PicoDiagnostics检测实例：玛莎拉蒂NVH诊断

PicoDiagnostics检测实例：玛莎拉蒂NVH诊断

车辆故障现象

一辆2010年生产的玛莎拉蒂总裁，发动机代码M139R，车主称该车在静止和行驶过程中乘客舱和发动机振动，发动机转速在1 450～1 700r/min之间振动很明显，在1 600r/min时振动最为强烈。

车辆振动分析与检测

根据该车主所描述的症状，我们认为这是典型的车辆NVH问题（NVH是Noise、Vibration、Harshness的英文缩写，意为噪声、振动与声振粗糙度，是用来衡量汽车制造质量的一项重要指标）。为此，我们拿出PicoDiagnostics的NVH诊断工具，遵照NVH软件的操作指引，对该车的振动频率和幅值进行测量。需要指出的是，对车辆任何振动的计算和分析都要基于发动机转速，这是因为汽车上所有转动部件的频率都可以通过发动机转速、传动比/差速比和轮胎尺寸等参数计算得到。

在该案例中，车辆静止时振动来自发动机，所以我们利用ELM数据线将发动机速度输入至NVH软件中，通过计算确定振动仅是由发动机引起的（ELM数据线使用J2534协议，通过OBD插口请求VIN、发动机及行驶速度数据）。

由于这是一辆右舵车辆，驾驶室的位置在右侧，车主能够感受到明显的振动，这表明振动很可能与驾驶员所在的右侧位置有关，因此，我们首先将用于振动测量的加速度计安放在发动机舱内右侧的组合板上进行测量，如图1所示，很快显示了振动频率和幅值测量结果，在40.38Hz处超过了116mg，这无疑是一个异常的振动峰值；将加速度计安放在发动机舱内左侧的组合板上进行测量，振动值为61mg，远小于右侧的振动强度，可见问题的焦点在于右侧的振动。

图1 加速度计的安装位置及测量值

从图2可以看到，最强振动发生在“发动机阶次”为E1.5的位置。所谓发动机阶次，全称应为发动机的振动阶次。在此我们以一台四冲程四缸发动机为例来解释这一概念。首先，所有的振动阶次都以单位g（重力加速度）来进行测量。我们正在研究的振动级的振幅单位为mg（g的千分之一），振动速度表示为Hz。

E1表示发动机振动的第一阶，是指发动机转速下产生的振动。E1振动可以归因为与发动机速度相关的部件产生的，如飞轮和皮带轮等。E2代表发动机的二阶振动。对于四冲程的四缸发动机而言，曲轴每转一周都会有两个燃烧做功的过程（曲柄受到两个冲击），从而产生一个典型的高强度振动E2。换言之，E2等级的振动是由两倍于发动机转速的燃烧过程或部件的旋转运动而产生的。E2代表了四冲程四缸发动机振动的最高级别。对于六缸发动机，E3是最高级别的振动；对于八缸发动机，E4是最高级别的振动。

图2 振动位置为“发动机次”E1.5

当然也有比E1低的振动阶次，譬如E0.5。在E0.5处检测到的高振动级可归因于转速为发动机转速一半的部件，如凸轮轴等相关辅助零件。再回到本案例的车辆上，什么部件会导致发生异常的E1.5阶振动？我们怎样才能找到噪声源呢？通过上述对发动机振动阶次的介绍我们可以知道，E1.5阶次的高振动级应该是三缸发动机导致的（如图3中的帮助文档所示），然而该车搭载的却是一台V8发动机。以下是我们对该车的故障排查过程。

任何故障的检修都不能忽视最基本的检查工作。因此，首先我们确认：发动机机油和冷却液液位符合标准；软管、支架、线路线束和发动机悬架的固定位置全都合理、安全，底盘的污垢和障碍物也要及时清理、检查。接下来，我们对发动机的汽缸压缩、汽缸功率平衡以及发动机的排放分别进行了测试，结果一切正常。之后，我们又将发动机外围传送皮带拆除，以消除发动机外围任何辅助驱动部件对振动可能产生的影响。但是，车辆的振动依然很明显，而且情况变得越来越严重。此时，我们需要查阅发动机的原理图，找出哪个部件以发动机转速的1.5倍速度在旋转，那么这个部件应是在发动机E1.5阶次产生最高振动级别的原因。

