喬 斌

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽蕪湖 241006）

1 發(fā)動機(jī)振動測試分析的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在汽車整車中，發(fā)動機(jī)總成作為一個重要的部分，在實(shí)際運(yùn)行過程中它既是一個激源，同時又是一個受迫振動體.發(fā)動機(jī)的振動不僅可以對其本身的正常工作產(chǎn)生一定的影響，還會影響汽車整體的性能，比如乘坐的舒適性和行駛的平順性，另外還可以通過發(fā)動機(jī)的異常振動發(fā)現(xiàn)汽車引擎的故障并及時排除.因此為了研究和控制發(fā)動機(jī)振動帶來的危害，世界各大汽車強(qiáng)國相繼設(shè)立了專門的發(fā)動機(jī)振動監(jiān)控中心，目的就是在研究發(fā)動機(jī)振動的基礎(chǔ)上能有所突破，要找到一個新的方法，以減少發(fā)動機(jī)的振動或迅速排除故障[1].因此，對發(fā)動機(jī)振動性能研究確實(shí)對汽車的發(fā)展具有重要意義.本文在國內(nèi)外發(fā)展的基礎(chǔ)上，尋求突破和創(chuàng)新，基于虛擬儀器進(jìn)行發(fā)動機(jī)振動測試系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計(jì)一種全新的發(fā)動機(jī)振動性能測試分析系統(tǒng).

在國內(nèi)和國外，最初絕大多數(shù)的發(fā)動機(jī)噪聲與振動控制研究是基于振動原理.據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，目前，僅我國就有幾百家研究所或機(jī)構(gòu)從事發(fā)動機(jī)振動的研究與控制.隨著世界汽車保有量的逐年增加，世界范圍內(nèi)的發(fā)動機(jī)振動噪聲控制的學(xué)術(shù)論壇等非常的活躍，我國在這方面的研究也有高昂的積極性，發(fā)表高水準(zhǔn)的論文上千篇，相關(guān)的雜志等也數(shù)十種，這對我國汽車行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用[2].

在汽車發(fā)動機(jī)振動的研究中，其主要任務(wù)之一是如何有效地控制和降低發(fā)動機(jī)的振動，另外對發(fā)動機(jī)異常振動發(fā)生之后的原因分析也是其重要的任務(wù)，根據(jù)分析的原因?qū)で笸黄?，比如選用新型材料或是對某些零部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以及加工工藝的提升等.

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，另外得益于虛擬仿真技術(shù)的突飛猛進(jìn)，國外許多汽車制造商開始嘗試將虛擬技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際發(fā)動機(jī)振動研究方面，并取得了不錯的進(jìn)展[3].而我國近幾年才開始著手這方面的研究，起步較晚，發(fā)展較慢，這是我國現(xiàn)如今的發(fā)動機(jī)振動發(fā)展現(xiàn)狀，盡管如此，仍然取得了可觀的成果.當(dāng)今發(fā)動機(jī)振動分析的大環(huán)境下，以前比較傳統(tǒng)的、笨重的測試儀器已經(jīng)逐漸淡化出人們的視線，取而代之的是更加簡單、準(zhǔn)確，更易操作的虛擬儀器技術(shù)擔(dān)當(dāng)了振動測試的大梁.不得不說，正是計(jì)算機(jī)的引入，虛擬測試技術(shù)的應(yīng)用，使得發(fā)動機(jī)振動的檢測更加方便快捷，可以達(dá)到采集實(shí)時數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時分析的要求，減輕了研究人員的任務(wù)，這樣可以讓振動研究工程師們能有更多的精力去研究如何控制振動和降低振動[4].

本文也是一次將計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬測試技術(shù)一體化用于發(fā)動機(jī)振動檢測、分析的大膽嘗試，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷發(fā)動機(jī)振動是否異常，從而分析出發(fā)動機(jī)的故障所在.通過測試一臺發(fā)動機(jī)振動信號的大小，規(guī)律等來識別發(fā)動機(jī)的主要振源，得出發(fā)動機(jī)降噪減振的策略.

2 發(fā)動機(jī)振動的基本理論分析

汽車發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時，不斷遭受著各種有規(guī)律性的振動力的作用，還有各種無規(guī)律可循的大小不一的沖擊力也對發(fā)動機(jī)進(jìn)行作用，但是由于這種無規(guī)律的沖擊力在很短的時間內(nèi)作用在發(fā)動機(jī)氣缸上，活塞上產(chǎn)生的振動很容易被發(fā)動機(jī)的阻尼減弱，沒有對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動.

因此，最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動的主要原因是活塞在上下運(yùn)動過程中所受的周期性的力，比如，發(fā)動機(jī)氣缸里面的混合氣周期性的變化，活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)周期性的運(yùn)動等等，這些周期性的慣性力導(dǎo)致發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時產(chǎn)生振動和噪聲，另外還有一些部件容易受到離心力作用，主要針對旋轉(zhuǎn)部件也產(chǎn)生一定的振動作用.

