摩托車發(fā)動機(jī)異響在線檢測系統(tǒng)開發(fā)

楊 誠，黃金旺，楊振冬，付玉樂

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶建設(shè)摩托技術(shù)中心，重慶 400054）

目前，摩托車行業(yè)針對發(fā)動機(jī)異響問題所采用的方法是人工聽診，即由具有一定先驗(yàn)知識和診斷經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員通過手摸、耳聽等感官來判斷，這樣勢必會加入一些主觀因素，標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，判斷準(zhǔn)確率不會很高，同時也會對人耳的健康造成傷害。雖然國內(nèi)在摩托車發(fā)動機(jī)異響故障診斷方面做了大量的研究工作[1-3]，但對于異響故障診斷在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)研究較少，且大都基于模糊診斷方法[4-5]，沒有出現(xiàn)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。因此，開發(fā)一套摩托車發(fā)動機(jī)異響故障在線檢測系統(tǒng)（以下簡稱在線檢測系統(tǒng)）對于提高摩托車產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

LabVIEW是一種基于圖形化語言的開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行的集成化虛擬儀器開發(fā)平臺。它針對測試系統(tǒng)軟件開發(fā)的需要將數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、輸出等一些常用的功能模塊化，通過對程序模塊的調(diào)用，提高了模塊的復(fù)用度和軟件的開發(fā)效率[6]。采用該平臺使在線檢測系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)直觀簡單，性能可靠。

1 在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能需求

由于摩托車發(fā)動機(jī)異響故障信號很微弱，生產(chǎn)線周圍噪聲干擾多，且一線檢測人員工作量已經(jīng)很大，因此對在線檢測系統(tǒng)提出了如下功能需求。

（1）數(shù)據(jù)采集前端精度高，能很好地檢測到微弱的異響信號。

（2）對常見的異響判斷準(zhǔn)確率高。

（3）系統(tǒng)分析界面友好，有外觸發(fā)啟動儀器功能，方便檢測人員操作。

該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 傳聲器測點(diǎn)布置

本文遵循測點(diǎn)選取的兩個原則，借用聲學(xué)互動濾波技術(shù)[7]和聲強(qiáng)法來選擇測點(diǎn)。首先，對照發(fā)動機(jī)工作頻率和發(fā)動機(jī)內(nèi)部零部件激振頻率，回放各關(guān)注頻段，確定人工聽診中最關(guān)注的異響對應(yīng)的大概頻段；其次，通過聲強(qiáng)法對確定的異響頻段進(jìn)行近場定位，同時考慮發(fā)動機(jī)在測試臺架上的位置，選擇最佳測點(diǎn)[8]。

聲強(qiáng)試驗(yàn)時，將發(fā)動機(jī)上表面用網(wǎng)格劃分，如圖2所示。聲強(qiáng)測試完畢，對檢測人員通過聲學(xué)互動濾波確定的右蓋異響頻段5～6 kHz進(jìn)行定位，計算后發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)格上下邊緣處聲強(qiáng)級較高，尤其是下邊緣強(qiáng)度很大，如圖3所示。同時考慮發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此處正是發(fā)動機(jī)主副離合器和機(jī)油泵齒輪（高故障率部件）的所在位置，如發(fā)動機(jī)頂面網(wǎng)格劃分圖2中A處，該點(diǎn)對應(yīng)主要異響故障齒輪噪聲的直接輻射路徑，能夠直接測取信息豐富的聲信號，故選定此處為傳聲器測點(diǎn)。

