机械设备服务介绍

汽车发动机作为整车核心动力源，其振动与冲击特性直接关系到可靠性、乘坐舒适性及零部件耐久性。振动与冲击测试是识别发动机故障（如爆震、轴承磨损）、优化结构设计的关键手段，但测试过程中若忽视细节，易导致数据偏差甚至错误结论。本文结合测试流程与实践经验，梳理发动机振动与冲击测试需关注的核心问题，为精准获取有效数据提供参考。

测试系统的全链路校准

测试前需对“传感器-信号放大器-数据采集器”整个链路进行校准，而非仅校准单个部件。例如，使用正弦振动台输出标准加速度信号（如10m/s²、100Hz），将传感器固定在振动台上，记录采集系统的输出值，若输出值与标准值偏差超过±2%，需调整放大器增益或更换传感器。校准需覆盖测试涉及的频率范围（如10Hz-10kHz），确保全频段内系统线性度符合要求。同时，需记录校准环境温度（通常20-25℃），若测试环境温度偏差超过±5℃，需重新校准或进行温度补偿——比如压电式传感器的灵敏度会随温度变化，需通过校准曲线修正数据。

校准后需留存校准报告，包括传感器编号、校准日期、灵敏度系数（如100mV/g）、线性误差等信息。若测试间隔超过1个月，或传感器经碰撞、掉落，需重新校准——曾有案例因传感器掉落未校准，导致某缸体振动数据偏高30%，误以为结构强度不足，后续复测才发现是传感器灵敏度漂移。

传感器的选择与安装细节

传感器类型需匹配测试需求：压电式加速度传感器频响宽（1Hz-20kHz）、灵敏度高，适合测量发动机高频振动（如气门敲击、活塞撞击）；应变式传感器低频特性好（0.1Hz-5kHz），适合测量怠速时的低频振动（如曲轴扭转振动）。若需同时测量高频与低频，可采用双传感器组合方案。

安装方式直接影响测量准确性：螺栓固定是最可靠的方式，但需注意扭矩——比如某型号压电传感器要求安装扭矩为12N·m，过紧会压碎内部压电陶瓷，过松则会因振动导致传感器松动，产生“假振动”信号；磁吸安装仅适用于低频、低加速度场景（如怠速），高频下（如3000rpm以上）磁吸力度不足，易脱落；粘贴安装需先清洁被测表面（用酒精擦拭去除油污），选用氰基丙烯酸酯类胶粘剂，粘贴后需静置24小时固化，避免因粘结不牢导致信号衰减——曾有测试因粘贴时未清洁表面，传感器在加速工况下脱落，数据中断。

安装位置需选在刚性结构上：优先选择缸体侧面、曲轴箱顶部等刚度大的区域，避免安装在油底壳边缘、进气歧管等柔性部件上——柔性部件会放大振动信号，导致数据失真。例如，某款发动机测试时将传感器装在进气歧管上，测得的振动加速度是缸体的2.5倍，后续调整位置后才得到真实数据。

测试工况的真实模拟

工况设置需贴近实际使用场景，覆盖冷启动、怠速、加速（线性/非线性）、匀速（1500rpm/2500rpm）、满载（额定负荷）、爬坡（扭矩100%）等典型工况。例如，冷启动工况需让发动机处于常温（20℃），启动后保持怠速3分钟，采集启动瞬间（0-5秒）的冲击振动与怠速稳定后的（60-90秒）持续振动；加速工况需控制转速上升速率（如0.5rpm/ms），模拟实际驾驶中的缓慢加速，避免突然踩油门导致的非稳态振动——非稳态振动会掩盖正常的振动特征，难以分析故障源。

工况稳定性需严格控制：测试时需用测功机维持发动机负荷稳定，转速波动不得超过±50rpm，否则振动信号会出现大幅波动。例如，某测试中因测功机控制精度不足，转速在2000rpm上下波动100rpm，导致振动数据的标准差是正常情况的3倍，无法用于分析。

环境条件需同步记录：测试时需测量环境温度（发动机舱温度）、湿度、气压，因为温度升高会导致发动机部件热胀冷缩，改变振动特性——比如缸体温度从20℃升至90℃，其固有频率会降低约5%，若未记录温度，后续分析会误以为是结构变化导致的振动异常。

