AUTO行家聚焦新能源车与智驾智舱，定期提供资讯报道与供需对接服务，并组建了50+行业交流群，点击上方“AUTO行家”关注，后台回复“社群”加入行业群。摘 要：针对车辆加速过程中出现的敲击异响问题，采用小波变换方法快速捕捉到敲击异响的间隔频率特征，采用同步燃烧分析方法识别敲击异响的时域特征，综合小波分析、同步燃烧分析和角度域分析方法，确定异响问题发生在1缸缸压峰值时刻，且曲轴转两圈出现一次。最终确定敲击异响原因为发动机1缸上轴瓦与轴径间隙过大，通过控制曲轴上轴瓦的厚度下偏差，使敲击异响问题得到有效控制。
引 言
车辆发动机舱内异响会严重影响整车品质评价，降低车型竞争力，须重点关注和解决。发动机产生响应复杂多变，既有活塞等部件往复运动，又有连杆曲轴等系统旋转运动，还承受燃烧产生的瞬态激励，发动机响应是一个典型的时变非平稳随机信号，针对发动机异响问题研究者进行了各种分析。在动力系统实际开发中，多变量异响问题很难解决，如何从复杂的整车系统中确定问题根源，是NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）工程师面临的重要难题。小波分析对于能量不突出但在时域上比较集中的信号（瞬态时变信号）非常有效，通过从信号中提取信息，经过伸缩和平移等运算对函数或信号进行多尺度细化，解决傅立叶变换不能解决的问题，因此小波分析及其优化算法发展迅速，对于非平稳振动信号的分析具有极大优势。燃烧分析的核心是通过燃烧分析仪测试发动机实时燃烧特性，以此进行排放、动力性以及噪声等性能研究。在整车状态下，同步采集燃烧数据与NVH数据，通过声学回放、振动时域分析等，理解发生异响的极短时间内发动机激励与异响的关系。本文介绍小波分析和燃烧分析的基本原理和方法，针对车辆开发阶段发动机舱异响问题，综合小波分析、燃烧分析、角度域分析等方法，确定问题特征，通过试验数据验证判断的准确性。![]()
1.1 小波分析
小波变化中最常用的离散小波分析方法为Mallat算法，即![]()
（1）式中：cj,k为近似系数，dj,k为细节系数，k=0，1，2，…，N－1；h为低通滤波器，g为高通滤波器，j为分解层数，N为离散采样点数。小波分析既可实现对于变化平缓的低频信息在更大尺度和更长时间上进行观察，又可实现对于变化较快的高频信息在更小尺度和更短时间上进行观察，实现多尺度和多分辨率同步分析。1.2 同步燃烧分析
同步燃烧分析是工程实践中总结的一种分析流程和方法，建立了燃烧数据和NVH数据沟通，实现了在时间轴上对燃烧信息和NVH信息联合分析，既可利用NVH优势，即频域分析工具，如FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）和阶次分析，对燃烧数据进行分析，又可利用缸压信号独立性，实现振源和路径解耦，直接判断问题来自振源过大或者路径放大。通过NVH声学回放，可以确定异常问题时刻，对该时刻缸压细节进行分析，进一步查找问题根源，明确优化方向。异响问题
某款车型在热车加速时发动机舱出现连续敲击异响，但冷车时异响不存在。对问题车辆进行NVH测试，分别在发动机缸体、变速器壳体布置三向加速度传感器，如图1所示。测试采用西门子LMS数字采集系统，设置振动信号为10 240 Hz、频率分辨率为1 Hz，被测试车辆加速行驶，跟踪时间为15 s。发动机缸体振动时域信号如图2所示，发现振动信号存在明显加速度脉冲敲击，表现为加速度突然变大而后迅速减小，声学回放确定脉冲敲击信号与车内噪声信号一致，变速器壳体振动数据未出现该敲击特征，基本确定异响来自发动机。数据处理及分析
3.1 小波分析
通过小波分析对发动机缸体振动数据进行处理，参数设置见表1。考虑敲击信号为典型的宽频信号，带宽设置应尽可能大，设置为10 240 Hz，确保问题频谱在分析范围内。小波分析结果如图3所示，测试工况为发动机转速n在2 400 r/min附近，每两次敲击间隔T约为0.05 s，则脉冲敲击频率f为![]()
（2）发动机在转速2 400 r/min附近可认为是稳态工况，计算得到敲击频率产生的阶次Oorder为![]()
（3）由式（3）可知，曲轴转两圈敲击发生一次。对其他转速情况进行相同分析，可以确定敲击间隔时间随着转速增加而减小，但与转速的关系不变，均为转速的0.5阶。3.2 同步燃烧分析
