汽車發動機典型故障及診斷方法

槐元輝 楊京萍

摘要：對于汽車發動機故障診斷而言，最關鍵的一點在于信號故障特征的提取，直接決定汽車發動機故障診斷的準確度。汽車發動機內部結構非常復雜，且影響因素眾多，導致目前尚無足夠成熟和準確的故障診斷辦法。鑒于上述理由，筆者將通過提取發動機的故障信號頻率特征來對汽車發動機的故障及原因進行診斷，希望進一步提升汽車發動機診斷能力。

關鍵詞：汽車發動機;故障;信號頻率特征;診斷

0 ?引言

汽車發動機故障診斷屬于機械故障診斷的重要內容。隨著經濟的發展和社會的進步，現代化設備日趨精密化、復雜化、自動化和連續化，設備一旦發生故障，對人類的生命財產和社會安全等方面的影響是不可估量的[1]。因此，需要我們加強對機械的了解和研究，尤其是對機械故障類型、故障常發部位和對應的診斷維修方法等內容的掌握和探索。

1 ?汽車發動機典型故障

1.1 曲柄連桿機構故障

長時間的低速重載運行，讓曲柄連桿處于高負荷狀態就容易導致連桿出現扭曲或彎曲的現象。連桿螺栓損壞的形式是多樣的，主要有部分螺紋松動或粘接、出現斷裂或裂紋、出現永久性拉伸變形。損壞原因錯綜復雜，比如裝配操作違反規定，用力不均;螺紋中心線、螺栓、螺母支撐表面三者未成垂直狀，導致后期容易出現歪扭現象;螺紋表面清潔度不夠，加之螺紋之間配合不是太緊就是太松，容易出現連接咬死或者松脫的情況等等。

1.2 配氣機構故障

氣門嚴密性差，這主要是因為氣門和氣門座在燒蝕、磨損和積碳的作用下導致接觸面粘合度降低，除此以外氣門間隙調整不合理、氣門桿部扭曲、氣門彈簧彈力不足或者彈簧折斷都有可能導致氣門嚴密性降低;氣門間隙過大，通常情況下出現這種情況都是由于氣門間隙調整過度，其次還有氣門挺桿、凸輪等零件磨損或者氣門間隙調節螺釘松動的原因;氣門桿被卡，引起這種故障的原因有氣門桿彎曲、沒有合理設置氣門桿與氣門導管的配合間隙、或者導管內積碳過多等;氣門斷裂，這種故障通常出現在桿部環槽處、頭部和過渡區域等三個部位。出現氣門斷裂一般都是因為內燃機在短時間內從極高溫冷卻下來，整個氣門上溫度不均而出現熱應力作用，再或者就是因為裝錯了進氣門和排氣門，在后期使用過程中由變形引起的斷裂。

1.3 氣缸故障

拉缸，有若干深淺不一的軸向溝紋出現在氣缸套工作面上，影響氣缸的密封性。造成拉缸故障的原因主要是跑合問題，其余還有發動機過熱、活塞環間隙太大、多次低溫狀態下啟動發動機等;氣缸套裂紋，通常情況下氣缸套出現裂紋都是因使用不當的行為引起的，操作中沒有考慮機器的高溫直接加入冷水，進而導致缸套驟冷收縮出現裂紋。

1.4 活塞故障

發動機活塞銷故障的主要表現就是活塞銷與銷座孔襯套之間的磨損空隙越來越大，這主要因為發動機在長期的使用過程中過度摩擦，加之后期安裝、維修的不合理綜合導致的[2]。連桿銅套與活塞之間的間隙會隨著連桿小端銅套的磨損增大，連桿與活塞銷在內燃機運轉過程中產生的沖擊力增加，沖擊力的變化會導致活塞橫向撞擊氣缸套，對機體內的振動響應產生波動。

