​發動（dòng）機軸類零件振紋分析與測量

通過對發動（dòng）機軸類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關（guān）知識的介（jiè）紹（shào），有（yǒu）效幫助產品設計人員、工藝與質（zhì）量管理人員對旋轉表麵振紋（wén）分析與測（cè）量的正確理解，希望在生產過程、質（zhì）量（liàng）控製、產品驗收和（hé）噪聲分析中積極應用振紋分析技術，對提（tí）高發動機軸類零件的表麵質量、降（jiàng）低發動機噪音（yīn）有一定的現實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車企業為（wéi）了（le）滿足不同用戶的需求，都在努力（lì）提高自己的產品質量，如近年來越來越多的用戶開始關注發動機的（de）噪聲。汽車企業為（wéi）了（le）降（jiàng）低發動機的噪聲，除了在整車上（shàng）對（duì）發動機采取（qǔ）隔振降噪的措施外，開始重視降低發動機關鍵零部件在發（fā）動機工作時可能產生的噪聲，如改善這些關鍵零部（bù）件的設計、提高零件的表麵狀態、增加振紋分析要求等措施，來減少發動機工作時的震（zhèn）動，降低發動機運轉過程（chéng）中的噪音，滿足用戶（hù）要求。

02

振紋分析問題的提出（chū）

實驗和理論分析都（dōu）表明，發動機的回轉軸類零（líng）件——凸輪軸和（hé）曲軸工作表（biǎo）麵的周期性波動形狀，是發動（dòng）機噪聲的主要來源之一。目前（qián）學術上把這種一（yī）定頻率範圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（Chatter）。順應汽車行業（yè）發（fā）展的需要，世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期（qī）性波動形（xíng）狀的測量與（yǔ）評價方（fāng）法，並推出了振紋（wén）分析軟件，為分析和評價振紋提供了量化的指標和直觀的頻譜，使用戶可以一目了然（rán）地看到振紋的（de）大小和發生的頻率，據此控製凸輪軸和曲軸工作表麵質量，並找出（chū）加工過程中造成振（zhèn）紋的原因。

由於振紋分（fèn）析（xī）軟件推出時間（jiān）不長，多（duō）數用戶對此（cǐ）經驗不多或在理論上不（bú）夠了（le）解，還廣泛存在著對於（yú）振紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜的疑惑。為了幫助大家更好地了解、使用和推廣振紋分析（xī）軟件，從而更好地為提升發動機的性能和質量服務，結合近年來在公（gōng）司凸輪軸（zhóu）和曲軸係列產品振紋測量與（yǔ）分析中的經驗為大（dà）家做（zuò）個振紋分析與測量基礎知識介紹。

03

 振紋研（yán）究（jiū）的起源和發展曆史

對於振紋的研究，基本起源於發動機的（de）噪聲，人們認為發動機的運動部件尤（yóu）其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的（de）主要來源。最初發動機製造廠家在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留（liú）在（zài）目測階段（duàn）。上個世（shì）紀九十年（nián）代（dài），一些國際著名的凸（tū）輪軸檢測設備供應（yīng）商提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸（tū）輪的潛在噪（zào）聲）和TAPN（整隻凸（tū）輪軸的潛在噪聲）”這（zhè）兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪（zào）聲來源於振動，或（huò）者（zhě）說噪聲本身就是振動，而描述振（zhèn）動最主要的兩個參數就是振（zhèn）幅和頻（pín）率（當然還有各種頻率的振動疊加時的時間關係——相（xiàng）位）。潛在（zài）噪聲確實可以反映凸輪（lún）（軸）的噪聲水平，但缺（quē）點是，不能明確指出其具體的振幅和頻率，因而對分析乃至消除噪聲幫助（zhù）不大（dà）。

隨後一些凸輪軸（zhóu）曲軸檢測儀器（qì）公司（sī）如ADCOLE等，推出了振（zhèn）紋分析軟件，使得用戶可以清楚直觀地看到各個頻率（lǜ）振動的幅（fú）度，用以判別（bié）工件是否超（chāo）出振（zhèn）紋公（gōng）差，並能找出幅度大的或異常的振動，分析其產生的原因從（cóng）而減小乃至消除之。而在（zài）發動機行（háng）業，振紋一詞也被專門用來定義或描述引起振動／噪聲的周期性波動的表麵形狀。通過與一些汽車製造企業合作，取得了大量（liàng）的實驗數（shù）據，證明了振紋分析軟（ruǎn）件的可靠性和穩定性，同時也為如何確定公差提供（gòng）了指導性經驗。

