冷試是一種檢測發動機裝配過程錯誤及發動機零件缺陷的方法。
冷試臺架有專門的電氣系統及機械機構,使用交流伺服電動機通過特殊機構與發動機的曲軸相連接,以不同的轉速來拖動被測試發動機。
在發動機不噴油、不燃燒的情況下使用傳感器收集各項數據,並通過特殊的算法對採集的數據進行處理,並將處理結果與指定的限定值比較,進而評判該發動機裝配、零部件是否存在缺陷。
冷試轉矩測試系統的基本構成
轉矩測試是檢測非燃燒狀態,發動機四個行程作用在曲軸上的作用力與反作用力。在測試時,進排氣道均與大氣相通,通過驅動電動機與曲軸之間的轉矩傳感器來檢測作用力。轉矩測試的主要測試項有轉矩最大值、轉矩最大值位置、轉矩最小值、轉矩最大值跨度和轉矩最小值跨度等,可評判發動機各處的密封性。冷試臺架上與轉矩測試相關的主要機構如圖1所示。
圖1 轉矩測試相關機構
1)進排氣封堵機構。進排氣封堵機構上的球閥控制測試過程中進排氣道是否與大氣相通;壓力傳感器檢測進排氣道的氣壓;消聲器用於減少噪聲並過濾空氣的雜質。
2)夾緊機構。夾緊機構上的定位板及定位銷用於發動機在冷試臺架上起到定位及支持作用;液壓夾緊臂用於固定發動機。
3)驅動機構。驅動機構上的夾爪夾緊工藝飛輪用於連接並驅動曲軸;轉矩傳感器用於檢測作用力;驅動伺服電動機是驅動曲軸旋轉的動力源。
冷試轉矩測試波形分析
在轉矩測試過程中,發動機進排氣道需要與大氣相通,伺服電動機通過驅動曲軸,模擬發動機進氣、壓縮、做功及排氣四個行程,波形如圖2。
圖2 轉矩測試波形
當伺服電動機主動作用於曲軸上時,這一作用力取值為正,當伺服電動機承受反作用力時,取值為負。以常見的直列四缸汽油發動機舉例,點火順序為:一缸→三缸→四缸→二缸(表1)。
表1 直列四缸汽油發動機工作行程
在壓縮行程,伺服電動機持續給曲軸施加力矩,讓氣體壓縮,因此在壓縮行程冷試轉矩測試的波形為正值。當壓縮行程活塞處於上止點時,伺服電動機作用在曲軸上的力最大,可以認為轉矩最大值位置對應壓縮上止點位置。過了壓縮上止點,進入「做功」階段,由於壓縮氣體自行急劇膨脹,推動活塞下行,這時候是曲軸給伺服電動機施加力矩,因此在冷試轉矩測試的波形為負值。由於發動機四個缸相互作用,當一缸進入做功行程時,三缸開始進入壓縮行程,所以轉矩最小值位置不能代表是活塞下止點,而是活塞下行,接近下止點的某個位置。
根據以上轉矩測試原理的基本信息,可通過轉矩測試波形的變化來對應發現關聯零件及製造過程的潛在缺陷。表2列出一些常見的缺陷與轉矩測試的對應表現,結合發動機工作原理與冷試轉矩測試的基本原理可以分析出相關零件及製造存在缺陷時轉矩測試波形的表現,本文暫不對該部分內容進行詳細分析及闡述。
表2 常見的缺陷與轉矩測試的對應表現
在多年生產運行過程中,遇到一個較為典型的轉矩測試波形異常問題,當時排查了發動機零件、絕大多數冷試臺架的機械結構,最後是運用「紅叉」這一分析工具進行多因素排查,才最終鎖定其根本原因是進氣封堵消聲器髒造成的,這大大出乎攻關團隊成員的意料。具體轉矩測試表現的波形如圖3所示,一缸轉矩最大值明顯比其他三個缸大,設備各缸轉矩最大值跨度超上限不合格。查詢半年各缸轉矩最大值跨度的批量數據(圖4),發現是逐步變大的趨勢。
圖3 轉矩測試故障波形
圖4 各缸轉矩最大值跨度數據分布
受篇幅所限,本文直接分享「消聲器髒」造成各缸轉矩最大值不同的原因。進氣封堵四個缸的堵頭是獨立的,但過了球閥,把所有的氣道引到一個方形鐵盒子,然後在該方形鐵盒子一端接消聲器與外界大氣相通(圖5)。
圖5 冷試進排氣封堵構成
發動機的點火順序為一缸→三缸→四缸→二缸,在轉矩測試開始時,一缸先進氣,由於轉矩測試開始前,進氣封堵方形鐵盒子裡就已經充滿氣體,且消聲器離一缸進氣道比較近,進氣阻力小,能有足夠的氣體被吸入一缸內,因此一缸在壓縮上止點時的轉矩值較大。其他缸的吸氣都在一缸之後,因為消聲器髒,導致進氣不暢,再加上進氣道相對變長,導致吸入氣體變少,從而壓縮時伺服電動機給曲軸施加的力矩變小。更換新的消聲器後,轉矩波形立刻恢復正常(圖6),各缸轉矩的最大值基本接近,同時跟蹤一段時間生產數據,各缸轉矩最大值跨度有了明顯的「斷崖式」改善(圖7)。
圖6 更換新消聲器後的轉矩波形
圖7 更換消聲器後各缸轉矩最大值跨度的數據分布
分析本次問題表現,需要增加消聲器的定期點檢,避免類似問題重複發生。消聲器髒不僅影響產能數據,而且影響冷試臺架對於質量判定的準確性。問題發生時,轉矩測試波形表現是二、三缸的轉矩偏小,花費很長時間排查二、三缸專用機構。為了避免進氣封堵之間的相互幹擾,減小問題解決時的難度,在以後新的冷試臺架中,要求每個缸之後單獨接消聲器然後與大氣相通。
結束語
冷試轉矩測試與發動機本體運動副的零件有密切關聯,而發動機運動副的零件狀態及裝配狀態很大程度上影響著發動機的使用壽命,因此測試工程師要足夠重視轉矩測試的變化。根據多年經驗,在零件狀態及製造工藝沒有大變更的情況下,轉矩測試的波形是相當穩定的。各項詳細測試參數要適當收嚴控制範圍,及時發現並鎖定零件、製造過程轉矩冷試臺架本身的變異點,以提高冷試在線質量控制能力。
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來源:AI《汽車製造業》
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