振动测试在发动机冷测试中的应用

周 围 孙建国 刘 刚

（北京奔驰汽车有限公司 北京 100176）

引言

M282 发动机是由戴姆勒股份公司和雷诺汽车公司共同研发的新产品，对于BBAC（北京奔驰汽车有限公司）来说，也是全新的产品。冷测试是发动机投产的一个重要环节，每一台装配完成的发动机都要进行冷测试以保证产品质量。北京奔驰汽车有限公司发动机产品技术的革新对冷测试技术提出了更高的要求，当采用冷测试技术检测发动机时，发动机不需要燃料来运行。被测试发动机进入测试台架后，测试系统通过数据采集卡从发动机进排气口、转矩传感器以及压力传感器上采集数据，数据通过测试台专用软件进行分析，通过比较被测发动机的性能参数是否处于预先确定的控制限值来判断发动机是否合格，实现全面的发动机质量评估。

随着汽车产品的设计开发技术不断进步，产品的舒适性已经成为产品评价的重要指标，NVH 对产品测试已经越来越重要，如果一台发动机在NVH 方面无法达到相关要求，给客户带来的可能不仅仅是舒适性上较差的体验，更加值得注意的是，这样的产品有可能存在安全隐患。

在过去5 年的冷测试工作中，作者利用不同供应商提供的冷测试台架进行了很多NVH 方面的测试。在M282 冷测试台架上采用德国西门子公司提供的振动传感器，为作者应用先进的变色龙测试技术提供了可能。本文在已有测试设备的基础上，在供应商提供远程技术支持的前提下，完成了变色龙系统在冷测试的NVH 测试中的初步应用。

1 工况选择及数据采集

1.1 工况设定

本文以M282 发动机为研究对象，发动机的基本参数如表1 所示。

表1 M282 发动机的基本参数

冷测试作为发动机的在线监测环节，需对发动机的2 大机构和5 大系统进行测试。所以，在进行工况设计时，需要考虑在不影响其他测试项目的基础上进行振动测试。由于冷测试台架机械结构设计的要求，冷测试转速一般不超过3 000 r/min，而振动测试的工况尽量选择在高转速（爬坡）下进行。所以，冷测试时，对于NVH 数据的采集，本文选择在转速爬坡到3 000 r/min 的过程中以及3 000 r/min 的工况下进行，冷测试工况如图1 所示。

从图1 可以看出，3 000 r/min 的前一个工况为2 000 r/min。为了能够更加全面地对NVH 数据进行采集分析，在发动机转速从2 000 r/min 爬升到3 000 r/min 的过程中，台架先把发动机转速降到500 r/min，然后再提升到目标转速。这样，测试台可以采集到从500 r/min～3 000 r/min 整个爬坡过程中的振动信号数据。

振动测试工况如图2 所示。

图2 振动测试工况

1.2 数据采集

测试过程中，孚罗里西冷测试台架采用德国西门子公司提供的加速度传感器（ICP-Accelerometer）进行振动信号的采集，采用SIEMENS-ANOVIS 公司提供的信号处理装置进行数据处理。不同振动传感器原理如图3 所示。

图3 不同振动传感器原理图

利用加速度传感器采集发动机在测试过程中的加速度，然后将加速度转换成dB。

加速度和dB 的转换公式为：

式中：a 为加速度，m/s2；a0为加速度参考值，a0=10-6m/s2。

1.3 振动产生机理

当齿轮啮合时，主动齿轮和从动齿轮之间会产生垂直于切线方向的力，如图4 所示[1]。

图4 齿轮啮合受力图

正常的啮合会在固定频率下产生振动，齿轮之间出现非正常啮合时，由于齿轮的受力发生变化，不同频率下，会出现多个振动信号，如图5 所示[2]。

图5 不同情况啮合振动曲线

2 测试曲线解析

2.1 时域曲线分析

前面已经明确了振动测试的工况为60～1 200 r/min 和500～3 000 r/min。转速爬坡阶段更有利于振动信号的采集，并且可通过傅利叶变换转换成频域信号，但时域曲线对于测试分析也是非常重要的。频域曲线可以反馈某个特定频率下振动曲线的振幅情况，但是无法直接反馈和发动机相位相关的信息。例如，已知发动机在某一曲轴转角进气门会关闭，如果这个时刻曲线有异常，可以直接从相位的角度分析是否与此零件相关。另外，如果某些振动是非规律性的，比如某些发动机由于零件之间的配合问题导致一些随机的振动，在频谱分析中，很难通过某个固定频率去锁定此类问题相关零件，这个时候，时域分析的帮助更大。图6 为西门子公司测试分析软件的时域曲线图，横坐标为发动机曲轴转角，纵坐标为传感器反馈的加速度。

图6 时域曲线

对于此类曲线的评估，可以直接增加测试窗口，也可以计算曲线的RMS 值，然后对曲线的能量进行评估，用以判定在测试时间段内振动能量的大小。目前，时域分析主要用于振动测试的辅助分析。

2.2 频域曲线分析

发动机在测试过程中的振动，可以理解为无数个不同的振动源发出的振动信号最后汇总到角速度传感器上的结果。

为了将复杂凌乱的振动信号对应到发动机的各个零部件上，在振动测试时，本文应用了频域信号分析[3]。首先，测试软件需要将时域曲线转换成频域曲线，此部分转换所应用的理论为傅利叶变换，如图7所示。

