基于AVL EXCITE的活塞敲击故障诊断方法研究

杨香丽 晋亚斌

摘 要：活塞长时间运转磨损导致间隙增大，产生敲缸现象，影响机体振动噪声。以四缸柴油机为例建立活塞模型，通过设置不同的活塞间隙模拟活塞在不同故障程度下的磨损情况。在AVL EXCITE Power&Unit中建立发动机总成模型，分析活塞敲击对机体造成的影响。活塞敲击力主要为横向（Y方向）敲击缸套，引起振动加速度横向中高频信号频率能量增加，对水平和垂向及低频几乎没有影响。

关键词：活塞敲击;故障诊断;振动频率

中图分类号：U467.3  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）04-152-03

Research on Piston Knocking Fault Diagnosis Method Based on AVL EXCITE

Yang Xiangli¹， Jin Yabin²

（1.School of Automobile， Changan University， Shaanxi Xian 710064;2.Shandong Linglong Tire Co.， Ltd.， Shandong Zhaoyuan 265400）

Abstract： Long-term wear and tear of the piston will cause the gap to increase and the phenomenon of knocking cylinders. Taking a four-cylinder diesel engine as an example， and the piston wear levels is simulated by setting different piston clearances. An engine assembly model was established in AVL EXCITE Power & Unit to analyze the impact of piston strikes on the airframe. The piston striking force mainly hits the cylinder liner in the lateral direction （Y direction）， causing the mid-high frequency signal energy to increase， which has little effect on the horizontal and vertical and low frequency.

Keywords： Piston strike; Fault diagnostic; Vibrational frequency

CLC NO.： U467.3  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）04-152-03

1 引言

发动机及其动力总成噪声是汽车噪声的来源之一。由于活塞与缸壁间有间隙，发动机在高速运行时会产生强烈的敲击，增加对气缸的磨损。通过对活塞组件的运动学研究能改善这种敲击故障，对于改善活塞振动噪声具有重要意义。

2 活塞敲击理论及建模分析

2.1 活塞敲击理论

活塞运动时会受到气体压力、往复惯性力和与缸壁接触产生的摩擦力，活塞会受到缸套周期性变化的侧向力。侧向力在活塞上下止点附近会改变方向，造成活塞的横向运动。发动机在高速大负荷工况下，活塞横向运动会对缸套产生巨大敲击力。活塞间隙增加导致敲缸，间隙越大活塞敲击故障越严重。

2.2 建模分析

2.2.1 基于EXCITE PR的活塞建模

（1）研究采用的是排量为1.9L的四冲程直列四缸柴油发动机，模型包括活塞、活塞销、连杆和气缸套。

（2）对活塞结构参数进行设置。

2.2.2 活塞敲击故障模拟

（1）通过设置不同的活塞间隙模拟活塞在不同故障程度下的磨损情况。

（2）缸内爆压曲线可提前通过实验测量得到。

3 活塞敲击故障的振动特征分析

3.1 基于EXCITE PU的发动机动力总成建模

在EXCITE PU中建立发动机总成模型，活塞动力组件一般由GUID单元来模拟，缸套缩减为两排节点，每排五个，分布于上下止点间的主、副推力面上。

3.2 有无故障时的振动分析

（1）正常状态下振动情况分析。时域信号波动平稳，由频域信号可见振动能量主要集中在低频段，中高频段几乎为零。

（2）不同磨損程度下的频谱分析。

（1）低频时振动能量无明显变化，横向（Y向）高频时振动能量增加明显。这是由于活塞敲击力主要作用于Y方向，因此Y向振动特征受活塞敲击力影响明显。

（2）频率大于2000Hz时，低频虽有增加，但增加量与中高频相比较小。说明随着活塞磨损程度增加，活塞敲击力会随之增大，发动机振动噪声增加，且极易产生敲击故障。

4 结论

活塞磨损量增加及发动机转速升高，活塞敲击动能也会增加，而活塞敲击主要影响中高频能量，表现在Y方向振动能量增加，对低频变化影响很小。出现活塞敲击故障时，横向振动频谱中高频段振动能量明显增加，这可作为判断活塞敲击故障的特征依据。

参考文献

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