数据采集的同步与参数设置

采样频率需满足Nyquist定理：发动机振动的最高频率通常为10kHz（如气门敲击频率），因此采样频率需设置为20kHz以上，建议取5倍最高频率（50kHz），避免混叠效应——若采样频率不足，高频信号会被误判为低频信号，例如12kHz的振动信号若用20kHz采样，会被混叠成8kHz，导致分析错误。

采样长度需足够：每个工况需采集至少30秒的连续数据（怠速工况）或10秒的 transient数据（加速工况），确保能捕捉到完整的振动周期——比如四缸发动机怠速时转速为750rpm，每缸做功周期为0.08秒，30秒数据包含375个做功周期，足以统计振动的平均值与标准差。

数据同步是关键：需将振动数据与发动机转速信号同步——用霍尔传感器采集曲轴前端的齿盘信号（如60-2齿），获取每转的脉冲信号，将振动数据与曲轴转角对应，这样可分析每个冲程（进气/压缩/做功/排气）的振动源。例如，做功冲程的振动峰值若高于正常值，可能是爆震或活塞裙部磨损导致的；排气冲程的振动异常，可能是排气门密封不良。

干扰源的识别与抑制

电磁干扰是常见问题：发动机点火系统（火花塞、高压线）会产生高频电磁辐射，干扰传感器信号，表现为信号中出现高频尖峰（如100kHz以上）。解决方法包括：使用屏蔽线（屏蔽层覆盖率≥90%），屏蔽线一端接传感器接地端，另一端接数据采集器的保护接地（单点接地），避免形成接地环路；将传感器远离点火线圈（至少30cm），或用金属罩屏蔽传感器。

机械干扰需隔离：测试台架的振动会传递到发动机，导致测量数据包含台架振动成分。解决方法是将发动机固定在刚性台架上，使用橡胶隔振垫（硬度肖氏A 60-80）隔离台架振动，或在台架上安装加速度传感器，采集台架振动信号，后期用相干分析去除台架振动的影响——相干系数低于0.5的频率成分，可判定为台架干扰。

噪声干扰需防护：发动机风扇、排气管的空气动力噪声会被传感器拾取（尤其是压电式传感器），表现为信号中出现宽频噪声。解决方法是给传感器套上泡沫防护套，或用塑料罩遮挡传感器，减少空气流动对传感器的影响。

测试过程的安全与状态监控

试件安全需优先保障：测试前需检查发动机固定螺栓（如缸体与台架的连接螺栓）的扭矩（按手册要求，通常150N·m），确保无松动；检查燃油管、水管的密封情况，用压力测试仪检测燃油管压力（如3bar），避免泄漏引发火灾；测试过程中需监控发动机的关键参数：油温（80-100℃）、水温（85-95℃）、油压（2-4bar），若超过阈值，需立即停止测试——曾有测试因未监控水温，发动机过热导致缸垫烧蚀，不仅损坏试件，还影响了后续测试进度。

人员安全需严格遵守：测试区域需设置防护栏，防止人员接触旋转部件（皮带轮、风扇）；高温部件（排气管、气缸盖）需用隔热罩覆盖，测试人员需戴隔热手套；启动发动机前需确认所有人员远离测试台架，避免发动机启动时的反扭矩导致台架移动。

数据预处理的及时性与准确性

测试后需立即进行数据预处理，避免数据遗漏或失真。首先是滤波：用FIR低通滤波器去除高频噪声（截止频率10kHz），用高通滤波器去除低频漂移（截止频率0.5Hz）——低频漂移通常由传感器零漂或台架缓慢振动引起，会导致振动峰值计算错误。

然后是去趋势：用线性拟合或多项式拟合去除信号中的缓慢变化趋势（如传感器温度升高导致的灵敏度漂移），例如某测试中发动机温度从20℃升至90℃，振动信号出现0.5m/s²的线性上升趋势，去趋势后数据才恢复正常。

最后是数据有效性检查：需检查信号中是否有过载（超过传感器量程，如传感器量程为500m/s²，信号峰值达到600m/s²）、传感器松动（信号中出现突然的峰值或中断）等异常情况，若有需重新测试——曾有测试因传感器松动，信号中出现多个1000m/s²的峰值，误以为是发动机爆震，后续检查发现是传感器脱落导致的。