​發（fā）動機軸類零件振紋分析與測量

通過對發動機軸類零件（jiàn）旋轉工作表麵的振紋分析與測量相（xiàng）關知識的介（jiè）紹，有效幫助產品設計人員、工藝與（yǔ）質量管理人員對旋轉（zhuǎn）表麵振紋分析與測量的正（zhèng）確理解，希望在生（shēng）產過程、質量控製、產品驗收和噪聲分析中積極應用振紋（wén）分析技術，對提高發動機軸類零件（jiàn）的表麵質量（liàng）、降低（dī）發動機噪音（yīn）有一定的現實意義（yì）。

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引  言

隨著我國汽車行業的高（gāo）速發（fā）展，汽車市場的競爭越來愈激（jī）烈，各大汽車（chē）企業為了滿足不同用戶的需求，都在努力提高自己的產品質量，如近年（nián）來越來越（yuè）多的用戶開始關（guān）注發動機的噪（zào）聲。汽車企業（yè）為了降低發動機的噪聲（shēng），除了在整車上對發動機采取隔振降噪的措施外（wài），開始重視降低發動機關鍵零（líng）部件在發動機工作（zuò）時可能產生的噪（zào）聲，如改善這（zhè）些關鍵零部件的設計（jì）、提高零件（jiàn）的表麵狀態、增加振紋分析要求等措施，來減（jiǎn）少發動機工作時的震動，降低發（fā）動機運轉過程中的噪音，滿足用戶要求。

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振紋分析問題的提出

實驗和理論（lùn）分析都表明（míng），發動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲（qǔ）軸工作表麵的周期性波動形狀（zhuàng），是發（fā）動機噪聲的主要來源之一。目前學術上把這（zhè）種一定頻率範圍（wéi）的周期性波動形狀，稱（chēng）之為振紋（Chatter）。順應汽車行（háng）業發展（zhǎn）的需要，世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵（miàn）上這些（xiē）周期（qī）性波動形狀（zhuàng）的測量與評價方法，並推出了振紋分析軟件，為分析和評價振（zhèn）紋提供了（le）量化（huà）的指（zhǐ）標和直觀的頻譜，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（qǔ）軸工作表麵質量，並找出加工過程中造成振紋的原（yuán）因。

由於振（zhèn）紋分析軟件推出時間（jiān）不長，多數用戶（hù）對此經驗不多或在理論（lùn）上（shàng）不夠了解，還廣泛存在著對於振紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜的疑惑（huò）。為了幫助大家更好地了解、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好（hǎo）地為提升發動機的性能和質（zhì）量服務，結合近年來在公司凸輪軸和（hé）曲（qǔ）軸係列產品（pǐn）振紋（wén）測量與分析中的經驗為大家做個振（zhèn）紋（wén）分析與測量基礎知識介紹。

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 振紋研究的起源和發展曆史

對於振紋的研究（jiū），基本起源於發動機的（de）噪聲，人們認為發動機的運動部件尤（yóu）其（qí）是回轉軸類零件——凸輪（lún）軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的（de）主（zhǔ）要來源。最初發動機製（zhì）造廠家在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵（miàn）看到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留在目（mù）測（cè）階段。上個世紀九十年（nián）代，一些國際著（zhe）名的凸輪（lún）軸檢測設備（bèi）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（shēng）水平。

眾所周知，噪聲（shēng）來（lái）源於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振（zhèn）動最主要的兩個參數就是振幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊加時的時間關係——相位）。潛（qián）在噪聲確實可以反映（yìng）凸輪（軸（zhóu））的噪聲水（shuǐ）平，但缺點是，不能明確指出其具體的振幅和頻率（lǜ），因而（ér）對分析乃（nǎi）至消除噪聲幫助不大。

隨後一些凸輪軸曲軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推出了振紋分析軟件，使得用（yòng）戶（hù）可以清楚直觀地看到各個頻率振動的幅度，用以判（pàn）別工件是否超出振紋公差（chà），並能找（zhǎo）出幅度大的或異常的（de）振動，分析其產生的原因從而減小乃至消除之。而在發動機行業，振紋一詞也被專門用來定義或描述引起振動／噪聲的周期性波動的表麵（miàn）形狀。通過與一些汽車製（zhì）造企業合作，取得了大（dà）量的實驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也為如（rú）何確定公差提供了指導性經驗。

