基于CAE的小波變換和角度域分析的發(fā)動機氣門機構異響排查

2 某型發(fā)動機“嗒嗒”異響信號的分析

發(fā)動機氣門機構是復雜旋轉機械的系統(tǒng),其受到的激勵以及響應非常復雜,并且非線性極強,使得對缸蓋表面拾取的振動和噪聲信號信噪比很低,采用傳統(tǒng)的傅里葉變換很難去除背景噪聲頻率,導致過多地掩蓋振動噪聲信號中的時變規(guī)律,很難準確提取氣門機構運動規(guī)律的信息。本文針對某缸蓋系統(tǒng)嗒嗒異響進行小波處理,準確提取異響的振動和噪聲特征,并在發(fā)動機曲軸轉角角度域中對異響進行準確定義故障點。

2.1 小波分析對異響信號的提取

在對某整車NVH主觀評價過程中,評價人員感覺在車內有輕微間隔性的“嗒嗒”異響,此異響發(fā)生節(jié)奏很有規(guī)律,很容易引起客戶感知和抱怨。通過進一步主觀判斷,該“嗒嗒”異響來自于發(fā)動機上部;為進一步調查該“嗒嗒“異響產生的原因,將異響發(fā)動機從上整車拆除后在消聲室中對該發(fā)動機進行測試分析。對缸蓋頂部近場的噪聲測試,通過對噪聲測試信號的常規(guī)傅里葉變換頻譜分析和小波分析對比,如下圖2至圖4。明顯看出圖3中常規(guī)頻譜分析所得到的頻譜圖上沒有呈現(xiàn)出與主觀回放相對應的間隔性敲擊異響,而圖4中小波分析圖譜上則很規(guī)律地呈現(xiàn)了間隔性的敲擊信號。經小波分析后回放試聽,確定該異響在怠速760r/min時發(fā)生的頻次為6次/1s,即曲軸旋轉2次異響發(fā)生一次,主要頻段集中在2300-3700Hz。經與時域數據對應,小波分析圖譜與時域數據中敲擊時刻有很好的對應關系。

    圖2 第1缸進氣側凸輪軸承座振動及發(fā)動機上方噪聲時域數據圖

    圖3 發(fā)動機上方噪聲傅里葉變換頻譜圖

    圖4 發(fā)動機上方噪聲小波分析時頻圖

2.2 角度域定義故障點

通過對“嗒嗒“異響小波分析,基本可以確定該異響來自于氣門機構系統(tǒng),為進一步調查明確異響產生的原因,還必須精確定義該異響產生的部位。發(fā)動機曲軸轉角分析功能則提供了有力的分析工具。為滿足角度域分析需要,使用磁電轉速傳感器采集發(fā)動機啟動齒轉速信號,因為啟動齒圈132齒,所以角度域分析精度在3°附近,滿足對問題的定義需求。同時采集發(fā)動機1缸缸壓信號作為發(fā)動機工作循環(huán)參考。通過對“嗒嗒”異響信號角度域分析,確定異響發(fā)生在曲軸轉角470°左右,進一步對氣門室罩蓋振動信號進行角度域轉換(見圖5),發(fā)現(xiàn)在曲軸轉角477°時氣門室罩蓋振動峰值非常突出,通過分析發(fā)動機工作循環(huán)所對應的氣門運動角度,發(fā)現(xiàn)第二缸的進氣門關閉角度430°,非常接近470°的異響發(fā)生角度,因VVT發(fā)動機氣門落座在角度上有一定的調整角度空間,因此二缸進氣門關閉角度在430°以及滯后一定的角度,與470°的異響角度接近。根據角度域分析初步思路,進行去除氣門,利用排除法來確定該問題的來源。

    圖5 氣門室罩蓋角度域分析彩圖

2.3去除氣門驗證角度域分析結果

為了驗證角度域分析的正確性,分別按照順序依次去除了2缸、4缸、所有缸的氣門,再按照順序安裝回4缸、2缸氣門機構,通過按照以上順序的排查試驗驗證,充分證實了轉角測試分析的精確性。圖6為安裝回4缸氣門后發(fā)動機上方噪聲的小波分析時頻圖,圖7為在安裝第4缸氣門的基礎上再安裝回2缸的氣門,明顯可以看到該異響特征重現(xiàn)。

圖6 安裝回4缸氣門后發(fā)動機上方噪聲的小波分析時頻圖

    圖7 安裝第2缸氣門后發(fā)動機上方噪聲小波變換時頻圖

3 結論

3.1 通過對對異響信號的小波變換,可以得到比常規(guī)頻譜分析更好的時頻特性,找出了“嗒嗒”異響的特征。并運用角度域分析,準確定位該異響發(fā)生時刻所對應的曲軸轉角角度,依據發(fā)動機循環(huán)特性,指出了該嗒嗒異響來自第2缸進氣門的落座時刻。

3.2 由于發(fā)動機是復雜的往復旋轉系統(tǒng),很多激勵都與發(fā)動機曲軸轉角有特定的關系,利用小波分析可很好地將此類周期性的特征信號重現(xiàn),從而更精確的定義和判斷問題,極大提高了故障問題診斷的效率。本文通過對缸蓋嗒嗒異響的排查,很好地證明了LMS小波分析在時頻分析中的作用,同時也驗證了角度域分析振動噪聲信號對激勵點定義的準確性。