汽車發(fā)動機故障診斷方法研究與探析

摘 要：本文主要對汽車發(fā)動機故障診斷方法進行了研究與探析，首先介紹了相關(guān)故障類型，由此引出由振動信號對汽車發(fā)動機的診斷方法；著重討論了振動診斷在汽車發(fā)動機診斷的優(yōu)勢、汽車發(fā)動機的振動信號具體診斷方法和汽車發(fā)動機故障的特性。

關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動機；故障；診斷

1 汽車發(fā)動機的故障類型

汽車發(fā)動機的故障是由多方面因素引起的，例如發(fā)動機本身的設(shè)計缺陷導致的故障、不合理使用導致的故障、交通事故導致的故障等。故障類型主要分為以下幾種情況：

1.1 未能及時更換機油導致的故障

潤滑油可以有效減少發(fā)動機工作時的摩擦，減少損壞。如果長時間沒有潤滑油保護的話，發(fā)動機發(fā)生故障的幾率會大大增加。

1.2 曲軸箱內(nèi)油泥過多導致的發(fā)動機磨損

油泥是指汽油在發(fā)動機內(nèi)未燃燒充分導致的殘留物，如果不及時清理會增大缸壁之間的間隙，對曲軸箱造成磨損。而磨損又會產(chǎn)生一些金屬粉等雜質(zhì)，和油泥混合在一起對發(fā)動機造成更大的損壞，導致一種惡性循環(huán)。

1.3 因系統(tǒng)阻塞導致的發(fā)動機故障

這種故障比較常見，原因是燃油系統(tǒng)運行中的燃油燃燒程度不夠，導致燃油在燃燒過程中對油泵和油道產(chǎn)生熱效應(yīng)，不僅直接降低了發(fā)動機的功效，而且還增大了發(fā)動機的噪聲，并產(chǎn)生動力不足等情況。

2 發(fā)動機故障的診斷方式

2.1 傳統(tǒng)的診斷方式

傳統(tǒng)的發(fā)動機診斷方法有兩種，一是采用事后診斷法，既在發(fā)動機已經(jīng)發(fā)生故障了之后再診斷分析原因，并不能從根本上解決發(fā)動機故障的發(fā)生。二是定期維修，既對發(fā)動機做“全身體檢”，這種診斷方式帶有一定的盲目性，不僅效率地而且費用較高，缺少針對性。

2.2 預測維修診斷方式

預測維修就是通過一定的技術(shù)手段對汽車發(fā)動機的工作狀態(tài)進行診斷，從而分析出發(fā)動機工作是否正常，有無毛病等。預測診斷是發(fā)動機診斷未來的發(fā)展方向，本文所討論的根據(jù)發(fā)動機振動信號來判斷其工作狀態(tài)的方法就是一種預測診斷方式。

3 振動信號在汽車發(fā)動機診斷中的應(yīng)用

汽車發(fā)動機在工作時會發(fā)出特定的振動信號，發(fā)動機一旦發(fā)生故障其振動信號也會發(fā)生改變。發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生各種振動的激勵源總的來說可以分為以下四類：一是可燃氣體燃燒產(chǎn)生的缸內(nèi)氣體壓力和因運動部件在連接過程中存在間隙而產(chǎn)生的發(fā)動機撞擊引起的振動；二是曲柄連桿機構(gòu)的慣性力或者力矩在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中引起的周期性振動，一般表現(xiàn)為有規(guī)律的低頻諧振，振動頻率隨轉(zhuǎn)速升高而升高；三是進、排氣門開啟與閉合時產(chǎn)生的振動；四是發(fā)動機由于制造、安裝時的偏差等引起的隨機振動。因此，振動信號可以運用在汽車發(fā)動機的故障診斷中。

3.1 振動診斷在汽車發(fā)動機診斷的優(yōu)勢

振動診斷在汽車故障中的診斷中主要有以下幾點優(yōu)勢：

（1）振動現(xiàn)象伴隨著汽車發(fā)動機的運行而發(fā)生，汽車發(fā)動機一旦開啟就會產(chǎn)生振動信號，故障信息就包含在振動信號內(nèi)。（ 2）振動問題在高速、重載荷的發(fā)動機內(nèi)時有發(fā)生，事故率極高。（ 3）許多振動故障都會有明顯的特征，非常容易識別。（ 4）目前針對振動問題的檢測方法、理論都比較成熟。（ 5）振動診斷易于實現(xiàn)全程監(jiān)控和在線診斷。

3.2 發(fā)動機振動特性

發(fā)動機由于其激勵位置的不同，產(chǎn)生振動的位置也不同，因而反饋出來的振動信息也不一樣，其中缸蓋與缸體所產(chǎn)生的振動信號存在明顯的差異。其中缸蓋作為氣缸壓力的主要受力點，其振動能完整地反映出發(fā)動機的運動狀態(tài)，所以大多數(shù)的汽車發(fā)動機振動診斷都是通過剛蓋來完成的。缸體在啟發(fā)發(fā)動機時所產(chǎn)生的振動相對較少，但是缸體內(nèi)連著大量的零部件，零部件的振動會直接反映到缸體上，因此缸體的振動大多用來檢測汽車發(fā)動機零部件的故障。特別是作用在活塞上的燃燒氣體力和慣性力使活塞產(chǎn)生垂向振動并沿連桿、曲軸、主軸承、曲軸箱等零部件，它們的振動都反饋給了缸體。

3.3 汽車發(fā)動機的振動信號診斷

一般的情況下，汽車發(fā)動機振動的時域信號總是雜亂無章的，無論是正常狀態(tài)還是非正常狀態(tài)，故障信息并不是直接顯示出來的，并不是直接表露在外表讓我們一眼就可以發(fā)現(xiàn)，所以要獲得故障信息必須要對信號進行分析處理才可以。下面介紹幾種常用的汽車發(fā)動機振動信號診斷方法

