​發動（dòng）機軸類零件振紋分析與測量

通過對發動機軸類零件旋（xuán）轉工（gōng）作表（biǎo）麵的振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫助產品（pǐn）設計人員、工藝與質量管理（lǐ）人員對旋轉表麵振紋（wén）分析與（yǔ）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中積極（jí）應用振紋分析技（jì）術（shù），對（duì）提高發動機軸類零件的表麵（miàn）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，汽車市場的競爭越（yuè）來愈激烈，各大汽車企業為了滿足不同用戶（hù）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（yòng）戶開始關注發（fā）動機的噪聲。汽車企（qǐ）業為了降低發動機的噪聲，除了在整車上對發（fā）動機采取隔振降噪的措（cuò）施外，開始重視降低發動機（jī）關鍵零部件在發動機工作（zuò）時可能產生的噪聲，如（rú）改善這些（xiē）關鍵零部件（jiàn）的（de）設計、提（tí）高零件的表（biǎo）麵狀態、增加振紋分（fèn）析要求等措施，來減（jiǎn）少發（fā）動機工作時（shí）的震動（dòng），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（xī）問題的提出

實驗和理論分析都表明（míng），發動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機（jī）噪聲的（de）主要來源之一。目前學術上把這種一定（dìng）頻率範圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（Chatter）。順應汽車行（háng）業發展的需（xū）要，世界著名的檢測設（shè）備供應商紛（fēn）紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性波動形狀的測量與評價方法，並推出了振紋分析軟件，為分析和評價振紋提供了量化的指（zhǐ）標（biāo）和（hé）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（cǐ）控製凸輪軸和曲軸工作表麵質量，並找出加工過程中造（zào）成振（zhèn）紋的原因。

由於振紋分析軟件推出時間（jiān）不長，多數用戶對此經驗不（bú）多或（huò）在理論（lùn）上不夠了解，還廣泛（fàn）存在著對於振紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜（pǔ）的疑惑。為（wéi）了幫助大家更好（hǎo）地了（le）解、使用和推廣（guǎng）振紋分析軟件（jiàn），從而更好地為提（tí）升發動機的性能和質量服務，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（jīng）驗為大家做個振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（fā）展曆史

對於振紋的（de）研究，基本起源於發動機的噪聲，人們認為發動機的運動部件尤其是回轉軸類零件——凸（tū）輪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在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，稱之（zhī）為振紋，那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（zhóu）檢測設備供應商（shāng）提出（chū）了“潛在噪聲（shēng）——APN（單隻凸輪的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩（liǎng）個參數，來（lái）評價凸輪（軸）的噪聲水平（píng）。

眾所周知，噪（zào）聲來源（yuán）於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振動最主要的（de）兩個參數就是振幅和頻率（當然還有各種頻率（lǜ）的（de）振動疊加時的時間關係（xì）——相位）。潛在噪聲確實可以反（fǎn）映凸輪（軸）的（de）噪聲水平，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幫助不大。

隨後一些凸輪軸曲軸檢（jiǎn）測儀器公司如ADCOLE等，推出了（le）振紋分析軟件，使得用戶可（kě）以清楚直觀地看（kàn）到各個頻率振動的幅度，用以判別工件是否（fǒu）超出振紋公差，並能找出幅度大的或異常的振動，分析其產生的原因從而減（jiǎn）小乃至消除之。而在發動機行（háng）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（xìng）波動的（de）表麵形狀。通過與（yǔ）一些汽車製造企業合作，取得了大量的（de）實驗數據，證明（míng）了振紋分析軟件的可靠性和穩（wěn）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（jiàn）所使用的數學（xué）工具，是在信號分析中被廣（guǎng）泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是（shì）把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定振幅、頻（pín）率、相位的基本（běn）正（zhèng）弦（xián）（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變（biàn）換的目的，就是找出這些基本正弦（xián）（餘弦）信號中振幅較大（能量（liàng）較高）信（xìn）號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中的主要振動頻率特點。由於（yú）凸輪軸、曲軸為回轉工件，其徑向（周向）形狀如凸輪的型線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號（hào）來源，對其進行傅立葉（yè）變換，即可得到組合信（xìn）號／波動的譜線。

有許多用戶覺得傅立葉變換太過高深，不容易理解，其實（shí）它隻是從不同角度看問題，即把時域的問題拿（ná）到頻域來分（fèn）析。可以把它當成一個工具來看待，比如光學中（zhōng）的三棱（léng）鏡，當白光（guāng）通過它時，會（huì）分解為依次排（pái）列的紅（hóng）橙黃綠藍青紫等不同顏（yán）色的可見光（guāng），以及不可見的紅（hóng）外線和紫外線。同一種物質，在三棱鏡的一側看到的是混疊的白光，在另一側看到的卻是分離（lí）出來的各個單色光，而描述和分析單色光則（zé）容易得多，這就（jiù）是從不同角度看問題帶來的好處。如（rú）果再測量出不同顏色的光（guāng）的強度（dù），就可以畫一張（zhāng）“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清（qīng）楚地看出白光中各單色光的成份。眾所（suǒ）周知，不同（tóng）顏色的光是因為各（gè）自不同（tóng）的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中使用傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡（jìng）和光強計的功能，經過變換後，形狀曲線中各（gè）組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀（guān）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

