​發動（dòng）機軸類零件振紋（wén）分析與測量

通過對發動（dòng）機軸類零件旋轉工作表麵的振紋（wén）分析與測量相關知識的介紹，有效幫（bāng）助產品設計人員（yuán）、工藝與質量管理人員對旋轉表麵振紋分（fèn）析與測量的正確理解，希望在生產過程、質量控（kòng）製、產品驗收和噪聲分析中積極應用振（zhèn）紋分（fèn）析技術，對提高發動（dòng）機軸類（lèi）零件的表麵質量、降低發動機噪音有一定的現實意義。

01

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烈，各大汽（qì）車企業為了滿足不同（tóng）用戶的需求，都（dōu）在努力提高自己的產品質量，如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（wéi）了降低發動機的噪聲，除了（le）在整車上對發（fā）動機（jī）采取隔振降噪的措施外，開始重視降低發動（dòng）機關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（de）表麵（miàn）狀態、增加振紋分析要（yào）求等（děng）措施，來減少發動機工作時（shí）的震動，降低發（fā）動機運轉（zhuǎn）過程中的噪音，滿足用戶要求。

02

振紋分（fèn）析問（wèn）題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回轉（zhuǎn）軸（zhóu）類零件（jiàn）——凸輪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（chē）行業發展的需要，世界著（zhe）名的檢測設備供應商紛紛開始（shǐ）研究（jiū）凸（tū）輪軸（zhóu）、曲軸工作表麵（miàn）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，為（wéi）分析和評價振紋提供了量（liàng）化的指標（biāo）和直觀的頻譜，使用戶可以一目了然地（dì）看到振紋（wén）的大小和發（fā）生的頻率，據此控（kòng）製（zhì）凸輪軸和（hé）曲軸工作表麵質量，並找出加（jiā）工過程中造成振紋的原因。

由於振紋分析軟（ruǎn）件（jiàn）推出時間不長，多數用戶對此經（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（kùn）惑、對振紋頻譜的疑惑。為了幫助（zhù）大家更好（hǎo）地（dì）了解、使用和推廣振（zhèn）紋分析軟件，從（cóng）而更好地為提升發動機（jī）的性能和質量服務，結合近年來在公司凸（tū）輪軸和（hé）曲軸係列產品振（zhèn）紋測量與分析中的經驗為大（dà）家（jiā）做（zuò）個振紋分析與測量基礎知識介紹。

03

 振（zhèn）紋研究的起源和發展曆史

對於振紋的研究，基本（běn）起源於發動機（jī）的噪聲，人們認為發動機的運動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸（zhóu）的表麵形狀是（shì）噪聲的主要來源。最初發（fā）動機製造廠家在產生噪聲的凸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（jiǔ）十（shí）年代，一些國際著名（míng）的凸輪軸（zhóu）檢測設備供應（yīng）商提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪（lún）的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在（zài）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（yú）振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振動最主要的兩個（gè）參數（shù）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）。潛在噪聲確實可以反映凸（tū）輪（軸）的噪聲水平（píng），但缺（quē）點是，不能（néng）明確指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。

隨後一些凸輪軸曲軸檢測儀器（qì）公司如ADCOLE等，推出了振紋（wén）分析（xī）軟件，使得用戶可以清楚直觀（guān）地看到各個頻率振動的幅度，用以判別工件（jiàn）是否超出（chū）振（zhèn）紋公差，並能找出幅度大的或異常的振動，分析其產生的原因（yīn）從而（ér）減小乃至消除之。而在發動機行業，振（zhèn）紋一詞也（yě）被專門用來定義或描（miáo）述引（yǐn）起振動／噪聲的周期性波動的表麵形狀。通過與一些汽車製（zhì）造企業合作，取得了大量的實驗數據（jù），證明（míng）了振（zhèn）紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也為如（rú）何（hé）確定公差提（tí）供了指導性經驗。

04

檢測方案（àn）的優化

振紋分析軟件所（suǒ）使用的數學工具，是在信號分析中被（bèi）廣泛應用的傅立葉變（biàn）換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就（jiù）是把看似雜亂（luàn）無章的信（xìn）號，考慮成由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（餘弦（xián））信號組合而成，傅裏葉變換的目的（de），就是找出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中（zhōng）的主要振動（dòng）頻率特點。由於凸輪軸、曲軸（zhóu）為（wéi）回轉工件（jiàn），其徑向（周向）形狀（zhuàng）如凸輪的型線和曲軸（zhóu）的圓度，就成（chéng）為振紋分析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可得到（dào）組合信（xìn）號／波動的譜線。

有許多用戶覺（jiào）得傅立葉變換太過（guò）高深，不容易理解，其實它（tā）隻是（shì）從不同角度看問（wèn）題，即把（bǎ）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待（dài），比如光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次排列的紅橙黃綠藍青紫（zǐ）等不同顏色的（de）可見（jiàn）光，以及不可見的紅外線和紫（zǐ）外線。同一種物質（zhì），在三棱鏡的一側看到的是（shì）混（hún）疊的白光，在另一側看到的卻是分離出來的各（gè）個（gè）單色光（guāng），而描述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角度看問題帶來的好處。如果再測量出不同（tóng）顏色的光的強度，就可以（yǐ）畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是（shì）頻率／顏色，縱坐標（biāo）是強度，這樣就可以很（hěn）清楚地看出白（bái）光中各單色光的成份。眾所周知，不同（tóng）顏色的光是因（yīn）為各自不同的頻率造成的，因此（cǐ），光譜（pǔ）也是頻譜。在振紋（wén）分析（xī）中使用傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和（hé）光強計的功能，經（jīng）過變換後，形狀曲線中各組（zǔ）成成份的頻率和幅度如（rú）光譜，一般直觀地（dì）顯示出來，非常便於（yú）處理和應用。

