蔣銀萍 李勁峰 閆 翔 王瑞平，2

（1-湖南吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)部件有限公司 湖南 湘潭 411100 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

如今汽車工程師將NVH稱為汽車“玄學(xué)”，因?yàn)镹VH問題包括噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度3個(gè)方面，引起汽車NVH問題的根源往往是非常復(fù)雜機(jī)理造成的。而發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH是影響到整車NVH的重要組成，有問題的發(fā)動(dòng)機(jī)一旦裝車，將要耗費(fèi)大量精力進(jìn)行問題識(shí)別、問題解決。所以需要在發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前盡量將NVH問題發(fā)動(dòng)機(jī)識(shí)別出來，減少故障機(jī)裝車。

按噪聲產(chǎn)生的性質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可分為燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)行冷試測(cè)試時(shí)不進(jìn)行點(diǎn)火，未燃燒，所以本文重點(diǎn)從生產(chǎn)線實(shí)際使用中，探索NVH測(cè)試與NVH測(cè)試的工藝設(shè)置、傳感器布置、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等方面的關(guān)系，尋求降低誤報(bào)率，提升檢出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲的合理方案，其中會(huì)以外載NVH測(cè)試為例進(jìn)行說明（考慮到冷試自帶的振動(dòng)測(cè)試功能無(wú)法從多方面進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)分析，所以我們采用外載的NVH測(cè)試設(shè)備，采用ROTAS Measurement System測(cè)試系統(tǒng)，與冷試測(cè)試共用冷試機(jī)的TDC信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，非冷試自帶的振動(dòng)測(cè)試功能）。

1 NVH測(cè)試的工藝和傳感器布置位置的探索

發(fā)動(dòng)機(jī)的大多數(shù)常見異響與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速存在很大關(guān)系。有些異響僅在低速或者怠速時(shí)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(dǎo)孔間隙過大、配氣凸輪輪廓磨損等故障，有些故障會(huì)在急加速、急減速、某穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)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(guó)內(nèi)大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上使用的冷試機(jī)都帶有NVH測(cè)試功能，但是因?yàn)橐櫦暗秸w冷試的節(jié)拍和測(cè)試項(xiàng)目分布，NVH測(cè)試的有效性會(huì)受到影響[4]。例如圖1中的某廠的冷試測(cè)試工藝設(shè)置，NVH測(cè)試從60 r/min開始到120 r/min結(jié)束，期間設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0-60-1 000-3 000-120-0，期間NVH測(cè)試轉(zhuǎn)速變化為60-1 000-3 000-120，時(shí)長(zhǎng)為37 s，此工藝缺失怠速、低速等工況，可能會(huì)丟失發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)試工藝應(yīng)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(shí)需保證，在同一個(gè)測(cè)試工況中的轉(zhuǎn)速變化是穩(wěn)定的，若轉(zhuǎn)速在某時(shí)段高，下一次測(cè)試在同一時(shí)段又低，會(huì)影響NVH測(cè)試的有效性。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的噪聲、振動(dòng)也會(huì)不同，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱試中，會(huì)利用聽診器在怠速、急加速、高速等工況中發(fā)動(dòng)機(jī)在A-A、B-B、C-C、D-D以及加注機(jī)油口等部位進(jìn)行聽診，如圖2所示，大致為氣缸蓋罩、正時(shí)鏈罩、油底殼、水泵、張緊器、進(jìn)氣面、排氣面等零部件、部位進(jìn)行聽診。

圖2 異響振動(dòng)分布區(qū)域

如圖3所示，數(shù)據(jù)表明發(fā)動(dòng)機(jī)在空間有6個(gè)自由度，在橫向X方向和垂直Z方向的振動(dòng)能量較大[5-6]，而振動(dòng)評(píng)估點(diǎn)應(yīng)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(dòng)測(cè)試傳感器至少要為3個(gè)，如圖4所示，分別分布在發(fā)動(dòng)機(jī)的X-Y-Z方向，若條件不滿足，則應(yīng)該滿足于X方向和Z方向的振動(dòng)測(cè)試（圖4中的1、2點(diǎn)）。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)模型[5]

