基于LabVIEW的發動機振動測試分析

喬 斌

（蕪湖職業技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006）

1 發動機振動測試分析的國內外現狀

在汽車整車中，發動機總成作為一個重要的部分，在實際運行過程中它既是一個激源，同時又是一個受迫振動體.發動機的振動不僅可以對其本身的正常工作產生一定的影響，還會影響汽車整體的性能，比如乘坐的舒適性和行駛的平順性，另外還可以通過發動機的異常振動發現汽車引擎的故障并及時排除.因此為了研究和控制發動機振動帶來的危害，世界各大汽車強國相繼設立了專門的發動機振動監控中心，目的就是在研究發動機振動的基礎上能有所突破，要找到一個新的方法，以減少發動機的振動或迅速排除故障[1].因此，對發動機振動性能研究確實對汽車的發展具有重要意義.本文在國內外發展的基礎上，尋求突破和創新，基于虛擬儀器進行發動機振動測試系統的開發，設計一種全新的發動機振動性能測試分析系統.

在國內和國外，最初絕大多數的發動機噪聲與振動控制研究是基于振動原理.據相關部門統計，目前，僅我國就有幾百家研究所或機構從事發動機振動的研究與控制.隨著世界汽車保有量的逐年增加，世界范圍內的發動機振動噪聲控制的學術論壇等非常的活躍，我國在這方面的研究也有高昂的積極性，發表高水準的論文上千篇，相關的雜志等也數十種，這對我國汽車行業的發展產生了積極的促進作用[2].

在汽車發動機振動的研究中，其主要任務之一是如何有效地控制和降低發動機的振動，另外對發動機異常振動發生之后的原因分析也是其重要的任務，根據分析的原因尋求突破，比如選用新型材料或是對某些零部件進行改進設計以及加工工藝的提升等.

近年來，隨著計算機技術的快速發展，另外得益于虛擬仿真技術的突飛猛進，國外許多汽車制造商開始嘗試將虛擬技術運用到實際發動機振動研究方面，并取得了不錯的進展[3].而我國近幾年才開始著手這方面的研究，起步較晚，發展較慢，這是我國現如今的發動機振動發展現狀，盡管如此，仍然取得了可觀的成果.當今發動機振動分析的大環境下，以前比較傳統的、笨重的測試儀器已經逐漸淡化出人們的視線，取而代之的是更加簡單、準確，更易操作的虛擬儀器技術擔當了振動測試的大梁.不得不說，正是計算機的引入，虛擬測試技術的應用，使得發動機振動的檢測更加方便快捷，可以達到采集實時數據并進行實時分析的要求，減輕了研究人員的任務，這樣可以讓振動研究工程師們能有更多的精力去研究如何控制振動和降低振動[4].

本文也是一次將計算機技術與虛擬測試技術一體化用于發動機振動檢測、分析的大膽嘗試，通過分析試驗數據，判斷發動機振動是否異常，從而分析出發動機的故障所在.通過測試一臺發動機振動信號的大小，規律等來識別發動機的主要振源，得出發動機降噪減振的策略.

2 發動機振動的基本理論分析

汽車發動機在運行時，不斷遭受著各種有規律性的振動力的作用，還有各種無規律可循的大小不一的沖擊力也對發動機進行作用，但是由于這種無規律的沖擊力在很短的時間內作用在發動機氣缸上，活塞上產生的振動很容易被發動機的阻尼減弱，沒有對發動機產生強烈的振動.

因此，最終導致發動機振動的主要原因是活塞在上下運動過程中所受的周期性的力，比如，發動機氣缸里面的混合氣周期性的變化，活塞曲柄連桿機構周期性的運動等等，這些周期性的慣性力導致發動機在運行時產生振動和噪聲，另外還有一些部件容易受到離心力作用，主要針對旋轉部件也產生一定的振動作用.

