基于CAE的小波變換和角度域分析的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)異響排查

2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)“嗒嗒”異響信號(hào)的分析

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)是復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機(jī)械的系統(tǒng),其受到的激勵(lì)以及響應(yīng)非常復(fù)雜,并且非線性極強(qiáng),使得對(duì)缸蓋表面拾取的振動(dòng)和噪聲信號(hào)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(dǎo)致過多地掩蓋振動(dòng)噪聲信號(hào)中的時(shí)變規(guī)律,很難準(zhǔn)確提取氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。本文針對(duì)某缸蓋系統(tǒng)嗒嗒異響進(jìn)行小波處理,準(zhǔn)確提取異響的振動(dòng)和噪聲特征,并在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角角度域中對(duì)異響進(jìn)行準(zhǔn)確定義故障點(diǎn)。

2.1 小波分析對(duì)異響信號(hào)的提取

在對(duì)某整車NVH主觀評(píng)價(jià)過程中,評(píng)價(jià)人員感覺在車內(nèi)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(jìn)一步主觀判斷,該“嗒嗒”異響來自于發(fā)動(dòng)機(jī)上部;為進(jìn)一步調(diào)查該“嗒嗒“異響產(chǎn)生的原因,將異響發(fā)動(dòng)機(jī)從上整車拆除后在消聲室中對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析。對(duì)缸蓋頂部近場(chǎng)的噪聲測(cè)試,通過對(duì)噪聲測(cè)試信號(hào)的常規(guī)傅里葉變換頻譜分析和小波分析對(duì)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(duì)應(yīng)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(hào)。經(jīng)小波分析后回放試聽,確定該異響在怠速760r/min時(shí)發(fā)生的頻次為6次/1s,即曲軸旋轉(zhuǎn)2次異響發(fā)生一次,主要頻段集中在2300-3700Hz。經(jīng)與時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng),小波分析圖譜與時(shí)域數(shù)據(jù)中敲擊時(shí)刻有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    圖2 第1缸進(jìn)氣側(cè)凸輪軸承座振動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)上方噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)圖

    圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)上方噪聲傅里葉變換頻譜圖

    圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)上方噪聲小波分析時(shí)頻圖

2.2 角度域定義故障點(diǎn)

通過對(duì)“嗒嗒“異響小波分析,基本可以確定該異響來自于氣門機(jī)構(gòu)系統(tǒng),為進(jìn)一步調(diào)查明確異響產(chǎn)生的原因,還必須精確定義該異響產(chǎn)生的部位。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)齒轉(zhuǎn)速信號(hào),因?yàn)閱?dòng)齒圈132齒,所以角度域分析精度在3°附近,滿足對(duì)問題的定義需求。同時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)1缸缸壓信號(hào)作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)參考。通過對(duì)“嗒嗒”異響信號(hào)角度域分析,確定異響發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)角470°左右,進(jìn)一步對(duì)氣門室罩蓋振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行角度域轉(zhuǎn)換(見圖5),發(fā)現(xiàn)在曲軸轉(zhuǎn)角477°時(shí)氣門室罩蓋振動(dòng)峰值非常突出,通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)所對(duì)應(yīng)的氣門運(yùn)動(dòng)角度,發(fā)現(xiàn)第二缸的進(jìn)氣門關(guān)閉角度430°,非常接近470°的異響發(fā)生角度,因VVT發(fā)動(dòng)機(jī)氣門落座在角度上有一定的調(diào)整角度空間,因此二缸進(jìn)氣門關(guān)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(jù)角度域分析初步思路,進(jìn)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(yàn)證角度域分析結(jié)果

為了驗(yàn)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(jī)構(gòu),通過按照以上順序的排查試驗(yàn)驗(yàn)證,充分證實(shí)了轉(zhuǎn)角測(cè)試分析的精確性。圖6為安裝回4缸氣門后發(fā)動(dòng)機(jī)上方噪聲的小波分析時(shí)頻圖,圖7為在安裝第4缸氣門的基礎(chǔ)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(dòng)機(jī)上方噪聲的小波分析時(shí)頻圖

    圖7 安裝第2缸氣門后發(fā)動(dòng)機(jī)上方噪聲小波變換時(shí)頻圖

3 結(jié)論

3.1 通過對(duì)對(duì)異響信號(hào)的小波變換,可以得到比常規(guī)頻譜分析更好的時(shí)頻特性,找出了“嗒嗒”異響的特征。并運(yùn)用角度域分析,準(zhǔn)確定位該異響發(fā)生時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角角度,依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)特性,指出了該嗒嗒異響來自第2缸進(jìn)氣門的落座時(shí)刻。

3.2 由于發(fā)動(dòng)機(jī)是復(fù)雜的往復(fù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),很多激勵(lì)都與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角有特定的關(guān)系,利用小波分析可很好地將此類周期性的特征信號(hào)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(duì)缸蓋嗒嗒異響的排查,很好地證明了LMS小波分析在時(shí)頻分析中的作用,同時(shí)也驗(yàn)證了角度域分析振動(dòng)噪聲信號(hào)對(duì)激勵(lì)點(diǎn)定義的準(zhǔn)確性。