图7 傅利叶变换

因为发动机上所有的运转零部件在特定转速下都有特定的运转频率，所以经过傅利叶变换后，可以通过对振动曲线特定频率下的振幅进行评估，来判定此频率所对应零部件的振动情况。但是，振动在很多情况下存在偶然性，并且很多情况下的振动都不是独立存在的[4]，如图8c 和图8d 所示，在主振幅的震动下，还隐藏着很多谐振的情况。

图8 谐振产生

为了更加准确地检测出异常振动，振动测试工况采用前面所述的60～1 200 r/min 和500～3 000 r/min。在测试配置软件中,采用转速每增加100 r/min 采集一次振动曲线，然后将所有曲线叠加后求平均。但这样做会遇到一个问题，因为不同转速下，所有相同零部件的运转或者接触频率是不同的，这就造成了将曲线叠加求平均值无法进行。为了能够实现曲线叠加，测试团队引入阶次的概念。发动机的动力核心零件为发动机曲轴，发动机气缸内混合气燃烧后所产生的能量是通过曲轴传递给发动机其他零部件和整车的。所以，在进行阶次定义时，定义发动机曲轴的频率为任何转速下的测试基频，其阶次为1，所有其他零部件的运转或接触阶次都相对于发动机曲轴的运转频率。以四缸四冲程双凸轮轴（进排气凸轮轴各1 根）发动机的凸轮轴为例，凸轮轴的运转频率在任何工况下都是曲轴运转频率的1/2。按照上述定义，凸轮轴的阶次为0.5。以此类推，可以计算出发动机中相关零部件的阶次。

图9 是西门子测试软件呈现出来的频谱分析中的阶次曲线。将曲线放大后，可以清晰地看到相关零部件的振动辐值。

图9 频域曲线

图10 为时域曲线局部示意图，图中，order 代表阶次。

图10 时域曲线局部示意

2.3 阶次级数分析

应用阶次级数曲线的目的和时域曲线类似，主要是希望测试曲线能够呈现出异常振动出现时的转速情况。因为频域曲线是不同转速下叠加后的曲线，无法反应出某个转速下的振动情况。通过阶次级数曲线，可以得到随着转速的爬升，发动机的整体振动情况，如图11 所示。当某一个转速下振动曲线出现异常时，对振动分析有很大的参考价值。

图11 阶次级数曲线

2.4 变色龙应用

在传统的测试中，应用频率较高的评估方法是窗口法，即在已生成曲线上的特定时刻增加评价窗口。前面所说的时域曲线、频域曲线或阶次级数曲线，都可以应用窗口法进行评估分析。但是窗口法有几个弊端,首先，窗口法是建立在对现有曲线已经有非常明确认知的情况下的，在哪一个时刻增加窗口进行评估是固定的，如果窗口其他区域出现问题，测试台架是无法检测出的；其次，窗口法是建立在统计分析的基础上的，经过定期的统计分析来设定固定的限值，无法自行对测试限值进行调整。

北京奔驰汽车有限公司的NVH 测试系统引入了变色龙测试理念，变色龙测试是将“以往测试曲线（数据）”与当前所采集的测试曲线进行对比，观察当前测试曲线和“以往测试曲线”的差异性。这里的“以往测试曲线”是系统内设定好的，北京奔驰汽车有限公司的测试系统采用最后100 台合格发动机曲线的平均值作为变色龙参考曲线。如图12 所示。

图12 变色龙方法设定限值

北京奔驰汽车有限公司的振动测试在应用变色龙方法时，首先计算出最后100 条测试曲线的平均曲线，然后按照+8 西格玛水平计算变色龙参考曲线。图13 为变色龙曲线在孚罗里西软件中的应用，由于孚罗里西冷测试台在线模式下只能呈现一条曲线，所以无法同时呈现当前测试曲线和变色龙参考曲线，图中呈现出来的是测试曲线和变色龙参考曲线的差值。

图13 变色龙曲线在孚罗里西软件中的应用

在后台软件中，可以直接呈现测试曲线在哪些阶次下变色龙曲线不合格。

变色龙方法可以应用到任何已经采集的曲线中。如图14 所示。

图14 变色龙方法应用

3 问题拦截及缺陷验证

3.1 凸轮轴轴向平行度不合格

冷测试台架检测到批量发动机测试总体振动加速度偏高，查看刚体加速度传感器频域曲线发现，在150～165 阶次之间存在较大的振动信号，如图15 和图16 所示。

图15 总体振动加速度不合格

图16 阶次曲线异常

经过对可疑零件的交叉验证和鱼骨刺图分析，问题定位到排气侧凸轮轴上，如图17 所示。

图17 交叉验证及鱼骨刺分析

经过三坐标测量发现，问题凸轮轴某些主轴颈平行度测量值存在超差的情况，如图18 所示。

图18 凸轮轴测量

3.2 其他缺陷验证

其他缺陷验证如图19～图25 所示。

图19 曲轴齿轮表面损伤（1～2 mm2）

图20 凸轮轴表面损伤（20～30 mm2）

图21 连杆瓦漏装

图22 气门夹异物（变色龙曲线异常）

图23 气门夹异物（频域曲线异常）

图24 凸轮轴表面损坏（变色龙曲线异常）

图25 链条张紧器损坏（变色龙曲线异常）

4 结论

作为冷测试的新领域，振动测试在应用方面有很多挑战。本文通过采集不同形式的曲线及应用变色龙方法，成功拦截了一些生产制造过程中产生的产品缺陷，为后续的振动测试研究提供了一定的参考。除了传统的时域分析和频域分析，变色龙方法是一种非常有效的振动检测判定方法。