​發動機（jī）軸類零件振紋分析與測量

通過對發動機軸（zhóu）類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關（guān）知識（shí）的介紹，有效幫助產品設計人員、工藝與質量管理人員對旋（xuán）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中積極應用振紋分析技術，對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（xiàn）實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激（jī）烈，各大汽車（chē）企業為了（le）滿足不同用戶的需求，都（dōu）在努力提（tí）高自（zì）己（jǐ）的產品質量，如近年來越來越多的用戶開（kāi）始關（guān）注發動機的噪聲。汽車企（qǐ）業為了（le）降低發動機的噪聲，除了在（zài）整車上對發動機采取隔振降（jiàng）噪的措施外，開始重（chóng）視降低發動機關鍵零部件在發動機（jī）工作時可能產生的噪聲，如改（gǎi）善這（zhè）些關鍵零部件的（de）設計（jì）、提高零件的（de）表麵狀態、增（zēng）加振紋分析要求等措施，來減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（zú）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麵的（de）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）。順應汽車行業發展的（de）需要，世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸（zhóu）工作表（biǎo）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（wén）分析軟件，為分析和評價振紋提供了量化的（de）指標和直（zhí）觀的頻譜，使（shǐ）用戶可（kě）以一目了然地看到振紋的大小和發生的頻率，據此控製凸（tū）輪軸和曲軸工作表麵質量，並找出加（jiā）工過程中造成振紋的原因（yīn）。

由於振（zhèn）紋分析軟件推出（chū）時間不長，多數用戶對此經（jīng）驗不（bú）多或在理論上不夠了解，還廣泛存在著對於（yú）振紋（wén）分析軟件的困惑、對振紋頻譜的疑（yí）惑。為了幫助大（dà）家更好地了（le）解、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好地為提（tí）升發動機的性能和質（zhì）量服務，結合（hé）近年來在公司凸輪軸和曲軸係（xì）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。

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 振紋研究的起源（yuán）和發展曆史

對於振紋的研究，基本（běn）起源於發動機的噪聲，人們認為發動機的運動部（bù）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（shēng）的主要來源。最初發動機製造廠家在產生（shēng）噪聲的凸輪軸和曲軸表（biǎo）麵看到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留在目測階段（duàn）。上個（gè）世紀九十年代（dài），一些國際著名的凸輪軸檢測設備供應商提出了“潛（qián）在噪聲——APN（單隻（zhī）凸（tū）輪的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個參數，來評價凸（tū）輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪聲來源於振動，或者說噪聲本身（shēn）就是振動，而描述（shù）振動最主（zhǔ）要的兩（liǎng）個參數就是振幅和頻（pín）率（當然還有（yǒu）各（gè）種頻率的振動疊加時的時間關係——相（xiàng）位）。潛（qián）在噪聲（shēng）確實可以反映凸（tū）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（duì）分析乃至消除噪聲幫助不大。

隨後一些凸輪軸曲（qǔ）軸檢（jiǎn）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（guān）地看到（dào）各個頻率振動的（de）幅度，用以判（pàn）別工件是否超出振紋公差，並能找出幅度大的或異常的（de）振動，分（fèn）析其產生的原因從而減小乃至消除（chú）之。而在發動機行業，振紋一詞也被專門用（yòng）來（lái）定義或描述引起振動／噪聲（shēng）的周期性波動的表麵形（xíng）狀。通過與一（yī）些汽車製造企業合（hé）作，取得了大量的實（shí）驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和（hé）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（fèn）析（xī）軟件所使用（yòng）的數學工具，是在信號分析中被廣泛應（yīng）用的傅立（lì）葉（yè）變換。傅（fù）裏（lǐ）葉變換簡單通俗理解，就是（shì）把看（kàn）似雜亂無章的信號，考（kǎo）慮成由一（yī）定振幅、頻率、相位的基本正弦（餘弦）信（xìn）號組合而成，傅裏葉變換的目的，就是（shì）找出這些基本正（zhèng）弦（餘弦）信號中振（zhèn）幅較大（能量較高）信號（hào）對應的頻率，從（cóng）而找出（chū）雜亂無章的信號中的主要振動頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工（gōng）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來源，對其進行傅（fù）立葉變換，即可得到組合信號／波動的譜線。

有許多用戶覺得（dé）傅立葉變換太過高深，不容（róng）易理解，其實它隻是從不同角度看問（wèn）題，即把時域的問題拿到（dào）頻域來分析。可以把它當成一個工具來看待，比（bǐ）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藍青紫等不同顏色（sè）的可見光，以（yǐ）及不可見的紅外（wài）線和（hé）紫外線。同一（yī）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出來的各個單色光，而描述和分析單色（sè）光則容易得（dé）多，這就（jiù）是從（cóng）不同角度看問題帶來的好處。如果（guǒ）再測量出不同（tóng）顏色的光的強度，就可（kě）以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標（biāo）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（zì）不（bú）同的頻（pín）率（lǜ）造成（chéng）的，因此，光譜也是頻（pín）譜。在振紋分析中使用傅（fù）立葉變（biàn）換，則是綜（zōng）合了三棱鏡和光強計的（de）功能（néng），經過（guò）變換後，形（xíng）狀曲線中（zhōng）各組成成份的（de）頻率和幅度如（rú）光譜，一般直觀地顯示出來，非（fēi）常便於處理（lǐ）和應用。