2.1 氣缸內燃氣壓力

燃氣壓力發生在發動機的內部，發動機氣缸里面的可燃混合氣經歷壓縮、燃燒、做功的階段，在燃燒膨脹做功階段中氣體會發生劇烈的變化致使活塞產生振動，如果不正常燃燒更容易產生燃燒波峰而爆燃，出現發動機振動異常.通過測試分析，可以得出發動機燃燒的故障.

2.2 運動部件慣性力

2.2.1 活塞連桿的往復慣性力

內燃機在工作時，各個氣缸中，活塞和連桿經過四個沖程的往復運動，對其進行受力分析，得活塞連桿所受的力：

由公式（1）可得，前級慣性力正好等同于曲軸的運動頻率，而后級為曲軸運動頻率的兩倍，同時該慣性力與mrec成正比.

另外，發現前級力在偶數缸的工作中，所受的力會相互抵消掉，相比較而言，后級在原來的基礎上又一次的加倍其大小.

最終得出，引起發動機振動的最直接原因是后級慣性力的疊加造成的.

2.2.2 曲柄連桿機構的離心慣性力

由于結構的設計原因，曲柄連桿機構的偏心設計，讓其在運動過程中無法避免的產生離心力，所受的力為：

通過公式（2）可以得知，其慣性力的大小與mt成正比，所以在發動機設計中通常采用平衡桿的措施來減弱該慣性力產生的振動效果.

2.3 運動部件的重力

發動機內部各零部件都會受到重力的影響，在重力的作用下，發動機運動部件會收到相應的重力分力，重力的徑向分力或者是切向分力均能使發動機運轉時產生振動[5].

3 發動機振動測試系統的開發

3.1 測試系統硬件組成部分

圖1 系統硬件組成方案圖

硬件組成部分中，振動信號選用PXI-4498動態數據信號采集卡；而發動機的轉速信號采用PXI-6289多功能數據采集卡，而噪聲部分直接通過串口連接信號采集儀器.

3.2 測試系統軟件設計部分

系統的軟件部分采用硬件相關聯的LabVIEW軟件進行編程開發，根據硬件組成部分的總體設計.

開發測試系統的軟件部分如圖2所示：

圖2 系統軟件設計程序圖

發動機振動測試系統程序圖中主要由三大部分組成，第一部分為信號采集通道的選擇，其中采集轉速信號只有一個傳感器即一個通道，而振動信號則需要三個傳感器即三個通道，分別采集發動機缸蓋三個方向的振動信號；第二部分為信號的儲存部分，用于采集信號的存儲便于以后處理分析；第三部分為信號的處理和分析，也是系統中最重要的部分，主要針對發動機振動信號進行全方位的分析，振動信號分析如圖3所示：

圖3 振動信號分析的圖

自相關計算是指振動信號在某兩個瞬時值之間的相關關聯的關系，是對隨機振動信號的一種時域分析，自相關函數為：

通過自相關波形圖，可以清楚直觀的分析出隨機無規則信號里面的周期函數，從而判斷隨機嘈雜的信號中固定的振動成分.

小波分析是將高頻率、復雜的振動信號分層次化細分，逐步分析出振動信號里面有用的振動頻率，大大提高了頻譜分析的準確率.連續小波變換為：

通過小波分析，可以將原多頻率、多層次的振動信號分解成若干個頻率不同的波段信號，便于分析和處理.

4 發動機振動的試驗分析

4.1 發動機怠速下振動試驗分析

連接好硬件部分后對某發動機進行怠速下缸蓋處的振動信號采集.試驗開始時，當發動機啟動的瞬間，可以看到明顯而雜亂的振動波形，經頻譜、自相關和功率譜密度分析以后可發現，有過大或過小的分析波形，振動波形不再平穩，可以斷定發動機啟動瞬間振動異常，其主要原因是在啟動的時候，發動機由靜止狀態逐漸進入運轉時，零部件的固有頻率和發動機振動頻率相等時產生共振所引起的發動機振動過大.當發動機逐漸進入怠速狀態時，發動機運轉比較平穩，很容易顯示發動機噪聲和振動異常的問題，因此，試驗選擇發動機怠速下進行.如圖4所示的是發動機穩定怠速缸蓋處三個方向的原始振動信號和經過自相關、頻譜和功率譜分析以后得到的波形圖.圖5為發動機采集到的噪聲信號.

