汽车发动机故障诊断方法研究与探析

摘 要：本文主要对汽车发动机故障诊断方法进行了研究与探析，首先介绍了相关故障类型，由此引出由振动信号对汽车发动机的诊断方法；着重讨论了振动诊断在汽车发动机诊断的优势、汽车发动机的振动信号具体诊断方法和汽车发动机故障的特性。

关键词：汽车；发动机；故障；诊断

1 汽车发动机的故障类型

汽车发动机的故障是由多方面因素引起的，例如发动机本身的设计缺陷导致的故障、不合理使用导致的故障、交通事故导致的故障等。故障类型主要分为以下几种情况：

1.1 未能及时更换机油导致的故障

润滑油可以有效减少发动机工作时的摩擦，减少损坏。如果长时间没有润滑油保护的话，发动机发生故障的几率会大大增加。

1.2 曲轴箱内油泥过多导致的发动机磨损

油泥是指汽油在发动机内未燃烧充分导致的残留物，如果不及时清理会增大缸壁之间的间隙，对曲轴箱造成磨损。而磨损又会产生一些金属粉等杂质，和油泥混合在一起对发动机造成更大的损坏，导致一种恶性循环。

1.3 因系统阻塞导致的发动机故障

这种故障比较常见，原因是燃油系统运行中的燃油燃烧程度不够，导致燃油在燃烧过程中对油泵和油道产生热效应，不仅直接降低了发动机的功效，而且还增大了发动机的噪声，并产生动力不足等情况。

2 发动机故障的诊断方式

2.1 传统的诊断方式

传统的发动机诊断方法有两种，一是采用事后诊断法，既在发动机已经发生故障了之后再诊断分析原因，并不能从根本上解决发动机故障的发生。二是定期维修，既对发动机做“全身体检”，这种诊断方式带有一定的盲目性，不仅效率地而且费用较高，缺少针对性。

2.2 预测维修诊断方式

预测维修就是通过一定的技术手段对汽车发动机的工作状态进行诊断，从而分析出发动机工作是否正常，有无毛病等。预测诊断是发动机诊断未来的发展方向，本文所讨论的根据发动机振动信号来判断其工作状态的方法就是一种预测诊断方式。

3 振动信号在汽车发动机诊断中的应用

汽车发动机在工作时会发出特定的振动信号，发动机一旦发生故障其振动信号也会发生改变。发动机正常运转过程中产生各种振动的激励源总的来说可以分为以下四类：一是可燃气体燃烧产生的缸内气体压力和因运动部件在连接过程中存在间隙而产生的发动机撞击引起的振动；二是曲柄连杆机构的惯性力或者力矩在发动机运转过程中引起的周期性振动，一般表现为有规律的低频谐振，振动频率随转速升高而升高；三是进、排气门开启与闭合时产生的振动；四是发动机由于制造、安装时的偏差等引起的随机振动。因此，振动信号可以运用在汽车发动机的故障诊断中。

3.1 振动诊断在汽车发动机诊断的优势

振动诊断在汽车故障中的诊断中主要有以下几点优势：

（1）振动现象伴随着汽车发动机的运行而发生，汽车发动机一旦开启就会产生振动信号，故障信息就包含在振动信号内。（ 2）振动问题在高速、重载荷的发动机内时有发生，事故率极高。（ 3）许多振动故障都会有明显的特征，非常容易识别。（ 4）目前针对振动问题的检测方法、理论都比较成熟。（ 5）振动诊断易于实现全程监控和在线诊断。

3.2 发动机振动特性

发动机由于其激励位置的不同，产生振动的位置也不同，因而反馈出来的振动信息也不一样，其中缸盖与缸体所产生的振动信号存在明显的差异。其中缸盖作为气缸压力的主要受力点，其振动能完整地反映出发动机的运动状态，所以大多数的汽车发动机振动诊断都是通过刚盖来完成的。缸体在启发发动机时所产生的振动相对较少，但是缸体内连着大量的零部件，零部件的振动会直接反映到缸体上，因此缸体的振动大多用来检测汽车发动机零部件的故障。特别是作用在活塞上的燃烧气体力和惯性力使活塞产生垂向振动并沿连杆、曲轴、主轴承、曲轴箱等零部件，它们的振动都反馈给了缸体。

3.3 汽车发动机的振动信号诊断

一般的情况下，汽车发动机振动的时域信号总是杂乱无章的，无论是正常状态还是非正常状态，故障信息并不是直接显示出来的，并不是直接表露在外表让我们一眼就可以发现，所以要获得故障信息必须要对信号进行分析处理才可以。下面介绍几种常用的汽车发动机振动信号诊断方法

