基于角度域方法的汽油機(jī)活塞連桿敲擊異響分析

周敏瑞 程相克

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

活塞連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)部件，將燃燒的能量通過活塞連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)行的能量。由于活塞連桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)且缸體內(nèi)部燃燒爆壓高，因此工作環(huán)境較為惡劣，對NVH 性能的挑戰(zhàn)也很高。

本文描述某三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞銷開發(fā)過程中，試裝件發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)敲擊異響問題，異響出現(xiàn)的工況為熱機(jī)怠速850 r/min（機(jī)油溫度50 ℃以上）及小油門降速（2 000 r/min～怠速）。針對該異響問題，測試分析判斷與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿系統(tǒng)相關(guān)，隨后通過分析活塞連桿系統(tǒng)敲擊分類及機(jī)理，并采集發(fā)動(dòng)機(jī)近場噪聲、缸體振動(dòng)、點(diǎn)火、飛輪角度等信號(hào)，通過角度域分析、拆解換件并檢測故障件參數(shù)等方法確認(rèn)異響零部件，最終解決異響。

1 活塞連桿系統(tǒng)敲擊

活塞連桿系統(tǒng)將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即將作用在活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S對外輸出的轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊B桿系統(tǒng)由缸筒、活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿瓦組成，如圖1 所示?；钊趬嚎s上止點(diǎn)附近的敲擊主要有兩個(gè)方面：燃燒壓力波敲擊和機(jī)械敲擊。

圖1 活塞連桿系統(tǒng)組成

1.1 燃燒噪聲

燃燒噪聲是活塞運(yùn)行至壓縮上止點(diǎn)附近，燃?xì)獗〞r(shí)出現(xiàn)的壓力波沖擊缸體、缸蓋和活塞，產(chǎn)生主觀的感受評價(jià)為清脆的高頻敲擊聲。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，通過調(diào)整燃燒室容積，從而改變壓縮比；電控標(biāo)定點(diǎn)火正時(shí)優(yōu)化；分層掃氣提高燃燒效率；混合氣加濃等方法改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒粗暴。

1.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲與缸筒、活塞連桿組各個(gè)零件的尺寸、表面粗糙度和配合間隙有關(guān)，一般分為活塞敲缸，即活塞與缸筒之間的敲擊；活塞環(huán)異響；活塞與活塞銷敲擊；活塞銷連桿敲擊；連桿襯套敲擊和連桿軸瓦敲擊等。

活塞銷敲擊異響主要是由于：①活塞銷與銷孔座孔或連桿小頭襯套孔之間配合松曠；②機(jī)油壓力不足，機(jī)油飛濺不足，潤滑不良而磨損，間隙變大；③活塞銷卡環(huán)脫落，活塞銷軸向自由竄動(dòng)?；钊N敲擊異響一般斷火后故障缸響聲更明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高響聲消失，對發(fā)動(dòng)機(jī)各種轉(zhuǎn)速下活塞銷的運(yùn)行軌跡進(jìn)行計(jì)算，可以解釋低轉(zhuǎn)速斷火敲擊異響更明顯的現(xiàn)象[1]。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期應(yīng)充分考慮各個(gè)件的尺寸公差、圓度、粗糙度、配合間隙等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)考慮零件變形磨損量，加工工藝，潤滑狀況等相關(guān)因素，連桿小頭襯套開發(fā)中可采用增加油槽方案使連桿潤滑效果更好，避免出現(xiàn)活塞連桿系統(tǒng)機(jī)械敲擊。本案例主要展示活塞銷連桿磨損間隙過大導(dǎo)致的敲擊問題。

2 角度域分析方法識(shí)別異響特征

主觀判斷異響出現(xiàn)工況為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速850 r/min及低速小油門工況（2 000 r/min 以下），用聽診器進(jìn)行主觀評價(jià)判斷，異響位置來源于缸體上部活塞連桿處，且一缸明顯于二三缸。

使用LMS 采集設(shè)備和噪聲振動(dòng)傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)近場噪聲及振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)后處理分析及濾波回放，初步確定該異響頻率特性為2 000～3 500 Hz（中心頻率2 400 Hz），且缸體缸蓋等位置上均有此特征，一缸缸體上部最為明顯，如圖2 所示。