05

振（zhèn）紋分析範圍與測（cè）量

一般來說，從波長／頻率上來分（fèn），零件表麵形（xíng）貌大致分（fèn）為三個層次：輪廓、波紋度和粗糙（cāo）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。過於關注波紋（wén）度區域，可能會漏掉輪廓（kuò）區域和粗糙度區域的異（yì）常（cháng）波動（dòng），這種情況（kuàng）已經實際（jì）發生過，因此，還是建議用戶（hù）從低頻（1～2UPR）開（kāi）始計算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準（zhǔn）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，計算振紋可以到700UPR左右。原來的360點（diǎn）和1440點的圓度測量儀器，可以（yǐ）通過軟硬件升級，提升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測（cè）量儀（yí）器上測量振紋，不需要增加太多的調整，隻需（xū）要在現有的程（chéng）序中加（jiā）入幾個與振紋（wén）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（de）振紋分析軟件，既可以用標（biāo）準方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部（bù）分後評定，從而更加突出振紋部分。既可以全（quán）周計算振紋（wén），也可（kě）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（fèn）可以輸出不同頻率段的最大（dà）振（zhèn）幅值，頻譜可以輸出如1所示（shì）柱狀，也可以（yǐ）輸出（chū）連續曲（qǔ）線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫（héng）坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單（dān）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（dài），使（shǐ）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（yī）的，隻（zhī）不過一（yī）個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸（jǐng）振紋數據報（bào）告

公差限可（kě）以是區域（yù）型的，也（yě）可以是曲線型的，4為區域型的公差限（xiàn），5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋公差采（cǎi）用（yòng）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（qū）域（yù）型的公差（chà）限

在（zài）4所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位（wèi）UPR），縱坐標（biāo）為振幅（fú）值（zhí）（單位0.25μm）。這是一個典型的波（bō）紋度區間，頻率在（zài）40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振（zhèn）幅（fú）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（lún）最大振幅值不（bú）能超過公差限0.15μm。區域型公差限，一般由測量工程師通過大量的振紋（wén）分析頻譜，結合（hé）台架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區域（yù）的公（gōng）差限，是（shì）由試驗得到的（de），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粗線（xiàn）以內，則（zé）表明（míng）該凸輪表麵振紋合格，不會產生噪聲。

在5所示的公差（chà）限中，橫坐（zuò）標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。此公差限由一個振幅值為頻率的（de）指數函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中（zhōng）給出，測量工程師需要在檢測設備上（shàng）設置定義該曲線型的公差限，如5所（suǒ）示的（de）黑色粗線為公（gōng）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）生噪聲。

5  曲線型的公差限

06

 振紋分析與測量注（zhù）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（gè）自（zì）凸輪軸、曲軸的（de）加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定也不能（néng）一概而（ér）論。目前的建議是，通過實驗獲得公差，即通（tōng）過檢測儀器測量，選出一（yī）批（pī）或若幹批振紋較大和較小的（de）凸輪（lún）軸、曲軸做台架（jià）實驗，通過（guò）實驗判（pàn）定哪個級別的振紋產生噪聲，而哪個級別的振（zhèn）紋不產生噪聲，在兩者之間劃一條控（kòng）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（de）結構有所區（qū）別，如（rú）型號不（bú）同、夾具和測頭種類不（bú）同，從而導致儀器（尤其（qí）是測頭部分）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聲不同，再加上環境噪聲和（hé）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（shēng）產（chǎn）的指導意義

測量振紋，首（shǒu）先可以判定工件（jiàn）是否（fǒu）超差，從（cóng）而控製加工質量。其實（shí），測（cè）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（wén）頻譜找出振（zhèn）幅（fú）較大（dà）或異常振動所發生的頻率點（UPR為單位），再根據加（jiā）工機床各運（yùn）動部件和工件之間的（de）速比（bǐ），可以很容易地找到產生（shēng）振動的部位和原因，如夾具、支撐架、傳動軸、軸承（chéng）、砂輪等，然後（hòu）加以解決。如（rú）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（shí）處理，保證了設備驗（yàn）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（pǐn）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。

08

 結（jié）束語

發動機軸（zhóu）類零件振（zhèn）紋分析（xī）方法已經開始在各大（dà）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（fèn）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（zhōng）的一些經驗和理解，以及對振紋分（fèn）析軟件及相關知（zhī）識應用的探（tàn）索，與各專業人員共同探討和廣泛交流，希望能夠推動（dòng）發（fā）動機軸類零件噪聲測量與分析技術的發展與進步，從而為降低發動機的噪（zào）聲貢獻一份力量。