王 剛，趙鳳君，宋建龍，胡偉興

某款V型六缸發(fā)動機缸內(nèi)異響問題診斷與優(yōu)化

王 剛，趙鳳君，宋建龍，胡偉興

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長春 130013）

發(fā)動機是汽車重要零部件之一，當發(fā)動機的機體內(nèi)部出現(xiàn)敲擊問題的時候，就會聽到“噠噠”或“當當”等敲擊噪聲，這種異響問題勢必會引起用戶抱怨，影響品牌形象。文章通過對某款V型六缸發(fā)動機在冷機啟動后的敲擊異響問題振動噪聲測試與分析，診斷出敲擊發(fā)生的位置，確認了敲擊的主要頻率范圍，通過正時信號角度域分析，推導出敲擊發(fā)生時刻，各缸氣門、活塞等運動副所處的位置，分析出最有可能發(fā)生敲擊的運動副并進行驗證，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決此敲擊異響問題。

發(fā)動機；敲擊異響；時域分析；小波分析

隨著汽車的普及與人們認知水平的提高，消費者對汽車的感知要求越來越高，特別是車內(nèi)聲品質(zhì)的要求。因此，發(fā)動機作為汽車的主要部件、主要噪聲源，就更受大眾關(guān)注。汽車異響作為噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能的重要組成部分，是影響消費者購買決定、使用滿意度的關(guān)鍵因素[1]，異響主要分三類：Buzz，一般是指結(jié)構(gòu)自身共振而產(chǎn)生的聲音；Squeak，由摩擦粘滑效應引起；Rattle，一種由零部件間發(fā)生相對運動導致碰撞而引起的噪聲[2]。發(fā)動機的異響問題，特別是機體內(nèi)部的敲擊異響問題，很難準確判斷真因與解決。需要根據(jù)問題特性，逐一排查可能的因素。一般發(fā)動機敲擊異響主要集中產(chǎn)生在曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)，其中曲柄連桿機構(gòu)異響主要包括曲軸主軸瓦異響、連桿軸瓦異響、活塞銷異響、活塞敲缸響等；配氣機構(gòu)異響主要包括缸蓋氣門異響、氣門挺柱異響、凸輪軸異響、正時鏈條異響等[3]。異響聲的特征和持續(xù)時間都沒有規(guī)律，其動態(tài)特征和聲學原理非常復雜，是一種非線性很強的物理現(xiàn)象[4]。目前，國內(nèi)廠家對于發(fā)動機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[5]，人工聽診法主要依靠經(jīng)驗主觀判斷，存在較大局限性，數(shù)據(jù)分析法可以主觀評價與客觀測試相關(guān)結(jié)果，能夠快速、有效地進行異響診斷與定位。

某款裝配V6發(fā)動機的車輛出現(xiàn)冷機啟動后敲擊異響，引起客戶較大抱怨，本文針對此異響問題，進行了真因診斷、異響源排查與問題解決。通過對異響現(xiàn)象進行振動噪聲測試、發(fā)動機點火正時信號測試，數(shù)據(jù)處理使用時域信號分析、頻譜分析、小波分析等技術(shù)手段，診斷出異響發(fā)生的位置，確認了異響的主要頻率范圍，通過正時信號角度域分析，推導出異響發(fā)生時刻，各缸氣門、活塞等運動部件所處的位置，分析出最有可能發(fā)生異響的運動副并進行驗證，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決此異響問題。

1 現(xiàn)象描述

某款V型六缸發(fā)動機在冷機啟動后，原地加油門或是行駛在較安靜的道路時，在1 800～ 2 300 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間出現(xiàn)明顯的“噠噠”聲異響，此異響在車外、車內(nèi)均可明顯感知，隨著發(fā)動機水溫升高，“噠噠”聲逐漸減弱，當發(fā)動機水溫超過90 ℃時，異響消失。通過主觀評價，判斷此異響為發(fā)動機機體內(nèi)部運動付敲擊導致。

2 問題排查

發(fā)動機機體內(nèi)部的敲擊問題非常復雜，很難準確地診斷出導致敲擊異響的具體的零部件。針對此類敲擊異響問題，大致可以通過發(fā)動機表面振動測試、近場噪聲測試獲取異響相關(guān)振動噪聲信號，再采用振動噪聲信號時域分析、小波分析、角度域分析等手段分析異響特征，推導出可能導致此異響的零部件并進行針對性的異響源排查與方案驗證。

2.1 傳聲器布置

異響問題被發(fā)現(xiàn)時，大多是發(fā)生在整車上，由于整車機艙內(nèi)的空間較小，需要根據(jù)機艙空間布置情況，合理布置傳感器。通常在發(fā)動機缸體兩側(cè)各布置1個傳聲器，傳聲器指向發(fā)動機缸體中心位置，距離缸體表面10～20 cm，此距離可以有偏差，主要是用于獲取異響的噪聲信號，后期數(shù)據(jù)處理時音頻回放以及與振動信號對比分析等。

