​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（biǎo）麵的振紋分析與測（cè）量相關（guān）知識的介紹，有效幫（bāng）助產品設計人員、工藝與質量管理人（rén）員對旋轉表麵振（zhèn）紋分析與（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應用振紋分析（xī）技術（shù），對提高發動機軸類零件的表麵質（zhì）量、降低發動機（jī）噪音（yīn）有一定的現實（shí）意（yì）義。

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引  言（yán）

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激烈，各（gè）大汽車企（qǐ）業為了滿足不同用（yòng）戶的需求，都在努力提高自己的產品質量，如近年來越來越多的用戶開（kāi）始關注發動機的噪聲。汽車企業為了（le）降低發動機的噪聲，除（chú）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（dī）發動機關鍵零部件在發動機工作（zuò）時可能產生的噪聲，如改善這些關鍵零部件的設（shè）計、提高零件的表麵狀態、增加振紋分（fèn）析要求等措施，來減少發動機（jī）工作（zuò）時的震（zhèn）動，降低發動機運轉過程中的噪音，滿足用（yòng）戶要求。

02

振紋分（fèn）析問題的提出（chū）

實驗和（hé）理論分析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸輪（lún）軸和曲軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機（jī）噪聲的主要來源（yuán）之一。目前學（xué）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需要，世界著名的檢測設（shè）備供應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量與評價（jià）方法，並推出了（le）振（zhèn）紋（wén）分析軟件，為分析（xī）和評價振紋提供了量化的指標和（hé）直觀的頻譜，使用戶（hù）可以一目了然地（dì）看到振（zhèn）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（liàng），並（bìng）找出加工過（guò）程（chéng）中造成振紋的原（yuán）因。

由於（yú）振紋分（fèn）析軟（ruǎn）件推出時間不（bú）長，多數用戶對此經驗不多或在理論上不夠了解，還（hái）廣（guǎng）泛存在（zài）著對於振紋（wén）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（le）解、使用和推廣（guǎng）振紋分析軟件（jiàn），從而更好（hǎo）地為提升發動（dòng）機的（de）性能和質量服務，結合近年來在公司凸（tū）輪軸和（hé）曲軸係列產（chǎn）品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋分析與測（cè）量基礎知識介紹。

03

 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（yùn）動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸（zhóu）和曲軸的表麵形狀是噪聲的主要來源。最初發動機製造廠（chǎng）家在產生噪聲的（de）凸輪軸和曲（qǔ）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（cè）階段。上個世紀九十年代，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（qián）在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪聲來源（yuán）於振（zhèn）動，或者（zhě）說噪聲（shēng）本身（shēn）就是振動，而描述振動最主要的兩個參數就是振幅和頻率（當（dāng）然還有各種頻率的振動疊加時的時間關（guān）係——相位）。潛在噪（zào）聲確實可以反映凸輪（軸）的噪聲水平（píng），但（dàn）缺點是，不能明確指（zhǐ）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（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（guān）地（dì）看到各個頻（pín）率振動的（de）幅度，用以判別工件是否超出振（zhèn）紋公差，並能（néng）找（zhǎo）出幅度大（dà）的或異常的振動，分析其產生的原因從而減小乃至消除之。而在發動（dòng）機行業（yè），振（zhèn）紋一詞也被專（zhuān）門用（yòng）來定義或描述引起振動／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，取得了（le）大量的實驗數據，證明了振紋分析（xī）軟（ruǎn）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。

04

檢（jiǎn）測（cè）方案的優化

振紋分析軟件所使用（yòng）的數學工具，是在信號分析中（zhōng）被廣泛應用的傅（fù）立葉變換。傅裏葉變（biàn）換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信號（hào），考慮（lǜ）成（chéng）由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（餘（yú）弦）信（xìn）號（hào）組合而成，傅裏（lǐ）葉變換的目的，就（jiù）是找出這些基本正弦（餘弦（xián））信號中振（zhèn）幅較大（能量較高）信（xìn）號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信（xìn）號中的（de）主（zhǔ）要振動頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其（qí）徑向（周向）形狀如凸輪的型線和曲軸（zhóu）的圓度，就成為振（zhèn）紋分析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可得到組合信號（hào）／波動的譜線。

有許（xǔ）多用戶覺得傅立葉（yè）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，即把時域（yù）的問題（tí）拿到頻域來分析（xī）。可以把它當成一個工具來看待，比如光學中的三（sān）棱鏡，當白光通過它（tā）時，會分解為（wéi）依次排列的紅橙黃（huáng）綠藍青紫等不同顏色的可見光，以（yǐ）及不可見的紅外線和紫外線。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（dào）的卻是分離（lí）出來的各（gè）個單色光，而描述和分析單色光則容（róng）易得多（duō），這就是從不同角度看問題帶來的好處。如果再測量出不同顏色（sè）的光的強度，就可以畫（huà）一張“完整的（de）”頻／光譜，橫坐標是（shì）頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清楚地看出白光中（zhōng）各單色光的成份。眾所周知，不同顏色的光是因為各（gè）自不同的頻率造（zào）成（chéng）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（zōng）合了三棱鏡（jìng）和光強計的功能，經過變換後，形狀曲（qǔ）線中各組成成份的（de）頻率和幅度（dù）如光譜，一（yī）般直觀地顯示出來，非常便於（yú）處理和應用。

