洪日昇 王 越

(上海大眾動(dòng)力總成有限公司,上海 201821)

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)NVH中，異響通常是指發(fā)動(dòng)機(jī)零部件在工作中發(fā)出的非正常噪聲[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)異響不僅影響了乘坐汽車的舒適性，同時(shí)還是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件產(chǎn)生故障的標(biāo)志[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)異響可主要分為三大類：機(jī)械噪聲，燃燒噪聲及空氣噪聲[4]。目前階段，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)異響的故障診斷主要有人工主觀聽診法和基于數(shù)據(jù)采集及軟件算法的數(shù)據(jù)分析法。人工聽診法非常依賴聽診者的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，且診斷條件局限，結(jié)果非常主觀，誤差很大[5]。數(shù)據(jù)分析法中包括模態(tài)分析、麥克風(fēng)聲陣列、加速度分析、頻譜分析和曲軸角度域分析等多種工具，是現(xiàn)階段發(fā)展的重點(diǎn)。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，異響激勵(lì)源繁多，且發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)具有非平穩(wěn)性[6]，所以針對(duì)不同的異響表現(xiàn)和異響類型，需要選擇合適的工具來進(jìn)行分析。

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某臺(tái)出現(xiàn)敲缸異響的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)?；钊脫粼肼曈趾?jiǎn)稱為敲缸，指的是活塞在缸體內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)敲擊汽缸壁。當(dāng)活塞在上下行時(shí)會(huì)對(duì)主次推力面產(chǎn)生一個(gè)周期性的側(cè)向力，活塞就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由一側(cè)向另一側(cè)的位移?；钊麑?duì)于汽缸壁的敲擊主要發(fā)生在上止點(diǎn)和下至點(diǎn)附近，在壓縮行程結(jié)束和做功行程開始時(shí)最為嚴(yán)重[5]。敲缸聲屬于機(jī)械噪聲，與發(fā)動(dòng)機(jī)做功沖程相關(guān)，并且發(fā)生的振動(dòng)可由汽缸表面?zhèn)鬟f至空氣，隨后向外輻射被人耳識(shí)別。

針對(duì)以上異響特性，本文提出了一種結(jié)合頻譜分析，加速度信號(hào)分析和曲軸轉(zhuǎn)角域分析的方法來對(duì)該類故障進(jìn)行診斷。分析方法如圖1所示。

圖1 敲缸異響分析方法Fig.1 Cylinder knocking noise analysis method

該分析法從異響聲壓信號(hào)的FFT頻譜圖出發(fā)，通過降噪濾波和聲音回放鎖定異響的頻率特征，用加速度信號(hào)的頻譜圖進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)異響聲壓與異響加速度的吻合。隨后再分析加速度原始信號(hào)初步判斷氣缸的振動(dòng)情況是否正常，最后引入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及凸輪軸信號(hào)進(jìn)行曲軸轉(zhuǎn)角域分析，鎖定故障汽缸。該方法簡(jiǎn)便有效，對(duì)該類與做功相關(guān)和向外輻射的機(jī)械噪聲十分有效，同時(shí)不受外界非相關(guān)噪聲的影響，提高了分析的正確率。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

某臺(tái)四沖程自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在冷車啟動(dòng)的過程中發(fā)出清脆響亮的“嗒嗒”聲，人耳可在駕駛艙內(nèi)聽到異響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程師判斷為敲缸。駐車怠速發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高后，異響消失。

1.2 測(cè)量設(shè)備

本次試驗(yàn)使用發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架復(fù)現(xiàn)異響工況，PAK振動(dòng)分析系統(tǒng)采集異響信號(hào)。振動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)中包括：

(1) PAK前端數(shù)采和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，設(shè)置采樣頻率為30 kHz；

(2) PCB電荷型三向加速度計(jì)，加速度量程為500 g，頻率有效范圍為0 kHz～5 kHz；

(3) PCB自由場(chǎng)麥克風(fēng)，聲壓量程為0 dB～200 dB，頻率有效范圍為0 kHz～10 kHz；

(4) 曲軸位置脈沖信號(hào)及凸輪軸位置電壓信號(hào)采集器。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)判斷的異響源，盡可能地貼近異響位置來體現(xiàn)汽缸做功的振動(dòng)情況，將加速度測(cè)點(diǎn)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)的缸體表面上，與四個(gè)汽缸的位置對(duì)應(yīng)，同時(shí)將采集聲壓信號(hào)的麥克風(fēng)也布置于排氣側(cè)，如圖2所示。加速度計(jì)的三個(gè)方向位置定義為：由發(fā)動(dòng)機(jī)前端至后端為+x方向，進(jìn)氣側(cè)至排氣側(cè)為+y方向，底部至頂部為+z方向，如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)的具體步驟為：

(1) 將發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)怠速(700 rpm)啟動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)在水溫60 ℃，油溫45 ℃時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈“噠噠”聲，與抱怨中的異響描述一致，異響復(fù)現(xiàn)；

圖2 加速度計(jì)及麥克風(fēng)的測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Accelerator and mic measuring position

