2 某型發動機“嗒嗒”異響信號的分析

發動機氣門機構是復雜旋轉機械的系統,其受到的激勵以及響應非常復雜,并且非線性極強,使得對缸蓋表面拾取的振動和噪聲信號信噪比很低,采用傳統的傅里葉變換很難去除背景噪聲頻率,導致過多地掩蓋振動噪聲信號中的時變規律,很難準確提取氣門機構運動規律的信息。本文針對某缸蓋系統嗒嗒異響進行小波處理,準確提取異響的振動和噪聲特征,并在發動機曲軸轉角角度域中對異響進行準確定義故障點。

2.1 小波分析對異響信號的提取

在對某整車NVH主觀評價過程中,評價人員感覺在車內有輕微間隔性的“嗒嗒”異響,此異響發生節奏很有規律,很容易引起客戶感知和抱怨。通過進一步主觀判斷,該“嗒嗒”異響來自于發動機上部;為進一步調查該“嗒嗒“異響產生的原因,將異響發動機從上整車拆除后在消聲室中對該發動機進行測試分析。對缸蓋頂部近場的噪聲測試,通過對噪聲測試信號的常規傅里葉變換頻譜分析和小波分析對比,如下圖2至圖4。明顯看出圖3中常規頻譜分析所得到的頻譜圖上沒有呈現出與主觀回放相對應的間隔性敲擊異響,而圖4中小波分析圖譜上則很規律地呈現了間隔性的敲擊信號。經小波分析后回放試聽,確定該異響在怠速760r/min時發生的頻次為6次/1s,即曲軸旋轉2次異響發生一次,主要頻段集中在2300-3700Hz。經與時域數據對應,小波分析圖譜與時域數據中敲擊時刻有很好的對應關系。

    圖2 第1缸進氣側凸輪軸承座振動及發動機上方噪聲時域數據圖

    圖3 發動機上方噪聲傅里葉變換頻譜圖

    圖4 發動機上方噪聲小波分析時頻圖

2.2 角度域定義故障點

通過對“嗒嗒“異響小波分析,基本可以確定該異響來自于氣門機構系統,為進一步調查明確異響產生的原因,還必須精確定義該異響產生的部位。發動機曲軸轉角分析功能則提供了有力的分析工具。為滿足角度域分析需要,使用磁電轉速傳感器采集發動機啟動齒轉速信號,因為啟動齒圈132齒,所以角度域分析精度在3°附近,滿足對問題的定義需求。同時采集發動機1缸缸壓信號作為發動機工作循環參考。通過對“嗒嗒”異響信號角度域分析,確定異響發生在曲軸轉角470°左右,進一步對氣門室罩蓋振動信號進行角度域轉換(見圖5),發現在曲軸轉角477°時氣門室罩蓋振動峰值非常突出,通過分析發動機工作循環所對應的氣門運動角度,發現第二缸的進氣門關閉角度430°,非常接近470°的異響發生角度,因VVT發動機氣門落座在角度上有一定的調整角度空間,因此二缸進氣門關閉角度在430°以及滯后一定的角度,與470°的異響角度接近。根據角度域分析初步思路,進行去除氣門,利用排除法來確定該問題的來源。

    圖5 氣門室罩蓋角度域分析彩圖

2.3去除氣門驗證角度域分析結果

為了驗證角度域分析的正確性,分別按照順序依次去除了2缸、4缸、所有缸的氣門,再按照順序安裝回4缸、2缸氣門機構,通過按照以上順序的排查試驗驗證,充分證實了轉角測試分析的精確性。圖6為安裝回4缸氣門后發動機上方噪聲的小波分析時頻圖,圖7為在安裝第4缸氣門的基礎上再安裝回2缸的氣門,明顯可以看到該異響特征重現。

圖6 安裝回4缸氣門后發動機上方噪聲的小波分析時頻圖

    圖7 安裝第2缸氣門后發動機上方噪聲小波變換時頻圖

3 結論

3.1 通過對對異響信號的小波變換,可以得到比常規頻譜分析更好的時頻特性,找出了“嗒嗒”異響的特征。并運用角度域分析,準確定位該異響發生時刻所對應的曲軸轉角角度,依據發動機循環特性,指出了該嗒嗒異響來自第2缸進氣門的落座時刻。

3.2 由于發動機是復雜的往復旋轉系統,很多激勵都與發動機曲軸轉角有特定的關系,利用小波分析可很好地將此類周期性的特征信號重現,從而更精確的定義和判斷問題,極大提高了故障問題診斷的效率。本文通過對缸蓋嗒嗒異響的排查,很好地證明了LMS小波分析在時頻分析中的作用,同時也驗證了角度域分析振動噪聲信號對激勵點定義的準確性。