某款V型六缸发动机缸内异响问题诊断与优化

王 刚，赵凤君，宋建龙，胡伟兴

某款V型六缸发动机缸内异响问题诊断与优化

王 刚，赵凤君，宋建龙，胡伟兴

（中国第一汽车股份有限公司研发总院，吉林 长春 130013）

发动机是汽车重要零部件之一，当发动机的机体内部出现敲击问题的时候，就会听到“哒哒”或“当当”等敲击噪声，这种异响问题势必会引起用户抱怨，影响品牌形象。文章通过对某款V型六缸发动机在冷机启动后的敲击异响问题振动噪声测试与分析，诊断出敲击发生的位置，确认了敲击的主要频率范围，通过正时信号角度域分析，推导出敲击发生时刻，各缸气门、活塞等运动副所处的位置，分析出最有可能发生敲击的运动副并进行验证，通过结构优化解决此敲击异响问题。

发动机；敲击异响；时域分析；小波分析

随着汽车的普及与人们认知水平的提高，消费者对汽车的感知要求越来越高，特别是车内声品质的要求。因此，发动机作为汽车的主要部件、主要噪声源，就更受大众关注。汽车异响作为噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能的重要组成部分，是影响消费者购买决定、使用满意度的关键因素[1]，异响主要分三类：Buzz，一般是指结构自身共振而产生的声音；Squeak，由摩擦粘滑效应引起；Rattle，一种由零部件间发生相对运动导致碰撞而引起的噪声[2]。发动机的异响问题，特别是机体内部的敲击异响问题，很难准确判断真因与解决。需要根据问题特性，逐一排查可能的因素。一般发动机敲击异响主要集中产生在曲柄连杆机构和配气机构，其中曲柄连杆机构异响主要包括曲轴主轴瓦异响、连杆轴瓦异响、活塞销异响、活塞敲缸响等；配气机构异响主要包括缸盖气门异响、气门挺柱异响、凸轮轴异响、正时链条异响等[3]。异响声的特征和持续时间都没有规律，其动态特征和声学原理非常复杂，是一种非线性很强的物理现象[4]。目前，国内厂家对于发动机异响的故障诊断主要有人工主观听诊法和基于数据采集及软件算法的数据分析法[5]，人工听诊法主要依靠经验主观判断，存在较大局限性，数据分析法可以主观评价与客观测试相关结果，能够快速、有效地进行异响诊断与定位。

某款装配V6发动机的车辆出现冷机启动后敲击异响，引起客户较大抱怨，本文针对此异响问题，进行了真因诊断、异响源排查与问题解决。通过对异响现象进行振动噪声测试、发动机点火正时信号测试，数据处理使用时域信号分析、频谱分析、小波分析等技术手段，诊断出异响发生的位置，确认了异响的主要频率范围，通过正时信号角度域分析，推导出异响发生时刻，各缸气门、活塞等运动部件所处的位置，分析出最有可能发生异响的运动副并进行验证，通过结构优化解决此异响问题。

1 现象描述

某款V型六缸发动机在冷机启动后，原地加油门或是行驶在较安静的道路时，在1 800～ 2 300 r/min转速区间出现明显的“哒哒”声异响，此异响在车外、车内均可明显感知，随着发动机水温升高，“哒哒”声逐渐减弱，当发动机水温超过90 ℃时，异响消失。通过主观评价，判断此异响为发动机机体内部运动付敲击导致。

2 问题排查

发动机机体内部的敲击问题非常复杂，很难准确地诊断出导致敲击异响的具体的零部件。针对此类敲击异响问题，大致可以通过发动机表面振动测试、近场噪声测试获取异响相关振动噪声信号，再采用振动噪声信号时域分析、小波分析、角度域分析等手段分析异响特征，推导出可能导致此异响的零部件并进行针对性的异响源排查与方案验证。

2.1 传声器布置

异响问题被发现时，大多是发生在整车上，由于整车机舱内的空间较小，需要根据机舱空间布置情况，合理布置传感器。通常在发动机缸体两侧各布置1个传声器，传声器指向发动机缸体中心位置，距离缸体表面10～20 cm，此距离可以有偏差，主要是用于获取异响的噪声信号，后期数据处理时音频回放以及与振动信号对比分析等。

