提高发动机NVH测试有效性的探索

蒋银萍 李劲峰 闫 翔 王瑞平，2

（1-湖南吉利罗佑发动机部件有限公司 湖南 湘潭 411100 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

如今汽车工程师将NVH称为汽车“玄学”，因为NVH问题包括噪声、振动、声振粗糙度3个方面，引起汽车NVH问题的根源往往是非常复杂机理造成的。而发动机的NVH是影响到整车NVH的重要组成，有问题的发动机一旦装车，将要耗费大量精力进行问题识别、问题解决。所以需要在发动机出厂前尽量将NVH问题发动机识别出来，减少故障机装车。

按噪声产生的性质，发动机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声[1]。燃烧噪声是由于气缸内周期变化的气体压力的作用而产生的。它主要取决于燃烧的方式和燃烧的速度[2]，发动机进行冷试测试时不进行点火，未燃烧，所以本文重点从生产线实际使用中，探索NVH测试与NVH测试的工艺设置、传感器布置、发动机零部件等方面的关系，寻求降低误报率，提升检出发动机机械噪声和空气动力噪声的合理方案，其中会以外载NVH测试为例进行说明（考虑到冷试自带的振动测试功能无法从多方面进行测试数据分析，所以我们采用外载的NVH测试设备，采用ROTAS Measurement System测试系统，与冷试测试共用冷试机的TDC信号和转速信号，非冷试自带的振动测试功能）。

1 NVH测试的工艺和传感器布置位置的探索

发动机的大多数常见异响与发动机的转速存在很大关系。有些异响仅在低速或者怠速时存在或者表现明显，高速或热车后消失，例如气门间隙过大、挺杆与其导孔间隙过大、配气凸轮轮廓磨损等故障，有些故障会在急加速、急减速、某稳定转速时产生异响较大，例如凸轮轴轴向间隙过大、轴瓦烧熔等故障[3]。

目前国内大多数的发动机生产线上使用的冷试机都带有NVH测试功能，但是因为要顾及到整体冷试的节拍和测试项目分布，NVH测试的有效性会受到影响[4]。例如图1中的某厂的冷试测试工艺设置，NVH测试从60 r/min开始到120 r/min结束，期间设置的发动机转速为0-60-1 000-3 000-120-0，期间NVH测试转速变化为60-1 000-3 000-120，时长为37 s，此工艺缺失怠速、低速等工况，可能会丢失发动机在200～900 r/min的NVH状态。

图1 冷试工艺流程

所以理想的NVH测试工艺应该包括低速-稳怠速-急加速-高速-高速稳定-急减速的转速状态。同时需保证，在同一个测试工况中的转速变化是稳定的，若转速在某时段高，下一次测试在同一时段又低，会影响NVH测试的有效性。

另外，发动机不同部位的噪声、振动也会不同，在传统发动机热试中，会利用听诊器在怠速、急加速、高速等工况中发动机在A-A、B-B、C-C、D-D以及加注机油口等部位进行听诊，如图2所示，大致为气缸盖罩、正时链罩、油底壳、水泵、张紧器、进气面、排气面等零部件、部位进行听诊。

图2 异响振动分布区域

如图3所示，数据表明发动机在空间有6个自由度，在横向X方向和垂直Z方向的振动能量较大[5-6]，而振动评估点应定于合成位移最大值处，及矩形体的边界位置[5]。所以，在条件满足的情况下，生产线上的振动测试传感器至少要为3个，如图4所示，分别分布在发动机的X-Y-Z方向，若条件不满足，则应该满足于X方向和Z方向的振动测试（图4中的1、2点）。

图3 发动机整机系统振动模型[5]

图4 生产线上振动测试传感器布置点

2 不同发动机运动部件对振动的影响

运动件噪声呈阶次性特征，旋转部件通常由轴承、齿轮等组成。这些零部件发生振动时通常振动频率是旋转频率的整数倍。旋转速度对应的谐振频率成分也称为阶次，所以与旋转速度相当的基本频率为第一阶（First Order），与旋转速度对应频率的2倍的谐振频率为第二阶（Second Order），阶次、频率、转速的关系如公式1、2和图5所示。

图5 旋转速度一定时阶次分析与谐波分析的关系

所以可以通过转速、阶次分析NVH测试结果，得出与曲轴旋转速度呈倍数关系的各个零部件的振动频率，例如气门、凸轮轴等部件的振动状态。

3 外载NVH测试使用时故障率虚高、检出率低问题探索

3.1 外载NVH测试系统的信号

通常，冷试机自带的振动测试所需要的信号包括发动机的TDC信号、不同振动传感器的信号以及转速信号，同理，外载NVH测试系统借用冷试测试系统的TDC信号和转速信号，接收本身的振动传感器，借助评估程序，可显示存储于档案和测量数据库中的信息，并对其进行评估，将各个转速工况的测试结果可视化展现在测试设备上。结果是否合格，由设备已经预设好的限值进行判断，超过该限值则不合格。一般，此限值由前期一定的测试量（默认为合格）累积后，进行正态分布计算取±3σ作为上下限值或者按照以下逻辑进行极限值自学习：极限值=基值（“偏移值”）+平均值+系数×标准偏差。