04

檢（jiǎn）測方案的優化

振紋分析軟件所使用的（de）數學工（gōng）具，是在信號分析中被廣泛應用的傅立葉變（biàn）換。傅裏葉（yè）變（biàn）換（huàn）簡單通俗理解，就是把看似雜（zá）亂無（wú）章的信號，考（kǎo）慮成由一定振幅、頻率（lǜ）、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的目的，就（jiù）是找出這些（xiē）基本正弦（餘（yú）弦）信號（hào）中振幅較大（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。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其（qí）徑向（周向）形狀如凸（tū）輪的型線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號來源（yuán），對（duì）其進行傅立葉（yè）變換，即（jí）可得到組合信號／波動的譜線（xiàn）。

有（yǒu）許多用戶覺得傅立葉變換太過高深，不容易理解，其（qí）實它隻是從不同角度看問題，即把時域的問（wèn）題拿到頻域來分析。可以把它當成一個工具（jù）來看待，比如光學中（zhōng）的三棱（léng）鏡，當（dāng）白光通過它時，會分解為依次排列的紅橙黃（huáng）綠藍青（qīng）紫等不同顏色（sè）的可見光，以及不（bú）可見（jiàn）的（de）紅外（wài）線和紫外線。同一種物質（zhì），在三棱鏡的一（yī）側看到的是混疊的白光，在另一側看到的（de）卻是分離出來的各個單色光，而描述和（hé）分析單色光則容易得多，這就是從不同角度看問題（tí）帶來（lái）的好處。如果（guǒ）再測量出不同顏（yán）色的光的強度，就可以畫一張“完整（zhěng）的”頻／光（guāng）譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐（zuò）標（biāo）是強度，這樣就可以很清（qīng）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（shì）因為（wéi）各自不（bú）同的頻率造成（chéng）的，因此，光譜也是頻譜。在（zài）振紋分析中（zhōng）使用傅立葉（yè）變換，則是綜合了三棱鏡和（hé）光強計的功能，經過變換後（hòu），形狀曲（qǔ）線中各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出（chū）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（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（yù），當然與（yǔ）輪廓和粗糙度也有所交叉。過於關注波紋度區（qū）域（yù），可能會漏掉（diào）輪廓區域和粗糙度區域（yù）的異常波動，這種情況已經實際發（fā）生過，因此，還是建議用戶從低頻（1～2UPR）開始計算（suàn）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、曲軸綜合檢測儀采樣點數均為3600點（diǎn），計算振紋可以到700UPR左右。原來（lái）的360點和1440點的圓度測量儀器，可以通（tōng）過軟硬件升級，提升到（dào）3600點。

在凸輪軸曲（qǔ）軸綜合測量儀器上測量（liàng）振紋（wén），不需要（yào）增加太多的調整，隻需要在現（xiàn）有的程序中加（jiā）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譜）的指令或模塊即可（kě），對原測量過程幾乎（hū）毫無影響。目前（qián）幾款著名的振紋分析軟件，既（jì）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（dìng），從而更加突出振紋部分。既可以全周計算振紋，也可以指定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段和基圓段等（děng））計算（suàn）振紋。數據報告部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻（pín）譜可以輸出如（rú）1所示柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為（wéi）頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典型的波紋（wén）度區間，頻率從40UPR～300UPR，分（fèn）為4段。灰（huī）色方框是公差帶，使用不同顏（yán）色來表示8個（gè）凸（tū）輪；從2柱狀中看到有兩處超差（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（de）超差（chà）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  軸頸振紋數據報告

公（gōng）差限可以是區（qū）域型的，也可以是曲線型的（de），4為區域型的公差限，5為曲線型的公差限。一般（bān）凸輪振（zhèn）紋公差采用區域型的公差限，軸頸振紋公差采用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