圖2 850 r/min 缸體振動(dòng)頻譜圖

采集發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)、飛輪58 齒信號(hào)和一缸點(diǎn)火信號(hào)，對異響采用角度域分析[2]，橫軸為時(shí)間信號(hào)，縱軸為噪聲頻率（圖3a）、飛輪轉(zhuǎn)角（圖3b）和一缸點(diǎn)火信號(hào)（圖3c）。發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)異響的時(shí)刻與缸體上部振動(dòng)相對應(yīng)，時(shí)刻為飛輪缺齒（78°BTDC）后第十四齒，如圖4 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)一缸點(diǎn)火相位為缺齒后第十三齒，異響對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相位圖里一缸點(diǎn)火后6°（飛輪信號(hào)一個(gè)齒對應(yīng)角度為6°）活塞上止點(diǎn)后換向時(shí)刻，且階次特征與曲軸連桿系統(tǒng)工作階次一致，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸兩圈一次，為一缸點(diǎn)火階次（即0.5 階），由此判斷異響與曲軸連桿系統(tǒng)相關(guān)。

圖3 異響特征角度域數(shù)據(jù)分析

圖4 曲軸相位圖

3 排查過程

首先，我們針對異響敲擊問題進(jìn)行問題特征的識(shí)別，主要是確認(rèn)敲擊出現(xiàn)的工況、冷熱機(jī)相關(guān)性等。

其次，采用經(jīng)驗(yàn)法對異響源進(jìn)行初次判斷，使用振動(dòng)或傳聲聽診器確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)哪個(gè)位置敲擊特征最大，采用斷缸法確認(rèn)是否和某一缸的點(diǎn)火相關(guān)。再使用噪聲振動(dòng)設(shè)備測試該位置的振動(dòng)特征，分析其頻率和階次特征，至此我們已經(jīng)基本可以確認(rèn)異響位置了。

最后，對異響機(jī)進(jìn)行拆機(jī)檢測，進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)異響位置的運(yùn)動(dòng)件尺寸及表面精度是否符合設(shè)計(jì)參數(shù)。通過檢測發(fā)現(xiàn)，缸體，活塞尺寸均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，與試驗(yàn)前相差不大，但連桿小頭直徑超差明顯。對比裝機(jī)記錄發(fā)現(xiàn)異響發(fā)動(dòng)機(jī)與無異響發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿組件是相同的，出廠件尺寸均正常。對活塞銷粗糙度檢測發(fā)現(xiàn)異響機(jī)活塞銷粗糙度明顯高于非異響機(jī)，多臺(tái)異響機(jī)存在同樣的特征。由此可以判斷活塞銷粗糙度大造成連桿小頭磨損，進(jìn)而導(dǎo)致連桿小頭直徑超差，間隙變大引起異響[3]。

4 問題驗(yàn)證

對異響機(jī)更換粗糙度小的活塞銷及新的連桿系統(tǒng)，復(fù)裝后進(jìn)行臺(tái)架磨合后驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)更換后主觀評價(jià)無異響，一缸缸體振動(dòng)2 000～4 000 Hz能量降低，如圖5 所示。

圖5 更換活塞銷連桿前后一缸缸體振動(dòng)

4.1 尺寸檢測

異響發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后連桿小頭Y 向（發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣方向）尺寸超差明顯，如圖6 所示。將異響機(jī)活塞銷與非異響機(jī)活塞銷進(jìn)行檢查對比發(fā)現(xiàn)，異響機(jī)活塞銷表面粗糙度較差，如圖7 所示。且查詢同批次新活塞銷裝機(jī)的十臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均存在此異響問題[4]。

圖6 試驗(yàn)前后連桿小頭尺寸對比

圖7 異響機(jī)與無異響機(jī)活塞銷粗糙度對比

4.2 生產(chǎn)工藝分析

對活塞銷滲碳層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異響批次的活塞銷滲碳層超差。記錄的實(shí)際生產(chǎn)工藝不符合熱處理要求，由此供應(yīng)商需對活塞銷生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，并提供樣件進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本案例通過在發(fā)動(dòng)機(jī)降本樣件開發(fā)中對異響件測試，發(fā)現(xiàn)除了要求零部件設(shè)計(jì)尺寸及公差需滿足圖紙參數(shù)外，供應(yīng)商還應(yīng)對生產(chǎn)工藝和樣件質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)。在降本過程中，性能不應(yīng)低于原機(jī)樣件，尤其是活塞連桿系統(tǒng)這些高速運(yùn)轉(zhuǎn)件，從而避免出現(xiàn)NVH 問題。

對于供應(yīng)商樣件開發(fā)和生產(chǎn)過程管控問題，需各系統(tǒng)驗(yàn)證或者充分評估后，對多樣本反復(fù)驗(yàn)證，無質(zhì)量問題后再進(jìn)行切換。