所以，当信号不稳定时，NVH测试系统计算出来的值也不稳定，超出原设限值，则测试不合格，导致故障率高。

信号包括：冷试机提供的TDC信号、转速信号以及振动传感器传递的振动信号。默认传感器是良好状态，则要屏蔽测试环境中的信号干扰，设备进行接地处理，防止电磁干扰；激光传感器接收反射的镜面是否清洁、有无油污也影响到TDC信号的测试。具体影响信号稳定的因素需要确定传感器是属于激光、还是电磁等类型，从而进一步进行分析。

3.2 振动传感器的安装注意事项

振动传感器安装不当也是导致NVH测试故障率虚高的因素。不同类型的振动传感器与被测物体的接触要求也不一样，例如图6中的振动传感器，接触面如果有悬空、不平整，则会出现受力不均、应力集中，折断、松动的现象，测试当出现图7中的情况时，就是振动传感器信号出现问题，可以从传感器头是否松动、导线是否折断、线路是否良好进行排查。

图6 振动传感器接触面悬空

图7 振动测试异常

若振动传感器具有弹性元件，安装时应考虑到弹性元件压缩量的问题，假设零部件一致性良好，则应保证振动传感器的压缩量一致；假设振动传感器的压缩量已一致，则应排查接触零部件面的区别，是否存在尺寸不受控导致传感器测试过程中压缩量不一致产生差异。

3.3 生产机型差异对振动测试的影响

不同机型的NVH情况会因为技术参数、正时信号、装配零部件差异存在不同。测试时，外载NVH测试系统数据库中的机型调用完全依赖冷试测试系统端发送的机型识别码。在设备运行前期会出现机型识别不全，或者分类不当导致的测试故障率高的情况。例如同一排量的机型，但是安装不同种类的凸轮轴，则振动值也会存在差异，所以需要进行合理的机型区分。

如图8所示，蓝色为A机型、绿色为B机型，A、B为同排量同系统的发动机，紫色曲线为限值曲线，可知，在某工况下，测试的结果存在角度差异，测试存在测试某种机型时故障率骤升的现象，通常存在A好、B不好，或者B号，A不好的矛盾现象，通过对比发现，两种机型唯一区别就是安装了不同的排气凸轮轴，区分因素包括但不限于凸轮轴种类、机型种类、正时角度等。

图8 相同排量安装不同凸轮轴的发动机振动差异

3.4 冷试排气测试对NVH测试的影响

根据一般冷试测试排气压力原理，在测试过程中，会关闭排气通道，通过压力传感器检测。此过程中排气通道会接受活塞上行压缩气流的不稳定的冲击力，此冲击力产生的振动会影响到NVH评估。所以，将排气和其他测试步骤设置在同一测试工况中会影响到NVH测试在该步骤的稳定性，所以在设置NVH测试工况时应考虑到排气的影响。图9中显示的是某测试工况时长跨越了进气、排气2个步骤，因排气振动的影响，导致了测试故障率过高，表现为NVH测试此工况的故障率明显高于其他工况。进行测试时长缩短，避免排气测试的振动影响，得到合理的测试时长，如图10所示。

图9 同一NVH测试工况跨越冷试进、排气测试

图10 跨越进、排气测试工况时长缩短

3.5 NVH测试不能完全依赖系统限值评估

在实际应用中，我们通过故障模拟机测试发现，系统生成的限值对此故障的检出并不理想，这与限值生成的方式有关，例如系数的不同，会导致限值与实际测试值的距离不一致，会存在过高或者过低的问题。而经过分析测试数据（图11）发现，此类故障与实际测试值存在差异，所以可以增加一条人工调整的限值补充评估标准。红色曲线为单一评估参数，利用此参数可区别出故障机与正常机。此参数在一个工作周期720°内随角度变化的值，需要在后期利用故障模拟、数据统计等方式进行修正。

图11 人工修正参数可发现故障

4 结论

1）发动机NVH检测的有效性受多方面因素影响，尽可能排除外界因素影响，才能为发动机本身NVH检测的有效性提供保障。

2）振动传感器的安装位置、接触面条件、TDC信号稳定性、转速信号稳定性关系到NVH测试的稳定性。

3）系统自动生成的限值有时难以满足实际应用，可进行人工修正、添加评估参数来提高NVH测试的有效性。

4）不同机型的振动值有区别，需要进行合理的分类管理。