汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)故障診斷分析

張 夢(mèng)

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)校，吉林 長春 130000）

1 研究背景與意義

作為最直接的動(dòng)力來源，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜并且各功能元器件的精密性較高，在設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試時(shí)對(duì)技術(shù)及工藝要求較高。只有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)且規(guī)范的模塊化處理和各部件的匹配聯(lián)調(diào)，才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，使它在后期的運(yùn)轉(zhuǎn)中保證穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。在提升汽車行駛安全性的方面，發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃料的直接消耗者，在特定的極端天氣和環(huán)境中會(huì)存在一定的故障概率和安全隱患。例如，在夏季較高溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)的故障發(fā)生率就會(huì)升高，由此引發(fā)的汽車間歇性拋錨等問題都會(huì)影響汽車使用者的駕駛感受。為了有效地解決這一問題，同時(shí)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率進(jìn)行合理控制，有必要通過發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械故障表現(xiàn)來對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障產(chǎn)生原因及規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。從而對(duì)汽車的整體運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這不僅對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)技術(shù)水平提高有所幫助，也會(huì)改善現(xiàn)有的汽車駕駛安全及使用體驗(yàn)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷的基本流程

從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及維修的實(shí)際需求出發(fā)，綜合實(shí)際使用場(chǎng)景中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障原因和排除方式可以大致歸納總結(jié)出發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的基本流程。首先，通過對(duì)正在運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)異常表現(xiàn)做出大致判斷。通過相應(yīng)的檢測(cè)儀器設(shè)備對(duì)于各種物理數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)而完成相應(yīng)診斷過程，最后給出一個(gè)故障原因的判斷。然而大多數(shù)時(shí)候還需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的異常噪聲和抖動(dòng)等表現(xiàn)來大致判斷其故障原因。此外，通過大量檢修數(shù)據(jù)的積累和經(jīng)驗(yàn)分析也能夠?qū)τ诎l(fā)動(dòng)機(jī)的常見故障原因進(jìn)行總結(jié)，并通過相應(yīng)的故障表征快速得出維修方式的反饋。這一流程也可作為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化及信息化技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)常見的機(jī)械損傷類型

3.1 摩擦損害

發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損害是較為常見的一類普發(fā)性故障。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)中，其內(nèi)部的部件隨著使用周期的延長會(huì)干擾金屬表面的原子穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而降低原子間引力。久而久之，會(huì)誘發(fā)原子大范圍位移和脫落等現(xiàn)象?？紤]到原子磨損產(chǎn)生的性能改變會(huì)間接增加汽車零件消耗磨損的程度并且會(huì)嚴(yán)重限制其性能發(fā)揮，因此必須在故障出現(xiàn)時(shí)盡快予以排除。在發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的摩擦損害中，運(yùn)動(dòng)附件的磨損概率較高。這是由于活塞和汽缸在高溫高壓環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，直接是加劇了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的碰撞導(dǎo)致的。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸間隙在組裝階段的配置合理性下降也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)性能受到嚴(yán)重影響。

3.2 化學(xué)腐蝕

受使用環(huán)境影響而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)故障類型中，較為常見的是化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的化學(xué)腐蝕對(duì)象主要是發(fā)動(dòng)機(jī)零件，由于長時(shí)間處于腐蝕性環(huán)境而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)零件的損壞。發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕可根據(jù)成因分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕2 種。其中，化學(xué)腐蝕是基于化學(xué)反應(yīng)層面的潛在反應(yīng)條件而出現(xiàn)的，它是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的主要誘因。常規(guī)原因是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械部件材料與外部空氣或液體接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而電化學(xué)腐蝕是指不同金屬材料在導(dǎo)電溶液環(huán)境下產(chǎn)生的連鎖反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)金屬部件的性能異常，同時(shí)遭受不同程度的腐蝕。

3.3 應(yīng)力變形與斷裂損傷

在發(fā)動(dòng)機(jī)故障的物理誘因方面，應(yīng)力變形與斷裂損傷是最為典型的故障產(chǎn)生原因之一。應(yīng)力變形與斷裂損傷的成因大多是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中受到來自外部和內(nèi)部應(yīng)力共同作用疊加產(chǎn)生的超負(fù)荷壓力。其會(huì)改變?cè)镜牧慵螤詈头植嘉恢?，?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)長期處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，受異常承受力影響其核心機(jī)械構(gòu)件的強(qiáng)度將持續(xù)下降，最終導(dǎo)致零件發(fā)生變形或斷裂，帶來行車過程中嚴(yán)重的安全問題。作為常見的外力作用所導(dǎo)致的機(jī)械性能改變，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力變形與斷裂損傷會(huì)顯著縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，并帶來諸多安全隱患。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的典型表現(xiàn)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的各種異常表現(xiàn)不僅能夠反映出發(fā)動(dòng)機(jī)處于異常狀況，也能向使用者傳達(dá)故障的特征與類型信息。根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員的判斷，能夠從發(fā)動(dòng)機(jī)的故障表現(xiàn)中獲得關(guān)于故障類型的判斷依據(jù)，并借由一系列故障征兆得到更為細(xì)致而具體的故障位置信息。為后續(xù)的故障排除和發(fā)動(dòng)機(jī)維修指明方向。表1 給出了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的常見表現(xiàn)[2]。

表1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障常見表現(xiàn)

