车辆噪音和振动的检修

文/广东 汪俊

振动和声音本质上是相同的，声音是空气的振动，振动与声音同样都能以“波”的形式表示。本文介绍了关于车辆噪音与振动的基础知识；分析了常见的几种车辆噪音和振动的发生原理；以丰田凯美瑞故障案例诊断过程为基础，总结了车辆噪音和振动诊断的一般思路和方法。

一、振动源

噪音是由于车身的振动产生。如低频噪音、冲击音等。异响是车厢内、外物体与物体接触产生。如刹车鸣响、风切音等。本文介绍的是车辆噪音，暂不考虑车辆异响。

振动源产生振动，通过共振系放大，再通过传达系传播到振动体(图1)。如果振动体是车身，坐在车上或用手触摸车体就会感觉到振动。振动体振动也能发出声音，如果发出的声音频率在人耳可听到的频率范围，这就是噪音。

振动源就是使物体发生振动的强制力，是振动的根源。在汽车上振动源多种多样。主要是扭力变动产生的振动和旋转部件的不平衡离心力产生的振动。如发动机的爆发压力(扭力变动)、轮胎不平衡产生的离心力等。以下介绍几种常见的振动源。

1.发动机的爆发压力(扭力变动)导致的曲轴振动(图2)

发动机1个汽缸燃烧做功1次，曲轴扭力变化1次，振动1次。这种振动是恒定存在的。当加油时，扭力变动变大时，振动也会相应加大。

2.车轮振动

(1)轮胎不平衡导致的振动有两种。轮胎静不平衡：在离心力的作用下轮胎上下振动(图3)；轮胎动不平衡：旋转时两个重的部分产生离心力，2个离心力形成一个力矩，使车轮左右振动(图4)。

(2)车轮跳动量过大导致振动(图5)。轮胎旋转中心偏离、旋转时纵向跳动过大也会造成车轮振动。轮胎或轮毂外形失常，旋转时横向跳动过大也会造成车轮振动。

(3)轮胎刚度不均匀导致振动。轮胎由橡胶胎体、带束层等材料在圆周上分布而产生。轮胎在路面上每旋转1周，承受力呈周期性变化，导致车轮上下振动。

3.传动轴旋转时产生振动

传动轴质量分布不平衡(图6)、传动轴中间支撑偏离、传动轴后端差速器主动齿轮法兰盘纵向跳动和横向跳动过大(图7)，使得传动轴旋转1周，振动1次。传动轴的十字轴万向节扭力变动为传动轴旋转次数的2倍。

二、振动体

所谓振动体(发音体)就是振动或声音产生的部位。汽车上指的是车体、方向盘、车身铁板等。

三、车辆振动和噪音发生原理分析

在各频段中，车辆常发生的振动和噪音频率分布(表1)。

1.振动(shake)

车辆行驶中，车体、方向盘上下或者左右颤抖，多由车轮原因导致。例如，轮胎质量静不平衡时旋转产生离心力，使车轮上下振动，该振动通过悬架传递到车身。振动频率计算方法为：

当车速到达特定的范围时，振动频率接近车身或方向盘等固有频率时，就会产生共振。另外，振动也通过悬架传达到发动机，放大发动机的振动，再传递到车身各部位，进一步加剧车身的振动。产生扭转振动(图8)和扭曲振动(图9)。振动故障检修时，要重点车轮的检查和共振系各部位的紧固。

2.颤动(Flutter)

车轮质量动不平衡时，在离心力的作用下产生力矩，使车轮左右剧烈振动，频率一般为5～15Hz左右。该振动传递到方向盘，特定车速时，车轮振动频率与方向盘固有频率接近时，与其发生共振，方向盘剧烈抖动。此时，转向轴为弹簧，方向盘为振动体(图10)。

表1 振动、噪音在频段上的分布

3.低频噪音

低频噪音是发动机振动或驱动系振动传送到车身，产生的振动。是一种不易形容的“嗡嗡”声音，但耳朵感觉有种压迫感。类似于，登上高山或坐车进入隧道

时，空气的压力忽然变化，耳膜就有外推或内压的感觉。低速时产生的音频为30～100Hz；高速压为100～200Hz，随着车速变化。低频噪音与驾驶室共鸣时，低频噪音将被增大(图11)。固体包围气体，气体作为振动体，当振动体固有频率与外部来的声音频率接近时，声音被放大，产生共鸣。