图3 柱状图表示E1.5高级振动及相关文档

我们通过查阅发动机结构原理图发现，该车的发动机机油泵传动机构比较特殊。如图4所示，机油泵位于远离正时齿轮的发动机的右后方，一根端面为六角形的驱动轴贯穿发动机的前后，前端连接一个齿轮通过链条与曲轴正时齿轮连接，后端与机油泵连接，由正时齿轮带动六角形驱动轴完成对机油泵的驱动。观察机油泵驱动齿轮和曲轴正时齿轮之间的关系，我们可以确定其传动比为1：1。这样的比值应该会在发动机一阶（E1）时产生基础的发动机振动，当然也可能会产生其他振动（谐振），这主要取决于传递到机油泵驱动轴和组件上的振动。由此我们联想到四缸发动机的E1和E2：E1是基础振动，E2是E1的谐振，由发动机的燃烧做功冲击传到曲轴上导致。

图4 油泵驱动装置

工作进行到此，尽管我们还不能确定机油泵这个区域是该车问题的出处，但是我们可以利用加速度计（就像一个听诊器一样）搜索发动机周围振动强烈的区域，逐步锁定故障的根源。毫无疑问，这台发动机最终需要被拆卸检查，并且车主需要为此支付不菲的修理费用。

在发动机拆卸之前，我们最好利用已经获得的测试结果对故障进行诊断和分析。因为一旦发动机被拆卸下来，我们再想复原这个故障就很难了。记录相同位置处修理前后的振动级（幅值）会比单凭我们自身的感受提供更加客观的测试结果，毕竟我们每个人对同样振动的敏感程度都不尽相同。

我们知道，产生一个振动需要一个具备激振力的振动源（如发动机），一个传输路径（如排气装置），以及一个振动元件（如车身）。对本案例中的这辆汽车而言，激振力源自发动机，最可能的传输路径则是排气管路。于是，我们将加速度计分别安装在如图5所示的排气安装支架的左右两侧位置进行振动测量，很快就在右下侧排气安装支架上测试出了E1.5阶次的最大幅值振动。而机油泵的位置位于发动机油底壳的右后侧，这似乎为我们的故障排查指引了方向。

回想一下，驾驶员经常抱怨发生振动的座位位置（在车辆右侧），结合前面对发动机舱左右侧组合板振动的测试以及对排气管路振动的测试，我们不难发现一个规律，即车辆左侧产生的振动级都远小于右侧产生的振动级。我们可以断言，即使不用测试，我们也可以肯定将加速度计安装在左侧面板产生的振动级一定比右侧面板产生的振动级低。这就是Pico NVH工具的优点所在，它能够实现快速精确的振动测量而不带任何假设。

为了减少这种振动，我们该将关注的重点放在哪里？车身是振动元件，这毋庸置疑，但我们不可能通过断开车内地板的方式来改善振动水平；排气系统是发动机振动的传输路径，但它只是简单的传递来自发动机的多余振动。因此，我们最终还是需要通过处理振动源——发动机来实现对振动的治理。

图5 在排气管路上测量E1.5阶次的振动幅值

进行到此，我们暂且总结一下目前已获取的信息：车主抱怨车身在1 600r/min时会有振动，能够在驾驶员位置、车内地板及方向盘处感觉到；在右侧排气安装支架螺栓处可测量到振动的最高水平；在E1.5处发生最高振动水平；发动机线束、管道、电缆及车体等各处没有异常或污染；没有失火或各缸不均匀现象、没有故障码、具有良好的排放；没有由外围附件引起的额外振动（外围传动皮带已经拆卸）；机油泵的位置可以测到最高的振动（油底壳的后右侧）。

