振动测试在汽车发动机台架耐久测试中的应用研究

振动测试在汽车发动机台架耐久测试中的应用研究

张仕武，吴锋，张金亮

安徽江淮汽车集团股份有限公司     安徽省合肥市     230601

摘 要：将振动测试用于发动机台架耐久测试，就是为了在台架上检查各部件在不同工况下的振动加速度值。依据台架振动测试的结果，对发动机的安装进行调整，使其在低速的工作状态下，不会出现由于过量的振动而导致的各部件的疲劳、断裂、磨损、失效等现象。

关键词：振动测试；汽车发动机；台架耐久

发动机的振动对零件的使用寿命等有很大的影响。在发动机发生强烈的振动时，除了自身的振动外，还会引起其内部零件和各种辅助设备的振动，进而降低其工作性能和使用寿命。在发动台架进行耐久性测试之前，对发动机进行了振动测试，根据测试结果判断在台架上设置的情况下，发动机的振动加速度是否能够达到测试要求。为了防止在耐久试验中由于剧烈的振动造成的零部件磨损、疲劳、断裂和失效，从而确保了台架耐久测试的顺利进行。

1.发动机台架耐久测试

这一测试主要是为了检验发动机的基本构造的耐用性。由于发动机长期处于高速、满运转状态，其温度应力、冲击应力以及振动载荷都会对发动机造成很大影响。所以，该测试可以很好地评价发动机在较高的机械应力，疲劳应力，磨损应力，以及在燃烧室和排气系统中引起的热应力。该实验以交流工作条件为基础，不能充分再现用户汽车的真实使用状态，其目的在于对汽车等效寿命周期内产生的大致应力及磨损状态进行仿真。发动机台架耐久测试工况如图1所示。

图1 发动机台架耐久测试工况图

2.发动机振动原理分析

2.1 往复惯性力

每个汽缸的理论往复惯量力可表达为：

Ｐj =Ｐj1 +Ｐj2 =ＭjＲω2(cosωt+λcosωt)（1）

在该公式中，第一个惯性力Pj1= MjRω2 cosω t，第二个惯性力Pj2= lambda MjRω2cos2ω tMj作为每个汽缸往复部件的质量，R是曲柄半径，ω是曲轴转动角速度，λ是曲柄半径和连杆长度的比值。

由此可以看出，一阶惯性力的变动频率为曲柄摆动频率，二阶惯性力的频率为二次转动频率的两倍，其幅值与往复运动质量 Mj成比例。在四缸发动机的各个气缸往复式质量 Mj相同的情况下，从点火次序可以看出，四个气缸的一次惯性力互相抵消，同时两个气缸的二次惯性力互相叠加，从而使整个机器的二次惯性力是单缸发动机的四倍，从而导致了发动机的剧烈振动。

2.2 离心惯性力

将转动构件的质量设为 Mr，由此产生的离心惯性力 Pr是：

Ｐr =ＭrＲω2cosωt （2）

离心惯性力的频率亦为曲柄摆动频率，其值与转动不平衡质量 Mr成比例。一般情况下，若对转动件如曲柄和飞轮进行动平衡，使 Mr非常小或者等于0，那么偏心惯性力 Pr就会很小，甚至等于0，这样就不会对整个系统的振动产生很小的影响，也就不会产生不平衡的转矩。

2.3 燃气压力

燃气压力是发动机内部的压力，在气缸内部处于平衡状态时，气体并不会向外部传输，但如果气体压力发生较大的波动，则会导致发动机的倾转扭矩，从而导致发动机的振动。因为曲柄轴每转动两圈会有一个气体压力峰值，气体压力的频率是曲柄摆动频率的二分之一。

3.振动测试

3.1加速度振动传感器

采用 PCB公司的三向加速度振动传感器，在最大量程4905米/秒，最大 X方向7000 Hz, Y和 Z方向10000 Hz。如图2所示，在曲柄轴的径向方向上，在 Y方向上，在垂直于地面的方向上，是 Z方向。本实验所采用的三相加速度式传感器工作温度范围为-54-121℃，如果测试点的温度高于传感器的最高温度，则需要在其上增加一个水套冷却系统。三个方向的加速度式振动传感器是在发动机上用粘结剂固定在需要的位置。

图2 三向加速度振动传感器XYZ方向示意图

3.2测试台架

测试台架要求在一台可调节进气温度，压力，湿度的发动机台架上完成，并配有测试装置和性能。（1）交流电力测功率计（AC）、电涡流功率计（EC）和周边控制系统（EC）。（2）驱动轴：应与发动机的输出转矩及惯性、测功机转动惯量及测试的最大转速等配合。（3）一种电控加速器控制器和一种电控加速器控制器。（4）能够根据所述测试条件对所述发动机速度、所述发动机负载以及所述加速器进行控制的所述测功机器控制系统。（5）可以满足这样一种废气系统，该废气系统可以维持与整个汽车的反压力相同。

3.3测试步骤

在测试台上，按照整车的倾斜角，采用成品发动机机油、产品冷却液和整车规定的燃料类型，对发动机进行了振动测试。在完成磨合、压缩压力、 Leak down、火花塞间隙测量、外部特性测试和活塞泄漏测试等工作后，确定发动机工作状态良好，然后将三维加速度振动传感器用粘结剂固定在发动机上。将该系统中的振动加速度、转速等数据与数采装置相连，再将该传感器的敏感性数据导入 LMS程序中，对该装置进行了相关的参数设定与调整，从而进行了一次正式的振动测试。在测试

之前，要将发动机油盘的油温提高至80摄氏度，冷却剂的水温则要提高至88摄氏度，以保证发动机机体及催化剂等各部件的表面温度在热均衡条件下，保持在最大温度。用测力仪对柴油机进行了测试，测试条件为：从空载加速至最高转速168秒。采集频带宽度为8192 Hz，采用 LMS数采装置，以4096 Hz的采样速率，2 Hz的频率，0.5 Hz的阶数，同时采集 PUMA、 INCA等两种典型的发动机实验参数。上述方法反复进行，直到三个实验都做完。

3.4评判标准

振动测试的判定依据为：二次振动加速度 X、 Y、 Z轴上各一台发动机的振动极限规范。随着车速的增加，车辆的振动加速极限指标逐步提高，但最高测量值不得超过200米/秒。

结束语：

综上所述，振动测试是一种新兴的测试方法，具有广阔的应用前景。对某型柴油机进行了振动实验，得到了整机振动的基本情况、相关特性及主要振源。通过本项目的实施，不仅可以为台架试验提供振动测试数据支撑，还可以为发动机台架测试中的振动测试提供参考依据，还可以为发动机本体及相关零部件的减振研究和设计提供借鉴。

参考文献

[1]史晓雯,姜震.振动测试技术和仿真分析技术在耐久振动试验中的应用[J].环境技术,2021(02):118-121.

[2]陈诚.运用有限元分析汽车发动机支架疲劳试验[J].现代零部件,2020(04):132-135.

[3]许早龙,林圣镇,夏玉茗,等.基于共振频率的发动机附件台架耐久性试验研究[J].汽车科技,2022(06):165-167.