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汽车发动机异响诊断算法及产生机理的研究

周全  
【摘要】:随着汽车工业水平的进步,目前发动机噪声的研究重点已落在声品质上,特别是发动机的异响问题,令很多车企研发人员无从下手。由于大部分异响属于发动机噪声问题中的疑难杂症,缺乏有效的诊断方法和理论上的研究,因此需要提出一些创新性的信号处理方法来更好地提取并分析这些异响的特征,并归纳出异响的产生机理。本文围绕汽车发动机的异响诊断算法和异响的产生机理研究这两个方面展开,主要工作内容与成果如下:研究了短时傅里叶变换时频图的精细度和能量分布的变化规律,对比了多分量非稳态仿真信号的短时傅里叶变换和S变换时频图结果,指出两种算法对非稳态部分信号的能量分布具有“栅栏”现象。介绍了非线性调频变换算法(Nonlinear Chirp Transform,NLCT),通过引入随调频信号瞬时频率不断变化的旋转算子和频移算子,优化了时频图的能量分布,并结合Vold-Kalman阶次滤波和NLCT变换提出了Vold-Kalman调频变换算法(VoldKalman Chirp Transform,VKCT),其适用于分析与汽车发动机转速相关的振声信号。研究了当单个初始频率附近存在多个信号时,变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)的分解优先级,提出了U型模态分解优先级的概念。讨论了VMD算法的欠分解和过分解现象,并指出这类模态混叠现象的本质原因是VMD算法初始中心频率的数目及取值与实际混合信号中的分量信号不匹配。提出一种基于二分法的变分模态分解方法(Dichotomy-based Variational Mode Decomposition,DVMD),能够自适应地搜寻混合信号中实际分量的个数及对应的中心频率。基于DVMD算法诊断了某乘用车发动机在怠速工况下产生的“吭吭”声异响。通过系统性地研究缸盖总成各部分结构对异响的影响,发现了异响声幅值对凸轮轴正时调节(Variable Camshaft Timing,VCT)系统的参数敏感,特别是凸轮轴调节器的角度和机油压力控制阀(Oil Control Valve,OCV)的占空比。通过DVMD算法分离提取了发动机缸盖表面振动信号中的异响相关分量,结合曲轴与凸轮轴的瞬时转速、VCT系统内部的机油压力等数据综合分析,明确了“吭吭”声异响的产生机理。基于VKCT算法诊断了某乘用车发动机在加速过程中出现的“咕噜”声异响。通过声强法对异响的分布特性进行了研究和分析,明确了异响主要来源于汽车发动机,通过VKCT算法提取了发动机振动信号中的异响分量,根据对比分析指出“咕噜”声异响来源于曲轴扭振。通过发动机曲轴的弯扭振动测试及更换不同工作频率TVD的试验,验证了“咕噜”声异响的产生机理。针对汽车发动机稳态及瞬态工况下的机械与燃烧噪声分离,提出了基于维纳滤波的稳态工况燃烧噪声分离算法和基于多元回归的瞬态工况燃烧噪声分离算法。研究了某三缸汽油机在不同转速和负荷条件下的机械燃烧噪声占比变化情况及其内在机理,诊断了某SUV车型的发动机在急收油门时刻下产生的“呲呲”声异响。对该发动机的表面辐射噪声和机体表面的振动信号进行了机械贡献和燃烧贡献分离,根据机械噪声和燃烧噪声的时频图结果诊断出此异响来源于发动机燃烧室内的异常燃烧,并通过优化发动机的点火提前角控制了异响。


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