​發動（dòng）機軸類零件振紋分析與測量（liàng）

通過對發（fā）動機軸類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關知識（shí）的介紹，有效幫（bāng）助產品設計（jì）人員（yuán）、工藝與質量管理人員對旋轉（zhuǎn）表麵（miàn）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（yàn）收和（hé）噪聲分析中積極應用振紋分析（xī）技術，對提（tí）高發（fā）動機軸類零件的（de）表麵質量、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（chē）行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車企業為了滿（mǎn）足不（bú）同用戶的需求，都在努力提高自己的產品質量，如近年（nián）來越來越多的用戶開始關注發動機的噪聲。汽車企（qǐ）業為了降低發動機的噪聲，除了在整車上對發動機采（cǎi）取隔振降噪的措施外，開始重視降低發動機（jī）關鍵零部件在發動機工作時（shí）可能產生的（de）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施，來減少發動機工作時的（de）震動（dòng），降低發動機運轉過程中（zhōng）的噪音，滿足用戶（hù）要求。

02

振紋分析（xī）問題（tí）的提出

實驗（yàn）和理論（lùn）分析（xī）都表（biǎo）明，發動機的回轉軸類（lèi）零件——凸輪軸和曲（qǔ）軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機噪聲的主要來源之一。目前學術上把這種一定頻率範圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（Chatter）。順應汽車（chē）行業（yè）發展（zhǎn）的（de）需要，世界著名的檢測設備供應（yīng）商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性波動形狀的測（cè）量與評價方法，並推出了（le）振紋分析軟件（jiàn），為分析（xī）和評（píng）價振紋提（tí）供了量化的指標和直觀的頻譜，使用戶（hù）可以（yǐ）一目了（le）然地看到振紋的大（dà）小和發生（shēng）的頻率，據（jù）此控製凸輪（lún）軸和（hé）曲軸（zhóu）工作表麵（miàn）質量，並找出加工過（guò）程中造成振紋的原因。

由於振紋分析軟件推出（chū）時間不長，多（duō）數（shù）用戶對此經（jīng）驗不多或在理論（lùn）上不（bú）夠了解，還廣泛存在著（zhe）對於振紋分（fèn）析軟件的困（kùn）惑、對振紋頻譜的疑惑。為了幫助大家更好地了解、使（shǐ）用（yòng）和推廣振紋分析軟件（jiàn），從而更好地為提升發動機的性能和（hé）質量（liàng）服務（wù），結合近年來在公司（sī）凸（tū）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分析與測量基礎知識介紹（shào）。

03

 振紋研究的起源和發展曆史

對於振紋（wén）的研究，基（jī）本起（qǐ）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（zhuǎn）軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的主要來源。最初發動機製（zhì）造廠家在產生噪聲的（de）凸輪軸（zhóu）和曲軸表麵看到（dào）了棱麵痕跡，稱之為振（zhèn）紋，那（nà）時還（hái）隻停留在目測（cè）階段。上個世紀九十年代，一些（xiē）國際著名的凸輪軸檢測設備（bèi）供（gòng）應商（shāng）提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪（lún）的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛（qián）在噪聲）”這兩個參（cān）數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所（suǒ）周知，噪聲來源於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振動最主要的兩個（gè）參數就（jiù）是（shì）振幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊加時的時間關係（xì）——相位）。潛在噪聲確實（shí）可以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能（néng）明確指（zhǐ）出其具體的振幅（fú）和頻率（lǜ），因而對分析乃至消（xiāo）除噪聲幫助不大。

隨後一些（xiē）凸輪（lún）軸（zhóu）曲（qǔ）軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推出了振紋分析軟件，使得用戶可以清楚直觀地看到各個頻率振動的幅度，用以判別工件是否超出振紋公差，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（zhì）消除之。而（ér）在發動機行（háng）業，振紋一（yī）詞也被專門用來定義或描述引起振動／噪聲的周（zhōu）期性（xìng）波動的表麵形狀。通過與一些汽車製（zhì）造企業合作，取（qǔ）得了大量的（de）實驗數據，證明了振紋分析軟件的可（kě）靠性和穩定性（xìng），同時也為如何確定公差提供了指導性經驗（yàn）。

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泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡（jiǎn）單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定（dìng）振幅、頻率、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變（biàn）換的（de）目的，就是找出這些基（jī）本正弦（xián）（餘弦）信號中振幅較大（dà）（能量較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中的主要振動頻率特點。由於凸輪（lún）軸、曲軸為回轉工件，其（qí）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，對其進行傅立葉變換，即可得（dé）到組合信號／波動的（de）譜線。

有許多用戶覺得傅立葉變換太過高深，不容易理解，其實它隻是從不同角度看問題，即把時域的（de）問題（tí）拿到頻域來分（fèn）析。可以把它當成一個工（gōng）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黃綠（lǜ）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（wài）線。同一種物質，在三棱鏡的一側看到的（de）是混疊（dié）的白光，在（zài）另一側看（kàn）到的卻是分離出來的（de）各個單色光，而描（miáo）述（shù）和分析單（dān）色光則（zé）容易得多，這就是從不同角度（dù）看問題帶來的好（hǎo）處。如果再測量出不同顏色的光的強（qiáng）度，就可以畫一張“完整（zhěng）的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清楚地看出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（bú）同的頻率造成的，因此，光譜（pǔ）也（yě）是頻譜。在振紋分（fèn）析中使（shǐ）用傅立葉變換，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（zǔ）成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出來，非常（cháng）便於處理和（hé）應用。

