振動(dòng)測試在發(fā)動(dòng)機(jī)冷測試中的應(yīng)用

周 圍 孫建國 劉 剛

（北京奔馳汽車有限公司 北京 100176）

引言

M282 發(fā)動(dòng)機(jī)是由戴姆勒股份公司和雷諾汽車公司共同研發(fā)的新產(chǎn)品，對于BBAC（北京奔馳汽車有限公司）來說，也是全新的產(chǎn)品。冷測試是發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，每一臺(tái)裝配完成的發(fā)動(dòng)機(jī)都要進(jìn)行冷測試以保證產(chǎn)品質(zhì)量。北京奔馳汽車有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品技術(shù)的革新對冷測試技術(shù)提出了更高的要求，當(dāng)采用冷測試技術(shù)檢測發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要燃料來運(yùn)行。被測試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入測試臺(tái)架后，測試系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣口、轉(zhuǎn)矩傳感器以及壓力傳感器上采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過測試臺(tái)專用軟件進(jìn)行分析，通過比較被測發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)是否處于預(yù)先確定的控制限值來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否合格，實(shí)現(xiàn)全面的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評估。

隨著汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的舒適性已經(jīng)成為產(chǎn)品評價(jià)的重要指標(biāo)，NVH 對產(chǎn)品測試已經(jīng)越來越重要，如果一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在NVH 方面無法達(dá)到相關(guān)要求，給客戶帶來的可能不僅僅是舒適性上較差的體驗(yàn)，更加值得注意的是，這樣的產(chǎn)品有可能存在安全隱患。

在過去5 年的冷測試工作中，作者利用不同供應(yīng)商提供的冷測試臺(tái)架進(jìn)行了很多NVH 方面的測試。在M282 冷測試臺(tái)架上采用德國西門子公司提供的振動(dòng)傳感器，為作者應(yīng)用先進(jìn)的變色龍測試技術(shù)提供了可能。本文在已有測試設(shè)備的基礎(chǔ)上，在供應(yīng)商提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持的前提下，完成了變色龍系統(tǒng)在冷測試的NVH 測試中的初步應(yīng)用。

1 工況選擇及數(shù)據(jù)采集

1.1 工況設(shè)定

本文以M282 發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 M282 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)

冷測試作為發(fā)動(dòng)機(jī)的在線監(jiān)測環(huán)節(jié)，需對發(fā)動(dòng)機(jī)的2 大機(jī)構(gòu)和5 大系統(tǒng)進(jìn)行測試。所以，在進(jìn)行工況設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮在不影響其他測試項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)測試。由于冷測試臺(tái)架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，冷測試轉(zhuǎn)速一般不超過3 000 r/min，而振動(dòng)測試的工況盡量選擇在高轉(zhuǎn)速（爬坡）下進(jìn)行。所以，冷測試時(shí)，對于NVH 數(shù)據(jù)的采集，本文選擇在轉(zhuǎn)速爬坡到3 000 r/min 的過程中以及3 000 r/min 的工況下進(jìn)行，冷測試工況如圖1 所示。

從圖1 可以看出，3 000 r/min 的前一個(gè)工況為2 000 r/min。為了能夠更加全面地對NVH 數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從2 000 r/min 爬升到3 000 r/min 的過程中，臺(tái)架先把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到500 r/min，然后再提升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。這樣，測試臺(tái)可以采集到從500 r/min～3 000 r/min 整個(gè)爬坡過程中的振動(dòng)信號數(shù)據(jù)。

振動(dòng)測試工況如圖2 所示。

圖2 振動(dòng)測試工況

1.2 數(shù)據(jù)采集

測試過程中，孚羅里西冷測試臺(tái)架采用德國西門子公司提供的加速度傳感器（ICP-Accelerometer）進(jìn)行振動(dòng)信號的采集，采用SIEMENS-ANOVIS 公司提供的信號處理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。不同振動(dòng)傳感器原理如圖3 所示。

圖3 不同振動(dòng)傳感器原理圖

利用加速度傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)在測試過程中的加速度，然后將加速度轉(zhuǎn)換成dB。

加速度和dB 的轉(zhuǎn)換公式為：

式中：a 為加速度，m/s2；a0為加速度參考值，a0=10-6m/s2。

1.3 振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪之間會(huì)產(chǎn)生垂直于切線方向的力，如圖4 所示[1]。

圖4 齒輪嚙合受力圖

正常的嚙合會(huì)在固定頻率下產(chǎn)生振動(dòng)，齒輪之間出現(xiàn)非正常嚙合時(shí)，由于齒輪的受力發(fā)生變化，不同頻率下，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)振動(dòng)信號，如圖5 所示[2]。

