發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試與診斷

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

發(fā)動(dòng)機(jī)NVH測(cè)試與診斷

張朝輝，盛仁斌，沈磊，陳瀟文，郭金華，房智彬

（上海大眾汽車有限公司，上海201805）

通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷試NVH測(cè)試技術(shù)的研究，了解NVH測(cè)試的基本原理；運(yùn)用譜域分析、包絡(luò)線分析和變色龍分析解決發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程中的振動(dòng)及異響缺陷，提高零件及發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過程的實(shí)物質(zhì)量；同時(shí)將該技術(shù)拓展至發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的NVH測(cè)試，以提高整車乘坐的舒適性。

發(fā)動(dòng)機(jī)NVH譜域分析

1 前言

所謂NVH，即Noise、Vibration和Harshness。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)朝著輕量化、緊湊型的趨勢(shì)發(fā)展，制造工藝日趨復(fù)雜，性能要求越來越高，緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在生產(chǎn)過程中難免會(huì)產(chǎn)生裝配的零件之間遇到上下偏差從而造成零件之間的干涉，產(chǎn)生異響、共振等問題，這對(duì)整車的舒適性帶來了極大的負(fù)面影響。同時(shí)傳統(tǒng)的熱試和早期的冷試已經(jīng)無法對(duì)這些潛在的缺陷進(jìn)行有效診斷，只有通過專業(yè)的振動(dòng)噪音測(cè)試系統(tǒng)才能發(fā)現(xiàn)一些細(xì)微的振動(dòng)與異響。

本文基于上海大眾發(fā)動(dòng)機(jī)廠冷試NVH系統(tǒng)（德國(guó)Medav公司開發(fā)，整合于德國(guó)Froehlich冷試臺(tái)架中），對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH測(cè)試做基本介紹。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試NVH測(cè)試的原理

振動(dòng)是質(zhì)點(diǎn)在某一位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，它的圖像是一條正弦或余弦曲線。單一質(zhì)點(diǎn)發(fā)生微擾后會(huì)振動(dòng)，而后它會(huì)擾動(dòng)鄰近質(zhì)點(diǎn)一起振動(dòng)。由于振動(dòng)時(shí)間有先后，故振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)亦有浮動(dòng)。如果是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)連線也是正弦或余弦線，即機(jī)械波形。機(jī)械波可以向外傳播能量，而振動(dòng)是引起波動(dòng)的原因。

2.1 信號(hào)采集

為了更好地分析振動(dòng)與噪音信號(hào)，在冷試中采用以下方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理：

（1）采樣。使用專業(yè)的信號(hào)記錄儀（見圖1）采集來自加速傳感器的信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再用放大電路將電信號(hào)放大、傳輸給Medav處理軟件。

（2）處理。頻譜是在頻域中對(duì)原信號(hào)分布情況的描述，通常能夠提供比時(shí)域波形更加直觀的特征信息，如圖2所示。因此，頻譜被廣泛應(yīng)用到振動(dòng)信號(hào)的分析中。若相對(duì)于轉(zhuǎn)軸進(jìn)行恒角度增量采樣，則此時(shí)域非穩(wěn)態(tài)信號(hào)在角度域是穩(wěn)態(tài)信號(hào)，再對(duì)角度域穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換則可得到清晰的階譜圖，對(duì)分析異響來源有非常有效的價(jià)值。

（3）圖像。即通過傅里葉變換將時(shí)域圖生成譜域圖進(jìn)行分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試中的傅里葉變換是信號(hào)處理的核心，同時(shí)也是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域一種很重要的算法。其意義為任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序或信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無限疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅立葉變換算法利用直接測(cè)量到的原始信號(hào)，以累加方式來計(jì)算該信號(hào)中不同正弦波信號(hào)的頻率、振幅和相位。在頻譜分析中，傅里葉變換F(ω)又稱為f(t)的頻譜函數(shù)，由于ω是連續(xù)變化的，稱之為連續(xù)頻譜。對(duì)一個(gè)時(shí)間函數(shù)f(t)作傅里葉變換，就是求這個(gè)時(shí)間函數(shù)f(t)的頻譜。