1.3 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對于異響信號影響較大，轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動機(jī)機(jī)體振動增大，同時其輻射噪聲也會增加，這樣容易檢測到異響聲，但轉(zhuǎn)速過大容易引起發(fā)動機(jī)其它噪聲，掩蓋了異響信號[9]。因此，軟件部分須增加監(jiān)測轉(zhuǎn)速功能，以確定采集聲信號時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速處于怠速區(qū)間內(nèi)。在線檢測系統(tǒng)采用一根線圈纏繞于發(fā)動機(jī)火花塞導(dǎo)線遠(yuǎn)端上，此處感應(yīng)電壓雖小，但還是超出了數(shù)據(jù)采集前端的量程，為此線圈前端還串聯(lián)幾個電阻，降到量程以內(nèi)，以保護(hù)采集前端，如圖4所示。利用導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，程序中設(shè)置上升沿觸發(fā)，閾值為0.5 V，來監(jiān)測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。測試證明，此方法能準(zhǔn)確測取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.4 系統(tǒng)的硬件部分

考慮到摩托車發(fā)動機(jī)異響信號很微弱，在線檢測系統(tǒng)采用較高的硬件配置，主要如下：（1）數(shù)據(jù)采集前端為美國國家儀器有限公司NI-USB9234測量套件，作為基于USB的4通道C系列動態(tài)信號采集模塊，能針對集成電路壓電式（IEPE）與非IEPE傳感器，進(jìn)行高精度聲音與振動測量。主要參數(shù)為：4通道，24位分辨率，102 dB動態(tài)范圍，抗混疊濾波器，每通道最高51.2 kS/s采樣速率, ±5 V輸入范圍。（2）傳聲器為北京聲望MPA201型自由場傳聲器，直徑1.27 cm（1/2英寸），靈敏度為45.7 mV/Pa，帶TEDS功能。

1.5 系統(tǒng)的軟件部分

在線檢測系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)速監(jiān)控、聲信號采集、聲信號處理3部分組成。在線檢測系統(tǒng)程序流程如圖5所示，主要圍繞以下幾個功能展開。

（1）轉(zhuǎn)速監(jiān)控。本文鑒于各種轉(zhuǎn)速下異響信號的表現(xiàn)程度，以及人工判別異響的常用轉(zhuǎn)速，確定轉(zhuǎn)速1 500～17 00 r/min為采集聲信號的怠速區(qū)間。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到此區(qū)間時，開始測取發(fā)動機(jī)聲信號，否則，程序一直處在監(jiān)測轉(zhuǎn)速狀態(tài)中。

（2）聲信號采集。傳聲器位置在A處，距離發(fā)動機(jī)表面垂直距離2 cm ，采樣率為25.6 kHz，采樣時間為5 s。測完聲信號后再次檢測轉(zhuǎn)速是否在怠速區(qū)間，是則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，否則回到第1步。

（3）聲信號處理。此部分包含聲信號的存儲、文件記錄和異響識別。每一種發(fā)動機(jī)異響類型都采集了至少20臺樣本，通過比較確定了各異響類型的特征和相應(yīng)的閾值，在線檢測的發(fā)動機(jī)與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而判斷為何種異響類型。

2 摩托車發(fā)動機(jī)異響識別

2.1 異響特征頻率識別

在對該款摩托車發(fā)動機(jī)出廠質(zhì)量的長期監(jiān)督和三包記錄來看，不合格發(fā)動機(jī)中大部分是因?yàn)榇嬖诎l(fā)動機(jī)機(jī)械異響問題，并且異響部位比較集中，主要的異響部位在左、右曲軸箱蓋、箱體。常見的機(jī)械異響有右蓋異響、箱體異響、尖叫和左蓋異響，其中又以右蓋異響和箱體異響最為常見，約占發(fā)動機(jī)異響總數(shù)的70%。