一般來（lái）說，從波長／頻率上來分（fèn），零件表麵形貌大致（zhì）分為（wéi）三個（gè）層次：輪廓、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（hé）粗糙度也有所交（jiāo）叉。過於關注波紋（wén）度區域，可能會漏掉輪廓區域和粗糙度區域的異常波動，這（zhè）種情況已經實際發生過，因此，還是建議用戶從低頻（pín）（1～2UPR）開始計算（suàn）到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析點數為（wéi）3600點，因此凸輪（lún）軸、曲軸綜（zōng）合（hé）檢測（cè）儀采樣點數均為（wéi）3600點（diǎn），計算振紋可以到700UPR左右。原來的360點和1440點（diǎn）的圓度測量儀器，可以通過軟硬（yìng）件升級（jí），提升到（dào）3600點。

在凸輪軸曲軸（zhóu）綜合測（cè）量儀器上測量振紋，不需要增加太多的調整（zhěng），隻需要（yào）在現有的程（chéng）序中加入幾個與振紋相關（設置算法、公差，計算（suàn）及輸出數據報告和頻譜（pǔ））的指令或模塊即可，對（duì）原測量過（guò）程幾乎毫無影響。目前幾款（kuǎn）著名的振紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉（yè）變換）評定，也可以去除輪廓部分（fèn）後評（píng）定，從而更加突出（chū）振紋部分。既可以全周（zhōu）計算振（zhèn）紋，也（yě）可以指定區域（如凸輪的桃尖段、過（guò）渡段和基（jī）圓段等）計算（suàn）振紋。數據報告部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出如1所示（shì）柱狀，也可以輸出連續（xù）曲線（xiàn）。    

1  凸輪振紋（wén）柱形     

2柱狀中，橫坐（zuò）標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典（diǎn）型的波紋度區間（jiān），頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰（huī）色方框是公差帶，使用不同顏色來表示（shì）8個凸（tū）輪；從（cóng）2柱狀中看到有兩處超差（chà）（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報告中，看（kàn）到了同樣的（de）超差項，二者是統（tǒng）一的，隻不過一個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數據（jù）報告

公差限可以是區域型的，也（yě）可以是曲線型的，4為區域型的（de）公差限，5為曲線（xiàn）型的公差限。一般凸輪振紋公差采（cǎi）用區域型的公差限，軸頸振紋公（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（zòng）坐標為振幅（fú）值（單位0.25μm）。這是一（yī）個典型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區（qū）域範（fàn）圍內，各個凸輪最大振幅值不（bú）能超過公差限（xiàn）1μm；頻（pín）率在50UPR～100UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅（fú）值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，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（yī）般由測量工（gōng）程師（shī）通過大量的振紋（wén）分析頻（pín）譜，結合（hé）台（tái）架試驗結果得到，如（rú）4所示的黑（hēi）色粗（cū）線為各頻率區域的（de）公差限，是由試驗得到的，使用不同顏色來表示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，不會產生噪聲。

在5所示的公（gōng）差限（xiàn）中（zhōng），橫坐標為（wéi）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頻率的指數函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人（rén）員在產品中給出，測量工程師（shī）需要在檢測設（shè）備上設置定義該曲線型的公差限，如（rú）5所示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振（zhèn）紋（wén）幅值在黑色粗線以內，則表明該曲軸（zhóu）表麵振（zhèn）紋合（hé）格，不會（huì）產（chǎn）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  振紋公差的確定

由於每款發（fā）動（dòng）機的結（jié）構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發（fā）噪聲的情（qíng）況也不同，因此振紋（wén）公差的設定也（yě）不能一概而論。目前的建議是，通過實驗獲（huò）得公（gōng）差，即通過檢測儀器測量，選出一批或（huò）若幹（gàn）批振紋較大和較小的凸輪軸（zhóu）、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪個級別的振紋產生（shēng）噪聲，而哪個級別的振（zhèn）紋不（bú）產（chǎn）生噪聲，在兩者之間劃一條控製線（xiàn），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（suǒ）區別，如型號不（bú）同、夾具和測頭種類不同，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（yú）工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環（huán）境噪聲和電器噪聲（shēng），不同儀器（qì）測得的振紋結果（guǒ）在（zài）個別頻率上可能略有（yǒu）差別。

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 測量振（zhèn）紋對（duì）產品、工藝及生產的指導意義

測量（liàng）振紋，首先可以判定工件是否超差（chà），從而控（kòng）製（zhì）加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指導生（shēng）產，找出振（zhèn）紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻譜找出振（zhèn）幅較大或異（yì）常振（zhèn）動所發生的頻率點（UPR為單位），再根據加工機床各（gè）運動部件和工件之間的速比，可以很容易地找到產生（shēng）振（zhèn）動的部位（wèi）和原因，如夾具、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等（děng），然後加以解決。如在2009年（nián）凸輪軸L3線JUNKER凸（tū）輪（lún）軸磨床驗收過（guò）程中，通過振（zhèn）紋分析發現（xiàn）了該磨床所使用砂輪的問題，從而及時處理，保證了設（shè）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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 結束語

發動機（jī）軸類零件振紋分（fèn）析方法已經開始在各大企業廣泛使用，為了幫助大（dà）家理解和應用回轉（zhuǎn）體零件振紋分析報告，降低發動機噪聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振紋分（fèn）析中的一些經驗和（hé）理解，以及對振（zhèn）紋分析軟件及相關知識（shí）應用的探索，與各專業人員共同（tóng）探討和廣泛交流，希（xī）望能（néng）夠推動發動機軸類零件噪聲測（cè）量與分析技術的發展與進步，從而為降低發動（dòng）機（jī）的噪聲（shēng）貢獻一份力量。