图6 机油泵组件在曲轴箱中的安装位置、连接形式

根据以上信息，为了查明故障原因，我们需要直观地了解机油泵组件在发动机曲轴箱中的安装位置和连接方式（图6），因此有必要拆卸油底壳。拆卸油底壳以后，将无法进行下一步的振动测量，这也充分说明在故障定论前进行所有测试操作的重要性。

为了更清晰地观察曲轴箱内所有可以看得见的部件，并且便于进行必要的安全性检查（如螺栓扭矩检查、是否有明显的运动干涉痕迹检查等），我们将机油泵和驱动轴拆卸下来。检查结果显示，这一切都很正常。

鉴于E1.5是我们要考虑的振动问题，所以我们将机油泵分解并进行了必要的磨损测量：泵壳体及驱动转子之间、驱动轴与驱动转子之间以及驱动转子间的间隙测量，测量结果表明全部满足标准要求，具体如图7、图8、图9所示。

图7 泵壳体及驱动转子之间的测量

图8 驱动轴与驱动转子之间的测量

图9 驱动转子间的间隙测量

由于机油泵本身没有故障，我们将注意力转移到六角形的泵驱动轴上。查看六角泵驱动轴两边的安装点位置，我们能够清晰的看到驱动轴上的磨损标记（图10），这是由于油压产生时来自正时齿轮的驱动力和油泵的反向推力共同作用导致。这两种相对的力最后导致油泵驱动转子的旋转及机油的密封增压。六角形驱动轴带动驱动转子旋转，在驱动轴带动驱动转子之前，会有过度的自由转动（反冲），这将造成六角形驱动轴的磨损和变形，如图11所示。六角形驱动轴两端驱动面的磨损标记分别代表了驱动轴与驱动转子以及驱动轴与正时齿轮之间不同的接触区域。

图10 驱动轴上的磨损标记

机油泵驱动转子虽然以与发动机曲轴相同的转速转动，但是由于驱动轴和驱动转子之间的机油压力作用，所以每转一周都会经受6个冲击脉冲，这将会产生6阶次的发动机振动（E6）。那么施加在六角形驱动轴上的油泵负载以及驱动轴的部分磨损和变形能否产生E1.5的振动？

我们认为，负载施加在具有良好接触面的六角形驱动轴上只会产生很小的振动甚至没有振动产生，然而负载施加在磨损了的六角形驱动轴上则可能会产生噪声/振动（记住振动和噪声是一回事），因此产生E1.5振动的可能性是存在的。

图12 测量1 600r/min时的振动情况

为彻底修复故障，应整套更换机油泵、六角形驱动轴和正时齿轮，但基于维修成本的考虑，客户只同意更换机油泵和六角形驱动轴（如果更换正时齿轮，需要进行正时链条的拆装，这将大大增加维修工时成本）。我们按照客户的要求进行了部件的更换并对发动机进行重新组装，维修后的六角形驱动轴和机油泵驱动转子之间只有很小的转动间隙量，这保证了驱动轴的驱动会瞬间转移到机油泵。我们运行发动机并将加速度计放置在相同的位置再次测量1 600r/min时的振动情况，如图12所示。

图11 六角形驱动轴的磨损

总结

测试结果表明，尽管振动没能完全消除，但在1 600r/min时整车的振动情况已经得到明显改善，修理前后的振动测量结果（修理前是113mg，修理后是6mg）充分地说明了这一点。

实践表明，正是由于驱动轴的磨损、驱动轴与机油泵驱动转子之间的间隙等这些因素导致了过度的E1.5阶发动机振动的产生。车辆修复之后，我们对本次维修作业进行了反思：如果在修理前后使用WPS5000压力传感器分析发动机机油压力的波动将会看到什么情形？我们是否能够看到由于油泵驱动轴的磨损而导致在1 600r/min时的异常油压波形？我们的收获是：不仅拥有PicoScope，还掌握了所有可用的新的测试方法和技巧，并且通过NVH工具的测试，证明了什么是振动。

（供稿：广州虹科电子科技有限公司）