发动机缸盖螺栓拧紧力矩对机体振动的影响

王 然

（淮阴工学院，江苏 淮安 223003）

发动机缸盖螺栓拧紧力矩对机体振动的影响

王 然

（淮阴工学院，江苏 淮安 223003）

针对缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动有直接影响的问题，借助必要的振动测试硬件，应用NILabVIEW开发了发动机振动数据采集与分析、数据拟合程序，以6135K-13型柴油机为研究对象，在给出振动测试方案的基础上，对采集到的振动数据进行了分析处理，研究了缸盖螺栓拧紧力矩与机体振动之间的定量关系，并对此关系进行了验证。

螺栓；拧紧力矩；发动机振动；LabVIEW

发动机作为独立工作的动力装置，在工程中应用很广泛。发动机产生异常振动时，不仅使机体本身振动加剧，而且会激励机内零部件及各种附属装置、车架等振动，从而引起各种冲击振动损坏。

引起发动机异常振动的因素有很多，缸盖螺栓拧紧力矩便是其中之一。本文以台式计算机为基础，配备必要的测试硬件，借助LabVIEW软件，开发了发动机振动测试与数据处理系统，研究了缸盖螺栓拧紧力矩与发动机机体振动之间的定量关系。

1 发动机振动测试系统的开发

图1 振动测试系统的构成

发动机振动测试系统如图1所示，根据传感器选用原则及实际测试条件，选用压电加速度传感器与电荷放大器集成在一起的LC0155型传感器，和朗斯公司专为LC01系列内装IC压电加速度传感器进行信号调理的LC0201-2信号调理器，数据采集卡则选用NI公司的DAQCARD-PCI-6014型插卡[1]，其为一款基于台式计算机PCI插槽的采集卡。编程软件选用NILabVIEW。

1.1 数据采集与存储程序设计

数据采集提供了整个测试分析系统的数据来源，LabVIEW的DAQ程序包括模拟输入、输出、计数器操作以及数字输入、输出等[2]，本试验所用到的主要是模拟量的输入。数据采集程序，集信号采集与频谱分析于一体，用于单通道或多通道信号的实时监测，其功能及实现方式如图2所示。

图2 数据采集程序流程图

该程序采用了Data Acquisition中AnalogInput功能下的AIWaveform NChan Samp模块进行采集的控制，信号分析中调用了Filter、FFT等现成的子VI模块。

采集数据前，应对采集通道数、采样点数、采样速率等参数进行设置，还需对滤波器、窗函数类型等进行选择。对各项参数设置好后，点击“数据采集与存储”按钮，即可进行信号的采集，可以利用前面板中的波形图（Waveform Chart）进行实时观测。

1.2 数据读取与分析程序设计

为了保证振动测试数据的准确性、可靠性，在发动机缸盖螺栓各测试拧紧力矩一定的前提下，每隔10 s就采样一组数据（即1帧），本次试验共测取15帧数据，在求得每帧振幅最大值或均方根值最大值基础上，计算15帧最大振幅值（或均方根值）的均值，以此作为缸盖螺栓在该拧紧力矩下的机体振动量。

在数据读取与分析程序设计中，共采用了两个For Loop循环结构、两个移位寄存器以及Signal Analysis下的Statistics子VI。数据读取与分析模块的程序流程图如图3所示。

图3 数据读取与分析程序流程图

1.3 数据拟合程序设计

从数据读取与分析程序中读取保存的文件，利用Signal Analysis功能下的Curve Fitting子VI对处理后的振动数据进行拟合。通过比较不同的数据拟合方式，对振动测试数据的拟合结果得出，采用5阶Polynomial Fit拟合方式对测试数据进行拟合时，均方误差MSE最小，即拟合效果最好，故本文采用这种数据拟合方式。数据拟合程序流程图如图4所示。

图4 数据拟合程序流程图

2 发动机缸盖振动测试

2.1 测试条件与方案

本试验以6135K-13型柴油机为测试对象，经理论计算知，该发动机缸盖螺栓预紧力范围为42734～86578 N，其对应的螺栓拧紧力矩为147～297.8 N·m，实际测试范围取 160～290 N·m[3]。测试时水温约为85℃，油温约为60℃，油压为0.25～0.35 MPa。

本次试验依据国家标准GB7184-87《中小功率柴油机振动测量方法》，将柴油机用螺栓刚性安装在试验台架上，并在机上布置3个测点，分别位于缸盖边沿、缸盖中间和机体侧面。

测试振动时，缸盖螺栓拧紧力矩从下限160N·m开始，采取螺栓拧紧力矩每增加5 N·m就测取一组数据，直至上限290N·m。测试过程中，将发动机设置3 种转速，即 780 r/min、1080 r/min、1200 r/min，分别采集发动机在不同转速下不同测点的振动量，为数据分析与拟合程序提供原始数据。