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振紋分析範圍與測量

一（yī）般來說，從波長（zhǎng）／頻率上來分，零件表麵形貌大致分為三個層次：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（lún）廓和粗（cū）糙度也有所交叉。過（guò）於關注波紋度區域，可能會漏（lòu）掉輪廓區（qū）域和（hé）粗糙度區域的異常波動，這種情況已（yǐ）經實際（jì）發生過，因此，還是建議（yì）用戶從低頻（pín）（1～2UPR）開始計算到較（jiào）高頻（300～500UPR）。目前ISO標（biāo）準定義了圓度分析（xī）點數為3600點（diǎn），因此凸輪軸、曲軸綜合檢測儀采樣點數均為3600點，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（guò）軟硬件（jiàn）升級，提升到（dào）3600點。

在（zài）凸輪軸曲軸綜合（hé）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（xù）中加入幾個（gè）與振紋相關（設置算法、公差，計（jì）算（suàn）及輸出數據報告和頻譜（pǔ））的指令或模塊即可，對原測量過程幾乎毫無（wú）影響。目前幾款著（zhe）名的振紋（wén）分析（xī）軟件，既可以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部分（fèn）後（hòu）評定，從而更加突出振紋部分（fèn）。既（jì）可以全周計算振紋，也可以指定區域（如（rú）凸輪的桃尖段、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（de）最大振幅值，頻譜可以輸出如1所示柱（zhù）狀，也（yě）可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振（zhèn）紋柱形     

2柱（zhù）狀中，橫坐標為頻率（單位（wèi）UPR），縱坐標為幅值（zhí）（單位0.1μm）。這是一個（gè）典型的波紋度（dù）區（qū）間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方（fāng）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，隻不過一個是像化，一（yī）個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸（zhóu）頸振紋數據報告

公差限可以（yǐ）是區域型的，也可（kě）以是曲線型的，4為區域（yù）型的公差（chà）限，5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋（wén）公差采用區域型的公差限，軸頸振紋公差采（cǎi）用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

在4所示的公（gōng）差限中，橫坐標為頻率（單（dān）位UPR），縱（zòng）坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率在40UPR～50UPR區（qū）域範圍（wéi）內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各個凸輪最（zuì）大（dà）振幅值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，各個凸輪最（zuì）大振幅值不能超過公差限0.15μm。區域型公差限（xiàn），一般由測量工程師通過大量的振紋分析頻譜，結合台架試驗結果得到，如4所示的黑色（sè）粗線為各頻率區域的公差限，是由試驗得到的，使用不同顏色來表示（shì）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所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。此公差限由一個（gè）振幅值（zhí）為頻率的指數函數定（dìng）義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出，測量（liàng）工程師（shī）需要在檢測設備上（shàng）設置定（dìng）義該曲線型（xíng）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粗線以內，則表明該曲軸表麵振紋合格，不會產（chǎn）生（shēng）噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與測量注（zhù）意（yì）事（shì）項

6.1  振紋公差的確定

由於（yú）每款發（fā）動機（jī）的結構不同，各自凸輪軸、曲（qǔ）軸的加工工藝（yì）不同，引發噪聲的情況也不同（tóng），因此振紋公差的設定也不能（néng）一概而論。目（mù）前（qián）的建議是，通過實驗獲得公差，即通過檢測（cè）儀器測量，選出一批或若幹批振紋（wén）較大和較小的凸輪軸、曲軸做台（tái）架實驗，通過實驗判定哪個級（jí）別的振（zhèn）紋產生噪（zào）聲，而哪個級別的振紋不產生噪（zào）聲，在兩者之間劃一條控製線，即為公差（chà）。

6.2  測量結果的一致（zhì）性

由於不同檢測儀器的結構（gòu）有（yǒu）所區（qū）別，如型號不同、夾具（jù）和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其是測頭部分（fèn））和工件的共振點（diǎn）不同，以及測（cè）頭對於工件的摩（mó）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（liàng）振紋對產品、工藝及生產的指導意義

測量振（zhèn）紋，首先可以判定工件是否超差，從而控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指（zhǐ）導（dǎo）生（shēng）產，找出（chū）振紋產（chǎn）生的根源並加（jiā）以解決。通過振紋（wén）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（gēn）據加（jiā）工機床（chuáng）各（gè）運動部件和工件之間的速比，可以很容易地找到產生振動（dòng）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，通過振紋分析發現了該磨床所使用砂（shā）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（fǎ）目前已廣泛應用於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全（quán）係列凸輪軸產品，和曲軸產品的生產過程控製、產品審核和驗收中，對提高神龍公司凸輪軸、曲軸（zhóu）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

發動機軸類零件振紋分析方法已經開始在各大企業廣泛使用，為了幫助大家理解和應用回轉體零件振紋分析報告，降低發動機噪聲，特（tè）將（jiāng）個人對（duì）凸輪軸、曲軸振紋分析中的（de）一些經驗和理解，以及對振紋（wén）分析軟件及相關知識應用的探索，與各專業人（rén）員共同探討和廣泛交流，希望能夠（gòu）推動發動（dòng）機軸類零件噪聲測量（liàng）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。