圖4 發動機振動原始波形和分析后波形

圖5 發動機噪聲信號

從上述波形圖可看出，這臺發動機在怠速狀態下振動原始信號的波形中，白色振動信號明顯比紅色信號的幅值和頻率大，可知發動機缸蓋處上下振動的幅值要比前后和左右振動幅值要大，即上下豎直方向的振動比軸向和橫向振動要強烈.但是從總體振動圖可以看出，信號的波形大體為正弦波，而且振動波形上下幅度變化不大，沒有比較突起的波峰或者波谷，即沒有信號的異常變化，由此可以表明發動機缸的振動正常，沒有明顯的振動異常.經信號的時域和頻域的頻譜、自相關和功率譜密度的分析以后，頻譜分析能更好地觀察信號的頻域特性，從圖知發動機振動的頻率穩定，幅度平穩.從自相關分析圖可看出振動信號的隨機程度規范，以正規的正弦曲線振動.總之，分析結果圖曲線平穩，沒有過大或過小的幅值變化.

另外通過圖5噪聲分析信號也可看出發動機在怠速下，聲音信號平緩沒有過大或過低的信號發生，人耳聽覺也沒有刺激的聲音發出.結合振動分析圖，亦可判斷發動機在怠速下沒有振動異常和異響的現象.由此可知，當信號出現幅值過大或異常時，可推斷出此振動測試點處是主要振源或故障發生點，并將對此深一步的分析.

4.2 發動機故障下振動試驗分析

發動機振動異常通常也是故障的直接顯示，為此，在發動機怠速下正常信號的基礎上設置一個發動機故障進行振動的分析，通過比較可以直觀地發現發動機故障振動信號的不同，從而得知異常振動信號的故障原因所在.通過小波分析比較正常振動信號和拔掉一個火花塞的情況下振動信號，得出故障信號的特點和波形.如圖6、7所示，小波分解下在0-12 Hz和13-25 Hz波段時，正常小波信號和故障小波信號：

圖6 怠速工況下0-12 Hz小波信號

圖7 怠速工況下13-25 Hz小波信號

由圖6可知，怠速工況下0-12 Hz小波信號中，發動機怠速時故障振動信號的值是正常振動信號值的1.20倍；由圖7可知，在13-25 Hz小波信號段中，發動機怠速時故障振動信號的值是正常振動信號值的2.1倍.由此可以發現，發動機振動信號蘊含著發動機故障的信息，發動機異常振動的故障信號可以從中分析出發動機的故障源，在發動機故障診斷中起到積極的作用.

綜上所述，本文是在基于虛擬儀器的基礎上，對發動機的振動測試系統進行了研究和設計.通過測試系統的硬件組成和軟件開發，并結合一系列的信號時域分析和頻域分析，得到發動機在怠速狀態下的正常振動信號和發動機正常聲音級數.在正常振動的基礎上通過小波分析發動機故障信號，得出發動機異常振動小波信號，通過比較從而分析故障原因，在發動機故障診斷技術中起到尋找振源排除故障的關鍵作用.

[1]范紅波，張英堂，孫燁.小波包和 SVM在發動機故障診斷中的應用[J].車用發動機，2006（4）.

[2]王江萍，鮑澤富.小波變換在柴油發動機故障診斷中的應用[J].石油機械，2006（9）.

[3]陳剛，廖明夫.基于小波分析的滾動軸承故障診斷研究[J].科學技術與工程，2007（12）.

[4]李業德，張景元，李業剛，等.基于多傳感器的發動機故障診斷模糊專家系統[J].故障診斷，2006（28）.

[5]向科峰.基于 LabVIEW 的數據采集系統的設計與實現[J].機械管理開發，2011（14）.