2.2 三向加速度傳感器布置

布置加速度傳感器前，先初步判斷異響發(fā)生位置。空轟油門復現(xiàn)異響，使用聽診器進行診斷，逐一聽取缸蓋、缸體、缸體裙部的異響聲，經(jīng)過排查，初步判斷出異響發(fā)生的缸體位置。在發(fā)動機1—6缸缸體處分別布置三向振動加速度傳感器，如圖1、圖2所示標記位置，由于發(fā)動機缸體兩側(cè)有許多外附件，振動加速度傳感器很難布置在理想位置，布置原則主要是振動加速度傳感器盡量延缸筒中心布置，用來獲取各缸活塞、連桿等運動副產(chǎn)生的敲擊信號以及主軸承座附近的敲擊信號。

圖1 缸體右側(cè)振動測點位置

圖2 缸體左側(cè)振動測點位置

2.3 正時信號獲取

在進行振動噪聲測量同時，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步測量發(fā)動機點火正時相關(guān)信號，如：進、排氣凸輪軸與曲軸轉(zhuǎn)角信號，用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理時對振動噪聲信號進行角度域分析。

2.4 異響測試

異響工況復現(xiàn)：發(fā)動機冷機啟動后，原地踩油門，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r/min，此時，車內(nèi)、外均可聽到明顯的“噠噠”異響，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄此工況下的振動噪聲信號與發(fā)動機點火正時信號。

2.5 振動信號時域分析

對缸體兩側(cè)6個三向加速度傳感器進行時域信號對比分析，數(shù)據(jù)顯示 1、2、3、4、6缸的缸體振動表現(xiàn)正常，沒有敲擊或沖擊特征信號，5缸的缸體振動則出現(xiàn)明顯的敲擊現(xiàn)象，見圖3。通過振動信號時域?qū)Ρ瓤梢耘袛喑鲈摪l(fā)動機敲擊問題出現(xiàn)在5缸。

圖3 缸體振動時域信號分析

2.6 異響特性確認

對于敲擊導致的異響，常規(guī)快速傅里葉變換譜分析只能對整個測試工況的時間歷程進行宏觀分析，無法進行詳細的時域局部分析。采用時頻分析可以有效地提取瞬時敲擊或沖擊信號特征信息。小波分析是一種自適應的時頻分析方法，在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨率，在高頻部分具有較低的頻率分辨率和較高的時間分辨率[6]，小波頻譜能夠反映頻率隨時間的變化與頻率成份的能量分布，可以有效反映敲擊特性。

對5缸缸體振動信號和該側(cè)缸體近場噪聲信號進行小波分析，同時進行音頻濾波回放，如圖4所示，可以確認敲擊異響特性如下：

1）振動與噪聲小波分析頻譜均表現(xiàn)出明顯的敲擊現(xiàn)象；

2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)需要0.03 s，圖4中2個明顯的敲擊信號的時間間隔是0.06 s，說明發(fā)動機轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，各缸均完成1次工作循環(huán)，出現(xiàn)1次敲擊；

3）異響頻率主要集中在3 500～5 500 Hz。

圖4 小波分析結(jié)果

2.7 敲擊異響角度域分析

振動信號與正時信號結(jié)合進行轉(zhuǎn)角分析，通過1、2、3缸進氣凸輪軸信號和曲軸信號確認1缸壓縮上止點位置，結(jié)合振動信號分析，敲擊現(xiàn)象發(fā)生在1缸壓縮上止點后約486°，此時刻，各缸活塞位置如圖5、表1所示。

表1 敲擊時刻各缸活塞所處位置

氣缸號（按點火順序）敲擊時刻活塞所處位置/(°) 1缸吸氣行程上止點后126 4缸吸氣行程上止點后6 3缸排氣行程上止點前114 6缸膨脹行程上止點后126 2缸膨脹行程上止點后6 5缸壓縮行程上止點114

圖5 振動信號角度域分析

發(fā)生敲擊異響時刻，5缸活塞所片位置為壓縮行程上止點前114°。

2.8 異響源分析與驗證

根據(jù)異響工況與異響特性分析，發(fā)動機轉(zhuǎn)2圈地敲擊1次，初步判斷異響源與發(fā)動機點火相關(guān)，活塞、連桿等缸內(nèi)動力部件產(chǎn)生的敲擊的風險較高。針對此敲擊問題，制定了針對性的驗證方案，驗證方案與驗證結(jié)果如表2所示?？s小連桿小頭間隙、縮小連桿大頭間隙、增壓配缸間隙方案，異響均存在，大致說明此敲擊異響非活塞連桿運動件導致，下一步考慮缸體對異響的影響，通過有異響與無異響發(fā)動機缸體互換方案驗證，可以看出異響跟隨發(fā)動機缸體，最終鎖定異響源為發(fā)動機缸體。

