汽車NVH常見問題分析及故障診斷思路(一)

文/江蘇 高惠民

隨著當今世界汽車工業的不斷快速地發展，汽車的品牌種類、汽車的使用用途及使用汽車的人群數量都在持續不斷的增加。然而，汽車的普及是一把雙刃劍，它既給現代人們帶來了工作生活便利的同時也帶來了嚴重的環境污染。作為全球四大環境污染之一的噪聲污染主要來源于汽車的運行噪聲，在我國大中城市，汽車噪聲占到環境噪聲的40%以上。早在1999年，世界衛生組織在全球進行噪聲污染范圍及危害程度調查，結果表明，噪聲除了對人的聽力系統有危害外，還會對消化系統、內分泌系統、心血系統、免疫系統、神經系統以及心理健康有危害。關于噪聲對聽力系統危害的研究數據顯示，人類處于80dB以下的噪聲環境中是安全的，而85dB以上則會有危險，如果長期暴露在超過90dB的環境中，耳聾發病率明顯增加。由此可見控制汽車噪聲限值已是迫在眉睫，也受到了各國政府的高度重視，相繼頒布了汽車噪聲控制法規，圖1表示了世界主要國家和地區對汽車噪聲限值的變化情況。

圖1 世界主要國家對汽車噪聲限值控制

我國于2002年分別修訂國家強制性標準GB 16170-1996《汽車定置噪聲限值》和GB1495-2002《汽車加速行駛外噪聲限值及測量方法》，國內新車噪聲限值如圖2所示。這個強制性國家標準的制修訂一方面是結合國內汽車產品技術的實際情況，同時也重視與國際先進汽車標準法規相協調和銜接。

圖2 我國對汽車噪聲控制限值

在汽車領域內，通常用NVH(Noise Vibration Harshness)來描述汽車噪聲、振動及汽車的乘坐舒適性問題，根據相關資料統計，汽車大約三分之一的故障是由汽車 NVH 問題引起的，由于汽車的 NVH 問題日益嚴重突出及其危害性大，因此，汽車制造公司為達到控制噪聲限值的要求，在汽車的研發、制造階段投入了大量費用來改善并提高整車的 NVH 性能問題，為汽車使用舒適性提供了很好的保證。本文主要闡述的是針對車輛使用過程中出現的NVH問題，如何以振動與噪聲的基本理論為指導，認真查找產生振動與噪聲的振源，然后進行了定性定量分析，制定準確判斷和快捷修理NVH故障的方法。

一、汽車NVH概念

1.NVH定義

汽車NVH是指汽車的噪聲振動和不舒適性。主要是研究汽車振動和噪聲對整車性能和舒適性的影響。

N-Noise：指的是噪聲。一臺運轉的發動機或一輛行駛中的汽車會發出各種不同的聲音，判斷這些聲音是否是異響(Noise)，取決于它們實際聲壓、頻率們以及人們的感知。通常，異響是一種不恰當的、令人不愉快的或過度嘈雜的聲音。這些嘈雜的聲音不但增加駕駛員和乘員的疲勞,影響汽車的行駛安全，而且增加環境噪聲污染。

V-Vibration：指的是振動。振動描述的是系統位移狀態的參量在其基準值上下交替變化的過程。汽車低頻振動不僅危害駕駛員和乘員的身體健康,同時不良的振動還會給汽車零部件帶來損壞,影響零部件的壽命。車輛或發動機工作時產生不同的振動(Vibration)量。比如：方向盤上下振動，使得駕駛員的手震顫；座椅晃動，給乘坐人帶來不適的振動感。此外，還有換擋桿或加速踏板顫動等現象。如同判定噪音是否是異響一樣，出現的振動是否屬于異常，取決于振動是在哪里發生的以及如何發生的。振動與噪聲的研究是密不可分的。振動是噪聲產生的原因。

H-Harshness：指的是乘座不舒適性，即聲振粗糙度。反映的是振動和噪聲的品質。它并不是一個與振動、噪聲相并列的物理概念,而是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺,不能直接用客觀測量方法來直接度量。由于聲振粗糙度經常用來描述沖擊激勵產生的使人極不舒服的瞬態響應,又被稱為沖擊特性或不平順性的危害。如輪胎受到強烈沖擊而產生的單獨的、瞬間的振動，仿佛就像有人拿著大錘在猛力擊打輪胎。這種振動會傳給方向盤和地板。

