发动机异响的故障诊断与排除.docx
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发动机异响的故障诊断与排除
发动机异响的故障诊断与排除
摘要
发动机是汽车的心脏部件,汽车是靠发动机来驱动行走的,能够说发动机就是一个能量转换的机械机构,即将汽油（柴油）或天然气的自身热能,通过在密封汽缸内燃烧爆炸时产生气体膨胀势能,推动连杆活塞构件作功,转变成转动机械能,这是发动机最大体原理。
发动机在设计制造上、工艺装配上仍是在工作性能上、操作控制上的进步,使发动机在利用和维修保养上提高了技术性及难度,特别产生异响故障的原因多面化,增加了故障诊断复杂性,因此,对于汽车驾驶员和汽车维修人员掌握发动机异响故障的诊断及排除方式是十分必要。
关键词:
发动机异响故障诊断故障排除
前言
随着现代工业及科学技术的迅速进展，汽车工业迅猛进展，汽车保有量愈来愈大，品牌多、型号多，且汽车的组成也愈来愈复杂，在生产和生活中的地位愈来愈重要，因此对汽车的管理也提出了更高的要求，车辆的正常运行直接关系到行业进展和人民生活的各个层面。
因此汽车故障诊断技术日趋引发人们的重视，并在理论和实践方面取得迅猛进展。
1发动机异响故障诊断排除及意义
发动机异响故障诊断概念
发动机作为汽车的动力装置，是汽车的“核心”，结构复杂，工作条件差。
一台技术状况良好的发动机，在着火时刻和工作温度正常，各部件连接靠得住、配合间隙适当、润滑良好的条件下，怠速运转时应是均匀而轻微的排气声，加速时转速过渡圆滑，高速时为有力而平稳的轰鸣。
但随着工作时刻的延长，利用维修不妥和个别机件材料质量差等因素的影响，会使机件的配合间隙增大、紧固件松动，从而致使发动机在工作进程中出现明显的金属敲击声和不正常的摩擦声，通常将这种异样的响宣称为发动机异响。
发动机的异响可归纳为三种类型:
（l）、机械异响:
机械间的金属撞击;
（2）、燃烧异响:
冲击波撞击气缸壁;
（3）、空气动力异响和电磁异响:
气流振动和电机或电磁元件间的磁场转变造成的空间容积振动。
发动机异响诊断是指当发动机出现异响故障时，在不解体条件下，查明异响故障的性质、部位及原因的检查进程。
异响故障诊断及排除的重要意义
一个机械系统中，各个子系统的关联愈来愈紧密，一旦设备的某个部份
在运转进程中出现故障，就很有可能中断生产，造成庞大的经济损失。
在
1976～1985年间，仅化肥机组事故停车造成的经济损失就达四亿七千五百万元。
印度博帕尔化工厂和前苏联切尔诺贝利核电站的事故，不仅造成经济
上的庞大损失，还给自然环境和居民的生命安全带来了严峻要挟。
应用故障
诊断技术能够使事故发生率减少75%，降低设备的维修费用的25～50%。
西安交通大学机械诊断与控制学研究所开发的大型回转机组在线监测与故障诊断系统，仅在四川泸州天然气化学公司利用的两年中，就带来直接和间接经济效益六万万元。
发动机结构复杂，工作条件差，而且由于转速及负载常常转变，所以故障率比较高。
传统发动机故障诊断方式偏重的是诊断的准确性，其缺点是耗时、操作复杂、自动化程度低、对诊断操作人员素质要求高。
状态参数分析法是目前应用最多的一种方式，其典型仪器是发动机综合性能电脑分析仪，能够监测动身动机的二百多个性能参数，但完整的测试进程需要几个小时。
操作复杂，要求操作者具有较高的专业知识结构。
磨损特征分析法要求将发动机解体，耗时耗力。
振动分析法在传感器安装、快速性、易操作性及自动化程度等方面较传统诊断方式有所改良，但它仍是一种接触式诊断方式。
