作者：Steve Smith
客戶描述：
客戶回報，當來回搖動方向盤時，透過轉向柱會感覺和聽到敲擊聲。該症狀已經持續六個月了，但這不影響車輛的操作與性能，客戶也回報說，當低速經過減速帶時，懸吊會發出間歇性的敲擊聲。
技術說明：
驗證客戶的抱怨是診斷過程中不可或缺的步驟，幸運的是，上述的轉向敲擊聲可以在車輛靜止時重現。這裡有一個有趣的點是，只有在引擎關閉的情況下，敲擊聲會比較明顯，因此無須電動助力轉向(EPS)的介入! 在引擎和EPS運行的狀況下，不會產生異音。
以下影片說明異音情況：https://www.youtube.com/watch?time_continue=22&v=PvR5JNbq01g&feature=emb_title
由於車輛配備有停車啟閉功能，在平常的旅程中，有時EPS在引擎關閉期間(靜止時)是不作用的。在這個靜止的期間，引擎尚未啟動，此時對方向盤進行任何轉動都將產生異音，直到EPS負載訊號命令引擎重新啟動為止。
你可能會問：這是甚麼問題? 考慮到車輛的行駛里程，你可能會說這是磨損。
這個問題可能有些用處，但由於有人抱怨轉向周圍有敲擊聲，我們必須謹慎行事。這可能是險惡問題的癥兆，例如磨損的轉向柱中間軸萬向節(UJ)或互連的齒條，這兩者都牽扯到安全疑慮。道路測試車輛確認沒有駕駛性能的問題，例如轉向中的過度間隙或轉向過緊，並且車輛迴轉也正常。
關於客戶額外抱怨當經過減速帶時懸吊產生的間歇噪音，有時我會在右前輪胎經過減速帶時產生與轉向柱的類似的敲擊聲。
這是使用NVH軟體所捕獲到的敲擊聲資訊：
為了證實我的觀點，最好的做法就是解決轉向時的敲擊聲故障，並在轉向柱異音修復後重新測試經過減速帶是否還有異音。
診斷過程：
驗證客戶的問題後，確認車輛的車身號碼與規格。額外的改裝或非原廠的配件可能會影響轉向或懸吊系統的的性能。
客戶訪談中強調了與車輛行駛里程相關的基本輪胎更換與定位，但沒有對轉向系統進行檢修。
基本的檢查懸吊或轉向部件(包括鋁圈及輪胎)沒有明顯損壞狀況。
在深入這部分之前，我們有必要退一步檢查技術公告(召回、活動等)。這就是我們取得成功的地方，因為快速的GOOGLE搜索與大量的YOUTUBE影片證實了我們對轉向系統的擔憂。
這裡的論壇文章描述了上述的故障、所需零件以及解決問題的過程並且相關的BMW經銷商公告第22/2018號。諷刺的是，我在兩個主要的技術資訊網站上都找不到這些資訊。
可能原因：
在這種情況下，無須根據上述資訊來列出可能的原因。但是，我們要知道我們也抱怨在經過減速帶時會產生懸吊的敲擊聲。
行動計畫：
行動計畫受可及性、機率以及成本的支配。
由於我們知道故障情況和所需的維修，因此不需要任何的行動計劃。然而，為甚麼不收集客觀的數據來驗證經銷商公告中所建議的修復方式，同時可以嘗試捕獲我們間歇性的減速帶敲擊聲呢?