5 結(jié)合不同表現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷方法

5.1 振動(dòng)信息

為了有效地進(jìn)行區(qū)分可將被歸納為故障現(xiàn)象的異常振動(dòng)大致分為3 個(gè)方向。1）由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的燃料燃燒所產(chǎn)生的氣體對(duì)鋼壁施加壓力后，再經(jīng)過內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件磨損形成的間隙，對(duì)其他機(jī)械裝置產(chǎn)生撞擊從而引發(fā)的振動(dòng)。2）發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的曲柄連桿運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生慣性震動(dòng)。3）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門和排氣門在工作中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖擊振動(dòng)。這3 類振動(dòng)的成因需要由技術(shù)人員逐一進(jìn)行排除，并最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)的產(chǎn)生原因。以上過程都需要依賴于振動(dòng)信號(hào)的提取和分析而實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的信號(hào)處理過程需要經(jīng)過頻譜分析，時(shí)序模型建立等過程并且對(duì)于其中可能存在的關(guān)聯(lián)性故障也要進(jìn)行充分考慮。這種故障現(xiàn)象的診斷過程相對(duì)簡(jiǎn)便，完成效率較高，但是不排除會(huì)受到其他環(huán)境因素干擾的可能性。例如設(shè)備使用方式，環(huán)境溫濕度等都會(huì)無形中增加故障檢測(cè)的總體成本。

5.2 噪聲信息

汽車在行駛中的噪聲主要來自于發(fā)動(dòng)機(jī)。可判定發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障的噪聲類型主要有3 類，其中的燃燒噪聲是氣缸壓力對(duì)氣缸壁造成沖擊形成的；機(jī)械噪聲是受到壓力和慣性作用使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件互相撞擊和振動(dòng)發(fā)出的；空氣動(dòng)力噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣和排氣過程中因摩擦而產(chǎn)生的，在傳播路徑和擴(kuò)散方式上基本呈輻射狀[3]。當(dāng)高速行駛時(shí)，駕駛者所感受到的噪聲來自發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)械噪聲和空氣摩擦噪聲，而低速行駛時(shí)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為燃燒噪聲。可在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中通過信號(hào)和波形的特定指標(biāo)分析準(zhǔn)確判定存在異響的部位，進(jìn)而對(duì)特定的零件或部件進(jìn)行更換維修。

5.3 溫度信息

氣缸壓力、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、冷卻水進(jìn)出口溫度等項(xiàng)目都會(huì)加劇內(nèi)燃機(jī)溫度的增加。故障檢測(cè)技術(shù)人員可通過對(duì)溫度變化規(guī)律的分析判斷內(nèi)燃機(jī)的整體工作環(huán)境，并根據(jù)其呈現(xiàn)的工作狀態(tài)確定故障所在點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高可能是內(nèi)燃機(jī)燃燒不充分造成的，技術(shù)人員可在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷過程中重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)燃機(jī)的熱力參數(shù)和燃燒效率，進(jìn)而判斷其是否存在故障。

5.4 油液檢測(cè)

常規(guī)的故障特征提取算法是依據(jù)環(huán)繞波檢測(cè)理論為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，燃料的油液表面波會(huì)因?yàn)殍F質(zhì)輸油導(dǎo)管表面的磁場(chǎng)而形成規(guī)則的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這就是環(huán)繞波的初始形態(tài)。根據(jù)這種特殊環(huán)繞波的產(chǎn)生規(guī)律和分布特點(diǎn)可以更好地理解其信號(hào)方程：

在信號(hào)i的表達(dá)式中，u1m表示測(cè)定環(huán)境中高梯度磁場(chǎng)下測(cè)試儀上的液壓讀數(shù)，u2m代表汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞間隙對(duì)應(yīng)的震級(jí)，ω是衡量功率測(cè)試譜密度函數(shù)總體偏移量的指標(biāo)，φ為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面鐵材質(zhì)譜線的整體寬度。掌握以上幾個(gè)核心物理量的意義和測(cè)量方式后就能間接獲得環(huán)繞波的物理特性。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常故障時(shí)，隨著時(shí)間t的變化監(jiān)測(cè)信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不同程度削弱的環(huán)繞波形。

6 發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷整體思路

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷時(shí)，首先應(yīng)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。技術(shù)人員要根據(jù)測(cè)試儀器的適用監(jiān)測(cè)對(duì)象選擇振動(dòng)傳感器或噪聲傳感器來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、振動(dòng)和噪聲等進(jìn)行測(cè)定，并將其與初始狀態(tài)下的信號(hào)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。

接下來需要用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的特征信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)過放大、壓縮轉(zhuǎn)換和噪聲消除等步驟還原真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障信號(hào)。對(duì)其頻譜變化規(guī)律進(jìn)行分析并按照發(fā)動(dòng)機(jī)故障信息對(duì)照采樣表評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)的故障原因及故障點(diǎn)。狀態(tài)識(shí)別也是常用的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方式之一，通過對(duì)故障波形與正常信號(hào)之間的區(qū)分來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了何種故障并鎖定故障位置[4]。

7 結(jié)語

鑒于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和功能設(shè)定較為復(fù)雜，相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷流程也比較煩瑣，其中涉及的診斷要素也比較多。從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械技術(shù)發(fā)展及故障維修與排除技術(shù)角度來看，發(fā)動(dòng)機(jī)故障的快速故障點(diǎn)定位及排除對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械技術(shù)應(yīng)用效果提升有著重要意義，同時(shí)也能創(chuàng)新汽車行業(yè)的整體發(fā)展方向。為此，該文從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的典型表現(xiàn)與診斷方式入手，圍繞故障診斷與排除的機(jī)制與流程展開介紹。通過具有較強(qiáng)適用性和全面性的故障診斷與異常判別方式為發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械故障診斷與維修提供了更加明確和高效的實(shí)施路徑。與此同時(shí)，技術(shù)人員也可嘗試將信息化手段應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷流程中，從而促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷過程的智能化發(fā)展。