基于声音信号的故障诊断方式是发动机故障诊断所有方式中唯一的一种非接触诊断方式，其易操作性最好。
声音信号具有直观的物理意义，人耳听觉所特有的响度、音调、音色、音质、音频亮度、相位不敏感等特性有助于构造故障诊断算法中的优化准则、评判标准，也便于查验算法的合理性。
基于声学信号的发动机故障诊断的相关研究受到国家自然科学基金、国家“863”计划等基金支持和重视，出现了一些新的数据处置方式。
基于声音信号的故障诊断方式符合故障诊断的快速准确、操作简便、自动化的进展方向。
但在故障特征提取的完整性、故障分辨率、鲁棒性故障诊断方式框架的可扩充性等方面存在着许多不足。
在现场工况的噪声检测中，由于实际声环境的复杂性，检测到的信号实际上是多个声源信号及其反射的混合体。
当某台设备发生故障时，反映故障特征的声信号极可能被其他声源信号掩盖乃至淹没，严峻影响故障诊断的准确性和靠得住性。
如何获取待诊设备的真实声信号是提高声频故障诊断技术实用性的关键。
由于缺少有效的混合信号分离手腕，因此迫切的需要一种能够有效地分离故障声源信号的算法，提高声频信号故障诊断的实现性。
现代信号处置理论、人工智能、运算机技术的快速进展，和语音处置技术实用水平的快速提高，为基于声响信号分析的发动机故障诊断方式注入了新的活力
2异响故障的诊断方式
发动机异响故障诊断技术的现状
汽车发动机故障有多种类型，如发动机异响、发动机油路和电喷
系统故障、点火系统故障、润滑系和冷却系故障等。
随着汽车制造技
术水平提高，发动机油路和电喷系统、点火系统和充电系统、润滑系
和冷却系的技术状态能够实此刻线监测，目前的难点是发动机异响故
障诊断。
分析发动机异响故障，有两种技术途径:
第一是采使劲学分析的
方式，从动力学的角度分析各运动机构在每一时刻的运动关系，来确
定其受力大小，从而肯定这一时刻的冲击程度，即力学分析和振动分析。
具体说来主要有温度法、速度法、负荷法、听诊法、观察排气颜色法、改变润滑条件法、电路实验法及改换合格器件法等。
这些方面既能直接诊断异响，还能使不明显的异响变得突出，使较为明显的异响变弱或消失。
目前主要采用人工听诊法，完全依赖于听诊者主观经验，不易掌握，准确性、重复性不好。
另外，人耳所特有的几种听觉特性如掩蔽效应、听觉驻留、听力谐音等可能会影响人工听诊的故障分辨率。
在已有研究中，存在的共性问题如下：
将发动机工作背景噪声、测量噪声理想化假设为白噪声；要求安装多传感器，且传感器安装位置要求比较严格，不适合单声道情形；方式框架中大体上不考虑多故障并存情形；没有同时兼顾信号的非高斯性和非平稳性；未充分利用人耳听觉对声音信号的特殊处置能力；每种独立研究中采用信号特征提取方式比较单一，致使故障分辨率、鲁棒性都不高；改变或增加新的特征提取方式会致使整个算法体系的崩溃，整个故障诊断框架结构扩充能力较弱。
解决声音信号监测诊断的关键在于三个方面：
（1）消除噪声干扰，提高信噪比
（2）提高有效声源的辨识能力（3）采用有效地非平稳声信号特征提取方式。
考虑到声信号监测诊断这三方面的问题，针对机械异响的特性，解决机械异响诊断也针对性地分为三个部份：
噪声消除、声源识别和故障识别。
在噪声消除方面，由于机械异响的主要成份为冲击信号，从异响中提取冲击信号是主要目标。
其中提高信噪比是超级关键的。
主要从两个方面入手，第一是对原始信号进行消噪提高信噪比，另一类就是通过信号分离或信号增强来提高信噪比。
诊断中存在的问题。
发动机信号超级复杂
发动机运动部件多且形状复杂，许多故障源都是靠近发动机内部，系统传递特性差;工作进程的多变性的影响:
既有旋转运动引发的振动，也有往复运动引发的振动，还有燃烧时造成的冲击振动;振动鼓励源多重性，众多的鼓励源彼此重叠、干扰、映射，故测得的振动噪声信号很复杂，给理论建模和实验研究带来较大障碍。
另外，正常工况的信号与故障时的信号不同超级小，如何对取得的信号有效地消噪、分离，将直接影响诊断的效果。
对于发动机信号的性质研究不足
纵观近些年来在发动机振动监测和诊断方面的文献，对发动机表面振动信性质的系统研究较少，大多文献都是直接采用某种方式对于某个特定的故障信号进行分析，所采用的方式是不是适合于故障信号的分析并无给出合理的解释，这无疑会影响所得结论的可信度。
信号理论及方式进展到今天，为研究者提供了大量的选择的余地，如何按照所研究的发动机故障信号特点及要解决的问题，选择适合的分析方式才能有效地解决问题。
那种无论对象如何，随意的选择分析方式并非可取，会带来故障诊断结果较大的误差。
另外，只用单一的方式有时并非能起到较好的效果，方式的融合、信息融合、整体特征与局域化特征的综合分析，才能对于发动机故障有效诊断起到较大的帮忙。
另外，通过振动信号进行发动机异响故障诊断研究较多，而通过噪声进行发动机故障诊断研究较少，而结合两种手腕对发动机异响故障诊断研究更少。
未能充分地吸取人工诊断中好的经验和做法
人工诊断是发动机异响故障诊断最经典的诊断方式，连年的实践进程积累了丰硕的经验和作法，如，“急加速实验方式”、“断火实验法”等等。
采用信号分析理论并结合人工诊断中好的经验和作法，才能取得较好的诊断效果。
对于曲轴轴承故障、连杆轴承故障研究不足
大多研究工作集中在缸盖气门响故障的诊断上，主要原因是故障设置方便、内部鼓励至机体外部测点的信号传递途径短。
但是，对于曲轴轴承磨损故障、连杆轴承磨损故障研究不足，而这两个故障对发动机的动力性、经济性及靠得住性影响较大，如严峻的连杆轴承故障极易造成“捣缸”的严峻事故，严峻的曲轴轴承故障容易造成轴承烧毁和曲轴断裂等严峻事故，乃至造成发动机报废。
同时，这两个故障的诊断也是比较困难的，所以，开展对这两个故障的系统研究超级成心义。
目前国内有少量的发动机综合分析仪具有发动机异响诊断功能。
经我院对某厂生产的微机发动机综合分析仪在教学的实际利用发觉，对异响的诊断不稳固、不准确，易受干扰，准确性差，很不睬想。
在厂家的车间，也不能提供异响诊断功能的实际演示。
用仪器在实际利用中诊断发动机异响的技术目前可能还不太成熟。
发动机异响故障诊断技术的进展
现代科学技术的进展，尤其是新型传感技术的不断出现，信号分析手腕不断增多与完善，专门是运算机技术的飞速进展为诊断技术的进展提供了良好的契机。
过去难以解决的信号分析或状态识别问题，由于高速、大容量运算机的出现而变得容易起来。
短时傅里叶变换
为了能处置非稳态信号，1946年Gabor提出了短时傅里叶变换（STFT），在信号进行FFT分析前乘以一个超级窄的窗，并假定窗内信号是平稳的，通过窗在时刻轴上滑动取得一系列的短时窗分析结果-一“局部频谱”，但是由于测不准原理的限制，时刻和频率分辨力的矛盾，使得选择适合的窗函数变得十分困难。
小波变换
小波变换（Wavelettransf。
rm）是上世纪80年代后期进展起来的一门新兴的应用数学分支。
1984年由地质物理学家JMorlet提出，在理论物理学家的帮忙下，Morlet规范了小波变换并成立了反演公式。
1986年法国数学家YMeyer偶然构造出了一个在时域和频域都有优良集中性的正交小波[23]。