3.3.1 时域诊断分析

时域分析原理简单而且容易实现，它是信号分析方法中最基础的一个。主要包含时域波形、相关分析、概率密度、滤波处理等。主要是对汽车发动机振动时域信号的时间历程进程分析，适合对信号中含有周期信号、谐波信号或短脉冲信号进行分析。利用时域波形分析可识别出共振现象和拍频现象。由于某些发动机的振动信号所包含的频率成分比较低，受诊断分析仪器的下限、分辨率及分析软件功能的限制，频谱分析的方法运用的就不是特别好。然而通过时域分析就很容易提取出信号的特征，随之它也成为了最直接、最有效的故障诊断方法，如图 1所示。

3.3.2 倒谱诊断分析

倒谱分析也叫二次谱分析，它在发动机故障的诊断中展现出了非常特殊的优越性。它是检测复杂的图谱中周期分量的重要工具。由于汽车发动机中轴承和齿轮比较多，振动信号中调制现象普遍，肉眼难以识别谱图中谱线所展示出来的周期性，然而利用倒谱可以将谱图上的变频带谱线转变为单谱线，这样就便于识别系统特征的频率。当混有异族谱频、同族谱频、多成分多频和功率谱的成分比较复杂时，应用倒谱分析就最好的方法。

3.3.3 频谱诊断分析

频谱分析是指对变化的信号在频率范围内进行分析，分析得出的结果是以频率为坐标的物理量的曲线和谱线，并得到以频率为变量的频谱函数。汽车发动机振动信号一般是多种信号合成的复杂信号，它可以分解为一系列的谐波分量。这些谐波分量代表着各自对应的频率激励力和某些特定频率。通过频谱分析可以求出动态信号中的各个频率的分布范围；通过对测试波形的分析可得出频率的幅值，通过这些幅值的变化来校正测试波形；我们可以通过频谱分析提供的幅值、频率值、各种谱密度求得被测结构的模态参数和传递函数，为幅振、消振等问题提供解决的条件，如图 2所示。

3.4 汽车发动机故障的特性分析

预先掌握汽车发动机故障的特征是对故障做出准确诊断的前提条件。汽车发动机故障特征主要包括以下几种。

3.4.1 不对中故障

不对中故障是汽车发动机的一种常见的故障。迫使汽车发动机停机检修的原因有一半的原因是由不对中引起的。不对中分为两种情况，分别为转子不对中和轴承不对中。转子不对中的故障形式有可能是轴线形成的夹角角度不对中，也有可能是轴线平行偏移的高度不对中，还有可能是两者的结合。由于不对中所引起的故障的主要特征是二阶转速频率下的振动分量和轴向振动。

3.4.2 动静件碰摩故障

转子质量的不平衡、转子不对中、转子弯曲、静止部件的不对中都有可能引起动静件碰摩。动静件碰摩分为两种情况，主要是径向碰摩和轴向碰摩。在发动机运转时，局部的摩擦一般发生在整周摩擦前面，它会引起发动机的不规则振动。随着振动的愈演愈烈，局部摩擦就会过渡到整周摩擦，从而导致机器发生严重的破坏。

3.4.3 齿形误差

由于齿形误差产生的振动，使振动信号呈现出明显的调制现象。观察频谱可以看出，以齿轮的啮合频率及其倍频为频率的中心，在它的周围分布着以齿轮旋转频率为调制频率的边带。当齿轮的误差比较严重时，激振能力较大就会产生齿轮所在轴和其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。

3.4.4 齿轮磨损严重

当齿轮的磨损发展到一定的程度时，啮合频率谐波幅值增大，阶数也会变得越来越高，谐波增大的幅度也越来越大。与此同时，振动的能量也有较大幅度的上升。

3.4.5 断齿

它的时域波形表现为冲击型振动，频率相当于断齿轴的转频。在频域上多出现间隔为断齿轴转频的边频地带，它数量多、分布宽、幅值较大。

3.4.6 轴不平衡

当轴的不平衡比较严重时，就会在齿轮传动中导致严重的齿轮误差，形成以啮合频率为载波频率，以齿轮所在轴方向的转频为调制频率的频率调制现象。但是在一般的谱图上边带的数量比较少。

4 总结

传统的事后发动机故障诊断方法存在着各种各样的弊端，本文主要讨论了通过振动信号的方法来诊断汽车发动机故障，这种方法可以有效预防汽车发动机的故障，不用再定期对发动机进行“全身体检”，节省了大量的开支。

参考文献：

[1]成曙，张振仁 .发动机现代诊断技术 [M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[2]屈梁生，何正嘉.机械故障诊断学 [M].上海：上海科学技术出版社，2004.

作者简介

张震宇：（1979—），男，高级技师。研究方向：被动安全；工程造价。