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时-频分析在汽车诊断上的应用

时-频分析在汽车诊断上的应用 2011年12月10日 来源： 一、 前言机械系统经过长时间使用后会产生过度的振动，通常是与机械的异常及故障有关[1>。事实上机械振动的改变可用于故障、过度磨损或结构损坏等的预测上[2>。振动分析法便是藉由正常运转与异常时振动的变化找出故障的振动的特征。目前工业界常使用的非破坏性检测方式如超音波、紫外线、磁粉探伤、涡电流检测等方法已行之多年，它们能够精确有效地找出旋转元件上的缺陷如轴及叶片裂痕，但这种离线(offline)检验方式的缺点是机械必须在完全静止的情况下才能实施。若要对旋转机械的运转有更完整的掌控，则需要能即时线上侦测(on-line detection)。本研究目的即在发展由引擎运转时量测的振动信号侦测引擎故障的技术。引擎正常时在怠速为稳定运转，但当某些异常情形发生时会造成引擎运转的不稳定。若将此不稳定的振动信号利用传统的傅立叶转换频谱分析，会造成频谱泄漏且振动特征频率模糊而不易辨別。一般动态信号的二维表式法采用时-频分析技术并且广泛用于旋转机械的故障诊断上[1,3,5>，另一方面亦用于医学工程上[3,5>。本研究采用短时间傅立叶转换(Short Time Fourier Transform)的时-频分析法[5>，探讨引擎振动信号与故障间的关系并予以解释。本文第一部份描述引擎产生的振动信号，第二部份则是描述时-频分析的原理，最后部份则是以中华三菱菱帅(Lancer)汽车实车测试，于怠速运转下以时-频分析正常运转与异常时的振动信号以找出故障时振动的特征。

二、引擎的振动信号

引擎中主要活动零件上所受的力包含三种：气体压力、往复运动部份的惯性力及转动部份上的惯性力与离心力。若引擎为低转速时气体压力为最主要之作用力，但当转速增高时，惯性力及离心力则变为重要。气体压力产生的曲轴瞬间扭矩与角度的关系式为：方程式(3)为引擎动态系统的输入，若假设h(θ)为动态系统的脉冲响应函数（可由模态测试求得），则引擎动态系统的输出可利用叠积(convolution)求出 ，因此可由此方法来估计引擎产生的振动信号。由于转动角度θ=ω×t，因此由上述可得知引擎的振动与曲轴转速间的关系。因为本研究中实验车辆为四行程四缸的引擎，动力间隔为180°，即曲轴转2圈会产生四次动力。这意谓着曲轴转一圈由方程式(1)中的sinθ项会出现两次，即为二阶次的振动（曲轴转速的二倍频）。因为曲轴转一圈有两缸产生动力，故方程式中sin2θ会出现四阶次振动。因此四缸四行程引擎的振动主要分布为二阶次及四阶次。这可由本次实验车辆的转速位于840rpm，而振动信号主要分布在14Hz(转速，即一阶次)、28Hz(二阶次)、56Hz(四阶次)，其中一阶次振动系因转动件配重不平衡所导致。三、时-频分析原理时域信号经由傅立叶转换可得到频谱分布，但是对于不稳定的时间信号而言仅可保有频率域的资讯，但某一时间点的频率分量则无法得知。时-频分析采用所谓的短时间傅立叶转换，则是将不稳定的时域信号分为许多区段，并乘上相同长度的视窗[本研究采用4096点的汉宁(Hanning Window)视窗>，经由傅立叶转换再映射成时间－频率的二维函数。其中每一段信号的时频转换(Spectrogram)如下式所示：四、实验设备实验使用三菱菱帅(Lancer)，排气量1600㏄，电脑控制喷射，横置式线列四缸四行程之电子点火引擎。其基本设定为点火正时于上死点前10°点火，火星塞间隙0.9mm。实验时引擎在正常运转及各种故障测试时皆将排档杆置于P档，引擎为怠速(即气门关闭)无负载状态下的定速运转。使用DYTRAN Model 3136A型加速度规(加速度规1)于活塞冲击面量测引擎的横向振动，及Model 3031BG型加速度规(加速度规2)量测引擎曲轴轴向振动。由于引擎长时间运转后汽缸表面温度极高，经由Fluke 78量测会超过加速规之最大工作温度250℉。为了防止加速度规损坏，本实验于加速规底座裝设有电木用于隔热，振动量测位置如图一所示。四、实验设备实验使用三菱菱帅(Lancer)，排气量1600㏄，电脑控制喷射，横置式线列四缸四行程之电子点火引擎。其基本设定为点火正时于上死点前10°点火，火星塞间隙0.9mm。实验时引擎在正常运转及各种故障测试时皆将排档杆置于P档，引擎为怠速(即气门关闭)无负载状态下的定速运转。使用DYTRAN Model 3136A型加速度规(加速度规1)于活塞冲击面量测引擎的横向振动，及Model 3031BG型加速度规(加速度规2)量测引擎曲轴轴向振动。由于引擎长时间运转后汽缸表面温度极高，经由Fluke 78量测会超过加速规之最大工作温度250℉。为了防止加速度规损坏，本实验于加速规底座裝设有电木用于隔热，振动量测位置如图一所示。图一实验量测位置图加速度规1：量测引擎横向振动信

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