​發動機（jī）軸類零（líng）件振紋分（fèn）析與測（cè）量

通過對發動機軸類零件（jiàn）旋轉工作表麵的（de）振紋分析與測量（liàng）相關知識（shí）的介紹，有效幫助產品設計人員、工（gōng）藝與質量（liàng）管理人員對旋轉表麵振紋分析與測量的正確理解，希望在生產（chǎn）過程、質量控製、產品驗收和噪聲（shēng）分析中積（jī）極應用振紋分析技術，對提高發動（dòng）機軸類零件的表麵質（zhì）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（de）高速發展，汽車市場的（de）競爭越來愈激（jī）烈，各大汽車企業為（wéi）了滿足不（bú）同用戶的需求，都在努力提高自（zì）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（yè）為了降低發動機（jī）的噪聲，除了在整車上對發動機采取隔振降噪的措施外（wài），開始重視降低發動（dòng）機（jī）關鍵零部件在發動（dòng）機工作（zuò）時可能產生的噪聲，如改善這些（xiē）關鍵零部件的設計、提高零（líng）件的表麵狀態、增加振紋分析要（yào）求等措（cuò）施，來減（jiǎn）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。

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振紋分析問題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表（biǎo）麵的周期性波動形狀，是發動機噪聲的主要來源之一。目（mù）前學術上把這種一定（dìng）頻率範圍的周期性波動（dòng）形狀，稱之為振紋（wén）（Chatter）。順應汽車行業發展的需要（yào），世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研究（jiū）凸（tū）輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性波動形狀的測量與評價方法，並推出了振紋分（fèn）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譜，使用戶可以（yǐ）一目了然地看到振紋的大小和發生的頻（pín）率，據此控製凸輪軸（zhóu）和曲軸工作表麵質量，並找出加工過程中造成振紋的（de）原因。

由於振紋分析（xī）軟件推（tuī）出（chū）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（zài）著（zhe）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、使用和（hé）推廣振紋分析軟件，從（cóng）而更好地為提升發動機的性能（néng）和質量（liàng）服務，結（jié）合近（jìn）年來在公司凸輪軸和曲軸係列（liè）產品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋分析（xī）與測（cè）量（liàng）基礎知識介紹。

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 振紋研究的起源（yuán）和發展曆史（shǐ）

對於振紋的研究，基本起源於（yú）發動機的噪聲，人們認為（wéi）發動機的（de）運動部（bù）件尤其是回轉軸類零（líng）件——凸輪（lún）軸和曲軸的表麵形狀是（shì）噪聲的主要來源。最初發動機製造（zào）廠家在產生噪聲的凸（tū）輪軸和曲軸表麵看到了棱（léng）麵（miàn）痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留（liú）在目測（cè）階段。上個（gè）世紀九十年代，一些國際著名的凸輪軸檢測設備供應商提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪的潛在（zài）噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛（qián）在（zài）噪聲）”這兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪聲來源於振動，或者說噪聲（shēng）本身就是振動，而描述振動最主要的兩個參數（shù）就是振幅和頻率（當然還有各種頻率（lǜ）的振動疊加時的時間關係——相位）。潛在（zài）噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能明確（què）指出其具體的振幅和頻率，因而對分析乃至（zhì）消除噪聲幫助不大。

隨後一些凸（tū）輪軸曲軸檢測儀器公（gōng）司如ADCOLE等，推出了振紋分析軟件，使得（dé）用戶可以清楚直觀地看到各個頻率振（zhèn）動的幅度，用以判別工件是否超出振紋公差，並能找出（chū）幅度大的或異常的振動，分（fèn）析其產生的（de）原因從而減（jiǎn）小乃至消除（chú）之。而在發（fā）動機行業，振紋（wén）一詞也被專門（mén）用來定義（yì）或描述引起振動（dòng）／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，取得了大量的實驗數據，證明（míng）了振（zhèn）紋分析軟件的可靠性和穩（wěn）定性，同時也為如何確（què）定（dìng）公差提供了（le）指導性經驗。