回顧一下：
- 當EPS無工作時搖動方向盤會在轉向柱聽到敲擊聲。
- 當開過減速帶時右前懸吊會有間歇性的敲擊聲。
- 確認轉向和懸吊的部件完整性。
- 已知轉向柱敲擊聲的修復方式。
對於那些擁有NVH高級套裝(帶有4通道的PicoScope)的人來說，我們具有明顯優勢，就是在車輛周圍的關鍵點放置加速度計或麥克風，來定位這些敲擊聲響的來源。這個影片描述我們使用NVH軟體與PicoScope的時域分析功能。
我們在論壇上介紹了相同的程序。下面我們應用在車輛前方不同位置連接加速度計的技術，但我們告知NVH已經連接了麥克風！這可以在NVH軟體中返回播放，來確保我們確實捕捉到了敲擊聲，而不是導出數據並觀看播放中的加速度計數據。更多的資訊可以此處觀看。
減速帶敲擊聲測試：
加速度計垂直固定並安裝在以下位置，僅測量y軸：
- 通道A：右前卡鉗螺栓
- 通道B：右前底盤
- 通道C：左前卡鉗螺栓
- 通道D：左前底盤
此捕獲數據的首要觀察點：當車輛經過減速帶時，似乎右側與左側的懸吊反應過度。這是意料之中的，因此我們在這看到了懸吊對於底盤的特徵行為。
(注意：車輪會在輪拱內上升下降。在這次的捕捉當中，我在193.22秒時放置了一個標記，來表示駕駛經過減速帶時駕駛艙聽到單一的敲擊聲。)
當我們隱藏通道A和C並專注在通道B和D時加速度計的數據響應：
如果我們播放連接到左右側的底盤加速度計紀錄的音頻，會聽到敲擊聲，這在右側前底盤更為突出。在此案例研究開始時的錄音確實是我們在紅色加速度訊號捕獲中看到的數據。
基於上述的情況，進一步進行道路測試來確定經過減速帶時懸吊相對於底盤的響應，這裡我們使用PicoScope。
注意：加速度計仍維持在上述所說的位置上。
正如上面所看到的，紅色與黃色(通道B與D)的響應幾乎相同，確認底盤的運動在車輛經過減速帶時是相等的。
黑色和紫色波型是從底盤運動(A-B和C-D)中減去懸吊運動得出的數學通道。在這裡發現有趣的地方是，車輛右側的相對懸吊運動比左側的來的高! (這可能是懸吊阻尼差的關係嗎?)
在這個階段(如果沒有別的因素)，我們限定了以下內容：
- 經過減速帶時確實存在敲擊聲，在右前側機艙可以最清楚地聽到(和看到)。
- 右前車輪的垂直加速度比左前更大，頻率更高!
- 經過減速帶時，右側與左側的底盤垂直加速度相同。
回歸到轉向時的敲擊聲：
在車輛靜止時(引擎關閉)並且來回搖擺方向盤(EPS不作動)的情況下，如上面的影片所示，我們將加速度計重新定位，並使用NVH軟體來捕捉以下數據。
- 通道A：右前副車架
- 通道B：右前底盤
- 通道C：左前副車架
- 通道D：左前底盤
毫無疑問的，基於振福，連接到右側前副車架的加速度計對於敲擊聲產生的最高能量做出響應，但振幅可能不是準確的。
加速度計連接的位置質量與一個位置不同。想像一下，與質量較大的車輛底盤的較厚部分相比，加速度計會如何響應沿著薄鋼板部分傳遞的能量，在上方的示例中，所有加速度計都連接到質量相近的組件（底盤和副車架），此處捕獲的振幅可被視為敲擊聲來源的指示。
確定振幅的一個更好的方法是去測量每個加速度計針對敲擊聲的響應時間，第一個響應的加速度計離振動源最近，有什麼比PicoScope更好的測量響應時間工具(使用縮放功能)?
在這裡我們得出結論，不僅連接到右前副車架的加速度計顯示最高能量，並且也最快對於敲擊聲產生響應，因此它最靠近振動源。
為了總結響應的時間，我們正在評估能量(由敲擊聲產生)在整個車輛結構中傳播所花費的時間。
響應的順序：
- 第一：右前副車架
- 第二：左前副車架
- 第三：右前底盤
- 第四：左前底盤
由於兩個加速度計都連接到同一個組件，因此在460.2us後也應該在左前副車架中檢測到源自右前副車架的敲擊聲! 但是請注意，能量沿著車樑結構並傳導在整個車輛中消散確實需要時間。
這種現象可以從連接到右側底盤的紅色加速度計波型中看到，即使右前副車架用螺栓固定在右前底盤上，它對敲擊聲的響應會比較慢。
在定位敲擊聲時，我們必須牢記上述的特徵；雖然我們可能在腦海中確定敲擊聲來自最突出的位置，但並不代表這是敲擊聲的源頭!
