​發動機軸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（yǔ）測量相關知（zhī）識的介（jiè）紹，有效幫助產（chǎn）品（pǐn）設計人員、工藝與質量管理人員對（duì）旋轉表麵振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（jī）極應用振紋分析技術，對提高發動機（jī）軸類（lèi）零件的表麵質量、降低發動機噪音（yīn）有一定（dìng）的現實意義。

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引（yǐn）  言

隨著我國汽（qì）車行業的（de）高速發展（zhǎn），汽車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車（chē）企業為了滿足不同用戶的需求，都在努力提高自己的產品質（zhì）量（liàng），如近年（nián）來越來越多的用戶開始關注發動機的噪聲。汽（qì）車企業為了降（jiàng）低發動機（jī）的噪聲，除了在整車上對發動機采取隔振降噪的措施外，開始重視降低發動機關鍵零（líng）部件（jiàn）在發動機工（gōng）作時可能產生的噪聲，如改善這些關鍵零部件的設計、提高零件的表麵（miàn）狀態、增加（jiā）振紋分析要求等措施，來減少發動機工作時的震動，降低發（fā）動機運轉過程（chéng）中的噪音，滿（mǎn）足用戶要求。

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振（zhèn）紋分析問題的提出

實驗和理論分析（xī）都表（biǎo）明（míng），發動機的回轉（zhuǎn）軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機噪聲的主要來源之一。目前學術（shù）上把這種一定頻率範圍的周期性波動形狀（zhuàng），稱之為（wéi）振紋（Chatter）。順（shùn）應汽車行業發展的需要，世（shì）界（jiè）著名的檢測設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表（biǎo）麵上這些周期性波動（dòng）形狀的測量與評價方法，並推（tuī）出了振紋分析軟件，為分析和評價振紋提供了量化（huà）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，並找出加工過（guò）程中造成振紋的原因。

由於振紋（wén）分析軟件推（tuī）出時間不長，多數（shù）用戶對此經驗不多或在理論上（shàng）不夠了解，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（jiā）更好地了（le）解、使用和推廣振紋分析（xī）軟件，從而更好地為（wéi）提升（shēng）發動機的性能和質量服務，結（jié）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（jiā）做個振（zhèn）紋分析與測量基礎知識介紹。

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 振紋研究的起源和發展曆史

對於振紋的研究，基本起源於發動機的噪聲，人們（men）認（rèn）為發動機的運動（dòng）部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是（shì）噪聲的主要（yào）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（hén）跡，稱之為振紋，那（nà）時還隻停留在目測階段。上個世紀九十年代，一些國際著名的凸輪軸檢測設（shè）備供應商提出（chū）了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪（lún）的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩（liǎng）個參（cān）數，來（lái）評（píng）價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知（zhī），噪聲來源於振動（dòng），或者說噪聲（shēng）本身就是振動，而（ér）描述振動（dòng）最主要的兩個參數就是振幅和（hé）頻（pín）率（lǜ）（當然（rán）還有各種頻率的振動疊加時的時間關係——相位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸（zhóu））的噪聲水平，但缺點是，不能明確指出其具體（tǐ）的（de）振幅和頻率，因而對分析乃至消除噪聲幫助不大。

隨後一些凸輪軸曲軸檢測儀器（qì）公司如（rú）ADCOLE等，推（tuī）出（chū）了振紋分析軟件，使得用戶可以清楚直（zhí）觀地看到各個頻率振動的幅度，用以判別工件是（shì）否超出振紋公差，並能找出幅度大的（de）或異常的（de）振（zhèn）動，分析其產生的原因從（cóng）而減小乃至消除之。而在發（fā）動機（jī）行業，振紋一詞（cí）也被（bèi）專門用來（lái）定（dìng）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（qǔ）得了大量的實驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也為如何確定公差提供了指導性經驗。

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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變換。傅裏葉變換（huàn）簡（jiǎn）單通俗理（lǐ）解，就是把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（餘（yú）弦）信號（hào）組合而成，傅裏葉變換的目的，就是（shì）找出這些基本正弦（餘弦（xián））信號中振幅較大（能量較高）信號對（duì）應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中的主要振動頻率（lǜ）特（tè）點。由於凸輪軸、曲軸為回（huí）轉工件，其徑向（周向）形狀如凸輪的（de）型線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號來源，對其（qí）進行傅立葉變換，即可得到組合信號／波動的譜線（xiàn）。

有許多用戶覺得傅立葉變換（huàn）太過高深，不容（róng）易理解，其實它隻是從不同角度看問題，即把時域的（de）問題（tí）拿到頻域（yù）來分析。可以把它當成一個工具來看待，比如光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次（cì）排列的紅橙黃綠藍青紫等（děng）不同顏色的（de）可見（jiàn）光，以及不可（kě）見的紅外線和紫外線（xiàn）。同一種（zhǒng）物質，在三棱鏡的一側看到的是（shì）混（hún）疊（dié）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，這就是從不同角度看問題帶來的好處。如果（guǒ）再測量出不同顏色的光的強度，就可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻（pín）率／顏色，縱坐標（biāo）是強度（dù），這樣就可以（yǐ）很清楚地看出白光中各單（dān）色光的成份。眾所周知，不同顏色（sè）的（de）光是因為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中使用傅（fù）立葉（yè）變換，則是（shì）綜合了三棱鏡和光強（qiáng）計的功能，經過（guò）變換後，形狀曲線中各組（zǔ）成成份的頻（pín）率和幅（fú）度（dù）如光譜，一般直觀地顯示出來，非常便於處理和應用。

