​發動機軸類零件（jiàn）振紋分析與（yǔ）測量

通過對發動機軸類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫助產品設計人員、工藝與（yǔ）質量管理人員對旋轉表麵振紋分析與測量（liàng）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（tí）高發動機（jī）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。

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引  言

隨著我（wǒ）國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車企業為了滿足（zú）不（bú）同用戶的需（xū）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（hù）開始關注發動機的噪聲。汽車企業為了降低發動機的噪聲，除了在整車上對發動機采取隔（gé）振降噪的措施外，開始重視降低發（fā）動機（jī）關（guān）鍵零部件在發動機工作時可能產生的噪聲，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（wén）分析要求等措施（shī），來減少發動機（jī）工作時的震動，降低（dī）發動機運轉過程中的噪音，滿足用戶（hù）要求。

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振紋分析問題的提出

實驗和（hé）理論分析都表（biǎo）明（míng），發動機的回轉（zhuǎn）軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表麵的周期性波動（dòng）形狀（zhuàng），是發動機噪（zào）聲的主要來源之（zhī）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（shùn）應汽車行（háng）業（yè）發展的需要，世（shì）界著名的檢測（cè）設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周（zhōu）期性波動形狀的測量與評價（jià）方法（fǎ），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標和直觀的（de）頻譜，使用戶可以一目了然地看到（dào）振紋的大小和發生的頻率，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原因（yīn）。

由於振紋分析軟件推（tuī）出（chū）時間不長，多數用戶對（duì）此經（jīng）驗不多或在理論上不夠了解，還廣泛存在著對於振紋分析軟件的困惑（huò）、對振紋頻譜的疑（yí）惑（huò）。為了幫助大家更好地了解、使用和推廣振（zhèn）紋分析軟件，從而更好地為提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（liè）產品振（zhèn）紋測量與分析中的經驗為大家做個（gè）振紋分析與測（cè）量基礎知識介紹。

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 振紋研究的（de）起源和發展曆史（shǐ）

對於振紋的研究，基本起源於發動機的噪聲，人們認為發動機的運（yùn）動部件（jiàn）尤其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的（de）主要來源。最初發（fā）動機（jī）製造（zào）廠家在產生噪聲的凸（tū）輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，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，噪聲來源於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振動最主要（yào）的兩個（gè）參數就是振幅和頻率（當然還（hái）有各種頻率的振動疊加時（shí）的時間關係——相位）。潛在噪聲確實可以（yǐ）反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能明確指（zhǐ）出其（qí）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（yī）些凸輪軸曲軸檢測儀器公司（sī）如（rú）ADCOLE等，推出了振紋分析軟件，使得用戶可以清楚直（zhí）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（dù）大的或異常（cháng）的振動，分（fèn）析其產生的原因從而減小乃至消除之。而在發動機（jī）行業，振紋一（yī）詞也被專門用來定義或（huò）描述引起振（zhèn）動／噪聲的（de）周期性波動的表麵（miàn）形狀。通過與一些汽車製造企業合作，取得了大（dà）量的實驗數據，證明了振紋分析軟（ruǎn）件的可靠性和穩定性，同（tóng）時也為（wéi）如何（hé）確定公差提（tí）供了指導性經驗。

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檢測方案的優化（huà）

振紋分析（xī）軟件所使用的數學工具，是在信（xìn）號分析中被廣泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變（biàn）換簡單通俗理解，就是把看（kàn）似雜亂無章的信號，考慮成由一定振幅、頻率、相位的（de）基本（běn）正弦（餘弦）信號組（zǔ）合而成，傅（fù）裏（lǐ）葉變換的目的，就是（shì）找出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高）信號對應的頻率（lǜ），從而找出雜亂無（wú）章的信號中（zhōng）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（xiàn）和（hé）曲軸的圓度，就成為振紋（wén）分（fèn）析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可得到組合信號／波動的譜線。

有許多用（yòng）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（dù）看問題，即把時（shí）域的問題拿到頻域來分析（xī）。可以把它當成一個工具來看（kàn）待，比如光學中的三棱鏡（jìng），當白光通過它時，會分解為依次（cì）排（pái）列的紅橙（chéng）黃綠藍青紫等不同顏色的可見光，以及不可見的紅外線和紫外線。同（tóng）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出來的各（gè）個單色光，而（ér）描述和分析單色光則容易得多，這就（jiù）是從不同角（jiǎo）度看問題帶來的好處。如果再測量出不同（tóng）顏（yán）色的光的（de）強度，就（jiù）可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫（héng）坐標是頻率／顏色，縱坐標是（shì）強度，這樣就可以很清楚地看出白（bái）光（guāng）中各（gè）單色光的成份。眾（zhòng）所周知，不同顏色（sè）的光是因為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜（pǔ）。在振紋分析中使用傅立葉（yè）變換，則是綜合了三（sān）棱鏡和光強計的（de）功能，經過變換後，形狀曲線中各組成（chéng）成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出來（lái），非常便於處理和應用。

