摘 要：本文主要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法進(jìn)行了研究與探析，首先介紹了相關(guān)故障類型，由此引出由振動(dòng)信號(hào)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的診斷方法；著重討論了振動(dòng)診斷在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷的優(yōu)勢(shì)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)具體診斷方法和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的特性。

關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動(dòng)機(jī)；故障；診斷

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障類型

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障是由多方面因素引起的，例如發(fā)動(dòng)機(jī)本身的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的故障、不合理使用導(dǎo)致的故障、交通事故導(dǎo)致的故障等。故障類型主要分為以下幾種情況：

1.1 未能及時(shí)更換機(jī)油導(dǎo)致的故障

潤(rùn)滑油可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的摩擦，減少損壞。如果長(zhǎng)時(shí)間沒有潤(rùn)滑油保護(hù)的話，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的幾率會(huì)大大增加。

1.2 曲軸箱內(nèi)油泥過多導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損

油泥是指汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)未燃燒充分導(dǎo)致的殘留物，如果不及時(shí)清理會(huì)增大缸壁之間的間隙，對(duì)曲軸箱造成磨損。而磨損又會(huì)產(chǎn)生一些金屬粉等雜質(zhì)，和油泥混合在一起對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成更大的損壞，導(dǎo)致一種惡性循環(huán)。

1.3 因系統(tǒng)阻塞導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)故障

這種故障比較常見，原因是燃油系統(tǒng)運(yùn)行中的燃油燃燒程度不夠，導(dǎo)致燃油在燃燒過程中對(duì)油泵和油道產(chǎn)生熱效應(yīng)，不僅直接降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功效，而且還增大了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，并產(chǎn)生動(dòng)力不足等情況。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷方式

2.1 傳統(tǒng)的診斷方式

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)診斷方法有兩種，一是采用事后診斷法，既在發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)生故障了之后再診斷分析原因，并不能從根本上解決發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生。二是定期維修，既對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做“全身體檢”，這種診斷方式帶有一定的盲目性，不僅效率地而且費(fèi)用較高，缺少針對(duì)性。

2.2 預(yù)測(cè)維修診斷方式

預(yù)測(cè)維修就是通過一定的技術(shù)手段對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行診斷，從而分析出發(fā)動(dòng)機(jī)工作是否正常，有無毛病等。預(yù)測(cè)診斷是發(fā)動(dòng)機(jī)診斷未來的發(fā)展方向，本文所討論的根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)來判斷其工作狀態(tài)的方法就是一種預(yù)測(cè)診斷方式。

3 振動(dòng)信號(hào)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷中的應(yīng)用

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)發(fā)出特定的振動(dòng)信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦發(fā)生故障其振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生各種振動(dòng)的激勵(lì)源總的來說可以分為以下四類：一是可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的缸內(nèi)氣體壓力和因運(yùn)動(dòng)部件在連接過程中存在間隙而產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)撞擊引起的振動(dòng)；二是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力或者力矩在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中引起的周期性振動(dòng)，一般表現(xiàn)為有規(guī)律的低頻諧振，振動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速升高而升高；三是進(jìn)、排氣門開啟與閉合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)；四是發(fā)動(dòng)機(jī)由于制造、安裝時(shí)的偏差等引起的隨機(jī)振動(dòng)。因此，振動(dòng)信號(hào)可以運(yùn)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷中。

3.1 振動(dòng)診斷在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)診斷的優(yōu)勢(shì)

振動(dòng)診斷在汽車故障中的診斷中主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）振動(dòng)現(xiàn)象伴隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行而發(fā)生，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一旦開啟就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，故障信息就包含在振動(dòng)信號(hào)內(nèi)。（ 2）振動(dòng)問題在高速、重載荷的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)時(shí)有發(fā)生，事故率極高。（ 3）許多振動(dòng)故障都會(huì)有明顯的特征，非常容易識(shí)別。（ 4）目前針對(duì)振動(dòng)問題的檢測(cè)方法、理論都比較成熟。（ 5）振動(dòng)診斷易于實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控和在線診斷。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性

發(fā)動(dòng)機(jī)由于其激勵(lì)位置的不同，產(chǎn)生振動(dòng)的位置也不同，因而反饋出來的振動(dòng)信息也不一樣，其中缸蓋與缸體所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)存在明顯的差異。其中缸蓋作為氣缸壓力的主要受力點(diǎn)，其振動(dòng)能完整地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以大多數(shù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)診斷都是通過剛蓋來完成的。缸體在啟發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)相對(duì)較少，但是缸體內(nèi)連著大量的零部件，零部件的振動(dòng)會(huì)直接反映到缸體上，因此缸體的振動(dòng)大多用來檢測(cè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的故障。特別是作用在活塞上的燃燒氣體力和慣性力使活塞產(chǎn)生垂向振動(dòng)并沿連桿、曲軸、主軸承、曲軸箱等零部件，它們的振動(dòng)都反饋給了缸體。

3.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)診斷

一般的情況下，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)總是雜亂無章的，無論是正常狀態(tài)還是非正常狀態(tài)，故障信息并不是直接顯示出來的，并不是直接表露在外表讓我們一眼就可以發(fā)現(xiàn)，所以要獲得故障信息必須要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理才可以。下面介紹幾種常用的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)診斷方法

