​發動機（jī）軸類（lèi）零件振紋分析與測量

通過對發動機軸類零件旋轉（zhuǎn）工作表麵的振紋分析與測量相關知（zhī）識的介（jiè）紹（shào），有效幫助產品設計人員、工藝與質量管理人員對（duì）旋轉表麵振紋分析與（yǔ）測量的正確理解，希望在生產（chǎn）過程、質量控製、產品（pǐn）驗收和噪聲分析中積（jī）極應（yīng）用（yòng）振紋分（fèn）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（yì）。

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引  言

隨著我國汽車行業的高速發展（zhǎn），汽車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車企業為了滿足（zú）不（bú）同用戶的需求，都在努力提高自己的產品質量，如近年來越來越多的用戶開始（shǐ）關注（zhù）發動機的噪聲。汽車企業為了降低發動機的噪聲，除了在（zài）整車上對發動機（jī）采取隔振降噪的措施外（wài），開始重視降低發動機關鍵零部件在發動機工作時（shí）可（kě）能產（chǎn）生的噪聲，如改善這些關鍵零部件的設（shè）計、提高零件的表麵狀態、增加（jiā）振紋分析要求（qiú）等措施，來減少發動機工作時的（de）震動，降低發（fā）動機運轉過程（chéng）中的噪（zào）音，滿足用戶（hù）要求。

02

振紋分析問題（tí）的提出

實驗和理論（lùn）分析都表明，發動機的回（huí）轉軸類零件——凸（tū）輪軸和曲軸工作表麵的周期性波動形狀，是（shì）發動機噪聲的主要來（lái）源之一。目前（qián）學術上把這種一定（dìng）頻率範圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（wén）（Chatter）。順應汽車行業發展的需要，世界著名的檢測設備供（gòng）應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性波（bō）動形狀的測量與評價方法，並推出了（le）振紋分析軟件，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地看到振紋的大（dà）小和發（fā）生的頻率，據此控製凸輪軸和曲軸工（gōng）作表麵質量，並找出加工過程中造成振紋的（de）原因。

由於振紋分（fèn）析軟件推出時間不長，多數用戶對（duì）此經驗不多或在理論上不夠了解，還廣泛存在著對於振紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜的（de）疑惑。為（wéi）了幫助大（dà）家更好地了（le）解、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）能和質量服務（wù），結合近年來在公司凸輪軸和曲軸係列產品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋（wén）分析與測量基（jī）礎知識介紹。

03

 振紋研究的（de）起源和發展曆（lì）史

對於振紋的研究，基本起源於（yú）發動機的噪（zào）聲，人們（men）認為發動機的運動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸（zhóu）和曲軸的（de）表麵（miàn）形狀是噪聲的主要來（lái）源。最初發（fā）動機製造（zào）廠家在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵看到了（le）棱麵（miàn）痕跡，稱（chēng）之為振紋，那時（shí）還隻停留（liú）在目測階段。上個世紀九十年代（dài），一些國際著名的凸輪軸（zhóu）檢測設備供應商提出了“潛（qián）在噪聲——APN（單隻凸（tū）輪的（de）潛在噪聲（shēng））和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個（gè）參（cān）數（shù），來評價凸（tū）輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知（zhī），噪聲來（lái）源於振動，或者說噪聲本身（shēn）就是振動，而（ér）描述振動最主要的兩（liǎng）個參數就是振幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊加時的時間關（guān）係——相位）。潛（qián）在（zài）噪聲確實可以反（fǎn）映（yìng）凸輪（軸）的噪聲水平（píng），但缺點是，不能明確指出其具體的振幅和頻率（lǜ），因而對分析乃至消除噪聲（shēng）幫（bāng）助不大。

隨後一些凸輪軸曲軸檢測儀（yí）器公司如ADCOLE等，推出（chū）了振紋分析軟件，使得用戶可以清（qīng）楚（chǔ）直觀地看到各個頻率振動的幅度，用以判別工件是否超出振紋公差，並（bìng）能找出幅度大的或異常的振動，分析其產生的原因（yīn）從（cóng）而減小乃至消除之（zhī）。而在發動機行業（yè），振紋一詞（cí）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（qǐ）業合（hé）作，取得了大量的實驗（yàn）數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也（yě）為如何確定公差提供了指導性（xìng）經驗。