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振紋分析範圍與測量

一般來說，從波長／頻率上來（lái）分，零件表麵（miàn）形貌大致分為（wéi）三（sān）個層次（cì）：輪廓、波紋度和（hé）粗糙（cāo）度。而振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓和粗糙度也（yě）有所交叉。過（guò）於關注（zhù）波紋度區域（yù），可能會漏掉輪廓區域（yù）和粗糙（cāo）度區域的異常波動，這種情（qíng）況已經實際發生過，因此，還（hái）是建議用戶從低頻（1～2UPR）開（kāi）始計（jì）算到較（jiào）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（jiǎn）測儀采樣點數均為3600點（diǎn），計算振紋可以到700UPR左右。原（yuán）來的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）器上測量振紋，不需要增加太多的調整，隻需要在（zài）現有的程（chéng）序中（zhōng）加入幾個與振紋相關（設置算法、公差，計算（suàn）及輸出數（shù）據報告和（hé）頻譜）的（de）指令或模塊即可，對原測量過程幾乎（hū）毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用（yòng）標（biāo）準方（fāng）法（傅立葉變換）評定，也可以（yǐ）去除輪廓部分後（hòu）評定，從而更加突出振紋部分（fèn）。既可以全周（zhōu）計算振紋，也可以指定區域（如凸輪（lún）的（de）桃尖段、過（guò）渡段和基圓段等）計算振紋。數據報告部分可（kě）以輸出（chū）不同頻率段的最大振幅值，頻譜（pǔ）可以輸出如1所（suǒ）示柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱（zhù）狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典型（xíng）的波紋度區間，頻率（lǜ）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8個凸（tū）輪（lún）；從2柱狀中看到有兩（liǎng）處超差（分別（bié）在35～65UPR段（duàn）和（hé）65～84UPR段）。從3的數值報告中，看到了（le）同樣的超差項，二者是統一的，隻不（bú）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為區域型的公差（chà）限，5為曲線型的（de）公差限。一般凸輪振紋公差采用區域型的（de）公（gōng）差限，軸頸振紋公差采用曲線型的公差限（xiàn）。

4  區（qū）域型的公差限

在4所示的公（gōng）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（wén）度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸（tū）輪最（zuì）大振幅值（zhí）不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內（nèi），各個凸輪最大振幅值不能（néng）超過公差（chà）限0.25μm；頻（pín）率在100UPR～350UPR區域範圍內，各（gè）個凸輪最（zuì）大振幅值不（bú）能超過公差限0.15μm。區域型公（gōng）差限，一般由測（cè）量工程師通過（guò）大量的振紋分析頻譜，結合台架試（shì）驗結果（guǒ）得到，如（rú）4所示的黑色粗線為各頻（pín）率區域的公差限，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（zài）黑色粗線以內，則表明（míng）該凸輪表麵振紋合格，不會產（chǎn）生噪聲。

在5所示的公（gōng）差限中，橫坐（zuò）標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位（wèi）0.25μm）。此公差限由一個振幅值為頻率的指（zhǐ）數函數定義，用指數公式表示，一般由（yóu）產品設計人員在產品中（zhōng）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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 振紋分析與測量注意事項（xiàng）

6.1  振紋公（gōng）差的確定

由於每款（kuǎn）發動機的（de）結構不同（tóng），各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發（fā）噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定（dìng）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，選出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（yàn）判定哪個級別的振紋產生（shēng）噪聲，而哪個級別的振紋不產生（shēng）噪聲（shēng），在兩者之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果的一（yī）致性

由於不同（tóng）檢測儀器的結構有所區別，如型號不同（tóng）、夾具和測（cè）頭種類不同，從而（ér）導致儀器（尤其是測（cè）頭部分）和工件的（de）共振點（diǎn）不同，以及測頭對於工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再（zài）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（bié）頻率上可（kě）能略有差別。

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 測量（liàng）振紋（wén）對產品、工藝及生產的指導（dǎo）意義

測量（liàng）振（zhèn）紋，首先可以判（pàn）定工件是否超差，從而（ér）控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指導生產，找出（chū）振（zhèn）紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻譜找出振幅較（jiào）大或（huò）異常振（zhèn）動所發生的頻率（lǜ）點（diǎn）（UPR為單位），再根據加工機床各（gè）運動部件和工（gōng）件之（zhī）間的速比，可以（yǐ）很容易地找到產生振動的部位（wèi）和原因，如夾（jiá）具、支撐架、傳動軸、軸承、砂（shā）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（le）該磨床所使用砂輪的（de）問題，從而及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生產進度及產品質量。

振紋分析方法目前已廣（guǎng）泛應用於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列（liè）凸輪（lún）軸產品，和曲軸產品的生（shēng）產過程控製、產品（pǐn）審（shěn）核和驗（yàn）收（shōu）中，對提高神龍（lóng）公司凸輪軸、曲軸（zhóu）產品的符合性質量、整車用（yòng）戶質量，有（yǒu）很強的現實（shí）意義和指導（dǎo）作用。

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 結（jié）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，特將個人對凸輪軸（zhóu）、曲軸振紋分析中的一些經（jīng）驗和理解，以及對振紋分析軟件及相關知識應用的探索，與各專業（yè）人員共同探討和廣（guǎng）泛交流，希望（wàng）能夠推動發動機軸類零件噪（zào）聲測量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。