冷試測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷模式分析

王新宇 徐海濱

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 266555)

冷試測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷模式分析

王新宇 徐海濱

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司 266555)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)是一種裝配質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過程的缺陷，而且能夠找出產(chǎn)生問題的原因，降低返修成本，很大程度提升發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量和裝配效率。本文通過闡述設(shè)備測(cè)試項(xiàng)目、原理結(jié)合缺陷曲線，重點(diǎn)講述冷試測(cè)試缺陷的探測(cè)和缺陷分析方法。

冷試；測(cè)試；缺陷分析

0 引言

冷試是一種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量進(jìn)行綜合檢測(cè)的技術(shù)，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)在線完成必要的零件裝配后進(jìn)入到冷試工位[1]，該工位的PLC將發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)輸入測(cè)試臺(tái)架電腦，創(chuàng)建一份包含上述信息以及時(shí)間標(biāo)記和工位編號(hào)的測(cè)試文件，發(fā)動(dòng)機(jī)由冷試臺(tái)架上的馬達(dá)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)齒夾緊并帶動(dòng)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)，在不同檢測(cè)階段，通過安裝在冷試臺(tái)架上的各種傳感器采集相關(guān)信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后

波形和結(jié)果在每次測(cè)試之后存儲(chǔ)。通過網(wǎng)絡(luò)從單一工位上傳至到服務(wù)器。所有工位的數(shù)據(jù)都上傳至同一服務(wù)器存檔，以備以后調(diào)用。

如圖1中提及的有關(guān)冷試的典型周期。在500 r/min時(shí)，對(duì)機(jī)油壓力、起動(dòng)扭矩、旋轉(zhuǎn)扭矩、凸輪軸/曲軸傳感器測(cè)試進(jìn)行監(jiān)控。如果機(jī)油壓力不正?；蚱饎?dòng)扭矩/旋轉(zhuǎn)扭矩太高，可能會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，所以測(cè)試不應(yīng)繼續(xù)下去。否則發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)損壞，在再次進(jìn)行冷試形成波形圖（曲線），同標(biāo)準(zhǔn)波形圖進(jìn)行對(duì)比、分析[1]，判定發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量。

圖1 冷試的典型周期

1 冷試測(cè)試過程

工位上的電腦自動(dòng)控制測(cè)試在不同的速度和條件下進(jìn)行，形成了測(cè)試的不同階段。在測(cè)試期間，傳感器在高速情況下收集發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)模擬信號(hào)。整個(gè)循環(huán)之前，必須解決所有出現(xiàn)的問題。

在2 000 r/min時(shí)，氣門機(jī)構(gòu)、噪聲振動(dòng)舒適性NVH、油壓試驗(yàn)和點(diǎn)火試驗(yàn)開始進(jìn)行。第三階段涵蓋了進(jìn)氣、點(diǎn)火、磁阻分電器輪測(cè)試；最后階段包括扭矩、機(jī)油壓力、NVH和排氣測(cè)試。在不同速度下進(jìn)行此類試驗(yàn)是因?yàn)槟承﹩栴}只有在特定的速度范圍之內(nèi)才比較明顯。

數(shù)據(jù)以波形和信號(hào)圖等多種形式記錄進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、使用。將收集的數(shù)據(jù)同預(yù)設(shè)限值比較，判定測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)是否通過/未通過該冷試工位。如果測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)沒有缺陷，任何信號(hào)的波形/信號(hào)圖都很類似；如果存在缺陷，觀察到的數(shù)據(jù)將顯示異常，結(jié)果數(shù)據(jù)和波形將發(fā)生改變。鑒于此，自動(dòng)識(shí)別/發(fā)現(xiàn)有缺陷的發(fā)動(dòng)機(jī)并指出問題的根本原因是有可能的。問題發(fā)動(dòng)機(jī)在離廠之前必須修復(fù)，接下來將是我們對(duì)于故障發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷分析。

2 冷試測(cè)項(xiàng)目及其典型缺陷

（1）扭矩測(cè)試：①旋轉(zhuǎn)扭矩，可測(cè)試特定氣缸缺陷、活塞缺陷、氣門泄露（進(jìn)氣、排氣）和火花塞缺失。②起動(dòng)扭矩，可測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)鎖死，無法轉(zhuǎn)動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件在起動(dòng)時(shí)劇烈摩擦等。