04

檢測方（fāng）案的優化

振紋分析軟件所（suǒ）使用（yòng）的數學工具，是在信號（hào）分析中被廣泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章（zhāng）的信（xìn）號（hào），考（kǎo）慮成（chéng）由一定振幅（fú）、頻率、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的目（mù）的，就是找出這些基本正弦（餘弦）信（xìn）號中振幅較大（能量較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信（xìn）號中的主要振動頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其徑向（周向）形狀如凸（tū）輪的型線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可得到組合信（xìn）號（hào）／波動的譜線。

有許（xǔ）多用戶覺得傅立葉變換太過高深，不容（róng）易理解，其（qí）實它隻是從不同角度看問題，即把（bǎ）時域的問題拿到頻域來分析。可以把它（tā）當成一個工具來看待，比如光（guāng）學中的（de）三棱鏡，當（dāng）白光通過它時，會（huì）分解為依次排列的紅橙黃綠藍青紫等不同顏色的可見（jiàn）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是（shì）混疊的白光，在另一側看到的卻是分離出來的各個單色光，而描述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角度（dù）看問題帶來的好（hǎo）處。如果（guǒ）再（zài）測（cè）量出不同顏（yán）色的光的強度，就可以畫（huà）一張（zhāng）“完整的”頻／光（guāng）譜（pǔ），橫坐標（biāo）是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就（jiù）可以很清楚地（dì）看出白（bái）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（zhèn）紋分析中使用（yòng）傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和光強計的功能，經過（guò）變換後，形狀曲線中各組成成（chéng）份的頻率和幅度如光譜，一般（bān）直觀地顯示出來，非常（cháng）便於處理和應用（yòng）。

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振紋分析範圍與測量

一般來說，從波長／頻（pín）率上來分，零件表麵形（xíng）貌大致（zhì）分為三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬於波（bō）紋度區域，當（dāng）然與輪廓和粗糙度也有所交（jiāo）叉。過於關注（zhù）波紋度區域，可能會漏掉輪廓區（qū）域和粗糙度區域的異常波動，這種情況已經實際發生（shēng）過，因此，還是（shì）建議（yì）用戶從低頻（1～2UPR）開始（shǐ）計算到較（jiào）高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析點數為3600點，因此凸輪軸（zhóu）、曲軸綜合檢測儀采樣點數均為3600點，計算振（zhèn）紋可以到700UPR左右。原來的360點和1440點的圓度測量儀器，可以通（tōng）過軟硬（yìng）件升級，提（tí）升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測量儀器上測量振紋（wén），不（bú）需要增加（jiā）太多的調整，隻需要在現（xiàn）有的程序中加入幾個與振紋相關（設置算法（fǎ）、公（gōng）差，計算及輸出數據報告（gào）和（hé）頻譜）的指令或模塊即可，對原測量過（guò）程幾乎毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以去（qù）除輪廓部分（fèn）後評定，從而更加突出振紋部分。既可以全周計算振紋，也可（kě）以指（zhǐ）定（dìng）區（qū）域（yù）（如（rú）凸輪的（de）桃尖（jiān）段、過渡段和基（jī）圓段等）計算振紋。數據報告部分可以輸出不同頻（pín）率段（duàn）的最大振幅值，頻譜（pǔ）可以輸出（chū）如1所示柱狀，也可以輸出（chū）連續曲線。    

1  凸輪振（zhèn）紋柱形     

2柱（zhù）狀中，橫坐標為頻率（單（dān）位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率從40UPR～300UPR，分（fèn）為（wéi）4段。灰色方框是公差帶，使用不同顏色來表示8個凸輪；從2柱狀中看到有兩處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報告中，看到了同樣的超差項，二者是統一的，隻不（bú）過一個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振（zhèn）紋數據報告