2.振動與噪聲特征

我們用手、腳及身體體驗振動；用耳朵感受聲音。但是，由于每個人的感官差異，所以即使聲音和振動同時出現，有人可以同時感受到二者，有人卻只能感受到其中之一，還有人感受不到任何東西。從本質上講，聲音和振動是一回事，聲音不過是空氣的一種振動，二者均是波，當然，由于波的頻率不同或發生變化，有時波以聲音形式被我們感覺到，有時則以振動形式被我們感覺到。簡言之，究竟是聽到聲音還是感到振動，取決于波的頻率。人所能聽到的聲音的頻率范圍為20Hz-20kHz,低于或高于此頻率范圍的聲音都不能被聽到。一個振動即使蘊含有很高能量，但假如其頻率不在上述范圍內，仍無法像“聲音”那樣被人耳聽到，如圖3所示人的聲音和振動的感覺。人耳的聽范圍受聲音頻率的影響。即使dB值相同，不同頻率的聲音就它們的響度而言聽上去也是不一樣的。一般說來，頻率較低或較高的聲音可聽度差，尤其是較低的頻率情況更是這樣。如圖4表示聲壓強度與聲音頻率關系所示，500Hz的聲音在A點可被聽到，但100Hz的聲音則在B點聽到，而50Hz的聲音只在C點聽到。作為有一種車輛的噪聲，在100Hz以下的“隆隆”噪聲則幾乎聽不到，然而，它的振動能量是大的，因此這種“隆隆”噪聲也被感覺到是一種振動，同時伴有令人不舒服的噪聲。在圖4中最低聽覺水平的實線表示具有很好聽力的人的最低聽覺水平。普通人的聽覺平均值用虛線表示。

圖3 聽覺對聲音和振動的感覺

圖4 聲壓強度與聲音頻率關系

3.振動與噪聲的產生

如上所述，振動描述的是物體(系統)位移狀態的參量在其基準值(平衡位置)上下交替變化(往復運動)的過程。一切有質量及彈性的物體都具有振動的性質。例如機械在工作中或工程結構在使用中都會產生不同程度的振動與噪聲現象，且都有不同的特色。振動系統可用相似的力學模型來描述，質量塊、彈簧和阻尼器是振動系統的三個主要組件，質量塊具有慣性的力學模型；彈簧通常不計質量，具有彈性的模型，能夠儲存能量；阻尼器既不具有慣性，也不具有彈性，它對運動產生阻力，是耗能組件。振動系統的輸入與輸出關系，如圖5所示。

系統所受的激振力、初始位移、初始速度等稱為輸入或激勵；系統在輸入下所產生的輸出成為系統的響應。當一個物體(質量塊以下稱為剛體)被彈簧約束正在做往復運動，則該剛體的振動被稱為剛性振動，如圖6所示。

圖5 振動原理框圖

圖6 剛性振動示意圖

通常這個剛體有它自身的固有振動頻率，如下表達式：

在剛性振動中，如果一外來振動力(激振力)的頻率與剛體的固有振動頻率相等，則共振將發生，并進而會使剛體的振動得到極大加強。如圖7所示，激振力通過馬達上的曲柄加到彈簧和重錘上，重錘會上下移動。當頻率(馬達轉數)低的時候，重錘運動振幅較小；頻率增大時，振幅逐漸增大；當增大到一個較高的頻率時振幅在一個特定的頻率(馬達的轉數與重錘的固有頻率相等)上時達到最大。這就是共振狀態，在這種狀態時的頻率叫做共振點；如果頻率繼續增大，超過了共振點，振幅就開始逐漸減小。

圖7 物體共振發生原理

對于汽車來說，為了研究汽車車身振動分析方便，由汽車舒適性的振動模型(地面不平給行駛的車輛輸入激振力，引起車身質量的垂直、俯仰、側傾運動以及4個車輪質量的垂直運動的響應，整車形成共7個自由度)簡化而來的車身單質量振動系統的模型如圖8所示。由此可以看出,車身(剛體m)、懸架彈簧(彈簧k)、減振器(阻尼C)組成了車身有阻尼振動系統。