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振紋分析範圍與測量（liàng）

一般來說，從波長（zhǎng）／頻率上來（lái）分，零（líng）件表麵形貌大致分為三個層（céng）次：輪廓（kuò）、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓和粗糙度也有（yǒu）所交（jiāo）叉。過於關（guān）注波紋（wén）度區域，可能會漏掉輪廓區域和粗糙度區域（yù）的異常波動，這種情況（kuàng）已經實際發生過，因此，還是建議用戶從低頻（1～2UPR）開始計算到（dào）較高頻（300～500UPR）。目（mù）前ISO標準定義了圓度分析點數為3600點（diǎn），因此凸（tū）輪軸、曲（qǔ）軸綜（zōng）合檢測儀采樣點數均為3600點，計算振紋可（kě）以到700UPR左（zuǒ）右。原來的360點（diǎn）和1440點的圓度測量儀器，可（kě）以通過軟（ruǎn）硬件升級，提（tí）升到3600點（diǎn）。

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（shū）出（chū）數據報告和頻譜）的指令或（huò）模塊即可，對原測量過程幾乎毫無影響。目前幾（jǐ）款著名的振紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉變（biàn）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（yǐ）全周計算振紋，也可以指定區域（如凸輪（lún）的桃尖段、過渡段和基圓段等）計算振紋。數據報告部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸（shū）出如1所（suǒ）示柱狀（zhuàng），也可以輸出連續曲（qǔ）線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱（zhù）狀（zhuàng）中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一（yī）個典型（xíng）的波紋度區間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色（sè）方框是公差帶，使用不同顏色來表（biǎo）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（le）同樣的超差項（xiàng），二者是（shì）統一的，隻不過一個是像化，一個是數字（zì）化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數據報告（gào）

公差限可以是（shì）區（qū）域型的（de），也可以是曲線型的，4為區（qū）域型（xíng）的公差限，5為曲線型的公差限。一般（bān）凸輪振紋公差采用（yòng）區（qū）域型（xíng）的公差限，軸頸振紋公差采用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

在4所示（shì）的公（gōng）差限中，橫坐標（biāo）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（bō）紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振（zhèn）幅值不能超過公差限1μm；頻率在（zài）50UPR～100UPR區域（yù）範圍內，各（gè）個凸輪最大振幅值不能（néng）超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，各個（gè）凸輪（lún）最大振幅值不能（néng）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（pín）譜，結合台架（jià）試驗結（jié）果（guǒ）得到，如4所（suǒ）示的黑色粗線為各（gè）頻率區域的公差限，是由試驗得到的，使用不同顏色來表示8個凸輪，各（gè）個凸輪的振紋幅值在黑色粗線（xiàn）以內，則表（biǎo）明該凸輪表麵振（zhèn）紋合（hé）格，不會產生噪聲。

在5所示的（de）公差（chà）限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅（fú）值（單位0.25μm）。此公差限由（yóu）一個（gè）振幅值為頻率的指數函數定義，用指數（shù）公式表示（shì），一般由產品（pǐn）設計人員（yuán）在產品（pǐn）中給出，測（cè）量工程師需要在檢測設備上設置定義該曲線（xiàn）型的公（gōng）差（chà）限，如5所示（shì）的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該（gāi）曲軸表（biǎo）麵振紋合格，不會產生（shēng）噪（zào）聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析（xī）與測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由於每款發動機的結構不同，各自凸輪軸、曲（qǔ）軸的加工工藝不（bú）同（tóng），引發噪聲的情況（kuàng）也不同，因此振（zhèn）紋公差的設定也不能一概而論。目（mù）前的建議是，通過實驗獲（huò）得公（gōng）差，即通過檢測（cè）儀（yí）器測量，選出一批或若（ruò）幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸（zhóu）做台（tái）架實驗，通過實驗判定哪個級（jí）別的振紋產生噪（zào）聲，而哪個級別（bié）的振紋（wén）不產生噪聲，在兩者之間劃一條控（kòng）製線，即為公差。

6.2  測量結果的一致性

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

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 測量振紋（wén）對產品、工藝及生產的指（zhǐ）導意義

測量（liàng）振紋，首先可以判定工件是否超差，從而控製加工質（zhì）量。其實，測量振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產生的（de）根源並加以解決。通過振紋頻譜找出（chū）振幅較大或異常振動所發生的（de）頻率（lǜ）點（diǎn）（UPR為單位），再根據加工機（jī）床各運（yùn）動部件和工件之間（jiān）的速比，可以很容易地找到產生振動的部位（wèi）和原因，如夾具、支撐（chēng）架、傳動（dòng）軸、軸承、砂（shā）輪等，然後加以解決。如在2009年凸輪軸（zhóu）L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收過程中，通過振紋分析發現了該磨床所（suǒ）使用砂輪的問題，從而及時處理，保（bǎo）證了設備驗收進度（dù）、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（sī）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（kòng）製、產品審核和驗收中，對提高神龍公司凸輪軸（zhóu）、曲軸產品的符合性質量、整車用戶（hù）質量，有很強的（de）現實意義和指導作用。

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 結束語

發動（dòng）機軸類（lèi）零（líng）件振紋分析方法已經開始在各（gè）大企業廣泛使用，為了幫助大家（jiā）理解和應用回轉體零件振紋分析報告，降低發動機噪（zào）聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振紋分析中（zhōng）的一些經驗和理解，以及對振紋分析（xī）軟件及相關知識應用的探索，與各專業人員共同探討和廣（guǎng）泛（fàn）交流，希望能夠推（tuī）動發動機軸（zhóu）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。