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振紋分（fèn）析範（fàn）圍與測量（liàng）

一般（bān）來說，從波長／頻率上來分，零件表麵形貌（mào）大致分為三個層次：輪（lún）廓（kuò）、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬於波紋度（dù）區域，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過於關注波（bō）紋（wén）度區域，可能會（huì）漏掉輪廓區域和（hé）粗糙度區域（yù）的異常波動，這種情況已經實際發生過，因此，還是（shì）建議用戶從低頻（1～2UPR）開始計算（suàn）到（dào）較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析點數為3600點，因此凸輪軸、曲軸綜合檢測儀（yí）采樣點數均為3600點，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，可以通過軟硬件升級，提升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測量儀（yí）器上測量振（zhèn）紋，不需要增加太多的調整（zhěng），隻需要在現有的（de）程序（xù）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（pín）譜）的指令或模塊即可，對原（yuán）測量過程幾乎（hū）毫無影響。目前幾（jǐ）款著名的振紋分析軟（ruǎn）件，既可以用標準方法（fǎ）（傅立葉變換）評定，也可以去除輪（lún）廓部分後評定，從而更加突出振（zhèn）紋部分。既可以（yǐ）全周計算振紋，也可以指（zhǐ）定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段和基圓段等）計算振紋。數據報告部（bù）分可以輸出不同頻率段的（de）最大振（zhèn）幅值，頻譜可以輸出如1所示柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋柱（zhù）形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標為幅值（單（dān）位（wèi）0.1μm）。這是一個典（diǎn）型（xíng）的波紋度區間，頻（pín）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；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（shù）值報告中（zhōng），看到了同樣的超差項，二者是統一的，隻（zhī）不過一個（gè）是像化（huà），一個是數字化。

2  軸頸振（zhèn）紋（wén）柱狀

3  軸頸振紋數據報告

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為曲線型的（de）公差限。一般凸（tū）輪振紋（wén）公差采用區域型的公差限，軸頸振紋公差（chà）采用曲線型（xíng）的公差限。

4  區（qū）域型的公差限（xiàn）

在（zài）4所（suǒ）示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標（biāo）為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型（xíng）的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內（nèi），各個凸輪最大振幅值不能超過公（gōng）差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各個（gè）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，各個凸（tū）輪最大振幅值不（bú）能超過公差限0.15μm。區域（yù）型公差限，一般由測量工程（chéng）師通過（guò）大量的振紋（wén）分析頻譜，結合台架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區域的公差限，是（shì）由試驗得到的，使用不同顏色來表示8個凸輪（lún），各個凸輪的振紋（wén）幅值在黑色粗線以內，則表明該凸輪表（biǎo）麵振紋合格，不會產生噪聲。

在5所示的公差限中，橫坐（zuò）標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（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，一般由產品設計人員在產（chǎn）品中給出，測量工程師需要在檢測設備上設置定義該曲線型的公差限，如5所示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅值在黑色（sè）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（wén）分析與測量注意事項

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（zhóu）的加工（gōng）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能一概而論。目前的建議是，通過實驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選（xuǎn）出（chū）一批或若幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪個級別的振紋產生噪聲，而（ér）哪個（gè）級別的振紋不產生噪（zào）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（yī）致性

由於不同檢測儀器（qì）的結構有所區別，如型號不同、夾具和測頭種類不（bú）同，從（cóng）而導致儀（yí）器（尤其是測頭部分）和工件的共振點不同，以及測頭（tóu）對於（yú）工件的摩（mó）擦引起的振動噪聲不同（tóng），再加上環境噪聲和電器噪聲（shēng），不同儀（yí）器測得的振紋結果（guǒ）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（liàng）。其實，測量振紋更大的意義（yì）在於指導生產，找（zhǎo）出振紋產（chǎn）生的根源並加以解決（jué）。通過振紋頻譜找出振幅較大（dà）或異常振動所發生的頻率點（UPR為單位），再根據加工機床各運動部件和工件之間的速比（bǐ），可以很容（róng）易地找到（dào）產生振動的部位和原因，如夾具、支撐架、傳動軸（zhóu）、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，通過振紋（wén）分（fèn）析發現了該磨床所使用砂輪的問題，從而及時處理，保證了設備驗收進度、預批（pī）量生（shēng）產進度及產品質量。

振紋分析方（fāng）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（de）生產過程控製、產品審核（hé）和驗收中，對提高神龍公司凸輪（lún）軸、曲（qǔ）軸產品的符合性質量、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

發（fā）動機軸類零件（jiàn）振紋分析（xī）方法已經開始在各大企業廣泛使用（yòng），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（jī）噪聲，特將（jiāng）個人對凸輪軸、曲軸振紋（wén）分析中的一些經驗和理解，以及對（duì）振紋分（fèn）析軟件及相關知識應（yīng）用的探索，與各（gè）專業（yè）人員共同探討和廣泛交（jiāo）流，希望（wàng）能夠推動（dòng）發動機軸類零件噪（zào）聲測量與分析技（jì）術的（de）發（fā）展與進步，從而為（wéi）降低發動機的噪聲貢獻一（yī）份力量。