我認為我們在這個階段可以確認右前副車架是我們所要關注的區塊，所以現在進一步使用多個加速度計。副車架提供了多個安裝點和組件，可以在上面”繪製”我們敲擊聲的過程，像是轉向齒條組件。
修改加速度計位置：
引擎關閉並搖晃方向盤
- 通道A：右前副車架
- 通道B：右前底盤
- 通道C：轉向齒條小齒輪外殼
- 通道D：右前轉向齒條後固定螺栓
再一次的，上述結果指出右前副車架 / 加速度計受到敲擊聲產生的最高能量，但它是最先響應的嗎?
讓我們使用PicoScope看得清楚一些：從上方的捕獲，右前副車架在敲擊聲產生期間有較大的振幅。
在此，我們放大來檢視敲擊聲事件之前的捕獲，這可能會打斷我們圍繞在第一個響應加速度計的理論。加速度計在產生敲擊聲之前檢測到轉向齒條的瞬間轉向輸入。我們需要關注由敲擊聲(稱敲擊訊號)產生的能量急遽增加所導致的加速度計響應，而不是在這之前的事件!
專注在下方敲擊聲事件產生時並量測每個加速度計的響應時間，我們現在可以知道響應順序改變了!
對於敲擊聲的響應順序
- 第一：右側轉向齒條後固定螺栓
- 第二：轉向齒條小齒輪外殼
- 第三：右前副車架
- 第四：右前底盤
由於我們知道轉向敲擊聲的根本原因（BMW技術通報），我認為了解如何以及為甚麼在方向盤上感覺的到這種敲擊聲很有趣。雖然我們知道敲擊聲是在齒條和小齒輪之間的轉向齒輪內部產生的，但我們還需要考慮一個帶有兩個萬向接頭的中間連接軸。我們可以使用加速度計從診斷中消除連接軸。
修改加速度計位置：
引擎關閉搖晃方向盤
- 通道A：右前副車架
- 通道B：轉向柱中央連接器萬向接頭上側
- 通道C：轉向柱中央連接器萬向接頭下側
- 通道D：右側轉向齒條後方固定螺栓
在這裡，我們關閉引擎，但方向盤旋轉大約20度：
在這裡，我們必須忽略紅色加速度計的最先響應，因為我們正在檢測中間軸的旋轉。
萬向接頭旋轉會使敲擊聲特徵變得複雜。然而，右側轉向齒條固定螺栓和右前副車架再次成為最初的響應部件，這表示了我們的敲擊聲並非來自於萬向接頭。
對於敲擊聲的響應順序：
- 第一：右側轉向齒條後固定螺栓
- 第二：右前副車架
- 第三：轉向柱中央連接器萬向接頭下側
- 第四：轉向柱中央連接器萬向接頭上側
現在我們知道，右側齒條後固定螺栓、右前副車架和轉向齒條小齒輪外殼都是首要響應的部件，我們可以先排除左側的底盤／副車架以及中央連接軸。因此對於右側轉向齒條和轉向齒條小齒輪外殼進行最終的測量。
注意：將磁性的加速度計連接到鋁製轉向器時，我們使用Bondloc來黏合鋼墊圈。
修改加速度計位置
引擎關閉搖晃方向盤
- 通道A：黏合到轉向齒條小齒輪外殼下方
- 通道B：右側轉向齒條前固定螺栓
- 通道C：轉向齒條小齒輪外殼
- 通道D：右側轉向齒條後固定螺栓
我認為上述的首要印象表示，我們已經根據與轉向齒條小齒輪外殼黏合的加速度計的瞬間與劇烈響應找到了敲擊聲的振動源。
這裡我們放大數據來顯示響應的期間：
敲擊聲的響應順序
- 第一：黏合到轉向齒條小齒輪外殼下方(0秒時)
- 第二：右側轉向齒條前固定螺栓(81.43us時)
- 第三：右側轉向齒條後固定螺栓(81.43us時)
- 第四：轉向齒條小齒輪外殼(204.9us時)
