（机械电子工程专业论文）发动机制冷试中进排气压力检测分析及故障诊断.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求 答辩委员会签名 工作单位 职称 主席 委觅嘲a 彳 易潞嘭 导师 勿阮 长z 孚红旅 纰能励老碉南 侈夕涉足 跏苏炎 竹州再惮 厶山 l 似 吲 叫 俐 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作 学位论文储签字卉身签字日期 彬 年铀轴 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一盒旦墨王些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权金目墨王丝太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名 五 i 华 导师签名 彳 签字日期 劲 年易月新 签字日期 2 驴 年彭月西循 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 发动机冷试中进排气压力检测分析及故障诊断 摘要 发动机是车辆机械的动力源 作为汽车核心组成部件 其装配质量的好坏 直接影响整车的性能 发动机装配完成后 对其进行检测是保障发动机出厂质 量必不可少的一个环节 相比于传统的发动机热试检测 冷试检测具有测试时 间短 精度高 成本低 污染小等优点 越来越多的汽车厂商将其引入至发动 机装配线上 典型的发动机冷试检测项目主要包括扭矩检测 油压检测 正时检测 点 火检测 振动检测 进排气压力检测 其中进排气压力检测在冷试检测中是必 不可少的 它对分析发动机装配缺陷有极其重要的作用 本文结合江淮发动机 厂发动机在线检测项目 以h f c 4 g b 发动机为研究对象 对冷试中进排气压力检 测技术进行了系统而全面的研究 本文先从冷试基本原理 冷试试验台系统组成及冷试内容三个方面着手探 讨了发动机冷试系统 接着对发动机基本工作原理 换气过程及理想进排气压 力曲线进行了详细剖析 着重研究了冷试中进排气压力检测基本原理及数据采 集方式 针对进排气压力曲线总结出了可以反馈其故障信息的相关评判指标 并基于对h f c 4 g b 发动机常见装配故障进气门泄漏 排气门泄漏 正时链条错装 及火花塞漏装的分析 结合试验研究了不同故障模式下对应进排气压力曲线的 异同 最后本文还将专家系统引入至冷试中进排气压力故障诊断上 并完成了 冷试中进排气压力故障诊断专家系统的设计 本文冷试中进排气压力检测分析及故障诊断 作为发动机冷试技术的一个 分支 为后续发动机冷试试验台的研发起到了一个铺垫的作用 关键词 发动机 冷试 进排气压力 故障诊断 a n a l y s i sa n d f a u l td i a g n o s i so fi n t a k ea n de x h a u s tp r e s s ur et e s t i n g e c o l dtestin e n g i n e l e s t a b s t r a c t e n g i n ei st h ep o w e rs o u r c ea n dc o r ec o m p o n e n to fv e h i c l e s a n di t sa s s e m b l y q u a l i t yh a sd i r e c ta f f e c t i o no nt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fav e h i c l e t oe n s u r et h e o u t g o i n gq u a l i t y i ti sm u c hn e c e s s a r yt ot e s tt h ee n g i n ew h e nt h ea s s e m b l yf i n i s h e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lh o tt e s t t h ee n g i n ec o l dt e s th a st h ea d v a n t a g e so f s h o r tt i m e h i g ha c c u r a c y l o wc o s ta n dl e s sp o l l u t i o n e t c a sar e s u l t m o r ea n d m o r em a n u f a c t u r e r si n t r o d u c ei tt ot h ee n g i n ea s s e m b l yl i n e t y p i c a l l y t h ei t e m so fe n g i n ec o l dt e s ti n c l u d et h ed e t e c t i o no ft o r q u e o i l p r e s s u r e t i m i n g i g n i t i o n v i b r a t i o na n dt h ei n t