圖5 不同情況嚙合振動(dòng)曲線

2 測試曲線解析

2.1 時(shí)域曲線分析

前面已經(jīng)明確了振動(dòng)測試的工況為60～1 200 r/min 和500～3 000 r/min。轉(zhuǎn)速爬坡階段更有利于振動(dòng)信號的采集，并且可通過傅利葉變換轉(zhuǎn)換成頻域信號，但時(shí)域曲線對于測試分析也是非常重要的。頻域曲線可以反饋某個(gè)特定頻率下振動(dòng)曲線的振幅情況，但是無法直接反饋和發(fā)動(dòng)機(jī)相位相關(guān)的信息。例如，已知發(fā)動(dòng)機(jī)在某一曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)氣門會(huì)關(guān)閉，如果這個(gè)時(shí)刻曲線有異常，可以直接從相位的角度分析是否與此零件相關(guān)。另外，如果某些振動(dòng)是非規(guī)律性的，比如某些發(fā)動(dòng)機(jī)由于零件之間的配合問題導(dǎo)致一些隨機(jī)的振動(dòng)，在頻譜分析中，很難通過某個(gè)固定頻率去鎖定此類問題相關(guān)零件，這個(gè)時(shí)候，時(shí)域分析的幫助更大。圖6 為西門子公司測試分析軟件的時(shí)域曲線圖，橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為傳感器反饋的加速度。

圖6 時(shí)域曲線

對于此類曲線的評估，可以直接增加測試窗口，也可以計(jì)算曲線的RMS 值，然后對曲線的能量進(jìn)行評估，用以判定在測試時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)能量的大小。目前，時(shí)域分析主要用于振動(dòng)測試的輔助分析。

2.2 頻域曲線分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在測試過程中的振動(dòng)，可以理解為無數(shù)個(gè)不同的振動(dòng)源發(fā)出的振動(dòng)信號最后匯總到角速度傳感器上的結(jié)果。

為了將復(fù)雜凌亂的振動(dòng)信號對應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件上，在振動(dòng)測試時(shí)，本文應(yīng)用了頻域信號分析[3]。首先，測試軟件需要將時(shí)域曲線轉(zhuǎn)換成頻域曲線，此部分轉(zhuǎn)換所應(yīng)用的理論為傅利葉變換，如圖7所示。

圖7 傅利葉變換

因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)上所有的運(yùn)轉(zhuǎn)零部件在特定轉(zhuǎn)速下都有特定的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，所以經(jīng)過傅利葉變換后，可以通過對振動(dòng)曲線特定頻率下的振幅進(jìn)行評估，來判定此頻率所對應(yīng)零部件的振動(dòng)情況。但是，振動(dòng)在很多情況下存在偶然性，并且很多情況下的振動(dòng)都不是獨(dú)立存在的[4]，如圖8c 和圖8d 所示，在主振幅的震動(dòng)下，還隱藏著很多諧振的情況。

圖8 諧振產(chǎn)生

為了更加準(zhǔn)確地檢測出異常振動(dòng)，振動(dòng)測試工況采用前面所述的60～1 200 r/min 和500～3 000 r/min。在測試配置軟件中,采用轉(zhuǎn)速每增加100 r/min 采集一次振動(dòng)曲線，然后將所有曲線疊加后求平均。但這樣做會(huì)遇到一個(gè)問題，因?yàn)椴煌D(zhuǎn)速下，所有相同零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)或者接觸頻率是不同的，這就造成了將曲線疊加求平均值無法進(jìn)行。為了能夠?qū)崿F(xiàn)曲線疊加，測試團(tuán)隊(duì)引入階次的概念。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力核心零件為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣燃燒后所產(chǎn)生的能量是通過曲軸傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)其他零部件和整車的。所以，在進(jìn)行階次定義時(shí)，定義發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的頻率為任何轉(zhuǎn)速下的測試基頻，其階次為1，所有其他零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)或接觸階次都相對于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。以四缸四沖程雙凸輪軸（進(jìn)排氣凸輪軸各1 根）發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸為例，凸輪軸的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率在任何工況下都是曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的1/2。按照上述定義，凸輪軸的階次為0.5。以此類推，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)中相關(guān)零部件的階次。

圖9 是西門子測試軟件呈現(xiàn)出來的頻譜分析中的階次曲線。將曲線放大后，可以清晰地看到相關(guān)零部件的振動(dòng)輻值。

圖9 頻域曲線

圖10 為時(shí)域曲線局部示意圖，圖中，order 代表階次。

圖10 時(shí)域曲線局部示意

2.3 階次級數(shù)分析

應(yīng)用階次級數(shù)曲線的目的和時(shí)域曲線類似，主要是希望測試曲線能夠呈現(xiàn)出異常振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速情況。因?yàn)轭l域曲線是不同轉(zhuǎn)速下疊加后的曲線，無法反應(yīng)出某個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)情況。通過階次級數(shù)曲線，可以得到隨著轉(zhuǎn)速的爬升，發(fā)動(dòng)機(jī)的整體振動(dòng)情況，如圖11 所示。當(dāng)某一個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)曲線出現(xiàn)異常時(shí)，對振動(dòng)分析有很大的參考價(jià)值。