我已經添加了所有加速度計響應的時間點，從最初的響應加速度計(0秒)開始，到204.9us的最終響應部件。請注意連接到轉向齒條安裝螺栓的加速度計是同時響應的，因為他們平均的連接在轉向齒條小齒輪外殼的周圍。
結論：
根據整個研究中我們的加速度計測試的結果與響應時間(與轉向敲擊聲相關)，我們得到以下的響應順序：
- 轉向齒條小齒輪外殼(下方) 這是敲擊聲源頭
- 轉向齒條固定螺栓
- 轉向齒條小齒輪外殼(上方)
- 右前副車架
- 左前副車架
- 右側底盤
- 左側底盤
維修過程：
按照維修手冊，更換轉向齒條止推片並施加相應負載來確保齒條與小齒輪間隙最小。
維修確認：
由於時間限制，維修確認常常被忽略。修復後的測量提供進一步的客觀證據，可以保護雙方並確保客戶交車時確認修復的信心。對於進行的維修鑑定從來沒有比抱怨噪音或振動更重要，再一次的，因為它是一個意見問題，如果沒有科學測量我們就處於比較弱勢的位置。在進行修復確認時，確保所有變量保持在最低的限度並盡可能確保修復前後的測試條件。
修改加速計計位置：
引擎關閉並搖晃方向盤
- 通道A：黏合到轉向齒條小齒輪外殼下方
- 通道B：轉向柱中間連接軸萬向接頭上方(用於表示搖擺運動)
- 通道C：轉向齒條小齒輪外殼
- 通道D：右側轉向齒條後固定螺栓
上面我們可以看到轉向齒條小齒輪外殼黏合的加速度計響應完全不同。振幅明顯已經降低，加速度計的響應顯示了均勻的正弦波(響應轉向齒條的搖擺運動)，而不是響應先前敲擊聲零散訊號與瞬間加速度。
請注意，紅色加速度計刻意安裝在轉向柱中間連接軸上來顯示轉向的最初運動，因為現在沒有敲擊聲的訊號可以參考。
在這裡我創建了一個參考波型，此參考波型是關於維修前與維修後從黏合到轉向齒條小齒輪外殼的下方對於轉向敲擊聲的捕獲數據。我認為此波型不用說就可以表示為我們的客觀數據。
下方是維修後的轉動方向盤的影片：https://www.youtube.com/watch?v=h8kGy9btCH8
所有被更換的零件：
轉向齒條止推片修理包，BMW 零件編號 32 10 6891 974
額外評論：
關於我們對維修後轉交給客戶，在沒有EPS作動的情況下來回搖動方向盤時，由於輪胎與路面接觸導致轉向柱增加負載，無法避免會產生某種形式的噪音。當輪胎的橫向面積越寬，所產生的負載就越大。這不能與轉向間隙的噪音敲擊聲混淆，捕獲前後的數據可以加強維修的完整性，同時使你能夠向顧客證明他們之間的差異。
總結：
雖然一開始就知道轉向故障的特性，但我希望上述所說明的技術將有助於檢測敲擊聲並凸顯Pico Diagnostics(NVH)與PicoScope中的許多分析功能。在大多數情況下，加速度計定位在接近垂直的方向，並且捕獲/測量Y軸，然而，任何軸方向是可以被用來捕獲敲擊聲的。
敲擊所產生的能量會向各個方向傳播，想想將石頭丟到水中後池塘上的漣漪，加速度計會檢測到所有選定的(X.Y或Z軸)的敲擊聲，但請記住，為了獲得最佳結果，請安裝所有的加速度計在同一個方向並且測量同一軸的加速度。
雖然轉向敲擊聲現在已經修復，但經過減速帶時的間歇性的敲擊聲仍然存在，因此還會有另一個案例研究！
非常感謝Ｍartin Rubenstein先生近年來對多項NVH研究的投入，以及認可這些測量技術讓我們能分享並得到受益。
我希望這會有所幫助。