a k ea n de x h a u s tp r e s s u r e b e c a u s eo f t h ei m p o r t a n tr o l ei na n a l y s i so fe n g i n ea s s e m b l yd e f e c t s t od e t e c tt h ei n t a k ea n d e x h a u s tp r e s s u r ei si n d i s p e n s a b l e b a s e do nt h ee n g i n eo n l i n et e s tp r o j e c to fj a c e n g i n ep l a n t t h ea u t h o rr e s e a r c h e so nt h et e c h n o l o g yo fd e t e c t i n gt h ep r e s s u r eo f i n t a k ea n de x h a u s tb y s e l e c t i n gt h eh f c 4 g be n g i n e a st h er e s e a r c ho b je c t s y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y f i r s t t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ee n g i n ec o l dt e s ts y s t e m i n c l u d i n gt h eb a s i c p r i n c i p l eo fc o l dt e s t t h et e s tb e n c hc o m p o s i t i o n a n dt h ec o l dt e s tc o n t e n t s t h e n ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ee n g i n ew o r k i n gp r i n c i p l e t h ep r o c e s sa n dp r e s s u r ec u r v e o fi d e a li n t a k ea n de x h a u s ti sc a r r i e do u t a f t e rr e s e a r c h i n go nt h ed e t e c t i o nt h e o r y a n dd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s e v a l u a t i o ni n d i c a t o r st h a tc o u l df e e d b a c kt h ed e f e c t s i n f o r m a t i o na r es u m m e du pb a s e do nt h ei n t a k ea n de x h a u s tp r e s s u r ec u r v e s u b s e q u e n t l y t h ea u t h o rs t u d i e st h ed i f f e r e n c e sa n ds i m i l a r i t i e so ft h ei n t a k ea n d e x h a u s tp r e s s u r ec u r v eu n d e rd if f e r e n tf a il u r em o d e s s u c ha si n t a k ea n de x h a u s t v a l v el e a k a g e w r o n gt i m i n gc h a i n i n s t a l l a t i o n s p a r kp l u g m i s s i n ga n d o t h e r c o m m o na s s e m b l yf a i l u r eo ft h eh f c 4 g be n g i n e a tl a s t t h ec o n c e p to fe x p e r t s y s t e mi si n t r o d u c e dt od e t e c tt h ed e f e c t so fi n t a k ea n de x h a u s tp r e s s u r e a n dt h e f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi sd e s i g n e da tt h es a m et i m e a sab r a n c ho ft e c h n o l o g i e so fe n g i n ec o l dt e s t t h em e t h o do f a n a l y z i n ga n d d e t e c t i n gt h ef a u l t so fi n