​發動機軸（zhóu）類零件振紋分析與測量

通過對發動機軸類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫助產品設計人員、工藝與質量管理人員對旋轉表麵振（zhèn）紋分析與測量的正確理解，希望在生產過程、質量控製、產品驗收和噪聲分析（xī）中積極應用振紋分析技術，對提高發動機軸類零件的表（biǎo）麵質量、降低發動機噪音有一定的現實意義。

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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（yè）為了滿足不同用戶的需求，都在努力提高自己的產品質量，如近年來越（yuè）來（lái）越多的用戶開（kāi）始關注發動機的噪聲（shēng）。汽車企業（yè）為了降低發動機的噪聲，除了（le）在整車上對發動機采取隔振降噪的措施外，開（kāi）始（shǐ）重視降低發動（dòng）機關（guān）鍵零部件在發動機工作時可能（néng）產生的噪聲，如改善這些關鍵零部件的設計、提高零件的表麵狀態、增加振紋分析要求等措（cuò）施，來減少發動機工作時的震動，降低發動機運轉過程中的噪音，滿足用戶要求。

02

振紋分析問題的（de）提出

實驗和理論分析（xī）都表明，發（fā）動機的（de）回轉軸類（lèi）零件——凸輪軸和曲（qǔ）軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機噪聲（shēng）的主要來源之（zhī）一。目前（qián）學術上把（bǎ）這種一定頻率範圍（wéi）的周期性波動（dòng）形狀，稱之為振紋（Chatter）。順應汽車行業發展的需要，世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研（yán）究（jiū）凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性（xìng）波動形狀的測量與評（píng）價方法，並推出了振紋分析軟件，為分析和評價振（zhèn）紋提供了量化的指標和直觀的頻（pín）譜，使用戶可以一目了然地看到振紋的（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（zhǎo）出加工過程中造成振紋的原因（yīn）。

由於（yú）振紋分析軟件（jiàn）推出時間不長，多數用戶對此（cǐ）經驗（yàn）不多（duō）或在（zài）理論上不夠了解，還廣泛存在著對於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（jiě）、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好（hǎo）地為提升發動機的性（xìng）能（néng）和質量服務，結合近（jìn）年來（lái）在公司凸輪軸和曲（qǔ）軸係列（liè）產品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋分析與測量基礎知識介紹。

03

 振紋研究的起源和（hé）發（fā）展曆史

對（duì）於振紋的研究，基本（běn）起源於發動機的噪聲，人們（men）認為發動（dòng）機的運（yùn）動部件尤其（qí）是（shì）回（huí）轉軸類零件——凸輪（lún）軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的主要來源。最初發動機製造廠家（jiā）在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵看到（dào）了棱麵（miàn）痕跡，稱之為振紋，那時（shí）還隻（zhī）停留在目測（cè）階段。上個世紀九十年代，一些國際著名的凸輪軸檢（jiǎn）測設（shè）備供應商提出了“潛（qián）在噪聲——APN（單隻凸輪的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所（suǒ）周知（zhī），噪聲來源（yuán）於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述（shù）振動最主要的（de）兩個參（cān）數就是振幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊（dié）加時的時間關係——相位）。潛在噪（zào）聲確實可以（yǐ）反映（yìng）凸輪（軸）的噪聲（shēng）水平，但缺點是，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（shēng）幫助不大。