本文采集了由多名經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測人員通過人工聽診選出的大量的發(fā)動機(jī)聲信號，應(yīng)用聲學(xué)互動濾波技術(shù)進(jìn)行異響頻率識別。圖6和圖7為怠速區(qū)間下典型的正常發(fā)動機(jī)和箱體異響發(fā)動機(jī)功率譜圖，針對箱體異響發(fā)動機(jī)功率譜圖中出現(xiàn)的700～1000 Hz，6 600～7 000 Hz等峰值分別進(jìn)行聲學(xué)互動濾波，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整濾波器參數(shù)，最終確定700～1 000 Hz為箱體異響發(fā)動機(jī)故障頻率。采用同樣的方法，確定右蓋異響發(fā)動機(jī)的故障頻率為5～6 kHz，尖叫異響發(fā)動機(jī)的故障頻率為2.5～3 kHz。

2.2 異響識別在LabVIEW軟件中的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)該款摩托車發(fā)動機(jī)異響分類情況，以下只介紹比較常見的箱體異響發(fā)動機(jī)的識別方法。

箱體異響發(fā)動機(jī)主要表現(xiàn)為間隔的“咚咚咚”聲，時域信號中有明顯被調(diào)制的信息，對異響信號的故障突出頻段做出包絡(luò)譜，如圖8所示。

由圖可以清晰地看出故障特征包絡(luò)譜的峰值頻率為13.0 Hz及其倍頻26.1 Hz等。而理論計算平衡軸驅(qū)動齒輪的軸頻公式為

式中，i為其與曲軸間的傳動比；n為曲軸轉(zhuǎn)速（1500 r/min）。計算得其軸頻為13.3 Hz，與包絡(luò)譜中的峰值基本吻合，表明平衡軸驅(qū)動齒輪發(fā)生故障引起了脈沖激勵，是引起故障的主要零部件。

統(tǒng)計大量的箱體異響發(fā)動機(jī)樣本數(shù)據(jù)，在LabVIEW軟件中，通過檢測包絡(luò)譜中10～15 Hz頻率范圍內(nèi)是否有峰值達(dá)60 dB且左右5 Hz內(nèi)落差達(dá)10 dB來判斷該發(fā)動機(jī)是否為箱體異響發(fā)動機(jī)。試用證明，這種判斷方法能很好地識別箱體異響發(fā)動機(jī)。

發(fā)動機(jī)異響識別原理及流程如圖9所示，順序按照識別的難易程度進(jìn)行。

3 檢測結(jié)果

利用此在線檢測系統(tǒng)對該款摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)行在線檢測，檢測人員首先在基本設(shè)置中選擇電壓和麥克風(fēng)的連接通道，然后切換到分析面板，啟動發(fā)動機(jī)，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到怠速區(qū)間，把麥克風(fēng)放于圖2中A處上方2 cm處，運(yùn)行程序，點(diǎn)擊開始進(jìn)行測量。當(dāng)數(shù)據(jù)是否有效顯示綠色時，完成一次測量，異響判斷類型中的判斷才有效。生產(chǎn)線上的試用證明，該在線檢測系統(tǒng)能夠快速地完成對摩托車發(fā)動機(jī)的測量，且性能可靠，對常見的右蓋、箱體和尖叫異響發(fā)動機(jī)判斷準(zhǔn)確率較高，準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。在線檢測系統(tǒng)客戶端界面如圖10所示。

4 結(jié)論

基于LabVIEW平臺開發(fā)了一套摩托車發(fā)動機(jī)異響故障在線檢測系統(tǒng)，實(shí)時判定發(fā)動機(jī)是否存在異響故障。生產(chǎn)線上的應(yīng)用表明，該在線檢測系統(tǒng)達(dá)到了防止異響發(fā)動機(jī)流入后續(xù)生產(chǎn)流程的目標(biāo)，減輕了檢測人員的工作壓力，為檢測人員的異響判斷提供一條客觀的判定標(biāo)準(zhǔn)，提高了發(fā)動機(jī)異響故障診斷的工作效率，具有一定的工程應(yīng)用價值。由于生產(chǎn)線現(xiàn)場干擾大，難免會造成判斷準(zhǔn)確率的下降，對于現(xiàn)場背景噪聲的消噪技術(shù)還有待研究。

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