t a k ea n de x h a u s tp r e s s u r ep l a yag u i d i n gr o l et o t h ed e s i g n a n dd e v e l o p m e n to f e n g i n ec o l dt e s ts u b s e q u e n t l y k e y w o r d s e n g i n e c o l dt e s t i n t a k ea n d e x h a u s tp r e s s u r e f a u l td i a g n o s i s 近三年的研究生生活即将结束 在这段宝贵的学习生涯中 许多可敬的师 长 同学 朋友给了我无言的支持和帮助 在此毕业论文成稿之际 谨以只言 片语表达我诚挚的谢意 首先 我最想感谢的是我的导师林巨广教授 在学习上林老师以渊博的知 识 严谨的科研作风认真指导我研究课题落实及论文撰写中遇到的疑难问题 在工作上林老师以勇于探索的创新精神 勤奋忘我的工作态度为我树立了学术 研究的榜样 在生活上林老师以勤俭的生活作风 朴实的为人之道给了我无数 悉心关怀 从他身上学到的不仅仅是知识 更宝贵的是如何做人 如何做事 这些对即将步入社会的我来说是比莫大的财富 同时 感谢合肥工业大学汽车装备工程技术研究所的谢峰老师 任永强老 师 王淑旺老师 陈娃欣老师 丁苏赤老师在我的研究生三年的学习生活中给 予的指导和帮助 他们一丝不苟的学习作风 严谨求实的科研态度 踏踏实实 的工作精神都是我以后学习的榜样 感谢巨一自动化装备有限公司的所有领导 及同事 他们提供平台让我学到了很多在课本上接触不到的知识 我还要感谢江淮发动机厂的朱振东工程师 他的宝贵意见帮助我开拓了研 究思路 还有我朝夕相处共同学习的同窗好友和师兄弟们 感谢他们给我的帮 助 与他们共同度过的学习时光将一直珍藏在我的记忆里 感谢我远在家乡的家人和朋友 他们这么多年来给我学业上的支持和鼓 励 是我一直以来的动力源泉 在此远在异乡的我向他们送上最衷心的祝福 他们健康快乐是我最大的心愿 最后 我要感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家 教授 感谢他们在百忙之中抽空给予我悉心的指导 作者 许华 2 0 11 年4 月18 日 目录 第一章概论 1 1 1 课题的研究背景 目的及意义 1 1 1 1 研究背景 1 1 1 2 目的及意义 2 1 2 发动机装配质量在线检测技术 2 1 2 1 热试检测 2 1 2 2 冷试检测 4 1 3 国内外发展状况 5 1 3 1 国外情况 5 1 3 2 国内情况 6 1 4 本论文主要研究内容 6 第二章发动机冷试系统探讨 8 2 1 冷试目的及工作原理 8 2 1 l 冷试目的 8 2 1 2 冷试工作原理 8 2 2 冷试试验台系统组成 9 2 2 1 机械系统 1 0 2 2 2 数据采集分析系统 1 0 2 2 3 控制系统 1 2 2 3 冷试试验内容 1 2 2 3 1 冷试试验基本步骤 1 2 2 3 2 冷试试验流程 1 3 2 3 3 冷试检测项目 1 4 2 4 本章总结 j 1 8 第三章冷试中发动机换气过程分析 1 9 3 1 发动机基本工作原理 1 9 3 2 发动机换气过程分析 2 0 3 2 1 基本换气过程 2 0 3 2 2 换气过程中进排气压力的变化 2 1 3 2 3 进排气系统一维非定常流模型 2 4 3 3 理想进排气压力曲线 2 4 3 4 本章小结 2 6 第四章冷试中进排气压力检测分析 2 7 4 1 冷试中进排气压力检测基本原理 2 7 4 1 1 进气压力检测 2 7 4 1 2 排气压力检测 2 8 4 2 进排气压力数据采集及存储 2 9 4 2 1 上止点位置信号的确定 2 9 4 2 2 数据同步采集的实现 3 0 4 2 3 数据的存储 3 2 4 3 冷试中进排气压力曲线评判 3 2 4 4 1 进气压力曲线评判指标 3 3 4 4 2 排气压力曲线评判指标 3 4 4 4 实例分析 3 5 4 5 本章小结 3 8 第五章冷试中进排气压力故障诊断 3 9 5 1 发动机冷试故障映像 3 9 5 1 1 故障映像的概念及目的 3 9 5 1 2 故障映像的实施 3 9 5 2 试验及典型故障案例分析 4 0 5 2 1 进气歧管漏装密封圈故障对应故障曲线分析 4 0 5 2 2 排气门泄漏故障对应故障曲线分析 4 1 5 2 3 正时不当故障对应故障曲线分析 4 5 5 2 4 火花塞漏装故障对应故障曲线分析 4 8 5 3 冷试中进排气压力故障诊断系统研究 5 1 5 3 1 专家系统的引入 5 1 5 3 2 冷试中进排气压力故障诊断专家系统方案 5 1 5 3 3 冷试中进排气压力故障诊断专家系统设计 5 2 5 4 本章小结 5 6 第六章总结和展望 5 7 6 1 总结 5 7 6 2 展望 5 7 参考文献 5 9 攻读硕士学位期问发表的论文 6 2 插图清单 图卜1 各种发动机采用冷试和热试的比例 2 图1 2 发动机热试试验台 3 图1 3 发动机冷试试验台 4 图2 1 冷试工作原理示意图 9 图2 2 冷试试验台系统结构 9 图2 3 冷试试验台机械系统结构 1 0 图2 