3.3.1 時域診斷分析

時域分析原理簡單而且容易實現(xiàn)，它是信號分析方法中最基礎(chǔ)的一個。主要包含時域波形、相關(guān)分析、概率密度、濾波處理等。主要是對汽車發(fā)動機振動時域信號的時間歷程進程分析，適合對信號中含有周期信號、諧波信號或短脈沖信號進行分析。利用時域波形分析可識別出共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。由于某些發(fā)動機的振動信號所包含的頻率成分比較低，受診斷分析儀器的下限、分辨率及分析軟件功能的限制，頻譜分析的方法運用的就不是特別好。然而通過時域分析就很容易提取出信號的特征，隨之它也成為了最直接、最有效的故障診斷方法，如圖 1所示。

3.3.2 倒譜診斷分析

倒譜分析也叫二次譜分析，它在發(fā)動機故障的診斷中展現(xiàn)出了非常特殊的優(yōu)越性。它是檢測復雜的圖譜中周期分量的重要工具。由于汽車發(fā)動機中軸承和齒輪比較多，振動信號中調(diào)制現(xiàn)象普遍，肉眼難以識別譜圖中譜線所展示出來的周期性，然而利用倒譜可以將譜圖上的變頻帶譜線轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫V線，這樣就便于識別系統(tǒng)特征的頻率。當混有異族譜頻、同族譜頻、多成分多頻和功率譜的成分比較復雜時，應(yīng)用倒譜分析就最好的方法。

3.3.3 頻譜診斷分析

頻譜分析是指對變化的信號在頻率范圍內(nèi)進行分析，分析得出的結(jié)果是以頻率為坐標的物理量的曲線和譜線，并得到以頻率為變量的頻譜函數(shù)。汽車發(fā)動機振動信號一般是多種信號合成的復雜信號，它可以分解為一系列的諧波分量。這些諧波分量代表著各自對應(yīng)的頻率激勵力和某些特定頻率。通過頻譜分析可以求出動態(tài)信號中的各個頻率的分布范圍；通過對測試波形的分析可得出頻率的幅值，通過這些幅值的變化來校正測試波形；我們可以通過頻譜分析提供的幅值、頻率值、各種譜密度求得被測結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和傳遞函數(shù)，為幅振、消振等問題提供解決的條件，如圖 2所示。

3.4 汽車發(fā)動機故障的特性分析

預先掌握汽車發(fā)動機故障的特征是對故障做出準確診斷的前提條件。汽車發(fā)動機故障特征主要包括以下幾種。

3.4.1 不對中故障

不對中故障是汽車發(fā)動機的一種常見的故障。迫使汽車發(fā)動機停機檢修的原因有一半的原因是由不對中引起的。不對中分為兩種情況，分別為轉(zhuǎn)子不對中和軸承不對中。轉(zhuǎn)子不對中的故障形式有可能是軸線形成的夾角角度不對中，也有可能是軸線平行偏移的高度不對中，還有可能是兩者的結(jié)合。由于不對中所引起的故障的主要特征是二階轉(zhuǎn)速頻率下的振動分量和軸向振動。

3.4.2 動靜件碰摩故障

轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、靜止部件的不對中都有可能引起動靜件碰摩。動靜件碰摩分為兩種情況，主要是徑向碰摩和軸向碰摩。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，局部的摩擦一般發(fā)生在整周摩擦前面，它會引起發(fā)動機的不規(guī)則振動。隨著振動的愈演愈烈，局部摩擦就會過渡到整周摩擦，從而導致機器發(fā)生嚴重的破壞。

3.4.3 齒形誤差

由于齒形誤差產(chǎn)生的振動，使振動信號呈現(xiàn)出明顯的調(diào)制現(xiàn)象。觀察頻譜可以看出，以齒輪的嚙合頻率及其倍頻為頻率的中心，在它的周圍分布著以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的邊帶。當齒輪的誤差比較嚴重時，激振能力較大就會產(chǎn)生齒輪所在軸和其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制現(xiàn)象。

3.4.4 齒輪磨損嚴重

當齒輪的磨損發(fā)展到一定的程度時，嚙合頻率諧波幅值增大，階數(shù)也會變得越來越高，諧波增大的幅度也越來越大。與此同時，振動的能量也有較大幅度的上升。

3.4.5 斷齒

它的時域波形表現(xiàn)為沖擊型振動，頻率相當于斷齒軸的轉(zhuǎn)頻。在頻域上多出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻地帶，它數(shù)量多、分布寬、幅值較大。

3.4.6 軸不平衡

當軸的不平衡比較嚴重時，就會在齒輪傳動中導致嚴重的齒輪誤差，形成以嚙合頻率為載波頻率，以齒輪所在軸方向的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的頻率調(diào)制現(xiàn)象。但是在一般的譜圖上邊帶的數(shù)量比較少。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的事后發(fā)動機故障診斷方法存在著各種各樣的弊端，本文主要討論了通過振動信號的方法來診斷汽車發(fā)動機故障，這種方法可以有效預防汽車發(fā)動機的故障，不用再定期對發(fā)動機進行“全身體檢”，節(jié)省了大量的開支。

參考文獻：

[1]成曙，張振仁 .發(fā)動機現(xiàn)代診斷技術(shù) [M].西安：西安交通大學出版社，2006.

[2]屈梁生，何正嘉.機械故障診斷學 [M].上海：上海科學技術(shù)出版社，2004.

作者簡介

張震宇：（1979—），男，高級技師。研究方向：被動安全；工程造價。