基于角度域方法的汽油机活塞连杆敲击异响分析

周敏瑞 程相克

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

活塞连杆机构是发动机往复运动的重要结构部件，将燃烧的能量通过活塞连杆机构转化为发动机曲轴运行的能量。由于活塞连杆高速运转且缸体内部燃烧爆压高，因此工作环境较为恶劣，对NVH 性能的挑战也很高。

本文描述某三缸发动机在活塞销开发过程中，试装件发动机在台架试验时出现敲击异响问题，异响出现的工况为热机怠速850 r/min（机油温度50 ℃以上）及小油门降速（2 000 r/min～怠速）。针对该异响问题，测试分析判断与发动机曲轴连杆系统相关，随后通过分析活塞连杆系统敲击分类及机理，并采集发动机近场噪声、缸体振动、点火、飞轮角度等信号，通过角度域分析、拆解换件并检测故障件参数等方法确认异响零部件，最终解决异响。

活塞连杆系统将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，即将作用在活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，从而驱动车轮转动。活塞连杆系统由缸筒、活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆瓦组成，如图1 所示。活塞在压缩上止点附近的敲击主要有两个方面：燃烧压力波敲击和机械敲击。

图1 活塞连杆系统组成

1.1 燃烧噪声

燃烧噪声是活塞运行至压缩上止点附近，燃气爆炸时出现的压力波冲击缸体、缸盖和活塞，产生主观的感受评价为清脆的高频敲击声。发动机设计过程中，通过调整燃烧室容积，从而改变压缩比；
电控标定点火正时优化；
分层扫气提高燃烧效率；
混合气加浓等方法改善发动机燃烧粗暴。

1.2 机械噪声

机械噪声与缸筒、活塞连杆组各个零件的尺寸、表面粗糙度和配合间隙有关，一般分为活塞敲缸，即活塞与缸筒之间的敲击；
活塞环异响；
活塞与活塞销敲击；
活塞销连杆敲击；
连杆衬套敲击和连杆轴瓦敲击等。

活塞销敲击异响主要是由于：①活塞销与销孔座孔或连杆小头衬套孔之间配合松旷；
②机油压力不足，机油飞溅不足，润滑不良而磨损，间隙变大；
③活塞销卡环脱落，活塞销轴向自由窜动。活塞销敲击异响一般断火后故障缸响声更明显，发动机转速升高响声消失，对发动机各种转速下活塞销的运行轨迹进行计算，可以解释低转速断火敲击异响更明显的现象[1]。

在产品设计初期应充分考虑各个件的尺寸公差、圆度、粗糙度、配合间隙等关键参数，同时考虑零件变形磨损量，加工工艺，润滑状况等相关因素，连杆小头衬套开发中可采用增加油槽方案使连杆润滑效果更好，避免出现活塞连杆系统机械敲击。本案例主要展示活塞销连杆磨损间隙过大导致的敲击问题。

主观判断异响出现工况为发动机怠速850 r/min及低速小油门工况（2 000 r/min 以下），用听诊器进行主观评价判断，异响位置来源于缸体上部活塞连杆处，且一缸明显于二三缸。

使用LMS 采集设备和噪声振动传感器采集发动机近场噪声及振动信号，经后处理分析及滤波回放，初步确定该异响频率特性为2 000～3 500 Hz（中心频率2 400 Hz），且缸体缸盖等位置上均有此特征，一缸缸体上部最为明显，如图2 所示。

图2 850 r/min 缸体振动频谱图

采集发动机噪声信号、飞轮58 齿信号和一缸点火信号，对异响采用角度域分析[2]，横轴为时间信号，纵轴为噪声频率（图3a）、飞轮转角（图3b）和一缸点火信号（图3c）。发现在出现异响的时刻与缸体上部振动相对应，时刻为飞轮缺齿（78°BTDC）后第十四齿，如图4 所示，发动机一缸点火相位为缺齿后第十三齿，异响对应发动机曲轴相位图里一缸点火后6°（飞轮信号一个齿对应角度为6°）活塞上止点后换向时刻，且阶次特征与曲轴连杆系统工作阶次一致，发动机曲轴两圈一次，为一缸点火阶次（即0.5 阶），由此判断异响与曲轴连杆系统相关。

图3 异响特征角度域数据分析

图4 曲轴相位图

首先，我们针对异响敲击问题进行问题特征的识别，主要是确认敲击出现的工况、冷热机相关性等。

其次，采用经验法对异响源进行初次判断，使用振动或传声听诊器确认发动机哪个位置敲击特征最大，采用断缸法确认是否和某一缸的点火相关。再使用噪声振动设备测试该位置的振动特征，分析其频率和阶次特征，至此我们已经基本可以确认异响位置了。

最后，对异响机进行拆机检测，进一步验证发动机异响位置的运动件尺寸及表面精度是否符合设计参数。通过检测发现，缸体，活塞尺寸均在设计范围内，与试验前相差不大，但连杆小头直径超差明显。对比装机记录发现异响发动机与无异响发动机的连杆组件是相同的，出厂件尺寸均正常。对活塞销粗糙度检测发现异响机活塞销粗糙度明显高于非异响机，多台异响机存在同样的特征。由此可以判断活塞销粗糙度大造成连杆小头磨损，进而导致连杆小头直径超差，间隙变大引起异响[3]。

对异响机更换粗糙度小的活塞销及新的连杆系统，复装后进行台架磨合后验证。试验结果发现更换后主观评价无异响，一缸缸体振动2 000～4 000 Hz能量降低，如图5 所示。

图5 更换活塞销连杆前后一缸缸体振动

4.1 尺寸检测

异响发动机试验后连杆小头Y 向（发动机进排气方向）尺寸超差明显，如图6 所示。将异响机活塞销与非异响机活塞销进行检查对比发现，异响机活塞销表面粗糙度较差，如图7 所示。且查询同批次新活塞销装机的十台发动机均存在此异响问题[4]。

图6 试验前后连杆小头尺寸对比

图7 异响机与无异响机活塞销粗糙度对比

4.2 生产工艺分析

对活塞销渗碳层进行分析，发现异响批次的活塞销渗碳层超差。记录的实际生产工艺不符合热处理要求，由此供应商需对活塞销生产工艺进行优化，并提供样件进行验证。

本案例通过在发动机降本样件开发中对异响件测试，发现除了要求零部件设计尺寸及公差需满足图纸参数外，供应商还应对生产工艺和样件质量严格把关。在降本过程中，性能不应低于原机样件，尤其是活塞连杆系统这些高速运转件，从而避免出现NVH 问题。

对于供应商样件开发和生产过程管控问题，需各系统验证或者充分评估后，对多样本反复验证，无质量问题后再进行切换。