提高發(fā)動機NVH測試有效性的探索

蔣銀萍 李勁峰 閆 翔 王瑞平，2

（1-湖南吉利羅佑發(fā)動機部件有限公司 湖南 湘潭 411100 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

引言

如今汽車工程師將NVH稱為汽車“玄學”，因為NVH問題包括噪聲、振動、聲振粗糙度3個方面，引起汽車NVH問題的根源往往是非常復雜機理造成的。而發(fā)動機的NVH是影響到整車NVH的重要組成，有問題的發(fā)動機一旦裝車，將要耗費大量精力進行問題識別、問題解決。所以需要在發(fā)動機出廠前盡量將NVH問題發(fā)動機識別出來，減少故障機裝車。

按噪聲產(chǎn)生的性質(zhì)，發(fā)動機噪聲可分為燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[1]。燃燒噪聲是由于氣缸內(nèi)周期變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的。它主要取決于燃燒的方式和燃燒的速度[2]，發(fā)動機進行冷試測試時不進行點火，未燃燒，所以本文重點從生產(chǎn)線實際使用中，探索NVH測試與NVH測試的工藝設置、傳感器布置、發(fā)動機零部件等方面的關(guān)系，尋求降低誤報率，提升檢出發(fā)動機機械噪聲和空氣動力噪聲的合理方案，其中會以外載NVH測試為例進行說明（考慮到冷試自帶的振動測試功能無法從多方面進行測試數(shù)據(jù)分析，所以我們采用外載的NVH測試設備，采用ROTAS Measurement System測試系統(tǒng)，與冷試測試共用冷試機的TDC信號和轉(zhuǎn)速信號，非冷試自帶的振動測試功能）。

1 NVH測試的工藝和傳感器布置位置的探索

發(fā)動機的大多數(shù)常見異響與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速存在很大關(guān)系。有些異響僅在低速或者怠速時存在或者表現(xiàn)明顯，高速或熱車后消失，例如氣門間隙過大、挺桿與其導孔間隙過大、配氣凸輪輪廓磨損等故障，有些故障會在急加速、急減速、某穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生異響較大，例如凸輪軸軸向間隙過大、軸瓦燒熔等故障[3]。

目前國內(nèi)大多數(shù)的發(fā)動機生產(chǎn)線上使用的冷試機都帶有NVH測試功能，但是因為要顧及到整體冷試的節(jié)拍和測試項目分布，NVH測試的有效性會受到影響[4]。例如圖1中的某廠的冷試測試工藝設置，NVH測試從60 r/min開始到120 r/min結(jié)束，期間設置的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為0-60-1 000-3 000-120-0，期間NVH測試轉(zhuǎn)速變化為60-1 000-3 000-120，時長為37 s，此工藝缺失怠速、低速等工況，可能會丟失發(fā)動機在200～900 r/min的NVH狀態(tài)。

圖1 冷試工藝流程

所以理想的NVH測試工藝應該包括低速-穩(wěn)怠速-急加速-高速-高速穩(wěn)定-急減速的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。同時需保證，在同一個測試工況中的轉(zhuǎn)速變化是穩(wěn)定的，若轉(zhuǎn)速在某時段高，下一次測試在同一時段又低，會影響NVH測試的有效性。

另外，發(fā)動機不同部位的噪聲、振動也會不同，在傳統(tǒng)發(fā)動機熱試中，會利用聽診器在怠速、急加速、高速等工況中發(fā)動機在A-A、B-B、C-C、D-D以及加注機油口等部位進行聽診，如圖2所示，大致為氣缸蓋罩、正時鏈罩、油底殼、水泵、張緊器、進氣面、排氣面等零部件、部位進行聽診。

圖2 異響振動分布區(qū)域

如圖3所示，數(shù)據(jù)表明發(fā)動機在空間有6個自由度，在橫向X方向和垂直Z方向的振動能量較大[5-6]，而振動評估點應定于合成位移最大值處，及矩形體的邊界位置[5]。所以，在條件滿足的情況下，生產(chǎn)線上的振動測試傳感器至少要為3個，如圖4所示，分別分布在發(fā)動機的X-Y-Z方向，若條件不滿足，則應該滿足于X方向和Z方向的振動測試（圖4中的1、2點）。

圖3 發(fā)動機整機系統(tǒng)振動模型[5]

圖4 生產(chǎn)線上振動測試傳感器布置點

2 不同發(fā)動機運動部件對振動的影響

運動件噪聲呈階次性特征，旋轉(zhuǎn)部件通常由軸承、齒輪等組成。這些零部件發(fā)生振動時通常振動頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍。旋轉(zhuǎn)速度對應的諧振頻率成分也稱為階次，所以與旋轉(zhuǎn)速度相當?shù)幕绢l率為第一階（First Order），與旋轉(zhuǎn)速度對應頻率的2倍的諧振頻率為第二階（Second Order），階次、頻率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系如公式1、2和圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)速度一定時階次分析與諧波分析的關(guān)系

所以可以通過轉(zhuǎn)速、階次分析NVH測試結(jié)果，得出與曲軸旋轉(zhuǎn)速度呈倍數(shù)關(guān)系的各個零部件的振動頻率，例如氣門、凸輪軸等部件的振動狀態(tài)。