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檢測方案的優化

振紋分析（xī）軟件所使用的數學工具，是在信號分析中（zhōng）被廣泛應用（yòng）的（de）傅（fù）立葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂（luàn）無章的信號，考（kǎo）慮成由一定振幅、頻率（lǜ）、相位的基本正弦（xián）（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的（de）目的，就是找出（chū）這些基本正弦（餘弦）信號中振幅（fú）較大（能量（liàng）較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中的主要振動（dòng）頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件（jiàn），其徑向（周（zhōu）向）形狀如凸輪（lún）的型線和曲軸的圓（yuán）度，就成為振紋分析的（de）信號來（lái）源，對其進行（háng）傅立葉變換（huàn），即可得到組合信號／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（jiě），其實它隻是從不同角度看問題，即把時（shí）域的問題拿到頻域來分析。可以把它當成（chéng）一個工具來看待，比如光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次排列的紅橙（chéng）黃綠藍青紫等（děng）不同顏色的可見光，以及不可見的紅外線和紫外線。同一種（zhǒng）物質，在三棱鏡的一側看到的是（shì）混疊的白光，在另（lìng）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（kàn）問題帶來的（de）好（hǎo）處。如果再測量（liàng）出不同顏色的光的強度，就（jiù）可以畫一張“完整的”頻（pín）／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（chū）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率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析（xī）中使用傅立葉變換，則是綜（zōng）合了三棱鏡和光強計的功能，經過變換後，形狀曲線中各組成成份的（de）頻（pín）率和幅（fú）度如光（guāng）譜，一般直觀地顯示出（chū）來，非常便於處理和應用（yòng）。

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振紋分析範圍與（yǔ）測量

一般來說（shuō），從波長／頻率上來分，零件表麵形貌大致分為三個層次：輪廓（kuò）、波（bō）紋度和粗糙度。而振紋基本屬於（yú）波（bō）紋度區（qū）域，當然與輪廓和（hé）粗（cū）糙度（dù）也有所交叉。過於關注波紋度區域，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過，因此，還是建議用戶從低頻（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（diǎn）數為3600點，因此凸輪軸（zhóu）、曲軸綜（zōng）合檢測儀采樣點數均為3600點（diǎn），計算振紋可以到700UPR左右。原來的360點和1440點的圓度測量儀器，可以通過軟（ruǎn）硬件升級，提升到3600點。

在凸輪（lún）軸曲軸（zhóu）綜合測量儀器上測量振紋，不需（xū）要增加太多的（de）調整，隻需要在（zài）現有的程序中（zhōng）加入幾個與（yǔ）振紋（wén）相關（設置算法、公差，計算及輸（shū）出數據報（bào）告和頻譜）的指令或模塊即可，對原測（cè）量過程幾乎（hū）毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用標（biāo）準方法（傅立葉變換）評（píng）定，也可以去除輪（lún）廓部分（fèn）後評定，從而更加突出（chū）振紋部分。既可以全周計算振（zhèn）紋，也可以指定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段和基圓（yuán）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（fú）值，頻譜可以輸出如1所（suǒ）示柱狀，也可（kě）以輸出（chū）連續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中（zhōng），橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標為幅值（單（dān）位0.1μm）。這是一（yī）個典型的波紋度區間，頻率（lǜ）從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方框是公差帶，使用（yòng）不同顏色來表示8個凸輪；從（cóng）2柱狀中看到（dào）有兩處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報（bào）告中，看到了同樣的超差項，二者是統一（yī）的，隻不過一個是（shì）像化，一個是數字化。

2  軸（zhóu）頸振紋柱狀

3  軸頸振紋（wén）數據報告

公差限可以是（shì）區域（yù）型的，也可以是曲線型的，4為區域型的公差限，5為曲線型的公（gōng）差限。一般凸輪振紋公差采用區域型的公差（chà）限，軸（zhóu）頸振紋公（gōng）差采用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

