軸和正時(shí)齒輪，但基于維修成本的考慮，客戶只同意更換機(jī)油泵和六角形驅(qū)動(dòng)軸（如果更換正時(shí)齒輪，需要進(jìn)行正時(shí)鏈條的拆裝，這將大大增加維修工時(shí)成本）。我們按照客戶的要求進(jìn)行了部件的更換并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新組裝，維修后的六角形驅(qū)動(dòng)軸和機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間只有很小的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙量，這保證了驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)會(huì)瞬間轉(zhuǎn)移到機(jī)油泵。我們運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)并將加速度計(jì)放置在相同的位置再次測量1 600r/min時(shí)的振動(dòng)情況，如圖12所示。

圖11 六角形驅(qū)動(dòng)軸的磨損

總結(jié)

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

實(shí)踐表明，正是由于驅(qū)動(dòng)軸的磨損、驅(qū)動(dòng)軸與機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子之間的間隙等這些因素導(dǎo)致了過度的E1.5階發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的產(chǎn)生。車輛修復(fù)之后，我們對(duì)本次維修作業(yè)進(jìn)行了反思：如果在修理前后使用WPS5000壓力傳感器分析發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力的波動(dòng)將會(huì)看到什么情形？我們是否能夠看到由于油泵驅(qū)動(dòng)軸的磨損而導(dǎo)致在1 600r/min時(shí)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(dòng)。

（供稿：廣州虹科電子科技有限公司）