发动机NVH测试与诊断

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

发动机NVH测试与诊断

张朝辉，盛仁斌，沈磊，陈潇文，郭金华，房智彬

（上海大众汽车有限公司，上海201805）

通过发动机冷试NVH测试技术的研究，了解NVH测试的基本原理；运用谱域分析、包络线分析和变色龙分析解决发动机生产过程中的振动及异响缺陷，提高零件及发动机生产过程的实物质量；同时将该技术拓展至发动机在整车上的NVH测试，以提高整车乘坐的舒适性。

发动机NVH谱域分析

1 前言

所谓NVH，即Noise、Vibration和Harshness。随着发动机朝着轻量化、紧凑型的趋势发展，制造工艺日趋复杂，性能要求越来越高，紧凑的结构设计在生产过程中难免会产生装配的零件之间遇到上下偏差从而造成零件之间的干涉，产生异响、共振等问题，这对整车的舒适性带来了极大的负面影响。同时传统的热试和早期的冷试已经无法对这些潜在的缺陷进行有效诊断，只有通过专业的振动噪音测试系统才能发现一些细微的振动与异响。

本文基于上海大众发动机厂冷试NVH系统（德国Medav公司开发，整合于德国Froehlich冷试台架中），对发动机的NVH测试做基本介绍。

2 发动机冷试NVH测试的原理

振动是质点在某一位置的往复运动，它的图像是一条正弦或余弦曲线。单一质点发生微扰后会振动，而后它会扰动邻近质点一起振动。由于振动时间有先后，故振动质点亦有浮动。如果是简谐振动，则质点连线也是正弦或余弦线，即机械波形。机械波可以向外传播能量，而振动是引起波动的原因。

2.1 信号采集

为了更好地分析振动与噪音信号，在冷试中采用以下方式对信号进行处理：

（1）采样。使用专业的信号记录仪（见图1）采集来自加速传感器的信号，将该信号转换成电信号，再用放大电路将电信号放大、传输给Medav处理软件。

（2）处理。频谱是在频域中对原信号分布情况的描述，通常能够提供比时域波形更加直观的特征信息，如图2所示。因此，频谱被广泛应用到振动信号的分析中。若相对于转轴进行恒角度增量采样，则此时域非稳态信号在角度域是稳态信号，再对角度域稳态信号进行傅里叶变换则可得到清晰的阶谱图，对分析异响来源有非常有效的价值。

（3）图像。即通过傅里叶变换将时域图生成谱域图进行分析。

发动机冷试中的傅里叶变换是信号处理的核心，同时也是数字信号处理领域一种很重要的算法。其意义为任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。在频谱分析中，傅里叶变换F(ω)又称为f(t)的频谱函数，由于ω是连续变化的，称之为连续频谱。对一个时间函数f(t)作傅里叶变换，就是求这个时间函数f(t)的频谱。

2.2 典型时域和频域信号

时域是描述数学函数或物理信号对时间的关系，例如一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。时域是真实世界，是惟一实际存在的域。而频域研究物理信号时以频率作为基本变量，它表述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系。

典型的时域信号和频域信号有：简谐信号和周期信号、调制信号和噪音信号以及非周期瞬时信号和周期瞬时信号，参见图3～图5。

图1 信号记录仪

图2 谱域信号

图3 简谐信号和周期信号

图4 调制信号和噪音信号

图5 非周期瞬时信号和周期瞬时信号

2.3 典型测试波形图

德国Medav公司的发动机冷试NVH系统主要有3种类型的测试波形图，分别是：

（1）变色龙测试（Chameleon）。自学系统（self-learning system），NVH系统每采集100个测试结果，就会通过采样、评估后生成内部的评判和监控公差，并用第101个测试结果与之前100个测试结果生成的公差进行对比（与上公差做减法，因此变色龙测试值小于0 m/s2），进而生成变色龙测试曲线，如图6和图7所示。因该内部公差不断动态更新，因此命名为变色龙。