圖8 車身單質量振動系統的模型

當類似于用手指拉琴弦，琴弦產生連續的振動叫做彈性振動，如圖9所示。

圖9 彈性振動發生示意圖

圖10 彈性振動中多階共振示意圖

對于汽車而言，振動頻率低的時候，可以將車身看作一個既不會變形，也不會彎曲的剛體。但是當車身在某一特殊外力激振時，產生諸如“車身搖動”之類的問題時，就不能將車身僅僅認為是剛體了，而應將其視為會產生彎曲/扭曲等變形的彈性振動元件了。因為車身由懸架、懸架彈簧輪胎支撐著。在彈性振動中，存在一個以上的共振點。以撥動琴弦為例。當撥動琴弦時，振動以各種不同的頻率發生，如圖10中所示，各點峰值可以被認為是弦的一系列共振點。若施加不同頻率振動力時，振動會在每一個共振點上變大。如圖11所示例如在某個車速范圍內，輪胎不平衡會增大車身的振動，不平衡的傳動軸會引起“隆隆”噪聲。

圖11 車輛輪胎、傳動軸不平衡產生振動與噪聲

在振動系統中即使有能夠產生振動的組件，但如果沒有某種外力激勵，那么振動仍然不會發生。一個迫使振動組件發生振動的外力就是激振力。對于汽車來說，典型的激振力(振源)主要有：

(1)發動機燃燒壓力或輸出扭矩波動；

(2)輪胎不平衡；

(3)粗糙的車輛行駛路面；

(4)傳動軸動平衡不良或傳動軸萬向節夾角的因素；

(5)變速器或差速器齒輪嚙合問題；

(6)離合器或制動器接合/分離問題。

發動機燃燒壓力的波動會導致曲軸輸出扭矩波動，這種扭矩波動進而被傳到傳動系；同時，它又作為一種反力作用在發動機缸體上，引起發動機振動。例如：四缸發動機每轉一周出現兩次扭矩波動，屬二階振動(振動頻率=轉數×2)；六缸發動機每轉一周出現三次扭矩波動，屬三階振動(振動頻率=轉數×3)； 每一轉發生n次的振動叫做n階振動。將n乘以轉數便可以計算出振動的頻率。由于發動機結構的限制，這種扭矩波動是不可避免的，但發動機汽缸數越多或轉速高，可以減少這種波動。總之，振動頻率越高，振幅就越小，二階以上振動可以忽略不計，而一階振動形式占整個振動的70%以上，是振動的主要來源。

振動的表示方法一般用振幅“大、小”或頻率“高、低”來表示，如圖12所示。

圖12 振幅表示振動大小示意圖

它的快慢程度用頻率表示。即使振幅相同，通常因頻率不同而對振動的感覺不同，所以，車輛振動的幅度常用加速度單位表示， 振幅、頻率、加速度關系如圖13所示。

圖13 振動系統表示振幅、頻率、加速度關系

如果方向盤在旋轉方向上大約1cm的振幅內振動，而且頻率是低的，那么方向盤的顫動緩慢，手感到的是小的，它加速度是小的。在同樣的情況下，如果頻率隨車速增加變大，方向盤的振動變快，手感到的振動是大的，加速度也是大的。因此，即使振幅相同，頻率越高，加速度變得越大。如果頻率相同，振幅越大，加速度也變得越大。

噪聲可以用振動相同的方法聲波的振動幅度和頻率來表示，如圖14所示。如果振幅變大，噪聲聲音變；，如果頻率變高，噪聲的音調變高；如果聲波的形狀不同，音色就會不同。噪聲的音調可以用頻率來表示，但是噪聲的聲壓大小是感覺上的東西，因此，不能只用振幅(聲音的能量)來表示，必需使用各種校正而引入聲壓級單位dB，來表示噪聲在聽覺上的感受。如圖15所示各種噪聲程度對應的環境。

圖14 聲波振幅與頻率關系示意圖

圖15 不同噪聲程度對應的環境 （未完待續）