（2）排氣測(cè)試，可測(cè)試氣門正時(shí)性能異常（進(jìn)排氣）、氣門彈簧缺陷、挺柱缺失和特定氣缸排氣門泄露/粘滯，也可以檢測(cè)氣門泄漏、氣門間隙異常等。

（3）進(jìn)氣測(cè)試，可測(cè)試氣門正時(shí)性能異常、氣門和氣門彈簧缺失、氣門漏氣、氣門間隙異常和張緊器異常等。

（4）NVH測(cè)試，可測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有污物異物、軸瓦缺失和螺栓松動(dòng)等。

（5）點(diǎn)火測(cè)試，可測(cè)試火花塞故障和火花塞電極間隙異常、線圈功能異常等。

（6）油壓測(cè)試，可測(cè)試油泵缺陷、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)油路堵塞和軸瓦缺失等。

3 典型冷試缺陷波形分析

3.1 扭矩測(cè)試波形

轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩通過整合于驅(qū)動(dòng)軸的扭矩傳感器來測(cè)量，將數(shù)據(jù)輸入采集板。下面的扭矩波形顯示出4缸發(fā)動(dòng)機(jī)特定氣缸壓縮在各個(gè)階段的作用。正值扭矩代表當(dāng)進(jìn)排氣歧管關(guān)閉時(shí)，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的必要能量。負(fù)值扭矩代表按照點(diǎn)火順序，單個(gè)氣缸內(nèi)壓縮空氣反彈產(chǎn)生的力。

我們工廠生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序是1-3-4-2，如圖2。

圖2 扭矩測(cè)試順序

缺陷模式分析：從圖2波形明顯看出3缸扭矩異常，3缸扭矩變化不明顯，說明提供扭矩的壓力變化不明顯， 從而說明氣缸內(nèi)氣體壓力變化不明顯。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)測(cè)試不合格，拆解發(fā)現(xiàn)3缸進(jìn)氣門漏氣。進(jìn)氣氣門漏氣伴隨旋轉(zhuǎn)扭矩測(cè)試不合格。

3.2 進(jìn)氣和排氣測(cè)試波形

在做功沖程末尾，排氣門開啟，排氣口壓力降低，直至活塞到達(dá)下止點(diǎn)。活塞在排氣沖程中上行，將空氣通過排氣口排出燃燒室。在此時(shí)排氣壓力開始上升（圖3）?；钊闲兄辽现裹c(diǎn)，進(jìn)氣門開啟，排氣壓力再次下降。開啟的排氣門關(guān)閉；當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門開啟。排氣門剛剛完成排氣沖程關(guān)閉。臨時(shí)氣門重疊（指進(jìn)排氣門同時(shí)開啟）阻止真空狀態(tài)加劇。當(dāng)排氣門如排氣曲線所示，開始關(guān)閉時(shí)，真空狀態(tài)開始加劇，直至活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉（圖4）。

圖3 活塞運(yùn)動(dòng)與氣壓變化波形圖

圖4 3缸排氣壓力波形圖

（1）圖4缺陷波形分析：

缺陷模式分析：從圖4波形明顯看出缺陷出現(xiàn)在3缸，繼續(xù)分析在進(jìn)氣氣門關(guān)閉階段1和2位置有壓力變化，在排氣氣門關(guān)閉3和4階段沒有壓力的變化；氣門關(guān)閉狀態(tài)下沒有進(jìn)出氣體，不應(yīng)該有壓力變化，從而反向說明缺陷處在進(jìn)氣側(cè)。排氣壓力相對(duì)于正常發(fā)動(dòng)機(jī)小—進(jìn)氣側(cè)氣門漏氣導(dǎo)致排氣保壓階段壓力泄漏進(jìn)而影響排氣壓力。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)3缸進(jìn)氣門漏氣與上述旋轉(zhuǎn)扭矩測(cè)試為同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)（進(jìn)氣漏氣導(dǎo)致進(jìn)排氣壓力紊亂）。