图6 变色龙曲线的生成

图7 变色龙波形图

（2）阶谱测试（Ordnungsspektrum）。简单来说即将时域的频率信号转换成频谱的阶次信号。阶谱作为振动测试评价发动机振动特性的主要方式，是通过将收集到的原始时域振动信号通过快速傅里叶级数变换（FFT-fast Fourier Transformation）的形式变换成横坐标为阶次信号，纵坐标为能量的坐标曲线，如图8所示。阶次信号即为曲轴转速的倍数或曲轴工作一圈发生的次数；如2阶即为2倍的曲轴转速。若在发动机中2倍曲轴转速的部件为平衡轴，那么就可以确定2阶对应的能量既是平衡轴的振动能量；2阶信号能够定位平衡轴的情况，如平衡轴相位安装错误。

该测试曲线局部放大后较易理解，见图9。每个峰值即代表一个阶次的能量（横坐标代表阶次，纵坐标代表对应阶次的能量）。

（3）同步包络线测试。一个高频调幅信号，它幅度是按低频调制信号变化的。如果把高频调幅信号的峰点连接起来，就可以得到一个与低频调制信号相对应的曲线，即把所谓的峰点连接起来形成的一条曲线，该曲线就是包络线，如图10。在冷试过程中，通过希尔伯特转换（Hilbert Transformation），将输入是s(t)的线性非时变系统的输出，而此系统的脉冲响应为1/(πt)。希尔伯特实际上是一个使相位滞后π/2的全通移相网络。通过希尔伯特变换，使得对短信号和复杂信号（曲轴720°转角）的瞬时参数的定义及计算成为可能，能够实现真正意义上的瞬时信号的提取。在冷试过程中，同步包络线波形图取包络线中的最大值，如图11所示。

图8 阶谱波形图

图9 阶谱波形图（放大）

图10 包络线的生成

图11 同步包络线波形图

3 发动机冷试NVH测试的案例

为了更好地理解阶次的概念，先了解一下上海大众EA888系列发动机传动链图，参见图12。从图中可以得到：曲轴与凸轮轴的传动比为1∶2，即凸轮轴的阶次为0.5及0.5的倍数；其次，曲轴与平衡轴的传动比为2∶1，即平衡轴的阶次为2及2的倍数。

下面通过3个实例来说明如何用NVH技术进行故障诊断和分析。

图12 EA888发动机传动链图

3.1 平衡轴齿轮相位安装错误

一台EA888发动机在出厂冷试过程中，出现缸体NVH阶谱测试曲线不合格，对应的不合格阶次为2阶，实际值为135.1 dBm/s2，监控值为下公差80，上公差129，如图13所示。根据图12，可将该发动机的缺陷原因定位于平衡轴及其相关零件上。

图13 缸体阶谱测试不合格曲线

拆解后发现该发动机排气平衡轴齿轮相位与正常位置相差1个齿，如图14所示。当齿轮相位安装错误，平衡轴在运转过程中的相对动平衡就被打破，这就会产生异常的振动。NVH系统通过谱域阶次很好地将该风险进行定位并检测。

3.2 气门锁片缺失

某发动机缸盖测试的变色龙曲线显示，在发动机1个工作循环内，有1个异常峰值，实际值为12.3 m/s2，监控值为下公差-200，上公差0。如图15所示，而NVH缸体阶谱测试无任何异常。

经过拆解，发现该发动机第2缸进气侧漏装了1个气门锁片，如图16所示。

图14 平衡轴齿轮相位错误

图15 缸盖变色龙不合格曲线

通过对曲线的回溯，发现该发动机阶谱测试曲线并无任何异常，仅变色龙曲线有一明显的峰值。从该案例可以说明，这套NVH自学系统对一些细微的差异还是非常敏感。

3.3 活塞毛坯面与缸盖干涉

NVH同步包络线曲线显示，在发动机1个工作循环内，有2个异常的峰值点，实际值为125.1 m/s2，监控值为上公差10，下公差95，如图17所示。NVH缸体阶谱测试曲线中，没有固定的特征阶次发生超差现象，但是在每个阶次异常峰值的间隔为1阶，即曲轴每旋转1圈，该异常发生1次。

