氣缸蓋表面振動對發(fā)動機氣門沖擊特性的影響研究

徐罕 張剛 賈廣成

摘要：對發(fā)動機氣門容易發(fā)生故障的主要原因進行了分析，從研究氣門沖擊氣缸蓋的振動響應(yīng)特性和傳遞特性出發(fā)，簡述利用氣缸蓋表面振動信號檢測和診斷發(fā)動機排氣門故障的途徑。氣缸蓋表面振動是發(fā)動機缸內(nèi)各種激勵力沖擊的綜合響應(yīng)，建立了氣缸蓋振動系統(tǒng)的多輸入單輸出線性模型，通過傅氏變換得出了激勵的傳遞函數(shù)，說明利用氣缸蓋表面振動信息來檢測缸內(nèi)的工作情況是可以實現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：氣缸蓋;振動;發(fā)動機氣門;沖擊特性

在發(fā)動機不斷開啟和關(guān)閉的工作過程中，排氣門承受著高溫和高速沖擊的雙重負荷作用，使得排氣門是發(fā)動機最容易發(fā)生故障的零部件之一，容易因為燒蝕而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致排氣溫度提高、功率下降。因此，對發(fā)動機氣門早期故障診斷技術(shù)的研究，是一項有意義的課題。近幾十年來，很多人研究了利用性能參數(shù)檢測發(fā)動機排氣門故障的方法。從文獻報道來看，利用溫度、壓力等參數(shù)檢測發(fā)動機故障費用高，傳感器安裝復(fù)雜，也不易實現(xiàn)早期輕微程度的故障檢測。

一、發(fā)動機氣門容易發(fā)生故障的原因分析

發(fā)動機配氣機構(gòu)中的氣門，分為進氣門和排氣門，用來封閉進排氣道，由于氣門工作時承受的溫度很高，進氣門達300～400℃，排氣門高達780～980℃，且散熱潤滑困難，同時，由于現(xiàn)代高速發(fā)動機轉(zhuǎn)速很高，以上海桑塔納2000型轎車的AJR電控發(fā)動機為例，最大輸出功率時的轉(zhuǎn)速為5200r/min，根據(jù)四沖程發(fā)動機的工作原理，發(fā)動機配氣機構(gòu)的進排氣門需要每分鐘各開啟關(guān)閉一次，即每分鐘開啟關(guān)閉2600次，而進排氣門作的是直線往復(fù)運動，因此，氣門受到的沖擊力很大，這就要求氣門材料必須在較輕的重量下有足夠的強度、剛度和導(dǎo)熱能力，能耐高溫和耐磨損。

二、氣缸蓋系統(tǒng)激勵源的分析和簡化

氣缸蓋結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，其內(nèi)部有無規(guī)則形狀的冷卻水套，并在垂直和橫向分別與氣缸體和進排氣管相連。氣缸蓋系統(tǒng)受到如下激勵力作用：

（1）燃燒室氣體壓力;（2）氣門落座沖擊力;（3）活塞不平衡往復(fù)慣性力和其它不平衡力矩;（4）各種隨機激勵。

同時，氣缸內(nèi)高溫氣流引起的沖擊熱應(yīng)力，活塞橫向運動敲擊缸套也會影響氣缸蓋的振動。整個氣缸蓋的振動主要由氣缸蓋本身的局部彎曲、扭轉(zhuǎn)振動與其整體的垂直振動疊加而成。尤其是氣缸蓋的邊界條件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)阻尼等因素的影響很復(fù)雜，在理論上用積分方程描述及求解是非常困難的，簡單而有效的方法是用實驗分析方法。為了使問題簡化又不失其主要特性，簡化得到的結(jié)果與實際情況相符或在允許的誤差范圍內(nèi)，首先對所研究的系統(tǒng)作以下假設(shè)：

1、氣缸蓋系統(tǒng)是一個線性且時不變的系統(tǒng);

2、各個激勵之間是線性無關(guān)的

在假設(shè)成立的基礎(chǔ)上，建立了氣缸蓋系統(tǒng)的多輸入單輸出模型（圖1所示）。

圖1是表征氣缸蓋系統(tǒng)動態(tài)特性的多輸入單輸出線性系統(tǒng)模型，由于個激勵之間是不相關(guān)的，氣缸蓋表面輸出相應(yīng)Y可寫成：

從發(fā)動機的工作特性分析可知，缸內(nèi)氣體燃燒壓力、氣門開啟及關(guān)閉時間各相差一百八十多度曲軸角，所以各激勵力在時間與上是分離的。對于往復(fù)慣性力和回轉(zhuǎn)慣性力矩，由于傳遞路徑不同，故也可以與其它激勵力分離開。因此，圖1中的[XG]、 [Xv]、[XI]和y（t）可以通過實驗得到，并因此進一步計算可得到[HG] 、[H] 和[HI]。

三、結(jié)論

（一）氣缸蓋表面振動是發(fā)動機缸內(nèi)各種激勵力沖擊的綜合響應(yīng)。不僅反映了氣門落座、氣缸內(nèi)爆壓沖擊產(chǎn)生的缸蓋彎曲、扭轉(zhuǎn)振動，而且說明不平衡慣性力和發(fā)動機上各種隨機激勵對氣缸蓋的振動均有較大的影響。

（二）氣缸蓋上的響應(yīng)是由一系列瞬態(tài)響應(yīng)疊加而成，每個激勵力所引起的響應(yīng)的頻率特性是不同的。氣門落座響應(yīng)和漏氣的能量主要在高頻，缸內(nèi)爆壓和排氣門開啟的響應(yīng)主要峰值在低頻。

（三）通過測試方法可以分離各激勵力并得到這些激勵力各自的傳遞函數(shù)，這就是說利用氣缸蓋表面振動信息來檢測缸內(nèi)的工作情況是可以實現(xiàn)的。無疑，這種方法對于利用聲振信號診斷氣門故障是很有意義的。

參考文獻：

[1] 胡玲鳳.工況對發(fā)動機排氣門失效的影響.[J]農(nóng)機化研究.2005.9：253-254.

[2] 肖云魁.汽車故障診斷學.[M]北京：北京理工大學出版社，2006.

[3] 梁紅波.基于氣缸振動信號的發(fā)動機故障診斷研究.[D]內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2010.

作者簡介：

徐罕，男，遼寧省營口市，研究生，營口職業(yè)技術(shù)學院，教授研究員級高級工程師，機械、電子及汽車教學與科研 。

張剛，男，1971.11 遼寧省營口市，研究生，營口職業(yè)技術(shù)學院? 高級工程師，機械、電子及汽車教學與科研。

賈廣成，男，遼寧省營口市人力資源和就業(yè)事務(wù)中心。