圖4 生產(chǎn)線上振動(dòng)測(cè)試傳感器布置點(diǎn)

2 不同發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)振動(dòng)的影響

運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)通常振動(dòng)頻率是旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍。旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)的諧振頻率成分也稱為階次，所以與旋轉(zhuǎn)速度相當(dāng)?shù)幕绢l率為第一階（First Order），與旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)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(shí)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(cè)試結(jié)果，得出與曲軸旋轉(zhuǎn)速度呈倍數(shù)關(guān)系的各個(gè)零部件的振動(dòng)頻率，例如氣門、凸輪軸等部件的振動(dòng)狀態(tài)。

3 外載NVH測(cè)試使用時(shí)故障率虛高、檢出率低問題探索

3.1 外載NVH測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)

通常，冷試機(jī)自帶的振動(dòng)測(cè)試所需要的信號(hào)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的TDC信號(hào)、不同振動(dòng)傳感器的信號(hào)以及轉(zhuǎn)速信號(hào)，同理，外載NVH測(cè)試系統(tǒng)借用冷試測(cè)試系統(tǒng)的TDC信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，接收本身的振動(dòng)傳感器，借助評(píng)估程序，可顯示存儲(chǔ)于檔案和測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，將各個(gè)轉(zhuǎn)速工況的測(cè)試結(jié)果可視化展現(xiàn)在測(cè)試設(shè)備上。結(jié)果是否合格，由設(shè)備已經(jīng)預(yù)設(shè)好的限值進(jìn)行判斷，超過該限值則不合格。一般，此限值由前期一定的測(cè)試量（默認(rèn)為合格）累積后，進(jìn)行正態(tài)分布計(jì)算取±3σ作為上下限值或者按照以下邏輯進(jìn)行極限值自學(xué)習(xí)：極限值=基值（“偏移值”）+平均值+系數(shù)×標(biāo)準(zhǔn)偏差。

所以，當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，NVH測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算出來的值也不穩(wěn)定，超出原設(shè)限值，則測(cè)試不合格，導(dǎo)致故障率高。

信號(hào)包括：冷試機(jī)提供的TDC信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)以及振動(dòng)傳感器傳遞的振動(dòng)信號(hào)。默認(rèn)傳感器是良好狀態(tài)，則要屏蔽測(cè)試環(huán)境中的信號(hào)干擾，設(shè)備進(jìn)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(wú)油污也影響到TDC信號(hào)的測(cè)試。具體影響信號(hào)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(jìn)一步進(jìn)行分析。

3.2 振動(dòng)傳感器的安裝注意事項(xiàng)

振動(dòng)傳感器安裝不當(dāng)也是導(dǎo)致NVH測(cè)試故障率虛高的因素。不同類型的振動(dòng)傳感器與被測(cè)物體的接觸要求也不一樣，例如圖6中的振動(dòng)傳感器，接觸面如果有懸空、不平整，則會(huì)出現(xiàn)受力不均、應(yīng)力集中，折斷、松動(dòng)的現(xiàn)象，測(cè)試當(dāng)出現(xiàn)圖7中的情況時(shí)，就是振動(dòng)傳感器信號(hào)出現(xiàn)問題，可以從傳感器頭是否松動(dòng)、導(dǎo)線是否折斷、線路是否良好進(jìn)行排查。