2 ?汽車發動機典型故障定性分析

2.1 曲柄連桿機構典型故障定性分析

連桿與活塞之間的沖擊作用會隨著連桿小頭銅套磨損加劇而增大，沖擊力的變化會導致活塞橫向沖擊氣缸套，對機體內的振動響應產生波動，因此連桿銅套與活塞銷之間間隙變化的情況可從缸體上適宜的位置測量。當總振級與連桿銅套間隙的關系變化曲線呈現單調遞增趨勢時，因活塞撞擊產生振動響應的滯后時間就會越來越長。以振動功率譜為依據分析，振動能量隨著間隙的增大會呈現出逐漸向高頻帶集中的趨勢，連桿大頭端軸瓦出現磨損或者連桿螺栓出現松動，可利用軸瓦間隙的變化在曲軸箱上測量振動響應功率譜。

2.2 配氣機構典型故障定性分析

氣門運動參數很容易受到氣門間隙變化的影響，從而強有力改變氣缸蓋對氣門落座沖擊的響應信號。氣門落座響應的能力和幅值與氣門間隙成正比，即氣門間隙越大，氣門落座響應的能量和幅值就越大，同時振動總能量和氣缸蓋加速度總振級也隨之增大。通過頻譜分析就能快速分析排氣門漏氣情況，一旦出現漏氣，振動能量就會迅速轉向高頻。

2.3 氣缸典型故障定性分析

發動機工況與表情振動有著密不可分、相互影響的聯系。在同樣的間隙條件下，氣缸內的爆發壓力和表面沖擊振動會隨著轉速的上升而增大、增強;在間隙組間擴大的條件下，表面振動會明顯增強，尤其是膨脹沖程上的撞擊出振動強度。頻域信號強度與時域信號強度成正比，在磨損量逐漸增加的過程中，氣缸套外表面的響應功率譜峰值直線上升，振動響應總能量也隨之升高。

2.4 活塞典型故障定性分析

通常情況下，活塞頻域內一個能量區內有兩個能量峰波，這兩個峰波會隨著轉速的升高往高頻方向移動，最終合為一體形成更為大型的能量峰波，因此可以將活塞銷響的特征頻帶選定在這樣的頻帶中[3]。活塞銷響頻帶的頻率比活塞敲缸的特征頻率要高，但頻率信號略弱。大量實驗結果表明，轉速與表面信號振動強度有著直接的聯系，氣缸內爆發壓力與轉速成正比，即轉速越高，氣缸內爆發壓力和表面振動信號就越大、越強，與此同時振動信號高頻成分也大幅上升。

3 ?汽車發動機故障診斷方法

3.1 診斷流程

發動機在運行的過程中會出現較大的異常震動，但是并無明顯的噪音，假如采用傳統的聽聲診斷就很難斷定，再加之引發震動的因素較多，如果對其10個氣缸進行逐一排查，耗時耗力，診斷不及時容易造成維修效率降低。針對該種情況，本文采用以下診斷流程，見圖1。

從圖1我們可以看出，首先是對發動機氣缸的振動信號以及機體振動信號進行相關性分析，從多個氣缸中找出故障氣缸，這樣縮短診斷流程，節約時效，提高了診斷效率。接著對故障氣缸進行時域分析、頻域分析以及小波包分析，得出相應的時域特征、頻域特征以及小波包特征，最后直接根據這些特征進行故障診斷。

3.2 發動機故障診斷

采取振動信號的相關分析，可以反映兩個不同信號之間在不同瞬時幅值之間相互依存的關系，也反映出了兩個振動信號波形隨著采樣點數移動時相互關聯緊密型的一種分析。以標準信號為切入點，根據相關分析來判定信號內頻率的大小是具有較大現實意義的。1缸以及3缸與機體振動的相關性最大，這兩個氣缸內的低頻振動成分比例很重，能夠反映出氣缸正常的工況信息。2缸與機體振動的相關性最小，與其他氣缸相比，量值存在較大的差異，也就是說2缸中高頻振動成分的比例較重，可以判定該氣缸內存在故障。因此，選用1缸作為氣缸正常工況信息的參照對象，2缸作為故障分析研究對象，來體現出發動機故障診斷的方法[4]。