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區間，頻率（lǜ）在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸（tū）輪最大（dà）振幅值不能超過公（gōng）差（chà）限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，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（fàn）圍內，各個凸（tū）輪最（zuì）大振幅值不能超過公差限0.15μm。區域型公差限，一（yī）般由測量工程師通過大量的振紋分析頻譜，結合台架試（shì）驗結（jié）果得到（dào），如4所示的黑色（sè）粗線為各頻率區域的公差限，是由試驗得到的，使用不（bú）同（tóng）顏色來（lái）表示（shì）8個凸輪，各（gè）個凸輪的振紋幅值在黑色（sè）粗線以內，則表明該凸輪表（biǎo）麵振紋合（hé）格，不會產（chǎn）生噪（zào）聲。

在5所示的公差（chà）限中，橫坐標為（wéi）頻率（lǜ）（單位UPR），縱坐（zuò）標為振（zhèn）幅值（單（dān）位0.25μm）。此公差限由一個振幅值為頻率的指數函數定義（yì），用指數公式表示，一般由產品設計（jì）人員在產（chǎn）品中給出（chū），測量工程師需要（yào）在檢（jiǎn）測設備上設置定義該曲線型的公差限（xiàn），如（rú）5所示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅（fú）值（zhí）在黑（hēi）色粗線以內，則表明該曲軸表麵振紋（wén）合格，不會（huì）產生噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與測量注意事項

6.1  振（zhèn）紋公差的確定

由於每款發動機（jī）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，因此振紋公差的設定也不（bú）能一概而論。目前的建議是（shì），通過實驗獲（huò）得公差，即通過檢（jiǎn）測儀器測量，選出一批或若幹批振紋較大和較小的凸輪（lún）軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪個級（jí）別（bié）的（de）振紋產生噪聲，而哪個級（jí）別的振紋不產生噪聲，在兩者之（zhī）間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果的一致（zhì）性

由於不同檢測儀（yí）器的結構有所區別，如型號不同、夾（jiá）具和測頭種類（lèi）不（bú）同，從而導致儀器（尤其是測頭部分）和工件的共振點不（bú）同，以（yǐ）及測頭對於（yú）工件（jiàn）的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環境噪聲和電器噪聲，不同儀器（qì）測得的振紋結果在個別頻率上可能略有差別。

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 測量振紋對產品、工藝（yì）及生產的指導意義

測量（liàng）振紋，首先可（kě）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（shēng）產，找出振紋產（chǎn）生（shēng）的根（gēn）源並加以解決（jué）。通過振紋（wén）頻譜找出振幅較（jiào）大或（huò）異常振（zhèn）動所發生的頻率點（UPR為（wéi）單位），再根據加（jiā）工（gōng）機床各運動部件和工件之間的速（sù）比，可以很容易地找到產生振動的部位和原因，如夾具、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等，然後加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收過程中，通過振（zhèn）紋分析發現了該磨床所使用砂（shā）輪的問題，從而（ér）及時處理，保證了設備驗收進度、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於（yú）神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸（tū）輪軸產品（pǐn），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、曲軸產品的符（fú）合性質量、整車用戶質量，有很強的現實（shí）意義和指導作用。

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 結束語（yǔ）

發動機軸類零件振紋分（fèn）析方法已經開（kāi）始在各大企（qǐ）業（yè）廣（guǎng）泛使（shǐ）用，為了幫助大家（jiā）理解和應用（yòng）回轉體零（líng）件振紋分析報告，降低發動（dòng）機噪（zào）聲，特將個人對凸輪（lún）軸、曲軸振（zhèn）紋分析中的一些經驗和理解，以（yǐ）及對振紋（wén）分析軟（ruǎn）件及相關知識應用（yòng）的探索，與各專（zhuān）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（jiàn）噪聲測量與分（fèn）析技術的發（fā）展與進步，從而為降低發動機的噪聲（shēng）貢獻一份力（lì）量。