圖5 進(jìn)氣、排氣壓力波形圖

（2）圖5缺陷波形分析：

缺陷模式分析：從圖5波形明顯看出進(jìn)氣波形1和排氣波形2是異常的，分析進(jìn)排氣門關(guān)閉狀態(tài)下沒有出現(xiàn)壓力波動(dòng)，說明氣門密封狀態(tài)良好。觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣波形1，氣門開啟和關(guān)閉位置同時(shí)相對(duì)于正常波形滯后一定的角度（大約20°，一個(gè)齒的角度）。氣門間隙大會(huì)出現(xiàn)氣門開啟滯后但關(guān)閉時(shí)會(huì)提前關(guān)閉；氣門間隙小時(shí)會(huì)排氣門滯后關(guān)閉，但氣門開啟會(huì)提前，因此此缺陷不是氣門間隙異常帶來的異常。所有現(xiàn)象分析進(jìn)門開啟逆時(shí)針平移了一定角度，從波形2發(fā)現(xiàn)排氣氣門開啟關(guān)閉沒明顯變化，只是壓力升高了，這也間接解釋是進(jìn)氣門滯后關(guān)閉導(dǎo)致排氣氣壓保壓時(shí)間過長(zhǎng)，從而顯示排氣壓力升高。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)是實(shí)驗(yàn)mapping發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣側(cè)鏈輪在逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一齒（說明發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開啟和關(guān)閉時(shí)間平移了一個(gè)齒的角度）。

3.3 點(diǎn)火波形

（1）低壓測(cè)試中，使用低于正常值的電壓發(fā)現(xiàn)特定問題。在火花塞電壓過低時(shí)，狀態(tài)良好的發(fā)動(dòng)機(jī)也無法打火，此時(shí)點(diǎn)火可以凸顯問題。舉例：火花塞的電極間隙太?。ㄩg隙過小的火花塞在低電壓點(diǎn)火）。

圖6 火花塞小間隙電極壓點(diǎn)火波形圖

缺陷模式分析：從圖6波形明顯看出1缸點(diǎn)火波形異常，其他3缸點(diǎn)火沒有擊穿放電，只有1缸火花塞擊穿放電。在低壓狀態(tài)可以放電，說明被擊穿的電容變小，意味著火花塞間隙變小。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)1缸火花塞間隙0.3 mm（正常火花塞間隙：0.8～0.9 mm），火花塞間隙小。

（2）高（正常）壓狀態(tài)下的點(diǎn)火波形，狀態(tài)良好發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常點(diǎn)火，如果發(fā)動(dòng)機(jī)無法點(diǎn)火，缺陷凸顯。舉例：火花塞的電極間隙太大（間隙過大的火花塞在高電壓也無法點(diǎn)火）。

1.1 一般資料 選取自2015年4月至2018年4月大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院收治的68例重度股骨粗隆間骨折[3]患者為研究對(duì)象。根據(jù)麻醉方法的不同分為A組和B組，每組各34例患者。A組：男性18例，女性16例；年齡51～72歲，平均年齡(65.23±2.56)歲；受傷至入院時(shí)間2～10 h，平均(4.98±0.45)h。B組：男性20例，女性14例；年齡50～70歲，平均年齡(63.98±2.93)歲；受傷至入院時(shí)間3～9 h，平均(5.11±0.41)h。兩組患者的一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。具有可比性。患者家屬均簽署知情同意書，本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

圖7 火花塞大間隙電極點(diǎn)火波形圖

缺陷模式分析：從圖7波形明顯看出4缸點(diǎn)火波形異常，其他3缸正常點(diǎn)火擊穿放電，只有4缸火花塞沒有擊穿放電。在高電壓狀態(tài)沒有放電，說明被擊穿的電容變大，意味著火花塞間隙變大。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)4缸火花塞間隙1.1 mm（正常火花塞間隙：0.8～0.9 mm），火花塞間隙偏大。

3.4 NVH波形

NVH測(cè)試旨在記錄發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的噪聲和振動(dòng)信號(hào)。信號(hào)通過噪聲加速計(jì)采集，噪聲加速計(jì)可將噪聲能轉(zhuǎn)為電壓。一般來講，震動(dòng)信號(hào)通過放置在缸體、缸蓋兩側(cè)的噪聲加速計(jì)采集。

圖8 NVH測(cè)試波形圖

缺陷模式分析：如圖8所示紅色波形為正常波形，黃色波形為異常波形，對(duì)比明顯發(fā)現(xiàn)黃色波形波峰遠(yuǎn)大于紅色，意味著振動(dòng)和噪聲要大。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸瓦漏裝缺陷（連桿軸瓦漏裝，運(yùn)動(dòng)副之間的間隙變大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中造成和振動(dòng)增大）。

3.5 油壓波形

機(jī)油壓力測(cè)試使用由卡箍固定在油道上的壓力傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的機(jī)油壓力。在典型測(cè)試中，機(jī)油壓力上升之后在高、低轉(zhuǎn)速分別測(cè)量。如果在測(cè)試開始時(shí)油壓就不足，應(yīng)中止測(cè)試，以免損傷發(fā)動(dòng)機(jī)。