05

振紋分析範圍與測量

一般（bān）來說，從波長／頻率上來分，零件表（biǎo）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（qū）域，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉（chā）。過（guò）於關注波紋度區域，可能會漏掉輪廓區域和粗糙度區域的異常（cháng）波（bō）動，這種情況已經實際發生過，因此，還是建（jiàn）議用戶從低頻（1～2UPR）開始計算到（dào）較高頻（300～500UPR）。目前（qián）ISO標（biāo）準定義了圓度分析點數為（wéi）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（zhèn）紋可以到700UPR左右。原來的360點和1440點的圓度測量儀（yí）器，可以通過（guò）軟硬件升級，提（tí）升到（dào）3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測量儀器上測量振（zhèn）紋，不需要增加太多的（de）調整，隻需要在現有（yǒu）的程序中加入幾個與振紋相關（設置（zhì）算法、公差，計算及輸出數據報告和頻譜）的指令或模塊即可，對原測量過程幾乎毫無影響。目前幾款著名的振紋分析（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後評定，從而更加突出振紋（wén）部分。既可以全周計算振紋，也（yě）可以指定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段和基圓段等）計算振紋。數據報告部分可以輸出不同頻（pín）率段的最大振幅值，頻譜可（kě）以輸出如1所示柱狀（zhuàng），也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振（zhèn）紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這（zhè）是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率從40UPR～300UPR，分（fèn）為4段。灰（huī）色方框（kuàng）是公差帶，使用不同顏色來表示（shì）8個凸（tū）輪；從2柱狀中看到有兩（liǎng）處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的（de）數值報告中，看到了同樣的超差項，二者是統一的，隻不過一（yī）個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振（zhèn）紋柱狀

3  軸頸振紋數據報告

公（gōng）差限可以是（shì）區域型的，也可（kě）以是曲線型（xíng）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（gōng）差（chà）采用區域（yù）型的公差（chà）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所示的公差限中，橫坐標（biāo）為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過（guò）公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各個凸輪最大振（zhèn）幅值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍（wéi）內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差（chà）限0.15μm。區域型（xíng）公差限，一般由測量（liàng）工程師通過（guò）大量的振紋分析頻譜，結合台架（jià）試驗結果得到，如（rú）4所示的黑色粗線為各頻率區域的公差限，是由試（shì）驗得到（dào）的，使用不（bú）同顏色來表示8個凸輪，各個（gè）凸輪（lún）的振紋幅值（zhí）在黑色粗線以內，則表明該凸輪（lún）表麵振紋合格，不會產生噪聲。

在5所示的（de）公（gōng）差限中，橫坐標（biāo）為頻率（單位UPR），縱坐（zuò）標（biāo）為振幅值（單位0.25μm）。此公（gōng）差限由一個（gè）振幅值為頻率的指數函數定義，用指數公式表示，一般（bān）由產品設計人員（yuán）在產品中給出（chū），測量工程師需要在檢測設備上設置定義該曲（qǔ）線型的（de）公差限，如5所示的黑色粗線為公差限（xiàn），所有軸頸的振（zhèn）紋幅值在黑色粗線以內，則（zé）表（biǎo）明該曲軸表麵振紋合格，不（bú）會產生噪聲。

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  振紋公差的確定

由於每款發動機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不（bú）同，引發（fā）噪聲的情況也不同，因此振紋（wén）公差的設定也不能一概而論。目前的建議（yì）是，通過實驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選（xuǎn）出一批或若幹批振紋（wén）較大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實（shí）驗，通過實驗判定哪（nǎ）個級別的振紋產生噪聲，而（ér）哪個級別的振紋不產（chǎn）生噪聲，在兩者之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測（cè）量結果的一致性

由於（yú）不同檢測儀器的結構有（yǒu）所區別，如型（xíng）號（hào）不同、夾具和測頭種類不同，從（cóng）而導致儀（yí）器（尤其是測（cè）頭部分）和工件的共振點不同，以及測頭對於工件的摩擦引起的振動噪（zào）聲不同，再加上環境噪聲（shēng）和電（diàn）器噪聲（shēng），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（liàng）。其實，測量振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產生的根源並（bìng）加以解決。通過振紋頻譜（pǔ）找出振幅較大或異常（cháng）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，可以（yǐ）很容易地找到產生振動的（de）部（bù）位和原因，如夾具、支撐架、傳（chuán）動軸、軸（zhóu）承、砂輪（lún）等，然後（hòu）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（gāi）磨床所使用砂輪的問題，從而及時處理，保證了設備（bèi）驗收進度、預（yù）批量生產進度及產品質量。

振紋（wén）分（fèn）析方法（fǎ）目前已廣泛應用（yòng）於神（shén）龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪（lún）軸產品，和曲軸產品的生（shēng）產（chǎn）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（pǐn）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（yǔ）

發動（dòng）機軸類零件振紋分（fèn）析方法已經（jīng）開始在各大企業廣泛使用，為了幫助大家理解和應用（yòng）回轉體零件（jiàn）振紋分析報（bào）告，降低發動機噪聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振紋分析中（zhōng）的一些經（jīng）驗和理解，以及（jí）對振紋分析軟件及相關知識應用的（de）探索，與各專業人員共同探討和廣（guǎng）泛交流，希望能夠（gòu）推動發（fā）動（dòng）機軸類零件噪聲測量與（yǔ）分析技術的發展與（yǔ）進步，從而為降低發動機的噪聲貢獻一份力量。