(1)万向节扭力变动产生低频噪音

特定车速时，扭力变动频率与驱动系固有频率接近时，驱动系共振。振动经发动机后支撑脚、传动轴中间支撑轴承、后悬挂的衬套分别传递到车身，使车身振动产生低频噪音(图12)。当十字轴式万向角发生故障时(主要是安装位置不当)，扭力变动加剧。振动频率计算方法为：

(2)传动轴的不平衡导致的低频噪音

传动轴不平衡，高旋转时，离心力使驱动系弯曲振动。驱动系的振动经由发动机支撑脚、中间支撑轴承及后悬挂的衬套分别传递到车身，使车身振动产生低频噪音(图13)。振动频率计算方法为：

(3)发动机扭力变动产生的低频噪音

发动机扭力变动产生振动，通过发动机支撑脚传递到车身，造成车身共振，低频噪音产生。检修时，发动机悬置各部位紧固，要重点检修。振动频率计算方法为：

(4)于排气管振动产生的低频噪音

由于发动机振动和排气脉动，使排气管产生共振，经过O型橡胶圈、消声器夹钳等传达到车身，使车身振动产生低频噪音。排气管细而长，容易产生振动。这种情况下，顺序将排气管O型橡胶圈、消声器夹钳卸下，能切断传递途径，便能确认车身的振动由那里传来了。

(5)排气音透过产生的低频噪音

排气脉动音透过车体地面进入车室内，与车室共鸣产生低频噪音。这种情况下、因为噪音的传达是由于空气的振动来进行，所以不能通过顺序将排气管O型橡胶圈、消声器夹钳卸下，来确认车身的振动由那里传来了。

(6)发动机吸气音的透过产生的低频噪音

吸气脉动音进入驾驶室内，与驾驶室共鸣产生低频噪音。

(7)辅机类的共振而产生的低频噪音

安装在发动机上的辅机装置(交流发电机、动转向油泵、A/C 压缩机等)安装支座的刚度低时。

①发动机振动与辅助装置固有频率接近时，产生共振，该振动通过发动机悬置传送到车身，使车身振动产生低频噪音。交流发电机或A/C压缩机多直接安装到缸体，容易产生低频噪音。检查时要注意各部件安装的紧固情况。

②由于辅机类的旋转不平衡，产生离心力，使其振动，与安装支座、发动机产生共振，振动经过发动机悬置传送到车身，使车身钢板振动产生低频噪音。

4.冲击音

“喔喔”的声音大小周期性的变化，象波浪的拍打。随着车速的提高、重复也会加快。喔喔”的次数1s内2～6次左右容易感觉到。

冲击音产生的基本条件和原理(图14)。冲击音产生的基本条件是，有两种声音的存在。A、B两种声音的频率仅有很少的差异，A频率－B频率＝冲击频率(Hz)，2～6Hz左右最容易感受到。

①电风扇的扇叶不平衡与发动机扭力变动。电子扇的扇叶不平衡，使其振动产生噪音。发动机扭力变动使发动机各部位振动产生噪音。当车速到达特定范围时，发动机振动频率与电子扇振动频率相差2～6Hz时，合成为冲击音。

②其它冲击音的振动源。如发动机扭力变动与传动轴十字轴式万向节的扭力变动、发动机扭力变动与传动轴十字轴式万向节的扭力变动、曲轴不平衡与传动轴不平衡等。

低频噪音和冲击音发生同时往往伴随着振动。

四、故障案例

一辆丰田凯美瑞装配2AZ-FE发动机，采取FF驱动形式，已行驶1845km。客户反应，车辆行驶时，方向盘和座椅会“喀嗒”、“喀嗒”响，并伴有振动。有时和空调系统的运行相关联。

接到车后启动车辆，开空调，方向盘和座椅会“喀嗒”、“喀嗒”响和振动；关空调，响声和振动消失。但运行一段时间后，关空调依然存在。发动机转速在1150r/min附近振动更加明显。发动机停驶时发生，与驱动无关，能排除传动系原因；与发动机或其辅助装置有关。发动机转速在1150r/min附近振动更加明显，应在此转速范围产生共振。