3.3.1 時(shí)域診斷分析

時(shí)域分析原理簡(jiǎn)單而且容易實(shí)現(xiàn)，它是信號(hào)分析方法中最基礎(chǔ)的一個(gè)。主要包含時(shí)域波形、相關(guān)分析、概率密度、濾波處理等。主要是對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)的時(shí)間歷程進(jìn)程分析，適合對(duì)信號(hào)中含有周期信號(hào)、諧波信號(hào)或短脈沖信號(hào)進(jìn)行分析。利用時(shí)域波形分析可識(shí)別出共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。由于某些發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)所包含的頻率成分比較低，受診斷分析儀器的下限、分辨率及分析軟件功能的限制，頻譜分析的方法運(yùn)用的就不是特別好。然而通過時(shí)域分析就很容易提取出信號(hào)的特征，隨之它也成為了最直接、最有效的故障診斷方法，如圖 1所示。

3.3.2 倒譜診斷分析

倒譜分析也叫二次譜分析，它在發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷中展現(xiàn)出了非常特殊的優(yōu)越性。它是檢測(cè)復(fù)雜的圖譜中周期分量的重要工具。由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中軸承和齒輪比較多，振動(dòng)信號(hào)中調(diào)制現(xiàn)象普遍，肉眼難以識(shí)別譜圖中譜線所展示出來的周期性，然而利用倒譜可以將譜圖上的變頻帶譜線轉(zhuǎn)變?yōu)閱巫V線，這樣就便于識(shí)別系統(tǒng)特征的頻率。當(dāng)混有異族譜頻、同族譜頻、多成分多頻和功率譜的成分比較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)用倒譜分析就最好的方法。

3.3.3 頻譜診斷分析

頻譜分析是指對(duì)變化的信號(hào)在頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析，分析得出的結(jié)果是以頻率為坐標(biāo)的物理量的曲線和譜線，并得到以頻率為變量的頻譜函數(shù)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)一般是多種信號(hào)合成的復(fù)雜信號(hào)，它可以分解為一系列的諧波分量。這些諧波分量代表著各自對(duì)應(yīng)的頻率激勵(lì)力和某些特定頻率。通過頻譜分析可以求出動(dòng)態(tài)信號(hào)中的各個(gè)頻率的分布范圍；通過對(duì)測(cè)試波形的分析可得出頻率的幅值，通過這些幅值的變化來校正測(cè)試波形；我們可以通過頻譜分析提供的幅值、頻率值、各種譜密度求得被測(cè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和傳遞函數(shù)，為幅振、消振等問題提供解決的條件，如圖 2所示。

3.4 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的特性分析

預(yù)先掌握汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障的特征是對(duì)故障做出準(zhǔn)確診斷的前提條件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征主要包括以下幾種。

3.4.1 不對(duì)中故障

不對(duì)中故障是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一種常見的故障。迫使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)檢修的原因有一半的原因是由不對(duì)中引起的。不對(duì)中分為兩種情況，分別為轉(zhuǎn)子不對(duì)中和軸承不對(duì)中。轉(zhuǎn)子不對(duì)中的故障形式有可能是軸線形成的夾角角度不對(duì)中，也有可能是軸線平行偏移的高度不對(duì)中，還有可能是兩者的結(jié)合。由于不對(duì)中所引起的故障的主要特征是二階轉(zhuǎn)速頻率下的振動(dòng)分量和軸向振動(dòng)。

3.4.2 動(dòng)靜件碰摩故障

轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子彎曲、靜止部件的不對(duì)中都有可能引起動(dòng)靜件碰摩。動(dòng)靜件碰摩分為兩種情況，主要是徑向碰摩和軸向碰摩。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，局部的摩擦一般發(fā)生在整周摩擦前面，它會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的不規(guī)則振動(dòng)。隨著振動(dòng)的愈演愈烈，局部摩擦就會(huì)過渡到整周摩擦，從而導(dǎo)致機(jī)器發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

3.4.3 齒形誤差

由于齒形誤差產(chǎn)生的振動(dòng)，使振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)出明顯的調(diào)制現(xiàn)象。觀察頻譜可以看出，以齒輪的嚙合頻率及其倍頻為頻率的中心，在它的周圍分布著以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為調(diào)制頻率的邊帶。當(dāng)齒輪的誤差比較嚴(yán)重時(shí)，激振能力較大就會(huì)產(chǎn)生齒輪所在軸和其倍頻為調(diào)制頻率的齒輪共振頻率調(diào)制現(xiàn)象。

3.4.4 齒輪磨損嚴(yán)重

當(dāng)齒輪的磨損發(fā)展到一定的程度時(shí)，嚙合頻率諧波幅值增大，階數(shù)也會(huì)變得越來越高，諧波增大的幅度也越來越大。與此同時(shí)，振動(dòng)的能量也有較大幅度的上升。

3.4.5 斷齒

它的時(shí)域波形表現(xiàn)為沖擊型振動(dòng)，頻率相當(dāng)于斷齒軸的轉(zhuǎn)頻。在頻域上多出現(xiàn)間隔為斷齒軸轉(zhuǎn)頻的邊頻地帶，它數(shù)量多、分布寬、幅值較大。

3.4.6 軸不平衡

當(dāng)軸的不平衡比較嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)在齒輪傳動(dòng)中導(dǎo)致嚴(yán)重的齒輪誤差，形成以嚙合頻率為載波頻率，以齒輪所在軸方向的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制頻率的頻率調(diào)制現(xiàn)象。但是在一般的譜圖上邊帶的數(shù)量比較少。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的事后發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷方法存在著各種各樣的弊端，本文主要討論了通過振動(dòng)信號(hào)的方法來診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障，這種方法可以有效預(yù)防汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，不用再定期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“全身體檢”，節(jié)省了大量的開支。

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作者簡(jiǎn)介

張震宇：（1979—），男，高級(jí)技師。研究方向：被動(dòng)安全；工程造價(jià)。