1987年，法国学者5Mallat提出了快速小波算法，即sMallat算法[24，2，〕。
Mallat算法在小波分析中的地位相当于快速傅里叶变换在经典傅里叶分析中的地位。
后来，法国学者工Daubechies通过迭代算法构造出了紧支集正交小波。
但是，二进小波分解方式使得高几回带的时刻分辨率高而频率分辨率低，低几回带信号的时刻分辨率低而频率分辨率高，1989年~1991年，等人提出了小波包（WaveletPacke动概念，提高了分析频带的时频分辨率阴。
小波变换是一种有效的非稳态信号分析处置方式。
小波变换能够把任何信号映射到由一个母小波伸缩（变换频率）、平移（搜索非平稳性）而成的一组基函数上去，实现信号在不同时刻、不同频带的合理分离而不丢失任何原始信息，实现既要看到树木（细节信号），又要看到丛林（信号的全貌）。
小波变换作为信号处置的一种手腕，已经在信号消噪、特征提取、故障诊断等方面取得普遍的应用，取得了一批功效【28一34]。
西安交通大学何正嘉教授领导的课题组应用小波变换在故障诊断中作了大量的工作，并撰写了超级有指导意义的高作【28]。
西安交通大学林京等人提出一种基于Morlet持续小波变换的信号消噪方式，成立了基于持续小波变换的奇异性检测技术，并给出了定量描述指标，有效地识别了气阀的多种故障!
29]。
华中科技大学刘世元等人提出了小波包改良算法，通过移频处置，克服了原算法中的频率混叠现象，通过对完整工作循环发动机缸盖振动信号的小波包分解，实现了整循环诊断特征向量的快速提取。
上海交通大学伍学奎等人应用小波包方式对缸盖振动信号的分析来诊断发动机气阀漏气故障，并成立了基于马氏距离法的气阀漏气多指标诊断模型，通过实机诊断，取得了预期的效果口’，32]。
第二炮兵工程学院夏勇等人通过对发动机缸盖振动信号的小波包分解取得时频图，运用图象处置技术对发动机的状态进行监测，另外，结合小波变换和神经网络实现了气阀机构故障的诊断。
3发动机异响诊断技术和排除方式的关系
初期的汽车维修方式采用“事后维修”和按期强制保养，带来了一系列问题。
事后维修，不坏不修，维修只是在汽车出现了故障后进行的修理，这种方式隐含着对人身安全的要挟和造成财产重大损失的危机。
强制按期保养往往造成盲目修理和失修现象。
在汽车检测技术水平十分低下的条件下，这两种维修方式是可行的。
随着制造工艺改良，汽车寿命延长，过去那种维修方式很不适应今天的形势。
目前，普遍采用了“视情维修”制度，它能最大限度地发挥零件的利用潜力，减少了没必要要的拆卸，大大地提高了汽车的靠得住性和利用经济效益。
显然，若是没有必然的检测诊断手腕，要实现视情维修只是一句废话。
我国的汽车保护制度，一开始主要以前苏联初期的汽车保护制度为依据。
最先的一部有关汽车保护制度的技术文典为1954年交通部正式公布的《汽车运输企业标准与技术经济定额》，1963年、1980年二次对其作了修改，慢慢完善，1990年以交通部第13号令的形式公布了《汽车运输业车辆技术管理规定》，形成了现行的计划预防汽车保护制度。
我邦交通部在《汽车运输业车辆技术管理规定》中指出:
“车辆修理应贯彻视情修理的原则，即按照车辆检测诊断和鉴定的结果视情按不同的作业范围和深度进行，既要避免拖延修理造成车况恶化，又要避免提前修理造成的浪费。
”“各地交通运输管理部门和运输单位应踊跃推行检测诊断技术。
”
依据计划预防汽车保护制度，汽车保护工作的指导原则可归纳为按期检测、强制保护、视情修理。
按期检测就是通过现代化的技术手腕，按期正确判断车辆技术状况。
它包括双重含义:
一是对车辆视其车型、老旧程度、利用条件和利用强度等制定按期检测制度，使其在行驶必然里程或时刻后，按时进行综合性能检测，通过这种检测达到控制车辆技术状况的目的;二是按期检测结合保护周期进行，以此肯定保护作业项目，掌握车辆技术状况转变规律，同时通过对车辆检测诊断和技术评定，肯定汽车是不是需要大修，以便实行视情修理。
按期检测是实施车辆管理、提高车辆技术状况、保证安全生产、充分发挥车辆效能、降低运行消耗的关键。
强制保护是车辆的保护必需遵循交通管理部门规定的行驶里程和作业范围和深度，按期强制进行。
以避免追求眼前利益，不重视及时对车辆进行保护的错误行为，维持车辆完好的技术状况。
视情修理表现了技术与经济相结合的原则，即车辆的修理必需经检测诊断和技术评定，以肯定车辆是不是需修及修理的作业项目和深度，避免修理不及时或提前修理的情形。
我国现行汽车保护制度将车辆保护类别按照其作业周期不同划分为按期保护和非按期保护两种。
按期保护分为日常保护、一级保护、二级保护，非按期保护分为走合期保护和季节性保护。
着重于增强强制性日常保护，增加检测性按期保护。
即对日常保护和一级保护实行按期强制执行，提高安全、节能、环保与寿命等性能;对二级保护要先进行检测诊断和技术评定，按照结果，肯定附加作业或小修项目，结合二级保护一并进行。
按照《中国人民解放军车辆保养规定》，我军现行保护制度则将汽车保护分为五种类型，即初驶保护、日常保护、换季保护、封存保护、按期保护。
其中按期保护又分为一、二、三级保护。
各规定其周期里程和主要工作。
日常保护、封存保护和一级保护由驾驶员完成;换季保护和柴油车一级保护在修理分队协助下由驾驶员完成;初驶保护、二、三级保护由修理分队完成。
由此可见，故障诊断技术增进了汽车维修体制的变革，随着工业生产和科学技术的进展，它的重要性将愈来愈显著。
4发动机异响诊断与排除程序
结合发动机异响诊断技术与排除方式之间的关系，介绍实际应用中发动机异响的诊断及排除方式。
异响的肯定
异响的肯定是指在发动机工作时的众多声响中找出异响的进程,包括找出哪些是正常的响声,哪些是异响,哪些异响允许存在,哪些异响不允许存在、必需予以排除。
发动机异响肯定的大体原则:
1）若是响声在发动机低速时轻微而单纯,高速时平稳而均匀,加速或减速时过度圆滑,则为正常声响。
2）若声响中伴随强烈的嘎、嘎声、沉闷的刚、刚声、清脆的铛、铛声、短促的嗒、嗒声、细微的唰、唰声、尖锐的喋、喋声等，则为异响。
对于发动机异响，能够按照具体情形采取相应的技术办法。
若是异响仅在怠速时存在，速度提高后自行消失，且使历时无明显转变，则危害不大,可允许暂时存在，待适那机会再进行诊断与排除。
若是异响在突加速或突减速时出现，高、中速运转时并非消失,同时引发机体振动,则属于不允许存在的异响,必需当即诊断和排除。
若是异响在运行中突然出现,且较强烈,则不该该继续运行或进行诊断,而应当即停机拆检。
异响的确诊
异响的确诊是指对发动机异响进行特性分析,进而判定异响的部位、原因和程度的进程。
按存在机会不同,能够把异响分为3种类型:
存在于怠速或低速运转期间的异响、存在于高速运转期间的异响、存在于行车期间的异响。
应针对不同类型的异响,采取不同的确诊程序。
1）对存在于怠速或低速运转期间的异响,第一用单缸断火法检查异响与缸位是不是有关。
若与缸位无关,应检查异响与发动机工作循环的关系,从而判定是哪一机构产生的异响。
再慢慢提高转速,按照异响随转速的转变情形来判定机件的花费程度。
在听诊时要注意发动机温度对异响的影响。
2）对存在于高速运转期间的异响,由低速逐渐提高转速,注意异响出现的机会。