检查发动机悬置情况、安装紧固状况、辅助装置紧固状况，未发现异常。拆下发动机驱动皮带，振动未消失。故障发生时，用听诊器听诊发动机及辅助装置(交流发电机、空调压缩机)，未发现异常。故障可能不在发动机辅助装置。在驾驶员座椅轨道右前侧螺栓上安装振动计(VA11)探头，进行振动频率测定，测定振动频率在38Hz，振动频率与发动机转速变化无关。

将测量的振动频率38Hz换算成转速：38Hz×60＝2280r/min，考虑到散热风扇(该车有2个)高速旋转时的转速是2140±125r/min(标准范围)，测量的振动频率与散热风扇的旋转频率接近。那么，推测是散热风扇的剧烈振动传递到了车身。

振动发生时，用丰田诊断仪的主动测试功能启动散热风扇高速运转，故障现象发生；散热风扇停止，故障停止。考虑到散热风扇还有低速运转，我们将散热风扇设定到低速运转，振动也发生，此时测得的振动频率为20Hz。将测量的振动频率20Hz换算成转速：20Hz×60＝1200r/min，与散热风扇低速运转速度1070±125r/min(标准范围)接近。确定振动源为散热风扇。拔左侧风扇相应的继电器(风扇1号继电器)，振动消失，插回再现。进一步确定，振动源是左侧散热风扇本身。更换后，故障消失。

故障排除后，分析故障原因。左侧散热风扇的不平衡，产生剧烈振动，该振动通过车身传递到方向盘和座椅。开空调散热风扇低速运转，方向盘和座椅会“喀嗒”、“喀嗒”响和振动，这时是20Hz的振动频率。关空调，风扇停止，嗒响和振动消失。当发动机转速在1150r/min附近时，发动机扭力变动频率为1150×2/60=38.3Hz，与散热风扇高速运转时的频率接近。发动机与散热风扇产生了共振，所以此时感觉振动更加明显。

五、总结

1.振动、噪音类故障的排除思路

车辆振动和噪音故障诊断过程，就是振动源的查找过程。找到振动源，再分析振动传播的过程。原则上优先查找振动源，再依次是共振系、传达系。

2.振动源的查找方法

(1)如果发动机空转发生，与驱动无关，振动源可能在发动机及其辅助装置。拆卸发动机驱动皮带，故障消失，振动源可能在发动机辅助装置。反之，在发动机本身。如果振动源在发动机本身，振动频率一定与发动机转速有关。

测量振动频率，对照旋转部件(发动机曲轴、交流发电机、空调压缩机等)的旋转频率，看是否对应。如果能对应，振动源一般就是该旋转部件。

(2)如果振动和噪音与车速有关

惯性驱动时发生，与扭力变动无关，因为这时的驱动力小，扭力变动小。振动源一般为汽车传动系旋转部件不平衡振动(发动机曲轴不平衡、传动轴不平衡、车轮不平衡、差速器不平衡、传动轴不平衡等)，再举升车辆，故障消失，振动源在车轮，故障仍在，再脱开传动轴，故障消失，振动源在传动轴，故障仍在，振动源在传动轴之前。脱开传动轴，故障消失，振动源在传动轴和差速器，故障仍在，振动源在传动轴之前。

惯性驱动时不发生，大负荷驱动时发生，也就是只在汽车传动系扭力变动大时发生，说明振动源为汽车传动系扭力变动(发动机、传动轴十字轴等)。

测量振动频率，对照旋转部件(发动机曲轴、传动轴等)和扭力变动的频率，看是否对应。如果能对应，振动源一般就是该部件。

3.诊断工具

在锁定的可能范围内，进行必要基本检查。先用听诊器辅助，锁定故障范围。再用噪音仪辅助(图15)，锁定故障部件。听出大概发生的部位后，用噪音仪距离约10cm检测，确认哪个位置的声音最大，再以更短间距用噪音仪听取声音。声音最大的部位就是音的产生部位。

故障发生条件确认时，注意发动机工作条件、附属设备的工作状况(空调，转向助力泵、ABS泵等)、外界环境(路面状况、天气等)等因素。