4 数据采集分析系统功能框架 1 l 图2 5 冷试试验台用户界面 1 2 图2 6 冷试试验工作周期 1 3 图2 7 冷试中扭矩检测曲线 1 4 图2 8 冷试中机油压力检测曲线 1 5 图2 9 冷试中正时检测曲线 1 6 图2 1 0 冷试中点火检测曲线 1 6 图2 1 1 冷试中w t 检测曲线 1 7 图2 1 2 冷试中振动检测频谱图 1 8 图3 1 四冲程汽油机工作循环示意图 1 9 图3 2 发动机换气过程示意图 2 0 图3 3 汽缸作为控制容积 2 2 图3 4 理想进排气压力曲线 2 5 图4 1 冷试中进排气压力检测原理 2 7 图4 2 冷试中进气压力检测示意图 2 8 图4 3 冷试中进气压力检测曲线 整机测试 2 8 图4 4 冷试中排气压力检测曲线 2 9 图4 5 冷试中进排气压力数据采集原理 2 9 图4 6c p s 的结构 3 0 图4 7 同步采集流程图 3 1 图4 8 冷试中进气压力曲线评判指标示意图 3 3 图4 9 冷试中排气压力曲线评判指标示意图 3 4 图4 1 0 测试不合格界面 3 5 图4 一1 1 不合格指标界面 3 6 图4 1 2 故障凸轮轴实物图 3 7 图5 1 进气歧管密封圈漏装对应进气压力故障曲线 4 0 图5 2 进气歧管密封圈漏装对应进气压力故障曲线与合格曲线对比图 4 0 图5 3 排气门泄漏对应进排气压力故障曲线 4 2 图5 4 排气门泄漏对应进排气压力故障曲线与合格曲线对比图 4 3 图5 5 正时不当对应进排气压力故障曲线 4 5 图5 6 正时不当对应进排气压力故障曲线与合格曲线对比图 4 6 图5 7 火花塞漏装对应进排气压力故障曲线 4 8 图5 8 火花塞漏装对应进排气压力故障曲线与合格曲线对比图 4 9 图5 9 冷试中进排气压力故障诊断专家系统结构 5 l 图5 1 0 专家系统的故障诊断流程 5 2 图5 1 1 系统主界面 5 4 图5 1 2 知识库管理界面 5 5 图5 1 3 在线诊断界面 5 5 图5 1 4 信息查询界面 5 5 图5 1 5 故障诊断界面 5 5 图5 1 6 诊断结果界面 5 5 图5 1 7 诊断系统自学习流程 5 6 表格清单 表3 一l 发火顺序为i 3 4 2 工作循环表 2 0 表4 1 曲轴转角和进排气压力同步采集数据 3 1 表4 2 某型发动机冷试进气压力曲线各评判指标极值范围 3 3 表4 3 某型发动机冷试排气压力曲线各评判指标极值范围 3 5 表4 4 故障实例对应各评判指标实测数据 3 6 表5 一l 进气歧管密封圈漏装对应故障特征指标 4 1 表5 2 排气门泄漏对应故障特征指标 4 3 表5 3 正时不当对应故障特征指标 4 7 表5 4 火花塞漏装对应故障特征指标 5 0 第一章概论 1 1 课题的研究背景 目的及意义 1 1 1 研究背景 随着我国经济的飞速发展 汽车工业取得了非常大的成就 汽车工业作为 我国制造业的支柱行业 在国民经济中所占比重也日益增重 相比于美国 日本和德国等这些汽车制造工业和研发能力较强的国家 由于我国汽车产业起 步较晚 距离那些发达国家在汽车产品设计研发能力 生产制造技术和质量检 测监控等方面尚有一定差距 如何利用先进的检测设备和技术 使中国汽车制 造商及时发现设计和装配中的缺陷 以高质量的产品满足客户的需求 已经成 为中国汽车行业目前亟待解决的问题 发动机作为汽车的核心部件 其整个生产过程由发动机的零件加工 发动 机装配及发动机生产试验三个部分组成 保证及提升发动机装配质量是保障汽 车整车质量的前提条件 因此 发动机装配完成之后 对其装配质量进行在线 检测 是汽车整车性能检测中一个重要的组成部分 生产试验作为发动机生产 过程的最后环节 可以综合检验发动机的零件加工质量和发动机的装配质量 通过生产试验不仅可以发现早期装配缺陷 保证装配质量并提升装配技术 还 可以使装配故障控制在装配线内 避免不合格产品流出工厂 因此 发动机装 配质量在线检测对发动机早期装配故障的发现以及对设计的改进起着举足轻 重的作用 它是现代化精益生产和目标管理中的一个重要环节 在2 0 世纪9 0 年代 美国通用 德国宝马 奔驰 日本丰田 意大利菲亚 特等著名汽车公司所生产的发动机在其总成装配完成之后都要进行数十分钟 的热试检测 用来检查发动机的装配质量 虽然热试检测能比较接近的模拟发 动机在汽车行驶过程中的工作状况 但由于热试节拍慢效率低 使用成本高 且在试验过程中所产生的废气对环境造成了一定的污染 目前正逐渐退出发动 机出厂检测的舞台 在节约成本 保护环境以及提升发动机质量的综合需求下 冷试技术应运而生心 冷试检测 作为一种新型的发动机装配质量在线检测方式 具有测试时间 短 使用成本低和测试精度高等优点 近几年来 在发动机冷试检测技术的进 步提升下 国外一些著名汽车公司开始采用以冷试检测为主 热试检测为辅 冷试和热试有机结合的检测方式 这种方式作为一种新的发展方向 它符合精 益生产的哲理 而我国国内大部分汽车发动机制造厂商主要还是采用热试试验 的方式 伴随着国内汽车行业的发展与成熟 这些发动机制造厂商也开始意识 到了冷试技术的优越性 已有部分企业引进和使用冷试检测设备 冷试技术的 应用 不仅是发动机制造厂商提升自身企业水平的一种手段 也是当今世界各 国汽车发动机生产试验的一种潮流和发展趋势 