​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麵的振紋分析與（yǔ）測量相關知識的介紹，有效幫助產品設計（jì）人員、工藝與質量（liàng）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（guò）程、質量控製、產品驗收（shōu）和（hé）噪聲分析中積極應用振紋分析技術（shù），對提高發動機軸類零件的表麵質量、降低發動機噪音有一定的現實意（yì）義。

01

引  言

隨著我國（guó）汽（qì）車行業的高速（sù）發展，汽（qì）車市場的競爭越來愈激烈，各大汽車企業為了滿足不同用戶的需求，都在努力提（tí）高自己的產品質量，如（rú）近年來越來越多的用戶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（fā）動機采取隔振降噪的措施外，開始重視降低發動機關鍵零部件在發動機工作（zuò）時可能產（chǎn）生的噪聲，如改善這些關鍵（jiàn）零部件的設計（jì）、提高零件（jiàn）的表麵狀態、增加振紋分析（xī）要求等措施（shī），來減少發動機工（gōng）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。

02

振紋分析問題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機（jī）的回轉軸（zhóu）類零件——凸輪軸和曲軸工作（zuò）表（biǎo）麵的周期（qī）性（xìng）波動形（xíng）狀，是發動機噪聲的主（zhǔ）要（yào）來源之一。目前學術上把這種一定頻率範圍（wéi）的周期性波動形狀，稱之為振紋（wén）（Chatter）。順應（yīng）汽車行業發展的需要，世界著名的（de）檢測設備供應商紛（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（jiàn），為分析和評價振紋提（tí）供了量化的指標和直（zhí）觀的頻譜，使用戶可以一目了（le）然地看到振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（zhì）量，並找出加工過程中造成振紋的（de）原因。

由於振紋分析軟件推出時間不長，多數用戶對此經驗不多或在理論上不夠了解，還廣泛（fàn）存在著對於（yú）振紋分析軟件的困惑、對振紋（wén）頻譜的疑惑。為了幫助大家更好（hǎo）地了解、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好地為提升發動機的性能和質量服務，結合（hé）近年來在公司凸（tū）輪軸和曲（qǔ）軸（zhóu）係列產品振紋測量與分析中的（de）經驗為大家做個（gè）振紋分析（xī）與測量基礎知識介（jiè）紹。

03

 振（zhèn）紋研（yán）究的起源和發（fā）展曆史

對於振紋的研（yán）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（jiàn）——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的（de）主要來源（yuán）。最初發動（dòng）機製造廠家在產生噪（zào）聲的凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，稱（chēng）之為振紋（wén），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檢測設（shè）備（bèi）供應（yīng）商提（tí）出（chū）了“潛在噪（zào）聲（shēng）——APN（單隻凸輪的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周（zhōu）知，噪聲來源於振動，或者說噪聲本（běn）身就是振動，而描（miáo）述振動最主要（yào）的兩個參數就是（shì）振幅和頻率（當（dāng）然還有各種頻率的振（zhèn）動（dòng）疊加時的時間關係——相位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能明確指出（chū）其具體的振幅和頻率，因而對分（fèn）析乃至消除噪（zào）聲幫助不大。

隨後一些凸輪軸曲軸（zhóu）檢測儀器公司如ADCOLE等，推出了振（zhèn）紋分析軟件，使得用戶（hù）可以（yǐ）清楚（chǔ）直觀地（dì）看到各個頻率振動的幅度，用以判別（bié）工（gōng）件是否（fǒu）超出振紋公差（chà），並能找出（chū）幅度大的或異常的振動，分（fèn）析其產生的原（yuán）因從而減小乃至消除之。而（ér）在發（fā）動機（jī）行業，振（zhèn）紋一詞也被專（zhuān）門用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（yǔ）一些汽車製造企業合作（zuò），取得了（le）大量的實驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性（xìng）和穩定性，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（wén）分析軟件所使用的數學工具，是在信號分析中被（bèi）廣（guǎng）泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是把看（kàn）似雜亂無章的信號，考慮成由一定振（zhèn）幅、頻率（lǜ）、相位的（de）基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的（de）目的，就是找出這些基本正（zhèng）弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高）信號對（duì）應（yīng）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，其徑向（周向）形狀（zhuàng）如凸輪的型（xíng）線和曲軸的圓度，就成為振紋分（fèn）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（de）譜（pǔ）線。

有（yǒu）許多用戶覺得傅立葉變換（huàn）太過高深，不容易理（lǐ）解，其實它隻是從不同角度看問題，即把時域的（de）問題拿到頻域（yù）來分析。可以（yǐ）把它當（dāng）成一個工具來看待，比如光學中的三棱鏡，當（dāng）白光通過它時，會（huì）分解為依次排列的紅橙黃綠藍青（qīng）紫等不同顏色的可見光（guāng），以及不可見的紅外線和（hé）紫外線。同（tóng）一種物質，在三棱鏡的一側看到的是混疊的白（bái）光，在另（lìng）一側看到的卻是分離（lí）出（chū）來的各個單色光，而（ér）描述和分析單色光則容易得多，這就是（shì）從（cóng）不同角度看問題帶來的好處（chù）。如果再測（cè）量出不同顏（yán）色的光的強度，就可（kě）以畫（huà）一張“完整的”頻／光譜，橫坐（zuò）標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清（qīng）楚（chǔ）地看出白光中各單色光的成（chéng）份。眾所周知，不（bú）同顏色的光是因為各自（zì）不同的頻率（lǜ）造（zào）成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分（fèn）析中使用傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和光強計的功能，經（jīng）過變換後，形狀曲線中各組成（chéng）成份的頻率和幅度（dù）如光譜，一般（bān）直觀地顯示出來（lái），非常便於處理和應用。