2.2 发动机缸盖振动测试

试验用发动机共有6缸，且两缸共用一缸盖，本次试验以5、6缸缸盖作为测试研究对象。测试时，振动传感器分别放置于5、6缸缸盖边沿、中间和发动机机体侧面靠近飞轮处[4]，以测取发动机在3种不同转速下，这些位置的振动情况。发动机转速为1080 r/min、机体侧面位置振动数据采集界面如图5所示。表1为机体振动测试部分数据。

图5 振动数据采集界面

从表1可以看出：

（1）在发动机转速一定、缸盖螺栓拧紧力矩允许范围内，起初发动机机体振动随螺栓拧紧力矩增加而逐渐减小；但当振动减小到一定数值后，机体振动又随着螺栓拧紧力矩增加而逐渐增大，由此可以推断，螺栓在某一拧紧力矩范围内，可使发动机机体振动最小。

（2）在缸盖螺栓拧紧力矩一定条件下，随着发动机转速增高，机体振动幅度也有不同程度的增大。

（3）用振幅最大值和均方根值，作为特征参数分析机体振动时，两者分析的数据变化趋势一致。

3 发动机振动数据分析与拟合

对发动机振动数据分析方法有两种：一种是以一组数据中每帧数据最大值均值，作为分析参数，来进行分析；另一种是以一组数据中每帧数据均方根值均值，作为分析参数，来进行分析，限于篇幅，本文仅给出后一种方法分析结果。

表1 发动机振动测试部分数据

螺栓拧紧扭矩为175 N·m，发动机转速为1200 r/min，发动机5、6缸机体侧面位置振动测试数据分析结果，如图6所示。

图6 发动机振动数据分析图

从图6可以看出，虽然每帧数据的均方根值不同，但除个别点波动较大外，其余点变化均较小，且基本沿某一中心线上下变化，因此取多帧数据均方根值均值，作为分析参数是较科学的数据分析方法。

利用编制的拟合程序，对分析处理后的测试数据进行拟合，可得到发动机不同转速下，螺栓拧紧力矩与机体振动量间的拟合曲线，其中转速为1080 r/min、机体侧面的振动测试数据拟合曲线如图7所示。

图7 发动机振动数据拟合图

由图7可知，发动机转速为1080 r/min、机体侧面处的振动量与螺栓拧紧力矩的关系式为

式中，

y为机体振动量，V；

x为螺栓拧紧力矩，N·m。

为判断振动测试分析结论是否正确，需通过用任意螺栓拧紧力矩下，发动机的振动情况来加以验证。为使验证数据具有代表性，采集了在发动机转速为780 r/min、1080 r/min，螺栓拧紧力矩分别为182 N·m和253N·m情况下3个测点的振动数据，来进行验证，结果表明，螺栓在182N·m、253N·m拧紧力矩下的振动量，基本落在已拟合的曲线上，说明采用振动数据的均方根值均值作为拟合数据进行拟合的方法，是可行的。

4 结束语

试验研究表明，缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响较大。本文利用LabVIEW所开发的发动机振动测试系统，分析、研究并建立了6135K-13型柴油机缸盖螺栓拧紧力矩与机体振动之间的定量关系，这为发动机设计、生产及维修单位合理确定缸盖螺栓拧紧力矩、降低发动机振动幅度、提高发动机工作可靠性，提供了一种切实可行的研究方法与途径，也为研究其他机械振动问题，提供了有益的参考。

[1]NATIONAL INSTRUMENTSTM.The Measurement and Automation Catalog 2004[R].Austin：U.S.CORPORATE HEADQUARTERS，190-195.

[2]National Instruments Crop.LabVIEW Data Acquisition Basics Manual[M].Austin：Texas USA，January 2007，19-276.

[3]徐礼超.缸盖螺栓拧紧力矩对发动机机体振动影响的试验研究[D].上海：上海理工大学，2005.

[4]GB7184-87，中小功率柴油机振动测量方法[S].

Experimental Study on Influence of Engine Cylinder Head Bolts’Tightening Torque to Body Vibration

WANG Ran
（Huaiy in Institute of Technology,Huai’an Jiangsu 223003,China）

Cylinder head bolts’tightening torque had a direct impact on engine body vibration.With necessary vibration test hardware,we applied the software of NI Lab VIEW to develop engine vibration data acquisition and analysis,data fitting procedures,and took 6135K-13 diesel engine as a research object,on the basis of the given vibration test program,we analyzed a nd processed the sampled vibration data,studied and validated the quantitative relationship between cylinderhead bolts’tightening torque and enginebody vibration.

bolts;tightening torque;engine vibration;LabVIEW

U464.132

A

1672-545X（2011）09-0028-04

2011-06-19

王 然（1972—），男,江苏淮安人，助理实验师，研究方向：汽车性能检测与诊断。