隨（suí）後一些凸輪軸曲軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推出了振紋分析（xī）軟件，使得用戶可以清楚直觀地看到各個頻率振動的幅度，用以判別工（gōng）件（jiàn）是否超出振紋公差，並能找出幅度大的（de）或異常的振動，分析其產生的原因從而減小乃至消除之。而在發動機（jī）行業，振紋一詞也被專門用來定義或描述引起振動（dòng）／噪聲的周（zhōu）期性波動的表麵形狀。通過與一些汽車製造企業合作，取得了大量的實驗數據，證明了（le）振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同（tóng）時也為如何（hé）確（què）定公差提供（gòng）了指導性（xìng）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（guǎng）泛應用（yòng）的傅立葉變換（huàn）。傅裏（lǐ）葉變換簡單通俗理解（jiě），就是把看似雜亂（luàn）無章的信號，考慮成由一定（dìng）振幅、頻率、相位（wèi）的基本正（zhèng）弦（餘弦）信號組合（hé）而成，傅裏葉變換的目的，就是找出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高）信號對應的（de）頻率，從而找出雜（zá）亂無章的信號中的主（zhǔ）要振動頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為（wéi）回轉工件，其徑（jìng）向（周（zhōu）向）形狀如凸輪的型線（xiàn）和曲軸的圓度，就成（chéng）為振（zhèn）紋分析的信號來源，對其進行傅立葉（yè）變換，即（jí）可得到組合信號／波動的譜線。

有許多用戶覺得傅立葉變（biàn）換太過高深，不容易理解，其實它隻是從（cóng）不同角度看問題，即把時域的問題拿（ná）到頻域來分（fèn）析。可以把它當成一個（gè）工具來看待，比如光學中（zhōng）的三棱（léng）鏡，當白光通過（guò）它時，會分解為依次排列的紅橙黃綠藍青紫等不同顏色的可見光，以及不可見的紅外線和（hé）紫（zǐ）外線。同一種物質（zhì），在三棱鏡的一側看到的是混疊的（de）白光，在另一側看到的（de）卻是（shì）分離出來的各個單色光，而描述和分析單色光則容易（yì）得多，這就是從不同角度看問題帶來的好（hǎo）處。如果再（zài）測量出不同顏色的光（guāng）的強度，就可以畫（huà）一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可（kě）以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾（zhòng）所周知，不同顏（yán）色的光是因為各自不同的（de）頻率造（zào）成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中使用傅立葉（yè）變換，則是綜（zōng）合了（le）三棱鏡和光強計的功能，經過變換（huàn）後，形狀曲線中各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出來，非（fēi）常便於處理和（hé）應用（yòng）。

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振紋分析範圍與測量

一般來說，從波長／頻率上來（lái）分（fèn），零件（jiàn）表麵形貌大致分為（wéi）三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬（shǔ）於波紋度區域，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過於關注波紋度區域，可能會（huì）漏掉輪廓區域（yù）和粗糙度區域的異常波動，這種情況已經實際發生過，因此，還是建議用（yòng）戶從低頻（pín）（1～2UPR）開始計算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了（le）圓度分析點數為3600點，因（yīn）此凸輪軸、曲（qǔ）軸綜合檢（jiǎn）測儀采樣點數均為（wéi）3600點（diǎn），計算振紋可以到700UPR左右。原來的（de）360點和1440點的圓度測量儀器，可以（yǐ）通過軟硬件升級，提升到3600點。

在凸輪軸曲（qǔ）軸綜（zōng）合測量儀器上測（cè）量振紋，不需要增加太（tài）多的（de）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，計算及輸出數據報告和頻譜（pǔ））的指令或模塊即可，對原測（cè）量過程幾乎毫無（wú）影響。目前幾款著名的振（zhèn）紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部分後評定，從而更加突出振紋部分（fèn）。既可以全周計算（suàn）振紋，也可以指定區域（如凸輪的桃尖（jiān）段、過渡段和基圓段等）計（jì）算振紋。數據報告部分可（kě）以輸出（chū）不同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出（chū）如1所示（shì）柱狀，也可以（yǐ）輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋（wén）柱形     

2柱狀（zhuàng）中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅（fú）值（單位0.1μm）。這是一個（gè）典型的波紋度區間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方框是公差帶，使用不同顏色來表示8個凸輪（lún）；從2柱狀中（zhōng）看到有兩（liǎng）處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報（bào）告中，看到（dào）了同樣的超差項，二者是統一的，隻不過一個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋（wén）柱狀

3  軸頸振（zhèn）紋數據報告

公差限可以是區域型的，也可以是曲（qǔ）線（xiàn）型的，4為區域型的（de）公差限，5為曲線型的（de）公差限。一般凸輪振紋公差采用區（qū）域型的（de）公差限，軸頸振紋公差采用（yòng）曲線型的公差限。