在（zài）4所示（shì）的公（gōng）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（gè）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（zhèn）幅值不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍（wéi）內，各個凸輪最大振幅值不能（néng）超過公差限0.25μm；頻率在（zài）100UPR～350UPR區域（yù）範圍內，各個凸輪最（zuì）大振幅值（zhí）不能超過公差限0.15μm。區域（yù）型公差限，一般由測量工程師（shī）通過大量的振紋分（fèn）析（xī）頻譜，結合台（tái）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，是由試驗得到的（de），使用不（bú）同顏色來（lái）表示8個凸輪，各個凸輪的振紋幅值在黑色（sè）粗線以（yǐ）內，則表明該（gāi）凸（tū）輪表麵振紋合格（gé），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（zuò）標為振（zhèn）幅值（單位（wèi）0.25μm）。此（cǐ）公差限（xiàn）由一個振幅值為頻率的指（zhǐ）數函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出，測量工程師需要在（zài）檢測設備上設置定義該曲線型的公差限，如5所示（shì）的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅值在（zài）黑色粗線以內，則表明該曲（qǔ）軸表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公（gōng）差限

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 振紋分析與測量注意事項（xiàng）

6.1  振紋公差（chà）的確（què）定（dìng）

由於每款發（fā）動機的（de）結構不同，各自凸輪軸、曲軸的（de）加工工藝不同，引發噪聲的（de）情況也不同，因（yīn）此振紋公差的設定也不（bú）能一概（gài）而論（lùn）。目前的（de）建議是，通過實驗獲得公（gōng）差，即通（tōng）過檢測儀器測量，選出（chū）一批或若幹批振紋較（jiào）大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實（shí）驗，通（tōng）過（guò）實驗判定哪個級別的振紋產生噪聲，而哪個（gè）級別的振紋不產生噪（zào）聲，在（zài）兩者之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結（jié）果的一致性

由於不同檢測儀器的結構有所區別，如型（xíng）號不同、夾具和測頭種類不同，從而導致（zhì）儀器（尤其是（shì）測頭部分）和工件的共振點不（bú）同，以及測頭對於工（gōng）件的摩擦引起的（de）振動噪聲不同（tóng），再加上環境噪聲和電器噪聲（shēng），不同儀器測得的振紋結果在個別頻率上可能略有（yǒu）差別。

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 測量振紋對產（chǎn）品、工藝及生產的指導意義

測量振紋，首先可（kě）以判定工件是（shì）否超差，從而控製（zhì）加工質量。其實，測量（liàng）振（zhèn）紋更大的意義在於指（zhǐ）導生產，找出振紋產生的根（gēn）源並加以解（jiě）決。通過（guò）振紋頻（pín）譜找出振幅較大或異常振動（dòng）所發生的頻率點（UPR為單位），再根據加（jiā）工（gōng）機（jī）床各運（yùn）動部件和工件之間的速比，可以很容易地找到產生振（zhèn）動的部位和原因，如夾具、支（zhī）撐架（jià）、傳動軸（zhóu）、軸承、砂輪等，然後（hòu）加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收（shōu）過程中，通過振紋分析發現了該磨床所使用砂輪的問題，從而及時處理（lǐ），保證了（le）設備驗收進度、預批量生（shēng）產進度及產（chǎn）品質（zhì）量。

振紋分析方法目前已廣泛應用於神龍公司的（de）TU/EC/EW/EP/EB等（děng）全係列（liè）凸輪軸產品，和曲軸（zhóu）產品的生產過程（chéng）控製、產品審核和驗收中，對提（tí）高神龍公司凸輪軸、曲軸產品的符合性質量、整（zhěng）車用戶質量（liàng），有很強的現（xiàn）實意義和（hé）指導作用。

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 結（jié）束語

發動機軸類零件振紋分（fèn）析（xī）方法已經開始在各大企業廣泛使用，為了（le）幫助大家理解和應用回轉（zhuǎn）體零件振紋分析報告（gào），降低發動機噪聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振紋分析中的一些經驗和（hé）理解，以及（jí）對振（zhèn）紋分析軟件及相（xiàng）關（guān）知識應用的探索，與各（gè）專業人員共同探討和廣（guǎng）泛交（jiāo）流，希望能夠推動發動機軸類零件噪聲測量與分析技術的發展與進（jìn）步，從而為降低發動機的噪聲（shēng）貢獻一份力量。