利用单缸断火法检查异响与缸位是不是有关。
若难以查明异响缸位,可利用触试法找到异响散布区域。
对在急加速或急减速期间出现的异响,用单缸断火法,配以速度的急剧转变,即可判明异响部位。
在听诊进程中,还应注意机油压力及机油加注口、排气管等处伴随异响的转变情形。
3）对存在于行车期间的异响,必需当即停车,再改变发动机的转速找到异响,然后进行诊断。
而且要注意:
有些行车中出现的异响不必然是由发动机产生的,判断时应踩下聚散器或将变速器置于空挡,然后做急加速实验,若是异响消失,表明该异响不是发动机产生的。
异响的排除
（1）按异响特征与诊断方式进行检测,确诊故障原因;
（2）调整修复到标准点火时刻和顺序,混合气比、配气相位;
（3）检修冷却系统,确保发动机冷却性能良好靠得住;
（4）清除燃烧室积碳、气门积碳,恢复正常标准气缸压力;
（5）利用发动机标定热型的火花塞与规定标号的汽油;
（6）排除三元催化器的排气管堵塞故障,确保发动机排气畅通;
（7）查询故障码,按故障码说明排除高压点火及混合气空燃比控制故障。
发动机异响故障的预防办法
（1）利用本车型规定标号的合格汽油;
（2）按期检测保护保养发动机。
发动机的保养
（1）选用生产厂家规定要求的适中质量品级的发动机润滑油。
对汽油发动机应按照利用条件选用汽油机油;柴油发动机则要依照工作时负荷的重轻选用柴油机油,以利用标号高的为宜。
（2）准时改换机油及滤芯。
任何质量品级的发动机润滑油随着时刻的延长和工作环境的转变油质都会发生转变。
到必然的时刻和规定的里程以后,润滑性能变差,会给发动机的各类构件带来磨损问题。
从而发生各类故障事故,因此应结合利用条件按期定程换油。
避免因机油中的固体颗粒和粘稠物积存在滤清器中。
促使发动机磨损加速,同时发动机因缺油而发生曲轴抱死的严峻事故。
（3）按期清洗曲轴箱。
发动机在工作进程中,燃烧室内的燃烧气体的残留物及氧化物经度日塞环与缸壁之间的间隙进入曲轴箱中,与零件磨损产生的金属粉屑混在一路,形成黑色油泥。
粘贴在发动机内壁上,堵塞润滑油道和油孔,造成油压降低使发动机润滑困难,加速磨损,乃至会出现包轴事故。
另外,使发动机油耗增大、功率下降,严峻时会出现爆缸。
因此,按期清洗曲轴箱,维持发动机内部的润滑油道清洁。
（4）清洗燃油系统。
由于燃油自身的质量的不同,在通过油路供往燃烧室燃烧的进程中,不可避免地会形成粘物,在油道管路、怠速阀、喷油嘴和燃烧室中沉积下来,干扰燃油流动,破坏正常油压和空燃比,使燃油雾化不良,造成发动机喘抖、爆振、怠速波动、加速不稳等性能问题。
按期清洗燃油系统,才能够始终使发动机维持最佳状态。
（5）按期检修水箱。
因发动机的温度高和冷却液的内部份子转变会使水箱生锈、结垢是最多见的问题,造成水箱破损、渗漏。
锈迹和水垢还会限制冷却液在冷却系统中的流动,降低散热功能,致使发动机过热,乃至造成发动机损坏。
按期清洗水箱,除去其中的锈迹、污物、水垢,不但能保证发动机正常工作,而且延长水箱和发动机的整体利用寿命。
5总结
掌握发动机异响诊断和排除的大体知识，并在实践中不断总结、积累经验，就必然能够对发动机常见异响做出及时、正确的诊断，从而保证发动机与汽车良好的技术状况。
发动机的异响表明发动机存在不同性质和不同程度的故障，异响只是现象，而故障才是本质。
对发动机异响的诊断就是要透过现象找到本质，它是汽车故障诊断和排除的一个超级重要的方面。
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