基于小波变换和角度域分析的发动机气门机构异响排查

 概述

小波变换作为一种新的数学理论和方法，已得到了广泛的应用。尤其近年来在振动信号分析、故障诊断等领域得到了愈来愈多的重视。但是介绍小波变换理论的文献资料往往都基于比较高深的泛函分析、测度空间等数学理论，给广大工程技术人员带来理解方面的困难。本文从工程的角度出发，结合案例对小波变换在非平稳信号分析中起到的作用进行阐述。

角度域分析是将信号与参考旋转角度相关联，完成时域信号到角度域信号的转换，根据系统周期特性对角度域数据进行对应。本文通过对某缸盖异常敲击振动和异响采用角度域分析，并与发动机曲轴转角进行对应分析，从而精确找出异响产生的根源部位。

1 小波变换

在很多故障问题中，有时需特别关心的是信号在局部范围内的时域特征，例如缸盖敲击异响是在什么时间发生的，这种分析对时域分辨率要求很高，对频域分辨率要求低，而信号中高频部分对应时域中的快变成分，低频成分对应时域中慢变成分。由于针对类似特定的问题分析时往往在要求高的时域分辨率同时，也需要满足一定的频率分辨率，使得对信号分析需要时必须权衡时域和频域二者分辨率的选取。信号分析中最常用的傅里叶变换，其实质是把一个任意波形用一系列不同频率的正弦波来表示，它不能有效分析局部信号，不具备精确的时间局部化分析的能力;短时傅里叶变换是典型的时频分析方法，它具备时频局部化分析的特点，但是其时间和频率分辨率都是确定不变，不能敏感地反映信号的突变，因此不能很好地刻画突变的信息;小波变换具备很好的时间局部性和变化的时频分辨率，因此满足了很多非平稳信号需要多分辨率的时频局部化的分析要求。三种方式分析都具有统一内积运算形式，不同点体现在基函数的差异，图1列举三种变换方式基函数示意图。

图1 三种变换基函数示意图

从三种变换基函数差异可以明显看到三者的基函数实际上都是一组具有不同频率不同时宽的函数簇，傅里叶变换的基函数没有衰减，短时傅里叶变换和小波变换的基函数两端很快衰减到零，所以它们具有时间局部性。而小波变换的时宽又是变化的，因此小波变换的时频分辨率也是变化的，具有多分辨率的分析特性。本文在发动机缸盖异响信号分析时，采用LMS小波分析模块，体现其在非平稳时变信号中的强大分析功能。

2 某型发动机“嗒嗒”异响信号的分析

发动机气门机构是复杂旋转机械的系统，其受到的激励以及响应非常复杂，并且非线性极强，使得对缸盖表面拾取的振动和噪声信号信噪比很低，采用传统的傅里叶变换很难去除背景噪声频率，导致过多地掩盖振动噪声信号中的时变规律，很难准确提取气门机构运动规律的信息。本文针对某缸盖系统嗒嗒异响进行小波处理，准确提取异响的振动和噪声特征，并在发动机曲轴转角角度域中对异响进行准确定义故障点。

2.1 小波分析对异响信号的提取

在对某整车NVH主观评价过程中，评价人员感觉在车内有轻微间隔性的“嗒嗒”异响，此异响发生节奏很有规律，很容易引起客户感知和抱怨。通过进一步主观判断，该“嗒嗒”异响来自于发动机上部;为进一步调查该“嗒嗒“异响产生的原因，将异响发动机从上整车拆除后在消声室中对该发动机进行测试分析。对缸盖顶部近场的噪声测试，通过对噪声测试信号的常规傅里叶变换频谱分析和小波分析对比，如下图2至图4。明显看出图3中常规频谱分析所得到的频谱图上没有呈现出与主观回放相对应的间隔性敲击异响，而图4中小波分析图谱上则很规律地呈现了间隔性的敲击信号。经小波分析后回放试听，确定该异响在怠速760r/min时发生的频次为6次/1s，即曲轴旋转2次异响发生一次，主要频段集中在2300-3700Hz。经与时域数据对应，小波分析图谱与时域数据中敲击时刻有很好的对应关系。

图2 第1缸进气侧凸轮轴承座振动及发动机上方噪声时域数据图

2.2 角度域定义故障点

通过对“嗒嗒“异响小波分析，基本可以确定该异响来自于气门机构系统，为进一步调查明确异响产生的原因，还必须精确定义该异响产生的部位。发动机曲轴转角分析功能则提供了有力的分析工具。为满足角度域分析需要，使用磁电转速传感器采集发动机启动齿转速信号，因为启动齿圈132齿，所以角度域分析精度在3°附近，满足对问题的定义需求。同时采集发动机1缸缸压信号作为发动机工作循环参考。通过对“嗒嗒”异响信号角度域分析，确定异响发生在曲轴转角470°左右，进一步对气门室罩盖振动信号进行角度域转换(见图5)，发现在曲轴转角477°时气门室罩盖振动峰值非常突出，通过分析发动机工作循环所对应的气门运动角度，发现第二缸的进气门关闭角度430°，非常接近470°的异响发生角度，因VVT发动机气门落座在角度上有一定的调整角度空间，因此二缸进气门关闭角度在430°以及滞后一定的角度，与470°的异响角度接近。根据角度域分析初步思路，进行去除气门，利用排除法来确定该问题的来源。

图5 气门室罩盖角度域分析彩图

2.3去除气门验证角度域分析结果

为了验证角度域分析的正确性，分别按照顺序依次去除了2缸、4缸、所有缸的气门，再按照顺序安装回4缸、2缸气门机构，通过按照以上顺序的排查试验验证，充分证实了转角测试分析的精确性。图6为安装回4缸气门后发动机上方噪声的小波分析时频图，图7为在安装第4缸气门的基础上再安装回2缸的气门，明显可以看到该异响特征重现。

图6 安装回4缸气门后发动机上方噪声的小波分析时频图

图7 安装第2缸气门后发动机上方噪声小波变换时频图

3 结论

3.1 通过对对异响信号的小波变换，可以得到比常规频谱分析更好的时频特性，找出了“嗒嗒”异响的特征。并运用角度域分析，准确定位该异响发生时刻所对应的曲轴转角角度，依据发动机循环特性，指出了该嗒嗒异响来自第2缸进气门的落座时刻。

3.2 由于发动机是复杂的往复旋转系统，很多激励都与发动机曲轴转角有特定的关系，利用小波分析可很好地将此类周期性的特征信号重现，从而更精确的定义和判断问题，极大提高了故障问题诊断的效率。本文通过对缸盖嗒嗒异响的排查，很好地证明了LMS小波分析在时频分析中的作用，同时也验证了角度域分析振动噪声信号对激励点定义的准确性。