圖3 加速度三向位置定義Fig.3 Accelerator 3-axial definition

(2) 采集發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，凸輪軸位電壓信號(hào)，三向加速度振動(dòng)信號(hào)及麥克風(fēng)聲壓信號(hào)；

(3) 根據(jù)圖1的分析流程，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確認(rèn)異響源；

(4) 換裝異響零件，驗(yàn)證分析結(jié)果。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 異響聲壓FFT頻譜分析

根據(jù)試驗(yàn)步驟，發(fā)動(dòng)機(jī)異響復(fù)現(xiàn)后對(duì)麥克風(fēng)采集到的聲壓信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，如圖4所示。FFT變換長(zhǎng)度為1024個(gè)點(diǎn)，頻率分辨率為32 Hz，有效量程為0 kHz～10 kHz。聲音回放后確認(rèn)其中存在抱怨異響。

2.2 異響聲壓FIR濾波降噪

因?qū)嶒?yàn)室為非消聲環(huán)境，存在發(fā)動(dòng)機(jī)正常噪聲與其余無關(guān)噪聲過多的問題(如設(shè)備工作聲，測(cè)功機(jī)變頻器噪聲等)，頻譜分析中的高亮帶不一定由異響噪聲貢獻(xiàn)，所以需要對(duì)該頻譜圖進(jìn)行FIR帶通濾波將無關(guān)聲音過濾。隨后使用聲音回放功能加上聽診確認(rèn)，逐步縮小帶通范圍，可將異響特征頻帶定位在2.6 kHz～4.8 kHz。即在該帶通范圍內(nèi)進(jìn)行聲音回放，人耳可聽到最清晰的異響聲，異響在該范圍的聲強(qiáng)不一定最大，但占主要成分。FIR的帶通濾波降低2.6 kHz～4.8 kHz以外的dB值，設(shè)置如圖5所示。濾波后的異響頻譜如圖6所示。

圖4 麥克風(fēng)聲壓信號(hào)的頻譜圖Fig.4 Mic sound pressure spectrum

圖5 FIR帶通濾波器Fig.5 FIR bandpass filter

圖6 FIR帶通濾波后的結(jié)果Fig.6 After FIR filter result

2.3 加速度FFT頻譜分析

4個(gè)三向加速度計(jì)同時(shí)采集到了振動(dòng)信號(hào)，同樣對(duì)其作FFT頻譜分析，結(jié)果如圖7。FFT變換長(zhǎng)度為1024個(gè)點(diǎn)，頻率分辨率為32 Hz，有效量程為0～5 kHz，幅值的自適應(yīng)量綱為±1 m/s2。Cyl為汽缸縮寫，Cyl1_x即代表1缸缸體表面的x方向的加速度信號(hào)，其余以此類推。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為四個(gè)活塞做功振動(dòng)時(shí)共同的傳遞路徑，所以1缸表面的加速度計(jì)并不僅指1缸的振動(dòng)，而是在1缸缸體表面位置采集到的所有振動(dòng)。

根據(jù)圖7頻譜分布的結(jié)果，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中的確存在較大激勵(lì)源，且Cyl1_x,y，Cyl2_x,y,z，Cyl3_x,z，Cyl4_x,y,z在異響特征頻段(2.6 kHz～4.8 kHz)內(nèi)出現(xiàn)明顯的高亮帶。對(duì)以上所有的加速度信號(hào)再次進(jìn)行FIR帶通濾波并進(jìn)行聲音回放，異響聲同樣明顯。證明所有加速度計(jì)都采集到了異響振動(dòng)信號(hào)，聲壓信號(hào)與加速度計(jì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)有良好的對(duì)應(yīng)性。

2.4 加速度原始信號(hào)分析

選擇含有異響特征的Cyl1_x、Cyl2_x、Cyl3_z及Cyl4_x的加速度信號(hào)再次進(jìn)行FIR濾波，取時(shí)間長(zhǎng)度為1 s，量程為-20 m/ss～20 m/s2，進(jìn)行原始信號(hào)分析。如圖8所示。

圖8中，1次加速度尖峰即為單缸的做功振動(dòng)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為700rpm,旋轉(zhuǎn)2圈完成一次做功循環(huán)的時(shí)間約為0.17 s。對(duì)應(yīng)至圖中，即每4次尖峰的時(shí)間長(zhǎng)度穩(wěn)定即為0.17 s。從圖中Cyl1_x、Cyl2_x、Cyl3_z的信號(hào)中可以看出在1s內(nèi)出現(xiàn)多次幅值超過平均水平(8 m/s2-10 m/s2)的銳利尖峰(15 m/s2，如框選)，在各信號(hào)中的時(shí)間點(diǎn)也明顯對(duì)應(yīng)，且出現(xiàn)頻率并不連續(xù)，推測(cè)為單個(gè)汽缸敲缸異響造成。