2.1 氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫?/h3>

燃?xì)鈮毫Πl(fā)生在發(fā)動機(jī)的內(nèi)部，發(fā)動機(jī)氣缸里面的可燃混合氣經(jīng)歷壓縮、燃燒、做功的階段，在燃燒膨脹做功階段中氣體會發(fā)生劇烈的變化致使活塞產(chǎn)生振動，如果不正常燃燒更容易產(chǎn)生燃燒波峰而爆燃，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)振動異常.通過測試分析，可以得出發(fā)動機(jī)燃燒的故障.

2.2 運(yùn)動部件慣性力

2.2.1 活塞連桿的往復(fù)慣性力

內(nèi)燃機(jī)在工作時，各個氣缸中，活塞和連桿經(jīng)過四個沖程的往復(fù)運(yùn)動，對其進(jìn)行受力分析，得活塞連桿所受的力：

由公式（1）可得，前級慣性力正好等同于曲軸的運(yùn)動頻率，而后級為曲軸運(yùn)動頻率的兩倍，同時該慣性力與mrec成正比.

另外，發(fā)現(xiàn)前級力在偶數(shù)缸的工作中，所受的力會相互抵消掉，相比較而言，后級在原來的基礎(chǔ)上又一次的加倍其大小.

最終得出，引起發(fā)動機(jī)振動的最直接原因是后級慣性力的疊加造成的.

2.2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的離心慣性力

由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原因，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的偏心設(shè)計(jì)，讓其在運(yùn)動過程中無法避免的產(chǎn)生離心力，所受的力為：

通過公式（2）可以得知，其慣性力的大小與mt成正比，所以在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中通常采用平衡桿的措施來減弱該慣性力產(chǎn)生的振動效果.

2.3 運(yùn)動部件的重力

發(fā)動機(jī)內(nèi)部各零部件都會受到重力的影響，在重力的作用下，發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件會收到相應(yīng)的重力分力，重力的徑向分力或者是切向分力均能使發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動[5].

3 發(fā)動機(jī)振動測試系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 測試系統(tǒng)硬件組成部分

圖1 系統(tǒng)硬件組成方案圖

硬件組成部分中，振動信號選用PXI-4498動態(tài)數(shù)據(jù)信號采集卡；而發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號采用PXI-6289多功能數(shù)據(jù)采集卡，而噪聲部分直接通過串口連接信號采集儀器.

3.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分

系統(tǒng)的軟件部分采用硬件相關(guān)聯(lián)的LabVIEW軟件進(jìn)行編程開發(fā)，根據(jù)硬件組成部分的總體設(shè)計(jì).

開發(fā)測試系統(tǒng)的軟件部分如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序圖

發(fā)動機(jī)振動測試系統(tǒng)程序圖中主要由三大部分組成，第一部分為信號采集通道的選擇，其中采集轉(zhuǎn)速信號只有一個傳感器即一個通道，而振動信號則需要三個傳感器即三個通道，分別采集發(fā)動機(jī)缸蓋三個方向的振動信號；第二部分為信號的儲存部分，用于采集信號的存儲便于以后處理分析；第三部分為信號的處理和分析，也是系統(tǒng)中最重要的部分，主要針對發(fā)動機(jī)振動信號進(jìn)行全方位的分析，振動信號分析如圖3所示：

圖3 振動信號分析的圖

自相關(guān)計(jì)算是指振動信號在某兩個瞬時值之間的相關(guān)關(guān)聯(lián)的關(guān)系，是對隨機(jī)振動信號的一種時域分析，自相關(guān)函數(shù)為：

通過自相關(guān)波形圖，可以清楚直觀的分析出隨機(jī)無規(guī)則信號里面的周期函數(shù)，從而判斷隨機(jī)嘈雜的信號中固定的振動成分.

小波分析是將高頻率、復(fù)雜的振動信號分層次化細(xì)分，逐步分析出振動信號里面有用的振動頻率，大大提高了頻譜分析的準(zhǔn)確率.連續(xù)小波變換為：

通過小波分析，可以將原多頻率、多層次的振動信號分解成若干個頻率不同的波段信號，便于分析和處理.

4 發(fā)動機(jī)振動的試驗(yàn)分析

4.1 發(fā)動機(jī)怠速下振動試驗(yàn)分析

連接好硬件部分后對某發(fā)動機(jī)進(jìn)行怠速下缸蓋處的振動信號采集.試驗(yàn)開始時，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動的瞬間，可以看到明顯而雜亂的振動波形，經(jīng)頻譜、自相關(guān)和功率譜密度分析以后可發(fā)現(xiàn)，有過大或過小的分析波形，振動波形不再平穩(wěn)，可以斷定發(fā)動機(jī)啟動瞬間振動異常，其主要原因是在啟動的時候，發(fā)動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)時，零部件的固有頻率和發(fā)動機(jī)振動頻率相等時產(chǎn)生共振所引起的發(fā)動機(jī)振動過大.當(dāng)發(fā)動機(jī)逐漸進(jìn)入怠速狀態(tài)時，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，很容易顯示發(fā)動機(jī)噪聲和振動異常的問題，因此，試驗(yàn)選擇發(fā)動機(jī)怠速下進(jìn)行.如圖4所示的是發(fā)動機(jī)穩(wěn)定怠速缸蓋處三個方向的原始振動信號和經(jīng)過自相關(guān)、頻譜和功率譜分析以后得到的波形圖.圖5為發(fā)動機(jī)采集到的噪聲信號.