同步燃烧分析是一种通过同步采集燃烧数据和振动数据，共同分析异响发生原因的方法。缸压传感器、燃烧分析仪和NVH数据采集前端连接如图4所示，发动机缸压传感器代替火花塞直接安装在发动机各缸，缸压数据转换为电压信号被燃烧分析仪接收和调制，之后转换为新的电压信号输出到NVH数据采集前端，这样既采集了NVH信号（噪声、振动信号等），又同步采集了发动机缸压信号。各缸缸压与发动机缸体振动时域同步对比如图5所示，当各缸缸压峰值为6 100～6 700 kPa时，缸压峰值产生顺序为“1-3-4-2”，与四缸机的理论相同，且总缸压（各缸缸压的算数和）无明显突变；图5中显示发动机异响时刻与1缸缸压峰值时刻相同，例如第10.28 s、第10.33 s，说明异响与1缸缸压有直接关系。3.3 角度域分析
发动机本体振动与曲轴转角直接相关。对于整车NVH，发动机点火频率是主要的研究对象，曲轴敲击、气门结构等问题均与曲轴转角直接相关，因此对于发动机本体，多采用角度域分析。通过曲位传感器和曲轴上的信号盘（58齿缺2齿）可以输出曲位信号，曲位信号经过调理后生成周期矩形波，根据ECU判缸控制逻辑：当曲位缺齿信号对应的凸轮轴信号为负值时，紧接着58个连续矩形波中第20个的下降沿时刻即为1缸压缩行程的上止点。角度域分析主要是建立敲击信号与曲轴旋转角度之间的关系。通过以上控制逻辑可以确定1缸上止点位置，根据四冲程发动机工作特性，定义1缸上止点位置为180°，1缸下止点位置为0°，同步分析振动信号，得到发动机敲击振动与曲轴角度域关系如图6所示。由图6可知，两个相邻发动机敲击振动分别发生在203°、923°，二者相差720°，符合曲轴旋转2圈产生1个敲击的特性，第1个敲击发生在203°，即进入做功冲程后23°产生敲击，而且为周期性发生。3.4 综合分析
（1）在1缸缸压峰值时刻产生，即进入做功冲程后23°；（2）异响冲击的间隔频率为发动机转速的0.5阶，即曲轴转2圈异响出现1次；由于异响只出现在缸压峰值时刻，此时曲轴经过上止点后继续旋转23°，连杆活塞处于向下运动状态，产生向下的敲击载荷，针对此时刻承载的零部件可进一步排查。首先，排除进/排气门落座产生异响，进/排气门落座产生在进气和排气冲程，不在燃烧冲程，异响出现与进/排气门开启/关闭角度不对应；其次，排除活塞销和连杆衬套的敲击声，如果是活塞销敲击，那么应出现在做功冲程和吸气冲程附近，即产生两次敲击而非单次。另外，冷车无异响、热车存在异响的现象一般与油膜有关，受力分析已排除异响源为曲轴连杆的上部零件；根据下部承载零件与润滑油有关的特性，判断曲轴的连杆瓦为可能异响源。因为冷车下油膜粘度高，油膜衰减敲击能力强，异响不明显，随着油温提升，油膜流动性逐渐增强，使敲击明显，这与冷车无异响、热车异响的情况一致。综上分析，高度怀疑异响问题是1缸连杆轴瓦与轴径的配合间隙过大，异响发生时刻的受力方向由上到下，因此上轴瓦与轴径间隙是主要排查方向。试验验证
对1缸上轴瓦不同配合间隙的车辆进行测试，发动机缸体振动时域信号数据对比如图7所示。图7上方曲线为轴瓦厚度偏小的数据，下方曲线为轴瓦厚度偏大的数据。由图7可以看出，轴瓦厚度偏小时敲击振动明显，主观明显感知异响存在；轴瓦厚度偏大时，局部虽仍可见部分较大信号，但是频率和幅值均大幅降低，主观已感受不到异响问题，车辆异响处于可接受范围。搭配不同轴瓦厚度的车辆主观评价见表2，主观评价打分见表3。综上可知，通过控制曲轴轴瓦与轴径间隙可以有效减少敲击异响，主要通过控制轴瓦厚度使间隙降低，即将轴瓦厚度的下偏差由1.283 mm提高到1.288 mm，试验结果满足目标要求。结 论
针对发动机异响问题，采用不同方法查找根源，明确问题原因，采用优化方法，解决了异响问题。（1）对于瞬态敲击异响问题，通过小波分析，既可以得到每次敲击信号的频率特征，又可以得到相邻敲击之间的间隔频率，后者更为重要，上文中间隔频率为发动机转速的0.5阶；（2）采用同步燃烧分析方法，同步分析各缸压数据与NVH数据，查找振动噪声信号规律，进行异响源分析与识别；（3）通过综合分析，确认异响发生在1缸缸压峰值位置，即活塞上止点进入燃烧冲程后23°产生异响，与曲轴每转2圈发动机产生1次敲击相吻合，结合发动机冷车无异响情况，判断与润滑油油膜有关，进一步推测与1缸中轴瓦和轴径间隙有关；（4）因曲轴轴瓦与轴径间隙过大导致敲击异响，通过提升轴瓦厚度下偏差使异响问题得到解决。本文来源：袁细祥，徐 猛，史文华，郭玉伟，于建波，高 建北京汽车研究总院有限公司。 本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并立即删除内容。![]()
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