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汽车发动机机械故障非接触式检测技术分析
发布时间：2018-04-07 点击次数：次
当前，汽车行业的飞速发展，加速了汽车使用量的快速增长，而汽车发动机作为汽车的"心脏"，是汽车安全运行的动力源，其质量控制至关重要，但由于汽车发动机结构构成复杂，涉及成千上万个零部件，且其是往复运动与旋转运动相结合的机械类型，加之运行环境的差异，其故障发生不可避免，而传统的以人工经验庭阵法及仪器设备辅助诊断法为主的故障检测方式，受人主观影响较大，误差率较高，基于此，本文引入了一种非接触式检测技术，通过对异常信号特征的提取来诊断发动机的故障，以此为汽车发动机诊断创新提供一定的理论参考。
1 汽车发动机机械故障非接触式检测技术应用设计
1.1 非接触式检测技术的介绍非接触式检测技术是一种自动化程度高、易操作、检测精度高的现代诊断方法，其克服了传统检测方法操作流程复杂，耗时长、对技术人员依赖性高的弊端，其利用人耳对于响动、声调、音色及音频等特有的与听觉性，来构造故障诊断算法中的优化准则和评判标准，进而通过声信号传感器捕捉的异响来判定汽车发动机故障类型及内容。
随着科学技术和工业的发展，测量技术在自动化生产、质量控制、反求工程及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。非接触式测量技术是近年来发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能元器件如CCD、CMOS 等的出现，非接触测量技术得到迅猛的发展。非接触式测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。
1.2 非接触式检测技术的应用设计为了提升汽车发动机故障检测的效率、简化流程、提升准确率，本文以模块汽车四冲程发动机的异响声信号的采集、分析和处理为例，结合测试环境要求分析声信号采集传感器的布置方式，实现了测试系统设计，具体情况如下介绍：
1.2.1 检测的汽车发动机工作状态本文选用的是雪佛兰科鲁兹1.6LLDE 的四冲程汽车发动机，从当前实践维修检测数据分析来看，发动机异响问题是汽车故障中的最常见问题，为此，人为设置了发动机三类机械异响类型及无故障声信号，结合实践对发动机异响进行分类，具体如表1 所示。
表1 雪佛兰科鲁兹1.6L LDE 的四冲程汽车发动机异响分布统计
结合表1 可知，该种类型汽车发动机异响主要分布在前部、机油底壳部位、气门挺柱，所占比例高达79%，因各类型故障噪声不同，其能够反映出汽车发动机对应部件的故障，利用噪声信号的声高、强度及频率等即可获取各故障类型的声信号特征及规律，进而完成汽车发动机故障类型的准确判别。
1.2.2 检测环境要求为从源头控制汽车发动机质量，本文检测环境为生产线，为此声信号采集中受气阀动作声、电流干扰声及其他设备运行声干扰，若传声器采集距离较远则获取的为混响声，增加了后续分析工作量，而布置较近则采集的为直达声，检测精准度较高，为此，检测中采用"近场测量法"，传声器与发动机表面距离较近，为20mm，由此便可提取发动机的直达噪声信号，并削减发动机反射声信号的干扰。
1.2.3 声信号采集传感器布置检测采用的是加速度传感器，以发动机声信号来采集故障异响数据，为确保所采集声信号的高信噪比、稳定性及清晰度，要尽可能与发动机保持近距离，以反映其工作状态，但又不能影响其正常工作性。
2 汽车发动机故障非接触式技术实验应用过程
2.1 故障声信号试验系统为了验证非接触式检测技术在汽车发动机故障诊断中的有效性，本文以环境适用性及抗干扰性强的LMS 声信号数据采集系统，以及GRAS声信号传感器、dell 笔记本电脑及Matlab 数值分析软件为硬件支撑，构建声信号实验系统。
2.2 故障声信号的采集流程为确保声信号数据的可用性及精准性，其采集应该遵循以下流程：①实验系统硬件布置，应该严格上述实验系统选择的硬件类型进行安装、数据线及连线的布置，以确保硬件安全、有效运行。②LMS 声信号数据采集系统试验参数设定，在采集发动机故障的声信号之前，需要对相关技术参数进行预先设置，如传感器类型确定、灵敏度调试、采样频率设置、采样间隔时间设定等，结合故障诊断工程师的实践经验，此次检测试验中将采样频率设置为20480Hz、采样间隔时间为2s。③发动机故障声信号采集过程，将冷启动待检测的汽车发动机安装在发动机检测平台架上，而后，由故障检测经验丰富的维修工程师，从上述主要故障类型中随机进行发动机故障的设置，并在上述检测环境下，利用声信号采集传感器进行故障信号的采集，具体的采集步骤为，首先将发动机输出端设置为空负荷，将发动机启动并将其转速调整至1500-1600rpm 相对稳定的区间范围内，固定间隔采集故障声信号数据，完成检测程序后将汽车发动机关闭。
3 结束语
传统汽车发动机故障检测方法过分关注精准性，但是操作步骤复杂、智能化低、且耗时、耗资大，对于人工依赖程度较高。而非接触式测量方法不需接触被测物体，对物体影响小，同时也避免过于被待测物体限制，适应复杂环境能力强，尤其对高温、高速、大变形、破坏等工况研究有常规测量无法比拟的优势，因而在当今汽车工程的研究工作中，越来越多的被应用。本文提出的非接触式检测技术，其通过安装声信号采集传感器来采集发动机异响，并明确了测试位置选择、硬件配置及测试过程等内容，克服了传统检测方法的弊端，实现了汽车发动机故障诊断的高精准、自动化发展，为其诊断方法的创新发展提供了新思路。