4  區域型的公差（chà）限

在4所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值（zhí）不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍（wéi）內（nèi），各個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，各個（gè）凸輪（lún）最大振（zhèn）幅值不（bú）能超過公差限0.15μm。區域型公（gōng）差限（xiàn），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（dé）到，如4所示的黑（hēi）色粗（cū）線為各頻（pín）率區（qū）域的公差限，是由試（shì）驗得到的，使用（yòng）不同顏色來表示8個凸輪，各個（gè）凸輪的振紋幅值在黑色（sè）粗線以內，則表明（míng）該（gāi）凸輪表麵振紋合格，不會產生噪（zào）聲。

在5所示的公差限（xiàn）中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（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（yóu）產品設計人員在（zài）產品中給出（chū），測（cè）量工程師需要在檢測設備上設置定義（yì）該曲線型的公差限，如5所示的黑色粗（cū）線為公差限，所（suǒ）有軸頸的振紋幅值在黑（hēi）色粗線以內，則表明該曲軸表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與（yǔ）測量注意（yì）事項

6.1  振紋公差的確定

由於每款發動機的（de）結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同（tóng），引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定也不能一概而論（lùn）。目前的建議是，通過實驗獲（huò）得公差，即通（tōng）過檢測儀器測量，選出一批（pī）或若幹批振紋較大和較（jiào）小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定（dìng）哪個（gè）級別的（de）振紋（wén）產生噪聲，而（ér）哪個級別的振紋不（bú）產生噪聲，在兩者之間劃一條控（kòng）製線，即為公差。

6.2  測量結果（guǒ）的一致性

由於不同檢（jiǎn）測（cè）儀器（qì）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（zhì）儀器（尤其是（shì）測頭部分（fèn））和工件的共振點不同，以及測頭對於工件的（de）摩擦引起的振動噪聲不（bú）同，再加（jiā）上環境噪聲（shēng）和電器噪聲，不同儀器測（cè）得的振紋結果在個別頻率（lǜ）上可（kě）能略有（yǒu）差別。

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 測量振紋對產品、工藝及生產的指導意義

測量振紋，首先可以判定工件是否超差，從而控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指（zhǐ）導生產，找出振（zhèn）紋產（chǎn）生的根源並加以解決。通過振紋頻譜（pǔ）找出（chū）振幅較大或（huò）異常振動所發生的頻率點（UPR為單位（wèi）），再根據加工機床各運動部件和工（gōng）件之間的速比，可以很容易地找到產生（shēng）振動（dòng）的（de）部位和原因，如夾具、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等，然後加以（yǐ）解決。如在2009年凸輪軸L3線（xiàn）JUNKER凸輪軸磨床驗收過程中，通過振（zhèn）紋分析發現了該磨床所使用砂輪的問題，從而及（jí）時處理（lǐ），保證了設備驗收進度、預批量生產進度及產品質量。

振紋分析方（fāng）法（fǎ）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（lún）軸產品（pǐn），和曲軸產（chǎn）品的生產過程控製、產品審核和驗收中，對提高神龍（lóng）公司凸輪軸、曲軸產（chǎn）品的符合性質量、整車用戶（hù）質量，有很強的現實意（yì）義和指導作用。

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 結束語（yǔ）

發動機軸類零件振紋分析方法（fǎ）已（yǐ）經開始在各大企業廣泛使（shǐ）用，為了（le）幫助（zhù）大家理解和應用回轉體零件振紋分析報告，降低發動機噪（zào）聲，特將個人（rén）對凸輪軸、曲（qǔ）軸振紋分析中的一些經驗和理解，以及對振紋分析軟件及相（xiàng）關知識應用的探索，與各專業人員共同探討（tǎo）和廣泛交流，希望能（néng）夠推動發動機軸類零件噪聲測量與分析技（jì）術的發展與進步，從而為降低發動機的噪（zào）聲貢獻一份力量。