理想狀態(tài)下，上面的機(jī)油壓力波形幾乎成一條直線。機(jī)油流動(dòng)通路出現(xiàn)任何不正常的情況都會(huì)導(dǎo)致波形上下波動(dòng)。測(cè)試可以檢測(cè)機(jī)油泵是否有缺陷，油道是否堵塞，還可以檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的機(jī)油流動(dòng)通道。

油壓的影響因素—機(jī)油溫度可以影響機(jī)油壓力，在溫度升高時(shí)，潤(rùn)滑液的粘稠度降低，油泵無法升高機(jī)油壓力。油道通道變寬，密封間隙變大影響機(jī)油的保壓，油泵也無法升高壓力。機(jī)油泵本身性能影響機(jī)油壓力的建立，例如機(jī)油泵泄壓閥常開，機(jī)油泵間隙變大等。

圖9 油壓波形圖

缺陷模式分析：如圖9所示油壓的波形較為簡(jiǎn)單，主要看油壓高低。從波形2油壓屬于正常范圍，波形1油壓偏低（油路密封間隙變大）。

發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷：此臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸瓦漏裝缺陷（類似油路密封間隙變大，導(dǎo)致油壓泄漏從而影響油壓建立）。

3.6 傳感器的測(cè)試策略

所有的進(jìn)氣壓力傳感器（MAP）均都有三根線，即傳感器搭鐵線、參考電壓線及信號(hào)線。傳感器的搭鐵線與發(fā)動(dòng)機(jī)的電腦相連接。對(duì)搭鐵線電壓降測(cè)試來確認(rèn)是否在傳感器搭鐵線與蓄電池接線柱搭鐵之間有電壓降。在點(diǎn)火開關(guān)打開、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電壓降不得超過100 mV。參考電壓是由發(fā)動(dòng)機(jī)電腦供給的，一般為5 V控制的反饋線，參考電壓為傳感器提供工作電壓。如果5 V的參考電壓線被短路時(shí)，會(huì)影響進(jìn)氣壓力傳感器的輸出信號(hào)，甚至影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。信號(hào)線是把信號(hào)輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)電腦中，并給發(fā)動(dòng)機(jī)電腦提供實(shí)際的進(jìn)氣壓力傳感器輸出信號(hào)。用這個(gè)信號(hào)線來完成實(shí)際的測(cè)試。如果傳感器信號(hào)線被短路時(shí)，將會(huì)影響到傳感器的輸出信號(hào)。

第一步，在點(diǎn)火開關(guān)打開、發(fā)動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，讀取的進(jìn)氣壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行分析。如果一開始這個(gè)讀值有錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦立即起反應(yīng)像汽車較高海拔以及較濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要更多的燃油量。

第二步，要確認(rèn)汽車診斷檢測(cè)儀讀取的數(shù)值與傳感器測(cè)取數(shù)值一致。這樣就證實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦沒有代替?zhèn)鞲衅餍盘?hào)數(shù)值。

第三步，利用影響傳感器的因素來認(rèn)真細(xì)致的分析并查找引起故障的原因。

第四步，可能經(jīng)常出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)電腦本身的缺陷故障。一個(gè)缺陷的發(fā)動(dòng)機(jī)電腦肯定會(huì)影響傳感器的搭鐵線、5V 的參考電壓線以及其他的傳感器。這樣有序地故障診斷分析方法，很快就能找到故障。

4 結(jié)束語

在冷試中，使用了大量高精度傳感器和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集處理軟件，測(cè)試精度高，結(jié)果準(zhǔn)確，易于分析，冷試技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量在線檢測(cè)中充分體現(xiàn)了優(yōu)越性[2]。本文通過對(duì)典型缺陷波形對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式的闡釋，總結(jié)出通過冷試對(duì)不合格發(fā)動(dòng)機(jī)故障模式的基本分析思路，而真正運(yùn)作過程中發(fā)動(dòng)機(jī)缺陷分析情況要復(fù)雜的多，缺陷發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的缺陷波形不同，要根據(jù)故障的具體表現(xiàn)來分析故障原因。

[1]佟立新.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷試技術(shù)的應(yīng)用研究.東北大學(xué).2014(6)：6.

[2]彭加強(qiáng),馬保仁.冷試技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù).2014(4期)：121.

U472.9文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

王新宇（1980—），女，工程師，碩士，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)裝配人員及技術(shù)管理。徐海濱（1987—），男，技師，本科，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè)和維修。