1 汽车发动机机械故障非接触式检测技术应用设计
1.1 非接触式检测技术的介绍非接触式检测技术是一种自动化程度高、易操作、检测精度高的现代诊断方法，其克服了传统检测方法操作流程复杂，耗时长、对技术人员依赖性高的弊端，其利用人耳对于响动、声调、音色及音频等特有的与听觉性，来构造故障诊断算法中的优化准则和评判标准，进而通过声信号传感器捕捉的异响来判定汽车发动机故障类型及内容。
随着科学技术和工业的发展，测量技术在自动化生产、质量控制、反求工程及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量时间长、需进行补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。非接触式测量技术是近年来发展起来的，其测量基于光学原理，具有高效率、无破坏性、工作距离大等特点，可以对物体进行静态或动态的测量。此类技术应用在产品质量检测和工艺控制中，可大大节约生产成本，缩短产品的研制周期，大大提高产品的质量，因而倍受人们的青睐。随着各种高性能元器件如CCD、CMOS 等的出现，非接触测量技术得到迅猛的发展。非接触式测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。
1.2 非接触式检测技术的应用设计为了提升汽车发动机故障检测的效率、简化流程、提升准确率，本文以模块汽车四冲程发动机的异响声信号的采集、分析和处理为例，结合测试环境要求分析声信号采集传感器的布置方式，实现了测试系统设计，具体情况如下介绍：
1.2.1 检测的汽车发动机工作状态本文选用的是雪佛兰科鲁兹1.6LLDE 的四冲程汽车发动机，从当前实践维修检测数据分析来看，发动机异响问题是汽车故障中的最常见问题，为此，人为设置了发动机三类机械异响类型及无故障声信号，结合实践对发动机异响进行分类，具体如表1 所示。
表1 雪佛兰科鲁兹1.6L LDE 的四冲程汽车发动机异响分布统计
结合表1 可知，该种类型汽车发动机异响主要分布在前部、机油底壳部位、气门挺柱，所占比例高达79%，因各类型故障噪声不同，其能够反映出汽车发动机对应部件的故障，利用噪声信号的声高、强度及频率等即可获取各故障类型的声信号特征及规律，进而完成汽车发动机故障类型的准确判别。
1.2.2 检测环境要求为从源头控制汽车发动机质量，本文检测环境为生产线，为此声信号采集中受气阀动作声、电流干扰声及其他设备运行声干扰，若传声器采集距离较远则获取的为混响声，增加了后续分析工作量，而布置较近则采集的为直达声，检测精准度较高，为此，检测中采用"近场测量法"，传声器与发动机表面距离较近，为20mm，由此便可提取发动机的直达噪声信号，并削减发动机反射声信号的干扰。
1.2.3 声信号采集传感器布置检测采用的是加速度传感器，以发动机声信号来采集故障异响数据，为确保所采集声信号的高信噪比、稳定性及清晰度，要尽可能与发动机保持近距离，以反映其工作状态，但又不能影响其正常工作性。
2 汽车发动机故障非接触式技术实验应用过程
2.1 故障声信号试验系统为了验证非接触式检测技术在汽车发动机故障诊断中的有效性，本文以环境适用性及抗干扰性强的LMS 声信号数据采集系统，以及GRAS声信号传感器、dell 笔记本电脑及Matlab 数值分析软件为硬件支撑，构建声信号实验系统。
2.2 故障声信号的采集流程为确保声信号数据的可用性及精准性，其采集应该遵循以下流程：①实验系统硬件布置，应该严格上述实验系统选择的硬件类型进行安装、数据线及连线的布置，以确保硬件安全、有效运行。②LMS 声信号数据采集系统试验参数设定，在采集发动机故障的声信号之前，需要对相关技术参数进行预先设置，如传感器类型确定、灵敏度调试、采样频率设置、采样间隔时间设定等，结合故障诊断工程师的实践经验，此次检测试验中将采样频率设置为20480Hz、采样间隔时间为2s。③发动机故障声信号采集过程，将冷启动待检测的汽车发动机安装在发动机检测平台架上，而后，由故障检测经验丰富的维修工程师，从上述主要故障类型中随机进行发动机故障的设置，并在上述检测环境下，利用声信号采集传感器进行故障信号的采集，具体的采集步骤为，首先将发动机输出端设置为空负荷，将发动机启动并将其转速调整至1500-1600rpm 相对稳定的区间范围内，固定间隔采集故障声信号数据，完成检测程序后将汽车发动机关闭。
3 结束语
传统汽车发动机故障检测方法过分关注精准性，但是操作步骤复杂、智能化低、且耗时、耗资大，对于人工依赖程度较高。而非接触式测量方法不需接触被测物体，对物体影响小，同时也避免过于被待测物体限制，适应复杂环境能力强，尤其对高温、高速、大变形、破坏等工况研究有常规测量无法比拟的优势，因而在当今汽车工程的研究工作中，越来越多的被应用。本文提出的非接触式检测技术，其通过安装声信号采集传感器来采集发动机异响，并明确了测试位置选择、硬件配置及测试过程等内容，克服了传统检测方法的弊端，实现了汽车发动机故障诊断的高精准、自动化发展，为其诊断方法的创新发展提供了新思路。