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

4  區域型的公差限

在4所示的公差限中，橫坐標為頻（pín）率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋（wén）度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各（gè）個凸輪最大振幅值不（bú）能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍（wéi）內，各個凸輪（lún）最（zuì）大振幅值不能超過（guò）公差限（xiàn）0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區（qū）域範圍內，各個凸輪最大振幅值不（bú）能超過公差限0.15μm。區域型公差限，一般由測量工程（chéng）師通（tōng）過大量的振紋分析頻譜，結合台架試驗結果得到，如4所示的黑（hēi）色粗線為各頻率（lǜ）區域的公差（chà）限，是由試驗（yàn）得到（dào）的，使用不（bú）同顏色來表示（shì）8個凸輪（lún），各個凸輪的振紋幅（fú）值在黑色粗線以（yǐ）內，則表明（míng）該凸（tū）輪表麵振紋合（hé）格，不會產生噪（zào）聲。

在5所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標為振幅值（單位0.25μm）。此公差限由一個振幅值為（wéi）頻率的指數（shù）函數定義，用（yòng）指（zhǐ）數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出，測（cè）量工程師需要在檢（jiǎn）測設備上設置定義該曲線型的公差限，如5所示的黑色（sè）粗線為公差限，所有軸頸的（de）振紋（wén）幅值在黑色粗線（xiàn）以內，則表明該（gāi）曲軸表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線（xiàn）型的公差限

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 振紋分析與測量注意事項

6.1  振（zhèn）紋（wén）公差的確定

由於每款發（fā）動機的結（jié）構不同，各自凸輪軸、曲軸的（de）加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定（dìng）也不能一概而論。目前的（de）建議是，通過實驗獲（huò）得公差，即通過檢測儀器測量，選出一（yī）批或若（ruò）幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判（pàn）定哪個級別的振紋產生（shēng）噪聲，而哪個級別的振紋不產（chǎn）生噪聲，在兩者之間劃一（yī）條控製線，即為公差。

6.2  測量結果（guǒ）的一致性（xìng）

由於不同檢測儀器的結構有所區別，如型號不同、夾具和測頭種（zhǒng）類不同，從而導致儀器（尤其是測頭部分）和工件的共振點不同，以及測頭對於工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環（huán）境噪聲和電器（qì）噪聲（shēng），不同儀器測（cè）得的振紋結果在個別頻率上可能略有差別。

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 測量（liàng）振紋對產品、工藝及生（shēng）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（liàng）振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產生的根源並（bìng）加以解決。通過振紋頻譜找出振（zhèn）幅較大或異常振動所發生（shēng）的頻率點（UPR為單位），再（zài）根據加工機床各運動部件和工件之間的速比（bǐ），可以很容易地找到產生振動（dòng）的部（bù）位和原因，如夾具、支撐架（jià）、傳動軸、軸承、砂輪等，然（rán）後加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收過程中（zhōng），通過振紋分析發現了該磨床所使用砂輪的問題，從而（ér）及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生產進度及產品質量。

振紋分析方法目前已廣泛應用於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪軸產品，和（hé）曲軸（zhóu）產品的生（shēng）產過程控製（zhì）、產品審核和驗收中，對提高神龍公（gōng）司（sī）凸（tū）輪（lún）軸、曲軸產品的符合性質量、整車用戶質量，有很強的現實意義和指導作用。

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 結（jié）束語

發動機軸類零件振紋分析方法已經開始在各大企業廣泛（fàn）使用，為了幫（bāng）助大家理解（jiě）和應用回轉體零件振紋分析報告，降低發（fā）動機噪聲，特（tè）將個人對凸輪軸、曲軸振紋分析中的一些經驗和理（lǐ）解，以及對振（zhèn）紋分（fèn）析軟件及相關（guān）知識應用的探索，與（yǔ）各專業人員共同探（tàn）討和廣泛（fàn）交流，希望能夠推動（dòng）發動機軸類零件噪聲測量與（yǔ）分（fèn）析技術的發展與進步，從（cóng）而為降低發動（dòng）機的噪聲貢獻一份力量。