3 外載NVH測試使用時故障率虛高、檢出率低問題探索

3.1 外載NVH測試系統(tǒng)的信號

通常，冷試機自帶的振動測試所需要的信號包括發(fā)動機的TDC信號、不同振動傳感器的信號以及轉(zhuǎn)速信號，同理，外載NVH測試系統(tǒng)借用冷試測試系統(tǒng)的TDC信號和轉(zhuǎn)速信號，接收本身的振動傳感器，借助評估程序，可顯示存儲于檔案和測量數(shù)據(jù)庫中的信息，并對其進行評估，將各個轉(zhuǎn)速工況的測試結(jié)果可視化展現(xiàn)在測試設備上。結(jié)果是否合格，由設備已經(jīng)預設好的限值進行判斷，超過該限值則不合格。一般，此限值由前期一定的測試量（默認為合格）累積后，進行正態(tài)分布計算取±3σ作為上下限值或者按照以下邏輯進行極限值自學習：極限值=基值（“偏移值”）+平均值+系數(shù)×標準偏差。

所以，當信號不穩(wěn)定時，NVH測試系統(tǒng)計算出來的值也不穩(wěn)定，超出原設限值，則測試不合格，導致故障率高。

信號包括：冷試機提供的TDC信號、轉(zhuǎn)速信號以及振動傳感器傳遞的振動信號。默認傳感器是良好狀態(tài)，則要屏蔽測試環(huán)境中的信號干擾，設備進行接地處理，防止電磁干擾；激光傳感器接收反射的鏡面是否清潔、有無油污也影響到TDC信號的測試。具體影響信號穩(wěn)定的因素需要確定傳感器是屬于激光、還是電磁等類型，從而進一步進行分析。

3.2 振動傳感器的安裝注意事項

振動傳感器安裝不當也是導致NVH測試故障率虛高的因素。不同類型的振動傳感器與被測物體的接觸要求也不一樣，例如圖6中的振動傳感器，接觸面如果有懸空、不平整，則會出現(xiàn)受力不均、應力集中，折斷、松動的現(xiàn)象，測試當出現(xiàn)圖7中的情況時，就是振動傳感器信號出現(xiàn)問題，可以從傳感器頭是否松動、導線是否折斷、線路是否良好進行排查。

圖6 振動傳感器接觸面懸空

圖7 振動測試異常

若振動傳感器具有彈性元件，安裝時應考慮到彈性元件壓縮量的問題，假設零部件一致性良好，則應保證振動傳感器的壓縮量一致；假設振動傳感器的壓縮量已一致，則應排查接觸零部件面的區(qū)別，是否存在尺寸不受控導致傳感器測試過程中壓縮量不一致產(chǎn)生差異。

3.3 生產(chǎn)機型差異對振動測試的影響

不同機型的NVH情況會因為技術(shù)參數(shù)、正時信號、裝配零部件差異存在不同。測試時，外載NVH測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的機型調(diào)用完全依賴冷試測試系統(tǒng)端發(fā)送的機型識別碼。在設備運行前期會出現(xiàn)機型識別不全，或者分類不當導致的測試故障率高的情況。例如同一排量的機型，但是安裝不同種類的凸輪軸，則振動值也會存在差異，所以需要進行合理的機型區(qū)分。

如圖8所示，藍色為A機型、綠色為B機型，A、B為同排量同系統(tǒng)的發(fā)動機，紫色曲線為限值曲線，可知，在某工況下，測試的結(jié)果存在角度差異，測試存在測試某種機型時故障率驟升的現(xiàn)象，通常存在A好、B不好，或者B號，A不好的矛盾現(xiàn)象，通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種機型唯一區(qū)別就是安裝了不同的排氣凸輪軸，區(qū)分因素包括但不限于凸輪軸種類、機型種類、正時角度等。

圖8 相同排量安裝不同凸輪軸的發(fā)動機振動差異

3.4 冷試排氣測試對NVH測試的影響

根據(jù)一般冷試測試排氣壓力原理，在測試過程中，會關(guān)閉排氣通道，通過壓力傳感器檢測。此過程中排氣通道會接受活塞上行壓縮氣流的不穩(wěn)定的沖擊力，此沖擊力產(chǎn)生的振動會影響到NVH評估。所以，將排氣和其他測試步驟設置在同一測試工況中會影響到NVH測試在該步驟的穩(wěn)定性，所以在設置NVH測試工況時應考慮到排氣的影響。圖9中顯示的是某測試工況時長跨越了進氣、排氣2個步驟，因排氣振動的影響，導致了測試故障率過高，表現(xiàn)為NVH測試此工況的故障率明顯高于其他工況。進行測試時長縮短，避免排氣測試的振動影響，得到合理的測試時長，如圖10所示。

圖9 同一NVH測試工況跨越冷試進、排氣測試

圖10 跨越進、排氣測試工況時長縮短

3.5 NVH測試不能完全依賴系統(tǒng)限值評估

在實際應用中，我們通過故障模擬機測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)生成的限值對此故障的檢出并不理想，這與限值生成的方式有關(guān)，例如系數(shù)的不同，會導致限值與實際測試值的距離不一致，會存在過高或者過低的問題。而經(jīng)過分析測試數(shù)據(jù)（圖11）發(fā)現(xiàn)，此類故障與實際測試值存在差異，所以可以增加一條人工調(diào)整的限值補充評估標準。紅色曲線為單一評估參數(shù)，利用此參數(shù)可區(qū)別出故障機與正常機。此參數(shù)在一個工作周期720°內(nèi)隨角度變化的值，需要在后期利用故障模擬、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方式進行修正。

圖11 人工修正參數(shù)可發(fā)現(xiàn)故障

4 結(jié)論

1）發(fā)動機NVH檢測的有效性受多方面因素影響，盡可能排除外界因素影響，才能為發(fā)動機本身NVH檢測的有效性提供保障。

2）振動傳感器的安裝位置、接觸面條件、TDC信號穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)速信號穩(wěn)定性關(guān)系到NVH測試的穩(wěn)定性。

3）系統(tǒng)自動生成的限值有時難以滿足實際應用，可進行人工修正、添加評估參數(shù)來提高NVH測試的有效性。

4）不同機型的振動值有區(qū)別，需要進行合理的分類管理。