3.3 發動機故障診斷時域特征分析

正常氣缸與故障氣缸的振動信號與機體表面振動信號的時域參數，隨著轉速的不斷提升，均方值、偏態度變動不大。但是，發動機正常狀態下的峭度要明顯低于故障狀態下的峭度，但是隨著轉速的升高，兩種狀態下的峭度差異逐漸縮短，同時，故障峭度消減速度快，所以，峭度可以作為發動機故障診斷的時域識別參數。因此，發動機振動信號的時域參數能夠側面反應出發動機的運行狀態，但是由于振動信號的循環波動性使得各階段時域分析參數存在著不穩定的因素，在同一狀態下變化范圍較大，而且除峭度在不同狀態下的變動較大，對故障的診斷具有一定的意義，其他時域參數在不同狀態下的變動較小，也就是說峭度值可以作為發動機故障診斷的依據，而其他時域參數僅僅只能作為診斷的輔助參數。

3.4 發動機故障頻域特征分析

在發動機故障診斷中，頻域分析法是當前應用最廣，最成熟的一種方法。對振動信號進行頻譜分析，與正常狀態下的頻率分布進行對比，就可以判定是否存在故障。正常氣缸與故障氣缸的振動信號隨轉速升高時的頻譜圖，其中正常氣缸的振動信號的頻率成分主要集中在低頻區域，也就是反映發動機曲軸、連桿等運動機構的正常振動工作頻率，隨著轉速的增加，雖然高頻區域的幅值在不斷增加，但是與低頻區域一樣，增長幅度較為平均。而故障氣缸中，隨著轉速的增加，高頻區域的能量不斷增加，特別是當轉速達到1500r/min時，高頻區域的幅值增長明顯加劇，當轉速達到2200r/min時，高頻區域的能量最大，約在5000Hz左右。根據發動機故障氣缸振動信號的頻譜圖變化趨勢來看，可以作為判定故障的依據。

3.5 發動機故障小波包分析

發動機是一種振源多、頻帶寬、振動形態較為復雜的一種大型機械，其振動信號具有波動時變的特點。當發生故障時，與正常狀態下相比，某些頻率能量會增加，而某些頻率能量卻會減少。所以，信號頻率成分包含了很多的信息，對這些信息進行統計分析，找出規律就能夠對故障進行判定。當某個或多個頻率能量的改變反應出一定的故障狀態，利用這些特征對各頻帶能量與故障狀態之間的關系進行振動信號的建立，通過頻率成分能量的變化來反應出故障狀態。利用小波包分析就能夠很好的實現這一目的，也就是說對信號信息進行正交小波包的分解，從而得到全頻帶均勻劃分的各子頻帶的小波包分解系數，再對小波包分解系數進行重組，就可以獲得該頻帶的信號信息，然后對信號信息能量進行提取，就可以得出小波包特征向量。

4 ?結語

總的來講，對汽車所使用的柴油發動機進行經常性出現的典型故障匯總和分析，通過對發動機在使用過程中所產生的振動信號的時域、頻域和小波包等數據進行搜集、分析和判斷，是汽車發動機故障診斷的新型方法，有助于提升汽車發動機診斷的精準性。

參考文獻：

[1]王景海.汽車發動機常見故障維修技術[J].南方農機，2020，51（03）：113.

[2]王奇跡，徐向東.電子診斷新技術在現代汽車維修中的應用[J].南方農機，2020，51（03）：233.

[3]袁永超，陳紹南.基于波形分析的發動機運轉不良故障診斷研究[J].汽車維修，2020（01）：16-17.

[4]郭剛.柴油發動機燃油供給系統故障檢測及診斷研究[J].南方農機，2020，51（02）：39.

作者簡介：槐元輝（1963-），男，云南昆明人，本科，高級工程師，研究方向為汽車維修與機動車檢測。