圖4 發(fā)動機(jī)振動原始波形和分析后波形

圖5 發(fā)動機(jī)噪聲信號

從上述波形圖可看出，這臺發(fā)動機(jī)在怠速狀態(tài)下振動原始信號的波形中，白色振動信號明顯比紅色信號的幅值和頻率大，可知發(fā)動機(jī)缸蓋處上下振動的幅值要比前后和左右振動幅值要大，即上下豎直方向的振動比軸向和橫向振動要強(qiáng)烈.但是從總體振動圖可以看出，信號的波形大體為正弦波，而且振動波形上下幅度變化不大，沒有比較突起的波峰或者波谷，即沒有信號的異常變化，由此可以表明發(fā)動機(jī)缸的振動正常，沒有明顯的振動異常.經(jīng)信號的時域和頻域的頻譜、自相關(guān)和功率譜密度的分析以后，頻譜分析能更好地觀察信號的頻域特性，從圖知發(fā)動機(jī)振動的頻率穩(wěn)定，幅度平穩(wěn).從自相關(guān)分析圖可看出振動信號的隨機(jī)程度規(guī)范，以正規(guī)的正弦曲線振動.總之，分析結(jié)果圖曲線平穩(wěn)，沒有過大或過小的幅值變化.

另外通過圖5噪聲分析信號也可看出發(fā)動機(jī)在怠速下，聲音信號平緩沒有過大或過低的信號發(fā)生，人耳聽覺也沒有刺激的聲音發(fā)出.結(jié)合振動分析圖，亦可判斷發(fā)動機(jī)在怠速下沒有振動異常和異響的現(xiàn)象.由此可知，當(dāng)信號出現(xiàn)幅值過大或異常時，可推斷出此振動測試點(diǎn)處是主要振源或故障發(fā)生點(diǎn)，并將對此深一步的分析.

4.2 發(fā)動機(jī)故障下振動試驗(yàn)分析

發(fā)動機(jī)振動異常通常也是故障的直接顯示，為此，在發(fā)動機(jī)怠速下正常信號的基礎(chǔ)上設(shè)置一個發(fā)動機(jī)故障進(jìn)行振動的分析，通過比較可以直觀地發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)故障振動信號的不同，從而得知異常振動信號的故障原因所在.通過小波分析比較正常振動信號和拔掉一個火花塞的情況下振動信號，得出故障信號的特點(diǎn)和波形.如圖6、7所示，小波分解下在0-12 Hz和13-25 Hz波段時，正常小波信號和故障小波信號：

圖6 怠速工況下0-12 Hz小波信號

圖7 怠速工況下13-25 Hz小波信號

由圖6可知，怠速工況下0-12 Hz小波信號中，發(fā)動機(jī)怠速時故障振動信號的值是正常振動信號值的1.20倍；由圖7可知，在13-25 Hz小波信號段中，發(fā)動機(jī)怠速時故障振動信號的值是正常振動信號值的2.1倍.由此可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)振動信號蘊(yùn)含著發(fā)動機(jī)故障的信息，發(fā)動機(jī)異常振動的故障信號可以從中分析出發(fā)動機(jī)的故障源，在發(fā)動機(jī)故障診斷中起到積極的作用.

綜上所述，本文是在基于虛擬儀器的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機(jī)的振動測試系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì).通過測試系統(tǒng)的硬件組成和軟件開發(fā)，并結(jié)合一系列的信號時域分析和頻域分析，得到發(fā)動機(jī)在怠速狀態(tài)下的正常振動信號和發(fā)動機(jī)正常聲音級數(shù).在正常振動的基礎(chǔ)上通過小波分析發(fā)動機(jī)故障信號，得出發(fā)動機(jī)異常振動小波信號，通過比較從而分析故障原因，在發(fā)動機(jī)故障診斷技術(shù)中起到尋找振源排除故障的關(guān)鍵作用.

[1]范紅波，張英堂，孫燁.小波包和 SVM在發(fā)動機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].車用發(fā)動機(jī)，2006（4）.

[2]王江萍，鮑澤富.小波變換在柴油發(fā)動機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2006（9）.

[3]陳剛，廖明夫.基于小波分析的滾動軸承故障診斷研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007（12）.

[4]李業(yè)德，張景元，李業(yè)剛，等.基于多傳感器的發(fā)動機(jī)故障診斷模糊專家系統(tǒng)[J].故障診斷，2006（28）.

[5]向科峰.基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2011（14）.