05

振紋分析範圍與測量

一般來說，從（cóng）波長／頻率上來（lái）分，零件表麵形貌大（dà）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，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過於（yú）關注波紋度區域，可能會漏（lòu）掉輪廓區域和粗糙度區域的異常波動，這種情況已經實際發生過，因此，還是建議（yì）用戶從低頻（1～2UPR）開始（shǐ）計算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析點數為3600點，因此（cǐ）凸輪軸、曲軸綜合檢測儀采（cǎi）樣點數均為3600點，計算振紋可以到700UPR左（zuǒ）右。原來（lái）的360點和1440點的圓度測（cè）量儀器，可以通過軟硬件升（shēng）級，提（tí）升到（dào）3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測量儀（yí）器上測（cè）量振紋，不需要增加太多的調整，隻需（xū）要在現有的程序中加入幾個與振紋相關（設（shè）置算法（fǎ）、公差，計算及輸出數據報告（gào）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（wén）分析（xī）軟件（jiàn），既可以用標準方（fāng）法（傅立葉變換）評定，也（yě）可以去除輪廓部分後評定，從而更加（jiā）突出振紋部分。既（jì）可以全周計算振紋，也可（kě）以指（zhǐ）定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段（duàn）和基圓段等）計算振紋（wén）。數據報告部分（fèn）可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜可（kě）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（zuò）標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典型的波紋度區間，頻率從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（dào）有兩處超（chāo）差（分別在35～65UPR段和（hé）65～84UPR段）。從3的數值報告中，看（kàn）到了同樣的超差項，二（èr）者是統（tǒng）一（yī）的，隻不過一個是像化，一個是數（shù）字化。

2  軸頸振紋柱（zhù）狀

3  軸頸振紋數據報告

公差限可以是區域型的，也可以是曲線型的，4為區域型的公差限，5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋公差（chà）采用區域型的公差限（xiàn），軸頸振紋公（gōng）差（chà）采用曲線型的公差限。

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），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度區間，頻率（lǜ）在40UPR～50UPR區域（yù）範圍內（nèi），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（wéi）內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.25μm；頻（pín）率在100UPR～350UPR區域範圍內（nèi），各個凸（tū）輪最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（liàng）工程師通過大（dà）量（liàng）的振紋分（fèn）析頻譜，結合台架試驗結果（guǒ）得到，如4所示的（de）黑色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8個凸輪，各個凸輪的振紋幅值在黑色（sè）粗線以內，則表明該凸輪表麵振紋合格，不會（huì）產生噪聲。

在5所示（shì）的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單（dān）位0.25μm）。此（cǐ）公差限由一個振（zhèn）幅值為頻率的指數函數定義，用指（zhǐ）數公式表（biǎo）示，一般（bān）由（yóu）產品設計人員在產品中給出，測量工程師需要（yào）在檢測（cè）設備上設置定義（yì）該曲線型的公差限，如5所示的（de）黑色粗線為公差（chà）限，所有軸頸的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明（míng）該曲軸表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

06

 振紋分析與測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由（yóu）於每款發動（dòng）機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設（shè）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（yí）器測量，選出一批或若幹（gàn）批（pī）振紋較大和較小的（de）凸（tū）輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪個級別的（de）振紋產生噪聲，而（ér）哪個級別的振（zhèn）紋不產生噪聲，在兩者之（zhī）間劃一條控製線（xiàn），即為公（gōng）差。

6.2  測量結果的一（yī）致性

由於不同檢測（cè）儀器的結構有所區別，如型號不同、夾具和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其是測頭（tóu）部分）和工件（jiàn）的共振點不同，以及測頭對於工件的（de）摩擦引（yǐn）起的振動噪聲不同（tóng），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。

07

 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（yǐ）判定（dìng）工件是否超差，從而控（kòng）製加工質量。其實，測量振紋更大（dà）的意義在於指導（dǎo）生（shēng）產，找（zhǎo）出（chū）振紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻譜找出振幅較大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，可以很容易地找到產生振動的部位和原因，如夾具、支（zhī）撐架、傳動軸、軸承、砂輪等，然後加以（yǐ）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輪的（de）問題，從而及時處（chù）理，保（bǎo）證了（le）設備驗收進度（dù）、預批量生產進（jìn）度及產（chǎn）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製、產品審核和驗收中，對提高神龍公（gōng）司凸輪軸、曲軸產品的符合性（xìng）質（zhì）量、整車用戶質量，有很強的現實意義和指導作用。

08

 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（zhù）大家理解（jiě）和應用回轉（zhuǎn）體零件振紋分析報告，降低（dī）發動機噪聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振（zhèn）紋分析中的（de）一些經驗和（hé）理解，以及對振紋分析軟件（jiàn）及相關知識應用的探索，與各專（zhuān）業人員（yuán）共同（tóng）探討和廣泛交（jiāo）流（liú），希望能夠推動發動機軸類零件（jiàn）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。