2.2 典型時(shí)域和頻域信號(hào)

時(shí)域是描述數(shù)學(xué)函數(shù)或物理信號(hào)對(duì)時(shí)間的關(guān)系，例如一個(gè)信號(hào)的時(shí)域波形可以表達(dá)信號(hào)隨著時(shí)間的變化。時(shí)域是真實(shí)世界，是惟一實(shí)際存在的域。而頻域研究物理信號(hào)時(shí)以頻率作為基本變量，它表述了信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該頻率信號(hào)幅度的關(guān)系。

典型的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)有：簡(jiǎn)諧信號(hào)和周期信號(hào)、調(diào)制信號(hào)和噪音信號(hào)以及非周期瞬時(shí)信號(hào)和周期瞬時(shí)信號(hào)，參見圖3～圖5。

圖1 信號(hào)記錄儀

圖2 譜域信號(hào)

圖3 簡(jiǎn)諧信號(hào)和周期信號(hào)

圖4 調(diào)制信號(hào)和噪音信號(hào)

圖5 非周期瞬時(shí)信號(hào)和周期瞬時(shí)信號(hào)

2.3 典型測(cè)試波形圖

德國(guó)Medav公司的發(fā)動(dòng)機(jī)冷試NVH系統(tǒng)主要有3種類型的測(cè)試波形圖，分別是：

（1）變色龍測(cè)試（Chameleon）。自學(xué)系統(tǒng)（self-learning system），NVH系統(tǒng)每采集100個(gè)測(cè)試結(jié)果，就會(huì)通過采樣、評(píng)估后生成內(nèi)部的評(píng)判和監(jiān)控公差，并用第101個(gè)測(cè)試結(jié)果與之前100個(gè)測(cè)試結(jié)果生成的公差進(jìn)行對(duì)比（與上公差做減法，因此變色龍測(cè)試值小于0 m/s2），進(jìn)而生成變色龍測(cè)試曲線，如圖6和圖7所示。因該內(nèi)部公差不斷動(dòng)態(tài)更新，因此命名為變色龍。

圖6 變色龍曲線的生成

圖7 變色龍波形圖

（2）階譜測(cè)試（Ordnungsspektrum）。簡(jiǎn)單來說即將時(shí)域的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻譜的階次信號(hào)。階譜作為振動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性的主要方式，是通過將收集到的原始時(shí)域振動(dòng)信號(hào)通過快速傅里葉級(jí)數(shù)變換（FFT-fast Fourier Transformation）的形式變換成橫坐標(biāo)為階次信號(hào)，縱坐標(biāo)為能量的坐標(biāo)曲線，如圖8所示。階次信號(hào)即為曲軸轉(zhuǎn)速的倍數(shù)或曲軸工作一圈發(fā)生的次數(shù)；如2階即為2倍的曲軸轉(zhuǎn)速。若在發(fā)動(dòng)機(jī)中2倍曲軸轉(zhuǎn)速的部件為平衡軸，那么就可以確定2階對(duì)應(yīng)的能量既是平衡軸的振動(dòng)能量；2階信號(hào)能夠定位平衡軸的情況，如平衡軸相位安裝錯(cuò)誤。

該測(cè)試曲線局部放大后較易理解，見圖9。每個(gè)峰值即代表一個(gè)階次的能量（橫坐標(biāo)代表階次，縱坐標(biāo)代表對(duì)應(yīng)階次的能量）。