在图卜l 所示各种发动机采用 的冷试和热试的比例中 我们可以看到 不论是汽油机还是柴油机 热试检测 所占比例都有相当幅度的下降 而冷试检测所占的比例正在逐步提升口1 嚣 j j g 蘖 捷 热静汽油机 x 一由机 黼 j 蝶 冷试端油机 一卜型柴 二 一袁型一 图卜1 各种发动机采用冷试和热试的比例 鉴于国内尚无自主知识产权的冷试试验台以及国内发动机厂商对冷试试 验台的现实需求 冷试技术的研究及冷试试验台的开发已成必然 1 1 2 目的及意义 冷试技术的研发正成为国内汽车工业和学术研究的热点 已有许多高校和 企业正积极开展这方面的工作 本文课题依托合肥工业大学汽车装备技术研究 所与江淮汽车股份有份公司 主要目的是 以江汽自主品牌某型发动机的实际 生产 装配 测试为基础 以发动机理论知识为导向 对发动机进排气过程中 冷试技术的理论及应用进行探讨 为后续冷试试验台的研发工作做铺垫 本课题的意义在于 从研究角度出发 利用发动机工作原理知识来分析冷 试检测技术 提炼技术中蕴含的学术价值 从知识产权角度出发 为冷试试验 台的自主研发奠定了基础 形成自己的知识产权 从产业化角度出发 课题成 果直接应用到产品 体现产学研相结合的精髓 从社会效益角度出发 缩短我 国发动机在线检测技术与国外的差距 提升我国发动机检测技术的水平 1 2 发动机装配质量在线检测技术 目前 国内外发动机装配质量的检测普遍采用以下两种 热试检测 h o t t e s t 和冷试检测 c o l dt e s t h 儿副 1 2 1 热试检测 1 2 1 1 概念 热试检测可以这样定义 发动机在装配线上装配完毕后 将其运送到测试 试验台上 在连接水 油 电 气之后 点火启动发动机 在热力状态下按工 2 艺要求完成所需转速或负荷工况下的测试 如图卜2 所示为某厂商生产的发动 机热试试验台 图卜2 发动机热试试验台 1 2 1 2 分类 热试分类方式很多 根据不同的形式 热试的分类也不同 按载荷状态 分 可分为加载和空载两种 按启动方式分 可分为外部动力启动和自身车 用启动电机启动两种 按装配状态分 可将热试检测分为发动机已装配或未 装配变速器进行的热试状态磨合 按运转方式 有依程序自动运转和手动控 制运转两种方式 按物流方式来分 分为手动方式以及自动输送方式 根 据外部供用系统 燃油 冷却液 压缩空气等 的供应方式可分为开环方式及 闭环方式 按燃料供给方式 可以分为柴油 汽油 天然气等单燃料形式 以 及双燃料形式或者燃料电池等 每一种方式都有其自身的特点 不同用户可根 据实际需要选择不同的方式 1 2 1 3 检测项目 发动机热试基本检测项目有 发动机启动检测 调速测试 怠速稳定性测 试 节温器开启时间和温度检测 发动机正时 出水温度 排气温度 排气背 压 点火系统故障 发动机控制模块故障 机油泄漏 振动噪声 尾气排放测 试等阳1 1 2 1 4 优缺点 1 热试优点 热试试验在发动机着火的过程中开展 能够真实地发映出发动机的一定 工作状况 可以发现发动机在实际运转过程中的某些问题 能够满足多品种发动机共平台的试验要求 设备的通用性和扩展性较 好 单机设备投资低 通过热试发动机完成一次热磨合 可以达到降低零件表面粗糙度以及提 高零件的配合质量的目的 以保证发动机的正常使用 2 热试缺点 3 热试试验需要有相应的辅助物流系统和专门的测试场地 通常试验时间控制在l o 2 0 m in 左右 试验时间比较长 所以实际应用 中需要大量的热试试验设备同时开展工作以保证跟生产节拍同步 需要大笔的 资金来购买设备 由于热试试验过程中须向发动机中加入燃油 试验过程中发动机会产生 废气 这不仅对环境造成污染 还影响员工的身体健康 1 2 2 冷试检测 1 2 2 1 概念 冷试可以这样定义 发动机完成冷试检测前所必需的装配后 托盘载着发 动机到达冷试检测工位 发动机不点火而直接由冷试试验台上的驱动装置拖动 发动机飞轮进行运转 在不同检测阶段 通过安装在冷试试验台上的各种传感 器采集相关信号 对信号进行处理后将其同基准模板进行对比和分析 进而对 发动机装配质量进行判定的一种方法 因发动机在试验中不加入燃油不存在燃 烧 试验结束后发动机温度不高 故简称为冷试盯1 冷试试验台通常安装在发 动机装配线的尾部 如图1 3 所示为某厂商牛产的伞自动发动机冷试试验台 图卜3 发动机冷试试验台 1 2 2 2 分类 发动机冷试检测可分为半自动检测和自动检测两种 所谓半自动测试系统 是在发动机冷试试验开始前 需人工将各种管路连接到发动机上 然后进行测 试 而自动检测就是在发动机冷试试验开始前 冷试试验台自动将各种管路连 接到发动机上 根据不同的测试要求选择不同的类型 因为在不同的测试要求 之下 发动机进入冷试检测工位时的状态是不相同的 比如是否需要在冷试试 验时安装连接线束 是否需要安装进气管 是否需要安装排气管等 1 2 2 3 检测项目 发动机冷试基本检测项目有 扭矩检测 机油压力检测 发动机正时 点 火检测 可变气门测试 振动噪声 进气压力检测 排气压力检测等 1 2 2 4 优缺点 4 1 冷试优点 冷试可以检测到产品更多的缺陷 返修操作员可以知道有关故障的更多 信息 采用冷试试验技术 在装配过程初期可以发现故障 将缺陷控制在生产 线内 保证在对发动机破坏之前能够发现故障 提高了总体装配质量水平 