2.2 三向加速度传感器布置

布置加速度传感器前，先初步判断异响发生位置。空轰油门复现异响，使用听诊器进行诊断，逐一听取缸盖、缸体、缸体裙部的异响声，经过排查，初步判断出异响发生的缸体位置。在发动机1—6缸缸体处分别布置三向振动加速度传感器，如图1、图2所示标记位置，由于发动机缸体两侧有许多外附件，振动加速度传感器很难布置在理想位置，布置原则主要是振动加速度传感器尽量延缸筒中心布置，用来获取各缸活塞、连杆等运动副产生的敲击信号以及主轴承座附近的敲击信号。

图1 缸体右侧振动测点位置

图2 缸体左侧振动测点位置

2.3 正时信号获取

在进行振动噪声测量同时，使用数据采集系统同步测量发动机点火正时相关信号，如：进、排气凸轮轴与曲轴转角信号，用于后续数据处理时对振动噪声信号进行角度域分析。

2.4 异响测试

异响工况复现：发动机冷机启动后，原地踩油门，使发动机转速稳定在2 000 r/min，此时，车内、外均可听到明显的“哒哒”异响，使用数据采集系统记录此工况下的振动噪声信号与发动机点火正时信号。

2.5 振动信号时域分析

对缸体两侧6个三向加速度传感器进行时域信号对比分析，数据显示 1、2、3、4、6缸的缸体振动表现正常，没有敲击或冲击特征信号，5缸的缸体振动则出现明显的敲击现象，见图3。通过振动信号时域对比可以判断出该发动机敲击问题出现在5缸。

图3 缸体振动时域信号分析

2.6 异响特性确认

对于敲击导致的异响，常规快速傅里叶变换谱分析只能对整个测试工况的时间历程进行宏观分析，无法进行详细的时域局部分析。采用时频分析可以有效地提取瞬时敲击或冲击信号特征信息。小波分析是一种自适应的时频分析方法，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率[6]，小波频谱能够反映频率随时间的变化与频率成份的能量分布，可以有效反映敲击特性。

对5缸缸体振动信号和该侧缸体近场噪声信号进行小波分析，同时进行音频滤波回放，如图4所示，可以确认敲击异响特性如下：

1）振动与噪声小波分析频谱均表现出明显的敲击现象；

2）发动机转速为2 000 r/min，此时发动机转1转需要0.03 s，图4中2个明显的敲击信号的时间间隔是0.06 s，说明发动机转2转，各缸均完成1次工作循环，出现1次敲击；

3）异响频率主要集中在3 500～5 500 Hz。

图4 小波分析结果

2.7 敲击异响角度域分析

振动信号与正时信号结合进行转角分析，通过1、2、3缸进气凸轮轴信号和曲轴信号确认1缸压缩上止点位置，结合振动信号分析，敲击现象发生在1缸压缩上止点后约486°，此时刻，各缸活塞位置如图5、表1所示。

表1 敲击时刻各缸活塞所处位置

气缸号（按点火顺序）敲击时刻活塞所处位置/(°) 1缸吸气行程上止点后126 4缸吸气行程上止点后6 3缸排气行程上止点前114 6缸膨胀行程上止点后126 2缸膨胀行程上止点后6 5缸压缩行程上止点114

图5 振动信号角度域分析

发生敲击异响时刻，5缸活塞所片位置为压缩行程上止点前114°。

2.8 异响源分析与验证

根据异响工况与异响特性分析，发动机转2圈地敲击1次，初步判断异响源与发动机点火相关，活塞、连杆等缸内动力部件产生的敲击的风险较高。针对此敲击问题，制定了针对性的验证方案，验证方案与验证结果如表2所示。缩小连杆小头间隙、缩小连杆大头间隙、增压配缸间隙方案，异响均存在，大致说明此敲击异响非活塞连杆运动件导致，下一步考虑缸体对异响的影响，通过有异响与无异响发动机缸体互换方案验证，可以看出异响跟随发动机缸体，最终锁定异响源为发动机缸体。