04

檢測方案的優化

振紋分析軟件所使用的數學工具，是在信號分析中被廣泛應用的傅立葉（yè）變換。傅（fù）裏葉變（biàn）換簡單通俗理解，就是（shì）把看似雜亂無章的信號（hào），考慮成由一定振幅、頻（pín）率（lǜ）、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的目（mù）的，就是找出這些基（jī）本正弦（餘弦）信號中振（zhèn）幅較大（能量較高）信號對應的頻率（lǜ），從而找出雜亂（luàn）無章的信號中的（de）主要振動頻率特點（diǎn）。由於凸輪（lún）軸、曲軸為回（huí）轉工件，其（qí）徑向（xiàng）（周向）形（xíng）狀如（rú）凸輪的型線和曲（qǔ）軸的圓度，就成（chéng）為（wéi）振紋（wén）分析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可得到組合信號（hào）／波動的譜線。

有許多用戶覺得傅（fù）立葉變換太過高深，不容易理解，其實它隻是從不同角度看問（wèn）題，即把時域的問題拿到頻域來分析。可（kě）以把它當成一（yī）個工具來看待，比如光學中的三棱鏡，當白光通過（guò）它時（shí），會分（fèn）解為（wéi）依次排列的紅橙黃綠藍青紫等不（bú）同顏色的可見光，以及不可見的紅外線和紫外線。同一種物質，在三棱鏡的一側看到的（de）是混疊的白光，在另一側看到的卻（què）是分離出來的各（gè）個單色光，而描述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角（jiǎo）度看（kàn）問題帶來的（de）好處。如果再測量出不同顏色（sè）的光的強（qiáng）度，就可以畫一張“完（wán）整的”頻（pín）／光譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐標是（shì）強度，這樣就可以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾所周知，不同顏色的光是因為各自不同的頻（pín）率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中（zhōng）使用傅（fù）立葉變換，則是（shì）綜合了三棱鏡和（hé）光強計（jì）的功能，經過變換後，形狀曲線中各組成成份的（de）頻率和幅（fú）度如光譜，一（yī）般直觀地顯示出來，非常便於處理和應用。

05

振紋分析範圍與測量（liàng）

一般來說，從波（bō）長／頻率上來分，零件表麵形貌大致分為三個層次（cì）：輪廓、波紋度和（hé）粗糙度。而振紋基本屬（shǔ）於波紋度區域，當然（rán）與輪廓和粗糙度（dù）也有所交叉（chā）。過於關注波紋度區域（yù），可能（néng）會漏掉輪廓區域和粗糙度區域的異常波動，這種情況（kuàng）已經實際發生過，因此，還是建議用戶從低（dī）頻（1～2UPR）開始計算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析點數（shù）為3600點，因此凸輪（lún）軸、曲軸（zhóu）綜合檢測儀采樣點數均為3600點，計算振紋可以（yǐ）到700UPR左（zuǒ）右。原來的360點和1440點的（de）圓度測量（liàng）儀（yí）器，可以通過軟硬件升級，提升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜（zōng）合測量儀器上測量振紋，不需要增加太多的調整，隻需要在現有的程序中加入幾個與振紋相關（設置算法、公差，計算及輸出數（shù）據報告和頻譜（pǔ））的指令或模塊即可，對原測量過程幾乎毫無影響。目前幾款（kuǎn）著名的振紋分析軟件，既可以用標準方（fāng）法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪（lún）廓部分後評定，從而更加突出振紋部（bù）分（fèn）。既可以全周計算振紋（wén），也可（kě）以指定區域（如凸輪的桃尖段、過渡（dù）段和基圓段等）計算（suàn）振紋。數據報告部分（fèn）可以輸出不同頻（pín）率段的最大振幅值，頻譜可（kě）以輸出如1所示柱（zhù）狀，也可以輸出連（lián）續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典型的波（bō）紋度區間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方框是公（gōng）差帶，使（shǐ）用不同顏（yán）色來表示8個凸輪（lún）；從2柱狀中看到有（yǒu）兩（liǎng）處超差（分別在（zài）35～65UPR段（duàn）和65～84UPR段）。從3的數值報告（gào）中，看到了同樣的超（chāo）差項，二者（zhě）是統一的，隻（zhī）不過一個是像化（huà），一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數據報告