表2 各方案驗證與異響評價結(jié)果

序號驗證方案異響評價 1連桿小頭最小間隙（5缸）X 2連桿大頭最小間隙（5缸）X 3最大配缸間隙（5缸）X 4有異響與無異響發(fā)動機缸體互換√

通過對異響缸體進行檢測，發(fā)現(xiàn)缸筒變形嚴重，2階傅里葉系數(shù)超限值。對缸體進行解剖檢查缸體與缸套的貼合度，可明確看出氣缸套的貼合不好，缸體同缸套的貼合處有大面積的金屬過燒、鋁金屬局部堆積乃至凹坑缺陷，如圖6所示。判斷缸體與缸套貼合度差，是導致此敲擊異響問題的真因。分析鑄造工藝原因：1）車間環(huán)境及砂芯溫度較低，造成澆注前缸套溫度較低，溫度范圍＜200 ℃，有低于100 ℃的可能；2）砂芯發(fā)氣量大，產(chǎn)生的氣體在上浮過程中緊貼缸套，這是“V”型缸體的特殊結(jié)構(gòu)造成的，產(chǎn)生的氣體存留在螺紋內(nèi)，造成貼合不良；3）后端側(cè)缸套距離澆口位置較遠，鋁水到達該位置時鋁水溫度低，造成貼合不良。

圖6 缸體解剖照片

2.9 方案優(yōu)化

針對2.8中分析的影響氣缸套貼合度的因素，制定以下方案規(guī)避：

1）采用缸套內(nèi)電磁感應加熱技術(shù)，澆注前對缸套進行加熱，溫度達到200～300 ℃時能立即進行澆注，防止缸套溫度低；

2）砂芯澆注前進行烘干；

3）優(yōu)化澆注工藝，采用雙升液管進行澆注，降低鋁水溫度損失。

對采用以上三項優(yōu)化方案后生產(chǎn)的發(fā)動機進行異響問題主觀評價，3臺份樣車均無異響，振動測試結(jié)果見圖7改進樣機振動測試結(jié)果。

圖7 改進樣機振動測試結(jié)果

3 結(jié)束語

發(fā)動機機體內(nèi)部的敲擊異響很難進行準確定位、鎖定真因與快速解決。本文通過某V型六缸發(fā)動機敲擊異響問題的診斷與研究，采用主觀評價、聽診器排查、振動噪聲測試、小波分析、時域信號的角度域分析等手段，鎖定了異響真因為缸筒、缸套貼合，驗證了優(yōu)化方案，成功解決此敲擊異響問題。

[1] UTZIG L,WEISHEIT K,SEPAHVAND K,et al.Innova- tive Squeak Noise Prediction:An Approach Using the Harmonic Balance Method and a Variable Normal Contact Force[J].Journal of Sound and Vibration, 2021(3):116077.

[2] GOSAVI S S.Automotive Buzz, Squeak and Rattle (BSR) Detection and Prevention[C]//Society of Auto- motive Engineers.Symposium on International Auto- motive Technology.Maharashtra:Pune,2005:17-25.

[3] 謝安,顏燦寶,藍恒.發(fā)動機異響常見失效模式及原因分析[J].時代汽車,2019(9):159-160.

[4] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[5] 洪日昇,王越.結(jié)合頻譜與曲軸轉(zhuǎn)角域的發(fā)動機敲缸異響分析[J].傳動技術(shù),2020,34(2):24-28.

[6] 王霞.非平穩(wěn)信號特征提取方法研究及其在內(nèi)燃機故障診斷中的應用[D].天津:天津大學,2015.

Diagnosis and Optimization of Knock Noise in Cylinder of V6 Engine

WANG Gang, ZHAO Fengjun, SONG Jianlong, HU Weixing

( China FAW Corporation R&D General Institute, Changchun 130013, China )

Engine is one of the important parts in a vehicle, when knock noise inside the cylinder occurs, people will perceive "rattling" or "dangdang" noise,which is often leading to customer complaints and negatively impacts the brand image.In this paper, by investigating the abnormal vibration and noises of a V6 engine after cold start via testing and analysis, the location of knock is identified, and the main frequency range of the knock noises is determined. By analyzing the angle domain of timing signal, the positions of each cylinder valve, piston and other moving pairs at the time of knock are deduced. The components and parts which are most likely to generate knocking noises are analyzed and verified. Finally, the issue of the abnormal knocking noises is resolved through structural optimization.

Engine; Knocking noise; Time domain analysis; Wavelet analysis

TK401

A

1671-7988(2023)11-154-05

王剛（1980－），男，高級工程師，研究方向為動力單元NVH試驗開發(fā)，E-mail:wanggang4@faw.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.028