圖6 振動(dòng)傳感器接觸面懸空

圖7 振動(dòng)測(cè)試異常

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

3.3 生產(chǎn)機(jī)型差異對(duì)振動(dòng)測(cè)試的影響

不同機(jī)型的NVH情況會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)參數(shù)、正時(shí)信號(hào)、裝配零部件差異存在不同。測(cè)試時(shí)，外載NVH測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的機(jī)型調(diào)用完全依賴?yán)湓嚋y(cè)試系統(tǒng)端發(fā)送的機(jī)型識(shí)別碼。在設(shè)備運(yùn)行前期會(huì)出現(xiàn)機(jī)型識(shí)別不全，或者分類不當(dāng)導(dǎo)致的測(cè)試故障率高的情況。例如同一排量的機(jī)型，但是安裝不同種類的凸輪軸，則振動(dòng)值也會(huì)存在差異，所以需要進(jìn)行合理的機(jī)型區(qū)分。

如圖8所示，藍(lán)色為A機(jī)型、綠色為B機(jī)型，A、B為同排量同系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，紫色曲線為限值曲線，可知，在某工況下，測(cè)試的結(jié)果存在角度差異，測(cè)試存在測(cè)試某種機(jī)型時(shí)故障率驟升的現(xiàn)象，通常存在A好、B不好，或者B號(hào)，A不好的矛盾現(xiàn)象，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種機(jī)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(jī)型種類、正時(shí)角度等。

圖8 相同排量安裝不同凸輪軸的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)差異

3.4 冷試排氣測(cè)試對(duì)NVH測(cè)試的影響

根據(jù)一般冷試測(cè)試排氣壓力原理，在測(cè)試過程中，會(huì)關(guān)閉排氣通道，通過壓力傳感器檢測(cè)。此過程中排氣通道會(huì)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(dòng)會(huì)影響到NVH評(píng)估。所以，將排氣和其他測(cè)試步驟設(shè)置在同一測(cè)試工況中會(huì)影響到NVH測(cè)試在該步驟的穩(wěn)定性，所以在設(shè)置NVH測(cè)試工況時(shí)應(yīng)考慮到排氣的影響。圖9中顯示的是某測(cè)試工況時(shí)長(zhǎng)跨越了進(jìn)氣、排氣2個(gè)步驟，因排氣振動(dòng)的影響，導(dǎo)致了測(cè)試故障率過高，表現(xiàn)為NVH測(cè)試此工況的故障率明顯高于其他工況。進(jìn)行測(cè)試時(shí)長(zhǎng)縮短，避免排氣測(cè)試的振動(dòng)影響，得到合理的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，如圖10所示。

圖9 同一NVH測(cè)試工況跨越冷試進(jìn)、排氣測(cè)試

圖10 跨越進(jìn)、排氣測(cè)試工況時(shí)長(zhǎng)縮短

3.5 NVH測(cè)試不能完全依賴系統(tǒng)限值評(píng)估

在實(shí)際應(yīng)用中，我們通過故障模擬機(jī)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)生成的限值對(duì)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(huì)導(dǎo)致限值與實(shí)際測(cè)試值的距離不一致，會(huì)存在過高或者過低的問題。而經(jīng)過分析測(cè)試數(shù)據(jù)（圖11）發(fā)現(xiàn)，此類故障與實(shí)際測(cè)試值存在差異，所以可以增加一條人工調(diào)整的限值補(bǔ)充評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。紅色曲線為單一評(píng)估參數(shù)，利用此參數(shù)可區(qū)別出故障機(jī)與正常機(jī)。此參數(shù)在一個(gè)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(jì)等方式進(jìn)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(dòng)機(jī)NVH檢測(cè)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(dòng)機(jī)本身NVH檢測(cè)的有效性提供保障。

2）振動(dòng)傳感器的安裝位置、接觸面條件、TDC信號(hào)穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)速信號(hào)穩(wěn)定性關(guān)系到NVH測(cè)試的穩(wěn)定性。

3）系統(tǒng)自動(dòng)生成的限值有時(shí)難以滿足實(shí)際應(yīng)用，可進(jìn)行人工修正、添加評(píng)估參數(shù)來提高NVH測(cè)試的有效性。

4）不同機(jī)型的振動(dòng)值有區(qū)別，需要進(jìn)行合理的分類管理。