公差限可（kě）以是區域型的（de），也可以（yǐ）是曲線型的，4為區域型的公差（chà）限，5為曲線（xiàn）型的公差限。一般凸輪振紋公差（chà）采用區域型的公差限，軸頸振（zhèn）紋公差采用曲線型的公差限。

4  區（qū）域型的公差限

在4所（suǒ）示的公差（chà）限中，橫坐標為頻率（lǜ）（單位UPR），縱坐標為振幅值（單（dān）位0.25μm）。這是一（yī）個典型的波紋度（dù）區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值不（bú）能超過公（gōng）差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範（fàn）圍內，各個凸輪（lún）最大振幅值不能超過（guò）公差限0.25μm；頻率（lǜ）在100UPR～350UPR區域範圍（wéi）內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.15μm。區域型公差限，一般由測量工程師通過大量的振紋分析頻譜，結合台架試驗結果得到，如（rú）4所示的黑色粗（cū）線為各頻（pín）率區域的（de）公差限，是由試驗得到的，使用不同顏色來表（biǎo）示8個凸輪，各個凸輪的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該凸輪表麵振紋合格，不會（huì）產生噪聲。

在5所示的公差限中，橫坐標（biāo）為頻率（單（dān）位UPR），縱坐標為（wéi）振幅（fú）值（單位0.25μm）。此公（gōng）差限由一個振幅值為頻率的指數函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出（chū），測量工程師需要在檢測設備上設置定義該（gāi）曲線型的公差限，如5所示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅值在（zài）黑色粗線以內，則表明該曲軸表麵振紋合格，不會產生噪（zào）聲（shēng）。

5  曲線（xiàn）型的公差限

06

 振（zhèn）紋（wén）分析與測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由（yóu）於每款發動機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此（cǐ）振紋公差的設（shè）定（dìng）也不能（néng）一概而論。目前的（de）建議是，通過實驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選出一批或（huò）若幹（gàn）批振（zhèn）紋（wén）較（jiào）大和較小的凸輪軸、曲軸做台架（jià）實驗，通（tōng）過（guò）實驗判定哪個級別的振（zhèn）紋產生噪聲，而哪個級別的振紋不產生噪聲，在兩者之間（jiān）劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果的一致（zhì）性

由於不同檢測儀器的結構有所（suǒ）區別，如型號不同、夾具和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其（qí）是測頭部分）和工（gōng）件的共振（zhèn）點不同，以及測頭（tóu）對於工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環境噪聲和電（diàn）器噪聲，不同儀器測得的振紋結果在個（gè）別頻（pín）率上（shàng）可能略（luè）有差別。

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 測量振紋對產品、工藝及生產（chǎn）的指導意義

測量振紋，首先可以判定工件是否超差（chà），從而控（kòng）製加工質量。其實，測量振紋更大（dà）的意義在（zài）於指（zhǐ）導生產，找出（chū）振紋產生的根源並加以解決。通過振（zhèn）紋頻譜找出振幅較大或異常振動所（suǒ）發生的頻率點（diǎn）（UPR為單位），再根據加工機（jī）床（chuáng）各（gè）運動部件和工（gōng）件之間的速比，可以很容易地（dì）找到產生振動（dòng）的部位和原因，如夾具、支撐（chēng）架、傳動軸、軸承、砂輪等，然（rán）後加以（yǐ）解決。如在2009年凸輪軸L3線（xiàn）JUNKER凸（tū）輪軸磨床驗收過程中，通過振紋分析發現了該磨床所使用砂（shā）輪的問題，從而及時（shí）處理，保（bǎo）證了設備驗收進（jìn）度、預批（pī）量生產進度及產品質量。

振紋分析方法目前已廣泛應用（yòng）於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪軸產品，和曲軸產品的生產過程控製、產品審核和驗（yàn）收中，對提高神（shén）龍公司凸輪軸、曲軸產品的符合性質量（liàng）、整車用戶質量，有很（hěn）強（qiáng）的現實意義和（hé）指導作用。

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 結束語

發動機軸類（lèi）零件振紋分析方法已經開始在各大企業（yè）廣泛使用，為了幫助大家理解和應用（yòng）回轉體（tǐ）零件振紋（wén）分析（xī）報告，降低發動機噪（zào）聲，特將個人（rén）對凸輪軸、曲軸振紋（wén）分析中的（de）一些經驗和理解，以及對振紋分析軟件及相關知識應用的探索，與各專業人員共同探討和廣泛交流，希望能夠推動發（fā）動機軸類零件噪聲測量與分析技術的發展與進步，從而為降低發動機的噪聲貢獻一份力量。