圖11 階次級數(shù)曲線

2.4 變色龍應(yīng)用

在傳統(tǒng)的測試中，應(yīng)用頻率較高的評估方法是窗口法，即在已生成曲線上的特定時(shí)刻增加評價(jià)窗口。前面所說的時(shí)域曲線、頻域曲線或階次級數(shù)曲線，都可以應(yīng)用窗口法進(jìn)行評估分析。但是窗口法有幾個(gè)弊端,首先，窗口法是建立在對現(xiàn)有曲線已經(jīng)有非常明確認(rèn)知的情況下的，在哪一個(gè)時(shí)刻增加窗口進(jìn)行評估是固定的，如果窗口其他區(qū)域出現(xiàn)問題，測試臺(tái)架是無法檢測出的；其次，窗口法是建立在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上的，經(jīng)過定期的統(tǒng)計(jì)分析來設(shè)定固定的限值，無法自行對測試限值進(jìn)行調(diào)整。

北京奔馳汽車有限公司的NVH 測試系統(tǒng)引入了變色龍測試?yán)砟睿兩垳y試是將“以往測試曲線（數(shù)據(jù)）”與當(dāng)前所采集的測試曲線進(jìn)行對比，觀察當(dāng)前測試曲線和“以往測試曲線”的差異性。這里的“以往測試曲線”是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定好的，北京奔馳汽車有限公司的測試系統(tǒng)采用最后100 臺(tái)合格發(fā)動(dòng)機(jī)曲線的平均值作為變色龍參考曲線。如圖12 所示。

圖12 變色龍方法設(shè)定限值

北京奔馳汽車有限公司的振動(dòng)測試在應(yīng)用變色龍方法時(shí)，首先計(jì)算出最后100 條測試曲線的平均曲線，然后按照+8 西格瑪水平計(jì)算變色龍參考曲線。圖13 為變色龍曲線在孚羅里西軟件中的應(yīng)用，由于孚羅里西冷測試臺(tái)在線模式下只能呈現(xiàn)一條曲線，所以無法同時(shí)呈現(xiàn)當(dāng)前測試曲線和變色龍參考曲線，圖中呈現(xiàn)出來的是測試曲線和變色龍參考曲線的差值。

圖13 變色龍曲線在孚羅里西軟件中的應(yīng)用

在后臺(tái)軟件中，可以直接呈現(xiàn)測試曲線在哪些階次下變色龍曲線不合格。

變色龍方法可以應(yīng)用到任何已經(jīng)采集的曲線中。如圖14 所示。

圖14 變色龍方法應(yīng)用

3 問題攔截及缺陷驗(yàn)證

3.1 凸輪軸軸向平行度不合格

冷測試臺(tái)架檢測到批量發(fā)動(dòng)機(jī)測試總體振動(dòng)加速度偏高，查看剛體加速度傳感器頻域曲線發(fā)現(xiàn)，在150～165 階次之間存在較大的振動(dòng)信號，如圖15 和圖16 所示。

圖15 總體振動(dòng)加速度不合格

圖16 階次曲線異常

經(jīng)過對可疑零件的交叉驗(yàn)證和魚骨刺圖分析，問題定位到排氣側(cè)凸輪軸上，如圖17 所示。

圖17 交叉驗(yàn)證及魚骨刺分析

經(jīng)過三坐標(biāo)測量發(fā)現(xiàn)，問題凸輪軸某些主軸頸平行度測量值存在超差的情況，如圖18 所示。

圖18 凸輪軸測量

3.2 其他缺陷驗(yàn)證

其他缺陷驗(yàn)證如圖19～圖25 所示。

圖19 曲軸齒輪表面損傷（1～2 mm2）

圖20 凸輪軸表面損傷（20～30 mm2）

圖21 連桿瓦漏裝

圖22 氣門夾異物（變色龍曲線異常）

圖23 氣門夾異物（頻域曲線異常）

圖24 凸輪軸表面損壞（變色龍曲線異常）

圖25 鏈條張緊器損壞（變色龍曲線異常）

4 結(jié)論

作為冷測試的新領(lǐng)域，振動(dòng)測試在應(yīng)用方面有很多挑戰(zhàn)。本文通過采集不同形式的曲線及應(yīng)用變色龍方法，成功攔截了一些生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的產(chǎn)品缺陷，為后續(xù)的振動(dòng)測試研究提供了一定的參考。除了傳統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析，變色龍方法是一種非常有效的振動(dòng)檢測判定方法。