图17 同步包络线不合格曲线

通过对不合格发动机的拆解，发现第1缸活塞的毛坯面与缸盖燃烧室的边缘有干涉的痕迹，如图18所示。更换缸盖及活塞，重新冷试后合格。

从汽油机的工作原理可知，EA888发动机活塞只有在压缩和排气冲程时，活塞是向上运动的，即在1个工作循环中会产生2个撞击可能。这与阶次和包络线曲线的体现是相吻合的。通过对零件的测量，发现该发动机的活塞上平面中心线及缸盖第1缸燃烧室位置有偏移现象，已超出图纸要求的范围，所以造成了干涉现象。

图18 活塞毛坯面与缸盖干涉

以上案例都是传统的冷试机械及传感器测试无法发现的，只有通过可靠的NVH测试才能识别和诊断；同时也是阶次、变色龙和包络线曲线应用的较典型案例。

4 发动机在整车上的NVH测试

2013年，在售后市场遇到多例关于EA888发动机冷车起动有异响的抱怨。经过初步判别，异响来自油底壳区域，见图19。但是由于该异响仅出现在冷车期间，这给缺陷的定位和判断带来了一定的难度，同时运用传统的光谱分析技术也无法提供有效的支持。

从光谱图中仅知道该发动机有异响，但是无法对异响源进行定位，因此请了德国Discom公司的NVH专家来对该现象进行会诊。Discom专家通过移动式加速度传感器现场采集信号并生成谱域图，提供了详细的阶次信息。据此很快定位了异响的来源，如图20所示。

图19 光谱分析图

图20 谱域图

谱域图中异常阶次发生的间隔为10.5。根据传动链图可得出曲轴与机油泵的传动比为33/22=1.5，而机油泵内部的传动轮齿数为10，对应的阶次正好为10.5，参见图21。更换机油泵后，冷车异响

图21 机油泵内部齿轮啮合图

的问题得到了解决，高精度阶次分析再次精确定位异响源，快速解决了用户抱怨。

5 结束语

振动与噪声水平是衡量整车乘坐舒适性的关键指标。如何在整车开发过程中发现噪声源并尽可能抑制噪声源，如何诊断整车在使用过程中出现的异响和振动的来源一直是长期困扰各大汽车制造厂商的难题。目前在全球范围，针对单独的发动机或变速箱的NVH测试诊断系统已有了较好的发展。如来自德国的Medav公司和Discom公司的系统已在国内开始应用和推广，但是由于整车环境的多样性和复杂性及现有技术的局限性，针对动力总成的NVH测试及整车的NVH测试诊断系统远远落后于发动机或变速箱的NVH测试系统。因此针对这一领域的研究与开发、实践和应用具有深远的意义及广阔的市场前景与价值。

Test and Diagnosis of Engine NVH

Zhang Chaohui,Sheng Renbin,Shen Lei,Chen Xiaowen,Guo Jinhua,Fang Zhibin
（Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.,Shanghai 201805,China）

The vibration and noise issues of an engine during production is solved by understanding the principle of NVH testing,studying NVH testing for engine cold test and using spectral domain analysis, envelope analysis and chameleon analysis that are three types of NVH testing waves developed by Medav Company of Germany for engine cold test.With these techniques,the engine assembly quality is ensured. Meanwhile,the application of the techniques can be extended to testing car NVH so as to improve the comfort of car.

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来稿日期：2014-04-22

张朝辉(1982-)，男，助理工程师，主要研究方向为发动机冷试技术的应用。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.007