圖7 加速度信號(hào)的頻譜圖Fig.7 Accelerator frequency spectrum

2.5 曲軸轉(zhuǎn)角域分析

為了進(jìn)一步得到異響特征與汽缸做功的關(guān)系，需要得到帶有判斷1缸TDC上止點(diǎn)的曲軸補(bǔ)齒信號(hào)進(jìn)行曲軸轉(zhuǎn)角域分析。在此描述該信號(hào)形成的原理：將曲軸缺齒信號(hào)與凸輪軸位置信號(hào)進(jìn)行同步計(jì)算，并根據(jù)該款發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，設(shè)定曲軸缺齒后的第13齒為1缸壓縮上止點(diǎn)位置。如圖9所示，曲軸缺齒后的第13個(gè)齒與凸輪軸的窄高電平重合的時(shí)間點(diǎn)即為1缸上止點(diǎn)。將兩個(gè)信號(hào)同步計(jì)算可在振動(dòng)分析儀中生成一個(gè)帶TDC信號(hào)的曲軸補(bǔ)齒脈沖，用于曲軸轉(zhuǎn)角分析時(shí)的判缸。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的曲軸位置(CRA)與凸輪軸位置(Cam)信號(hào)Fig.9 Engine leerlauf crankshaft positon (CRA) and camshaft (Cam) signal

選擇含有異響特征的Cyl1_x、Cyl2_x、Cyl3_z及Cyl4_x的加速度信號(hào)再次進(jìn)行FIR濾波，隨后使用上述的帶TDC曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行跟蹤，如圖10所示。0°為1缸壓縮上止點(diǎn)(TDC)，角度分辨率為0.5°，幅值的自適應(yīng)量綱為±5 m/s2，將振動(dòng)信號(hào)與曲軸旋轉(zhuǎn)角度0°～720°(即曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈)對(duì)應(yīng)。

圖10 曲軸轉(zhuǎn)角域分析Fig.10 Crankshaft rotation angle analysis

根據(jù)任務(wù)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)型，4個(gè)汽缸的做功順序?yàn)?-3-4-2。在圖10中各個(gè)汽缸在各個(gè)角度的沖程如表1所示。

結(jié)合表1與圖10可得，在0°、180°、360°與540°附近出現(xiàn)的加速度高亮帶為汽缸燃燒做功爆發(fā)壓力引起，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的正常振動(dòng)。對(duì)比4個(gè)信號(hào)，可發(fā)現(xiàn)在560°～580°的范圍內(nèi)每個(gè)汽缸均存在寬角度的幅值高亮帶，說明該角度帶內(nèi)的振動(dòng)幾乎與燃燒做功相近，且在缸體表面各個(gè)位置均有強(qiáng)烈響應(yīng)。根據(jù)敲缸異響的特性，活塞敲擊最易發(fā)生在壓縮結(jié)束和做功開始的沖程。根據(jù)表1，可得560°～580°恰為2缸的做功沖程，在壓縮上止點(diǎn)后20°～40°。由此得出結(jié)論，2缸為敲缸異響的唯一激勵(lì)源，其余汽缸工作正常。異響發(fā)生在做功沖程，曲軸轉(zhuǎn)角560°～580°之間。

表1 4個(gè)汽缸沖程與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系Table 1 4 Cylinder stroke-crankshaft angle

3 換裝驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析方法的結(jié)果，同時(shí)研究2缸的異響是否是與2缸的活塞連桿組有關(guān)，將2缸(異響缸)的活塞連桿組與1缸(正常)的活塞連桿組進(jìn)行對(duì)調(diào)，再次重復(fù)試驗(yàn)得出曲軸轉(zhuǎn)角分析譜，如圖11。

圖11 1缸與2缸對(duì)調(diào)活塞連桿組后的曲軸轉(zhuǎn)角分析譜Fig.11 1st cylinder & 2rd cylinder after replacement crankshaft rotation angle

通過圖11與圖10的對(duì)比，可以明顯看出560°～580°的高亮帶消失，轉(zhuǎn)移至20°～40°附近，即2缸做功沖程時(shí)的異響消失，轉(zhuǎn)移至了1缸的做功沖程。1缸的壓縮上止點(diǎn)為0°，換裝后的異響特征依然為壓縮上止點(diǎn)后20°～40°左右。由此驗(yàn)證了換裝試驗(yàn)的敲缸異響是來自于2缸，且異響與活塞連桿組有關(guān)，換裝試驗(yàn)后異響振動(dòng)隨著2缸的活塞連桿組轉(zhuǎn)移至了1缸。

4 結(jié)論

(1) 本次試驗(yàn)使用圖1的分析方法，結(jié)合了頻譜分析，加速度分析及曲軸轉(zhuǎn)角跟蹤分析對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了故障診斷，判斷敲缸異響來自2缸；

(2) 通過活塞連桿組的換裝試驗(yàn)，驗(yàn)證了2缸為敲缸異響源，并且發(fā)現(xiàn)異響與2缸的活塞連桿組相關(guān)；

(3) 本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的敲缸異響，提出了一種有效的診斷分析方法，具有簡(jiǎn)便，快速，準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。