（3）同步包絡(luò)線測(cè)試。一個(gè)高頻調(diào)幅信號(hào)，它幅度是按低頻調(diào)制信號(hào)變化的。如果把高頻調(diào)幅信號(hào)的峰點(diǎn)連接起來，就可以得到一個(gè)與低頻調(diào)制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的曲線，即把所謂的峰點(diǎn)連接起來形成的一條曲線，該曲線就是包絡(luò)線，如圖10。在冷試過程中，通過希爾伯特轉(zhuǎn)換（Hilbert Transformation），將輸入是s(t)的線性非時(shí)變系統(tǒng)的輸出，而此系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)為1/(πt)。希爾伯特實(shí)際上是一個(gè)使相位滯后π/2的全通移相網(wǎng)絡(luò)。通過希爾伯特變換，使得對(duì)短信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)（曲軸720°轉(zhuǎn)角）的瞬時(shí)參數(shù)的定義及計(jì)算成為可能，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的瞬時(shí)信號(hào)的提取。在冷試過程中，同步包絡(luò)線波形圖取包絡(luò)線中的最大值，如圖11所示。

圖8 階譜波形圖

圖9 階譜波形圖（放大）

圖10 包絡(luò)線的生成

圖11 同步包絡(luò)線波形圖

3 發(fā)動(dòng)機(jī)冷試NVH測(cè)試的案例

為了更好地理解階次的概念，先了解一下上海大眾EA888系列發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈圖，參見圖12。從圖中可以得到：曲軸與凸輪軸的傳動(dòng)比為1∶2，即凸輪軸的階次為0.5及0.5的倍數(shù)；其次，曲軸與平衡軸的傳動(dòng)比為2∶1，即平衡軸的階次為2及2的倍數(shù)。

下面通過3個(gè)實(shí)例來說明如何用NVH技術(shù)進(jìn)行故障診斷和分析。

圖12 EA888發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)鏈圖

3.1 平衡軸齒輪相位安裝錯(cuò)誤

一臺(tái)EA888發(fā)動(dòng)機(jī)在出廠冷試過程中，出現(xiàn)缸體NVH階譜測(cè)試曲線不合格，對(duì)應(yīng)的不合格階次為2階，實(shí)際值為135.1 dBm/s2，監(jiān)控值為下公差80，上公差129，如圖13所示。根據(jù)圖12，可將該發(fā)動(dòng)機(jī)的缺陷原因定位于平衡軸及其相關(guān)零件上。

圖13 缸體階譜測(cè)試不合格曲線

拆解后發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)排氣平衡軸齒輪相位與正常位置相差1個(gè)齒，如圖14所示。當(dāng)齒輪相位安裝錯(cuò)誤，平衡軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的相對(duì)動(dòng)平衡就被打破，這就會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)。NVH系統(tǒng)通過譜域階次很好地將該風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定位并檢測(cè)。

3.2 氣門鎖片缺失

某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋測(cè)試的變色龍曲線顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，有1個(gè)異常峰值，實(shí)際值為12.3 m/s2，監(jiān)控值為下公差-200，上公差0。如圖15所示，而NVH缸體階譜測(cè)試無任何異常。

經(jīng)過拆解，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)第2缸進(jìn)氣側(cè)漏裝了1個(gè)氣門鎖片，如圖16所示。

圖14 平衡軸齒輪相位錯(cuò)誤

圖15 缸蓋變色龍不合格曲線

通過對(duì)曲線的回溯，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)階譜測(cè)試曲線并無任何異常，僅變色龍曲線有一明顯的峰值。從該案例可以說明，這套NVH自學(xué)系統(tǒng)對(duì)一些細(xì)微的差異還是非常敏感。

3.3 活塞毛坯面與缸蓋干涉

NVH同步包絡(luò)線曲線顯示，在發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，有2個(gè)異常的峰值點(diǎn)，實(shí)際值為125.1 m/s2，監(jiān)控值為上公差10，下公差95，如圖17所示。NVH缸體階譜測(cè)試曲線中，沒有固定的特征階次發(fā)生超差現(xiàn)象，但是在每個(gè)階次異常峰值的間隔為1階，即曲軸每旋轉(zhuǎn)1圈，該異常發(fā)生1次。

圖17 同步包絡(luò)線不合格曲線

通過對(duì)不合格發(fā)動(dòng)機(jī)的拆解，發(fā)現(xiàn)第1缸活塞的毛坯面與缸蓋燃燒室的邊緣有干涉的痕跡，如圖18所示。更換缸蓋及活塞，重新冷試后合格。