表2 各方案验证与异响评价结果

序号验证方案异响评价 1连杆小头最小间隙（5缸）X 2连杆大头最小间隙（5缸）X 3最大配缸间隙（5缸）X 4有异响与无异响发动机缸体互换√

通过对异响缸体进行检测，发现缸筒变形严重，2阶傅里叶系数超限值。对缸体进行解剖检查缸体与缸套的贴合度，可明确看出气缸套的贴合不好，缸体同缸套的贴合处有大面积的金属过烧、铝金属局部堆积乃至凹坑缺陷，如图6所示。判断缸体与缸套贴合度差，是导致此敲击异响问题的真因。分析铸造工艺原因：1）车间环境及砂芯温度较低，造成浇注前缸套温度较低，温度范围＜200 ℃，有低于100 ℃的可能；2）砂芯发气量大，产生的气体在上浮过程中紧贴缸套，这是“V”型缸体的特殊结构造成的，产生的气体存留在螺纹内，造成贴合不良；3）后端侧缸套距离浇口位置较远，铝水到达该位置时铝水温度低，造成贴合不良。

图6 缸体解剖照片

2.9 方案优化

针对2.8中分析的影响气缸套贴合度的因素，制定以下方案规避：

1）采用缸套内电磁感应加热技术，浇注前对缸套进行加热，温度达到200～300 ℃时能立即进行浇注，防止缸套温度低；

2）砂芯浇注前进行烘干；

3）优化浇注工艺，采用双升液管进行浇注，降低铝水温度损失。

对采用以上三项优化方案后生产的发动机进行异响问题主观评价，3台份样车均无异响，振动测试结果见图7改进样机振动测试结果。

图7 改进样机振动测试结果

3 结束语

发动机机体内部的敲击异响很难进行准确定位、锁定真因与快速解决。本文通过某V型六缸发动机敲击异响问题的诊断与研究，采用主观评价、听诊器排查、振动噪声测试、小波分析、时域信号的角度域分析等手段，锁定了异响真因为缸筒、缸套贴合，验证了优化方案，成功解决此敲击异响问题。

[1] UTZIG L,WEISHEIT K,SEPAHVAND K,et al.Innova- tive Squeak Noise Prediction:An Approach Using the Harmonic Balance Method and a Variable Normal Contact Force[J].Journal of Sound and Vibration, 2021(3):116077.

[2] GOSAVI S S.Automotive Buzz, Squeak and Rattle (BSR) Detection and Prevention[C]//Society of Auto- motive Engineers.Symposium on International Auto- motive Technology.Maharashtra:Pune,2005:17-25.

[3] 谢安,颜灿宝,蓝恒.发动机异响常见失效模式及原因分析[J].时代汽车,2019(9):159-160.

[4] 庞剑.汽车车身噪声与振动控制[M].北京:机械工业出版社,2015.

[5] 洪日昇,王越.结合频谱与曲轴转角域的发动机敲缸异响分析[J].传动技术,2020,34(2):24-28.

[6] 王霞.非平稳信号特征提取方法研究及其在内燃机故障诊断中的应用[D].天津:天津大学,2015.

Diagnosis and Optimization of Knock Noise in Cylinder of V6 Engine

WANG Gang, ZHAO Fengjun, SONG Jianlong, HU Weixing

( China FAW Corporation R&D General Institute, Changchun 130013, China )

Engine is one of the important parts in a vehicle, when knock noise inside the cylinder occurs, people will perceive "rattling" or "dangdang" noise,which is often leading to customer complaints and negatively impacts the brand image.In this paper, by investigating the abnormal vibration and noises of a V6 engine after cold start via testing and analysis, the location of knock is identified, and the main frequency range of the knock noises is determined. By analyzing the angle domain of timing signal, the positions of each cylinder valve, piston and other moving pairs at the time of knock are deduced. The components and parts which are most likely to generate knocking noises are analyzed and verified. Finally, the issue of the abnormal knocking noises is resolved through structural optimization.

Engine; Knocking noise; Time domain analysis; Wavelet analysis

TK401

A

1671-7988(2023)11-154-05

王刚（1980－），男，高级工程师，研究方向为动力单元NVH试验开发，E-mail:wanggang4@faw.com.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.028