更快的测试周期 是热试的1 1 0 测试空间占地小 完成在装配线上测 试 柔性好 可按客户要求定制产品 由于测试过程中发动机是直接由电机拖动 无需燃料或工艺用水 没有 废气 废油和噪声等 2 冷试缺点 由于冷试试验过程中发动机不点火 不存在燃烧 不能检测发动机在热 力循环下相关的缺陷 如排放污染的缺陷 冷试试验过程中发动机处于稳定阶段的时间很短 冷试试验台不可避免 有时会给出错误警告 由于故障映像的需要 在建立故障数据库之初 要求对该平台的发动机 的相关参数进行大量的试验 相关资料介绍基础数据的建立至少需要对1 0 0 0 0 台以上的发动机进行参数测定 所以 起初阶段需要大量细致的工作阳 引 鉴于上述冷试检测中存在的不足 s c h e n c k 公司建议 采用冷试检测取代 热试检测 装配完成的发动机在1 0 0 冷试试验之后再采用1 0 3 0 热试试验 作为统计过程控制 s p c 之用 以弥补冷试试验的不足 从而更好的保证发 动机出厂的合格要求 这个建议不仅比较稳妥而且其费用可以节约2 0 3 0 1 3 国内外发展状况 1 3 1 国外情况 早在上个世纪九十年代 许多欧美的公司就已经开始了冷试试验方面的研 究 以英国为基地的卢卡斯组装试验系统 l u c a sa s s e m b l y t e s ts y s t e m 公 司 于1 9 9 3 年在德国科隆市的k h d 发动机厂安装了一套设备 包括两个全自 动化的a c t v i p 先进的冷试试验 过程中的检验 系统 其中一套系统用于 d e u t zm o t o r 公司额定产量为7 0 0 0 0 台的1 0 1 2 和1 0 1 3 系列4 缸和6 缸发动机 工 作容积为3 7 l 缸 的冷试试验 当时 卢卡斯组装试验系统公司在欧洲地区 的负责人p e t e rs m a l l w o o d 就曾指出 先进的冷试试验正开始并用于发动机研 制阶段 它的真正前景可能是被编入生产线用于生产 或者用于将信息反馈到 生产线中相关点的最后试验 后来 美国的g m 公司和克里斯特公司 c h r y s l e r 也开始开展了大量关于汽油机冷态试验方面的工作 并都已经在他们的各工厂 都安装了冷试验设备 以用来检验发动机的装配质量 以取代热试试验 1 最近几年 奥地利的a v l 公司 英国的l u c a sa s s e m b l y t e s ts y s t e m 公 5 司 德国的j wf r o e h l i c h 公司 s i e m e n s 公司 j o h a n na k r a u s e 公司 美 国的a t w 公司 g m 公司 a b b 公司 c h r y s l e r 公司等 都在大力研究冷试技术 并开发冷试试验设备 德国s i e m e n s 公司 j wf r o e h l i c h 公司 美国a t w 公司 a b b 公司等开发的冷试检测设备在国外已被一些著名汽车厂家在生产实际中所 应用阴 引 最近美国通用汽车公司新建的一个发动机厂 采用冷试检测完全取 代热试检测的发动机装配质量检测方式 为保证发动机出厂质量 该厂还采取 了以下一系列措施 1 严格控制发动机上的所有机加工件和外协件质量 2 确保要对送入发动机装配线之前的总成进行性能试验 如节温器性 能试验 水泵性能试验 机油泵性能试验 进 排气管泄漏试验 油底壳泄漏 试验等都必须合格 3 在每一装配工序后都要进行相关检测 如装配过程中的多次泄漏检 查工序 在装完曲轴 凸轮轴 正时链轮之后检测摩擦力矩是否合格 在活塞 连杆总成装完之后对发动机再次进行第二次摩擦力矩的检测n 们n 1 1 3 2 国内情况 由于国情的限制 目前国内发动机的出厂检测手段仍以热试检测为主 在 热试方面 我们进行了较长时间的开发和实际生产应用 如北京机械工业自动 化研究所 东南大学和浙江大学等 最初是对国外技术和设备进行消化吸收 然后到自主研发 发展到目前的具有自动对接 交流变频 以太网和现场总线 移动数据 组态软件等集成技术 如今 具有自主知识产权的试验设备在国内 许多著名汽车发动机生产厂商中应用效果良好 国内在冷试方面 仍属风毛麟角 除了一汽大众 上海通用 奇瑞 上海 通用五菱 麦格纳动力系统 北京现代 江淮汽车等公司从国外引进了数台发 动机冷试试验台外 其它汽车厂商还未见到将冷试技术应用于发动机装配质量 检测上口引 冷试试验台的研发 事先需要做大量的数据收集和分析 以开发专 门的数据库 而且数据库一般只对同一平台的发动机适用 工作量很大 国内 目前还没有真正公开报道有关冷试试验台研制成功的消息 但是 国内各汽车 发动机生产厂商也开始意识到了冷试技术的优越性 冷试技术和冷试装备有望 在国内流行 目前 已有一些研发部门及高校研究所着手了对发动机冷试试验 台的研发工作 相信在不久的将来 自主研发的冷试试验台会成功在国内汽车 发动机生产厂商中得到运用 1 4 本论文主要研究内容 本文以h f c 4 g b 发动机冷试试验为基础 从探讨发动机冷试系统着手 以 发动机工作原理及换气过程为理论导向 着重对发动机冷试中进排气压力检测 技术进行了研究及分析 深度剖析了在冷试中如何根据进排气压力曲线对发动 机装配质量进行评判 总结和分析了不同装配故障模式下对应故障曲线的异 