從汽油機(jī)的工作原理可知，EA888發(fā)動(dòng)機(jī)活塞只有在壓縮和排氣沖程時(shí)，活塞是向上運(yùn)動(dòng)的，即在1個(gè)工作循環(huán)中會(huì)產(chǎn)生2個(gè)撞擊可能。這與階次和包絡(luò)線曲線的體現(xiàn)是相吻合的。通過對(duì)零件的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞上平面中心線及缸蓋第1缸燃燒室位置有偏移現(xiàn)象，已超出圖紙要求的范圍，所以造成了干涉現(xiàn)象。

圖18 活塞毛坯面與缸蓋干涉

以上案例都是傳統(tǒng)的冷試機(jī)械及傳感器測(cè)試無法發(fā)現(xiàn)的，只有通過可靠的NVH測(cè)試才能識(shí)別和診斷；同時(shí)也是階次、變色龍和包絡(luò)線曲線應(yīng)用的較典型案例。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的NVH測(cè)試

2013年，在售后市場(chǎng)遇到多例關(guān)于EA888發(fā)動(dòng)機(jī)冷車起動(dòng)有異響的抱怨。經(jīng)過初步判別，異響來自油底殼區(qū)域，見圖19。但是由于該異響僅出現(xiàn)在冷車期間，這給缺陷的定位和判斷帶來了一定的難度，同時(shí)運(yùn)用傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)也無法提供有效的支持。

從光譜圖中僅知道該發(fā)動(dòng)機(jī)有異響，但是無法對(duì)異響源進(jìn)行定位，因此請(qǐng)了德國(guó)Discom公司的NVH專家來對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行會(huì)診。Discom專家通過移動(dòng)式加速度傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)并生成譜域圖，提供了詳細(xì)的階次信息。據(jù)此很快定位了異響的來源，如圖20所示。

圖19 光譜分析圖

圖20 譜域圖

譜域圖中異常階次發(fā)生的間隔為10.5。根據(jù)傳動(dòng)鏈圖可得出曲軸與機(jī)油泵的傳動(dòng)比為33/22=1.5，而機(jī)油泵內(nèi)部的傳動(dòng)輪齒數(shù)為10，對(duì)應(yīng)的階次正好為10.5，參見圖21。更換機(jī)油泵后，冷車異響

圖21 機(jī)油泵內(nèi)部齒輪嚙合圖

的問題得到了解決，高精度階次分析再次精確定位異響源，快速解決了用戶抱怨。

5 結(jié)束語

振動(dòng)與噪聲水平是衡量整車乘坐舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)。如何在整車開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)噪聲源并盡可能抑制噪聲源，如何診斷整車在使用過程中出現(xiàn)的異響和振動(dòng)的來源一直是長(zhǎng)期困擾各大汽車制造廠商的難題。目前在全球范圍，針對(duì)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱的NVH測(cè)試診斷系統(tǒng)已有了較好的發(fā)展。如來自德國(guó)的Medav公司和Discom公司的系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用和推廣，但是由于整車環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，針對(duì)動(dòng)力總成的NVH測(cè)試及整車的NVH測(cè)試診斷系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱的NVH測(cè)試系統(tǒng)。因此針對(duì)這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)、實(shí)踐和應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義及廣闊的市場(chǎng)前景與價(jià)值。

Test and Diagnosis of Engine NVH

Zhang Chaohui,Sheng Renbin,Shen Lei,Chen Xiaowen,Guo Jinhua,Fang Zhibin
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

The vibration and noise issues of an engine during production is solved by understanding the principle of NVH testing,studying NVH testing for engine cold test and using spectral domain analysis, envelope analysis and chameleon analysis that are three types of NVH testing waves developed by Medav Company of Germany for engine cold test.With these techniques,the engine assembly quality is ensured. Meanwhile,the application of the techniques can be extended to testing car NVH so as to improve the comfort of car.

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來稿日期：2014-04-22

張朝輝(1982-)，男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.007