6 同 最后引入了基于专家系统的故障诊断技术 完成了冷试中进排气压力故障 诊断专家系统的设计 本文主要的研究内容按章节介绍如下 1 第一章绪论主要介绍了本文的研究背景 目的和意义 对发动机装 配质量在线检测的两种检测方式热试检测和冷试检测展开了讨论 比较了两者 各自的优缺点 接着阐述了冷试技术目前在国内外的发展现状 最后介绍了本 论文的主要研究内容 2 第二章对发动机冷试系统作了一个探讨 便于整体上理解和把握发 动机冷试技术 首先阐述了冷试试验的目的 然后分析了冷试试验的基本原理 及冷试系统组成中的机械系统 控制系统 数据采集系统三个子模块 接着从 冷试试验的基本步骤 冷试试验流程 冷试试验的检测项目三个方面进行了展 开 研讨了整个冷试试验的步骤及内容 3 第三章冷试中发动机换气过程分析 首先就本文研究对象h f c 4 g b 四 缸四行程汽油发动机 对该发动机的基本工作原理作了阐述 然后研讨了该发 动机的换气过程及换气过程中的进排气压力变化 最后重点对理想进排气压力 曲线进行了分析和研究 为后续章节中研讨进排气压力曲线评判指标作理论导 向 4 第四章以前文介绍的内容为基础对冷试中进排气压力检测进行了分 析 本章研究的内容从以下三方面进行展开 第一 分别从进气压力检测和排 气压力检测入手 分析了冷试中进排气压力检测的基本原理 第二 研究了进 排气压力检测过程中进排气压力数据的采集以及数据的存储 第三 研究并总 结了冷试中进排气压力曲线的评判指标 5 第五章承接于前文进一步展开了对冷试中进排气压力故障诊断的研 究 首先阐述了冷试故障映像的概念 接下来围绕h f c 4 g b 发动机冷试中涉及 进排气压力的几种典型装配故障发动机进行了试验 分析和研究不同故障模式 下对应进排气压力故障曲线的异同 最后引入了基于专家系统的冷试中进排气 压力故障诊断思想 完成了对冷试中进排气压力故障诊断专家系统的设计 6 第六章总结全文 并对本文的进一步研究工作提出了建议和展望 7 第二章发动机冷试系统探讨 发动机装配完成后 通过试验对其装配质量进行检测异常重要 冷试作为 发动机生产试验中的一种 在前文中只对其基本概念和优缺点进行了阐述 到 底通过冷试要达到什么样的目的 其冷试检测基本工作原理及系统组成是什 么 通过哪些检测项目来实现对发动机装配质量的最后把关 本章将根据以 上疑问进行展开 对发动机冷试系统作一个整体分析 2 1 冷试目的及工作原理 2 i 1 冷试目的 根据中华人民共和国国家标准汽车发动机出厂技术条件 g b 3 7 9 9 8 3 其技术要求中提到 发动机应按经规定程序批准的装配技术条件进行装配 并 装备齐全 装配后的发动机 应按经规定程序批准的工艺和技术条件进行冷 热磨合 发动机进气歧管真空度应处于基准范围内 在规定转速下 机油压力 应符合原设计规定 发动机起动运转稳定后 只允许正时齿轮 机油泵齿轮 喷油泵齿轮及气门脚有轻微均匀响声 不允许活塞销 连杆轴承 曲轴轴承有 异响和活塞敲缸及其它异常响声 发动机不应有漏油 漏水 漏气 漏电现象 因此 针对以上几条技术要求 发动机在出厂之前可通过冷试试验保证发动机 的出厂质量 冷试主要目的在于检验零部件质量以及发动机装配过程中所出现的一些 装配故障 如通过扭矩检测和振动检测来核实发动机是否漏装错装零部件及存 在异响 通过机油压力检测来核实机油压力是否达到出厂要求 通过正时检测 来核实发动机正时配套部件是否合格及安装是否正确 通过进排气压力检测来 核实发动机配气机构的装配情况 通过点火检测来核实发动机点火系统的零部 件质量及装配情况 通过v v t 检测来核实发动机可变气门正时系统的零部件质 量及装配情况等 所以 冷试更多的是强调对发动机装配过程中可能出现的装 配故障方面的一种检测 2 1 2 冷试工作原理 之所以可以通过冷试试验来判定发动机装配质量合格与否 主要利用了故 障映像技术的原理 其基本工作原理可以简要概括如下 1 同类型发动机 如果设计 制造和装配都没有误差的话 它们之间 就会拥有共同的 信号特征 即发动机在测试过程中所采集到的各项参数均 在合格范围内 2 对大量已知的合格发动机进行数据检测 所采集到的特性参数处于 一定的范围内 依据此范围从而可以建立各特征参数的极限值 将极限值确定 为测试基准 8 3 如果对某台发动机进行测试后 其所采集到的特性参数与正常值之 间出现明显偏差 即所测特性参数超出测试基准范围 则表明该发动机存在某 些缺陷或故障 冷试工作原理可形象表示如图2 1 所示 图2 1 冷试 丁作原理示意图 2 2 冷试试验台系统组成 从发动机进入冷试检测工位 一直到冷试试验结束 这其中包括了发动机 在试验台上的夹紧定位 各类封堵装置的联结 伺服电机及传感器的响应 数 据的采集分析等一系列功能要求 要完成这些功能 要求一台完整的冷试试验 台必须包含以下三大系统 机械系统 数据采集分析系统以及控制系统 三个 子系统之间相互协调配合 完成整个冷试试验台的系统功能 整个冷试试验台 系统结构如图2 2 所示 图2 2 冷试试验台系统结构 9 2 2 1 机械系统 机械系统由为各参数采集而设计的试验台架 驱动 定位 央紧 举升和 封堵等机构组成 如图2 3 所示为冷试试验台机械系统结构 1 床身 2 驱动机构 3 封堵装置 4 一夹紧机构 5 托盘机构 6 抬起定位机构 图2 3 冷试试验台机械系统结构 冷试台机械系统结构中 床身作为整个试验台的支撑 当发动机在高速运 转的过程中 床身会产生机械振动 为使试验台的振动降至最低限度 通常需 要对床身采取有效的隔振措施 如采用整体铸造形式或加隔振垫块 驱动部分 负责拖动发动机进行运转 其通常采用交流伺服电机 不但转速稳定且均匀 还可以保证高精度测量和提高测量重复精度 在电机后面 装有一扭矩传感器 用来对发动机运转过程中的扭矩值进行测量 台架上的封堵装置主要用来对冷 试试验时发动机上一些对接口进行密封 夹紧机构 托盘机构 抬起定位机构 是为了保证发动机在冷试试验台上的精准定位 这些机构除了要求具有足够高 的配合精度之外 还都应具有足够的刚性 否则容易在强烈的振动下产生挠性 变形 影响测试结果 2 2 2 数据采集分析系统 数据采集分析系统是冷试试验台系统中的核心组成部分 它是发动机性能 分析和故障诊断的平台 由于发动机结构复杂 所测项目众多 为了得到多通 道动态的连续数据 要求系统必须具备很高的采集速率和处理机制 随着科学 技术的进步 虚拟仪器技术愈来愈成熟 在本课题所研究的冷试试验台中 也 搭建了基于虚拟仪器的数据采集分析系统平台 下面依次从系统功能结构 系 统硬件和系统软件三方面展开对数据采集分析系统进行分析 1 系统功能结构 不同的装配质量参数 冷试试验的实施方案也会不一样 从最开始的传感 器采集数据信号 到最终发动机装配质量合格与否的显示 都要求以虚拟仪器 技术为核心而搭建起来的数据采集分析系统必须具备以下几方面的功能 数据 1 0 采集 数据分析 故障诊断 显示 存储以及其它辅助功能 数据采集分析系统功能框架如图2 4 所示 由于数据是在发动机高速运转下进 行采集 而且一系列检测项目都要求同步 采集曲轴转角信号 比如发动机的扭矩值 进气压力 排气压力 正时信号等等 因 此 为了实现高精度的测试 这就要求必 须开发高速多通道动态数据采集系统 并 且实现同步采集功能 由于发动机装配现场 冷试试验台会 受到外界的干扰 比如电源的干扰 电脑 显示器的干扰 各种试验仪器的电磁波干 扰等 这些干扰都会影响发动机的最终测 试结果 因此 在数据分析之前必须采用 一些方法将干扰信号尽量去除 硬件方面 常通过使用屏蔽信号线 采用正确的接地 措施等来进行抗干扰 软件方面经常采用 采样数据的标度变换 数字滤波和采样数 据的平滑处理等u 副 2 系统硬件 各类传感器 上 调理电路 i 工上 l 数据采集卡 同步数据采集 上j r l 计算机系统 0 i 虚拟仪器 l上li上 数数数 数 苴 据据故据据它 采分障显存辅 集析 诊 不储助 功功 断 功功功 能 能能能能 图2 4 数据采集分析系统功能框架 不同的检测项目需要不同的传感器 通常包含光电编码器 扭矩传感器 压力传感器 磁场传感器以及加速度传感器 除了上述传感器之外 为了搭建 基于虚拟仪器技术的数据采集分析系统 还必须利用计算机的处理器 存储器 显示器 信号调理器 采集卡等硬件设备 在这些硬件平台的基础上 通过调 用开发的应用软件来实现试验台数据的检测采集任务 3 系统软件 软件方面 发动机冷试试验台系统采用的是当前使用最为广泛的l a b v i e w 虚拟仪器开发平台 l a b v l e w 是实验室虚拟仪器集成环境 l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称 由美国国家仪器公司 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i 推出 1 l a b v l e w 作为一种公认为标准的 数据采集和仪器控制软件 包括数据采集 数据显示 数据存储 g p i b 串行 仪器控制及数据分析 目前广泛应用于学术界 工业界和研究实验室 l a b v i e w 提供很多外观与传统仪器 如示波器 万用表 类似的控件 可用来方便地创 建用户界面 引 如图2 5 所示就是使用l a b v i e w 语言搭建起来的冷试试验台用户界面 在 用户界面上可以显示每个检测项目的波形图 测试结果 还可以通过界面修改 电机转速 传感器信号 各机械机构状态信号传回到p l c 并由p l c 发出控制命 令送给各执行器 所以 在此环节中 p l c 还担任部分信号的采集任务 2 3 冷试试验内容 通常情况下 针对不同性质的发动机试验 都有相应的发动机试验规范 世界各国也都制定了自身相应的发动机测试试验标准 比如我国制定的标准就 有 发动机可靠性试验方法 q c 15 2 5 1 9 9 9 内燃机台架性能试验方 法 g s l l 0 5 3 1 9 8 7 汽车发动机定型试验规程 q c t 5 2 6 1 9 9 9 和 汽 车发动机性能试验方法 q c t 5 2 4 1 9 9 9 n 叫n7 1 但是冷试试验作为一种新兴 的试验方法 目前对于该试验还没有出台相关的试验标准 本文接下来所要分 析的冷试试验步骤与内容是结合美国a t w 公司所生产的发动机冷试台 在其针 对h f c 4 g b 型发动机试验规范的基础上进行归纳和总结的 发动机的型号不同 发动机生产厂商的要求不同 试验内容也会有所差别 2 3 1 冷试试验基本步骤 一个完整的冷试试验过程可以简要归纳为如下几个步骤n 引 1 在到达测试工位前 往发动机添加足量的