​發動（dòng）機軸類零件（jiàn）振紋分析（xī）與測量

通過對發動機軸類零件旋轉工作（zuò）表麵的振紋分（fèn）析與測（cè）量相關知識的介紹，有效幫助（zhù）產品設計人員、工藝與質量管理人員對旋轉（zhuǎn）表麵振紋分析與測量的正確理解，希望在（zài）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，對提高發動機軸（zhóu）類零件（jiàn）的表麵質（zhì）量、降低發（fā）動機噪音有一定的現實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場（chǎng）的競爭越來愈（yù）激烈，各大汽車企業為了滿足不同用戶的需求，都在努力提高自己的產品（pǐn）質量，如近年來越來（lái）越多的用戶（hù）開始關注發動機的噪聲（shēng）。汽（qì）車企（qǐ）業為了降低發動機的噪聲，除了在整車上對發動機采取隔振降（jiàng）噪的措施外（wài），開始重視降（jiàng）低發動（dòng）機（jī）關鍵零部（bù）件在發動機（jī）工（gōng）作時可能產生的噪聲，如改（gǎi）善這些關鍵零部件的設計、提（tí）高零件的表麵狀態、增加振紋分析要（yào）求等（děng）措施，來減少發動機工作時的震動，降低發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（tí）的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回（huí）轉軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表麵的周期（qī）性波（bō）動形狀，是發動（dòng）機噪聲的主要來（lái）源之一。目前學術上把這種一（yī）定頻率範圍的周期性（xìng）波動形狀，稱之為（wéi）振紋（wén）（Chatter）。順應汽車行業發展的需要（yào），世界著名的檢測設備供應（yīng）商紛紛（fēn）開始研究凸輪（lún）軸、曲軸工作（zuò）表麵上這些周期性波動形狀的測量（liàng）與評價方法，並推出了振紋分析（xī）軟件，為分析（xī）和評價振紋提（tí）供了量化的指標和直觀的頻（pín）譜，使（shǐ）用戶可以一目了然地看到振紋的大小（xiǎo）和（hé）發生的頻率（lǜ），據此控製凸輪軸和曲軸工作表麵質量（liàng），並找出加工過程（chéng）中造成振（zhèn）紋的原因。

由於振（zhèn）紋分析軟件（jiàn）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（hái）廣泛存在著對於振（zhèn）紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜的疑惑（huò）。為（wéi）了（le）幫（bāng）助大家更好地了解、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好地為（wéi）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（qǔ）軸係列產品振紋測量與分析中的經驗為大家（jiā）做個振紋分（fèn）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，基本起源於發動機的噪聲，人們認（rèn）為發動機的運動部件尤其是回轉軸（zhóu）類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲的主要來源。最初發動機製造廠家在產（chǎn）生噪聲的凸輪軸和曲軸表（biǎo）麵看到了棱麵（miàn）痕跡，稱（chēng）之為振紋，那（nà）時（shí）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（jiǎn）測（cè）設備供應商提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪（lún）的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸（zhóu）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，噪聲來源於（yú）振動，或者說噪聲本身就是振動（dòng），而（ér）描述振（zhèn）動最主要的兩個參數就是振幅和頻（pín）率（當然（rán）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輪（軸）的噪聲水平，但缺點（diǎn）是，不能明（míng）確（què）指出（chū）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（jiǎn）測儀器公司如（rú）ADCOLE等（děng），推出（chū）了振紋（wén）分析軟件，使得用戶（hù）可以清楚直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，並能找出幅度大的（de）或異常的振動，分析其產生的原因從而減小乃至消除（chú）之。而在發動機行業（yè），振紋一詞也被（bèi）專門用來定（dìng）義或描述引（yǐn）起振動（dòng）／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，取得了大量的實驗數據，證明了振紋分析軟件（jiàn）的可靠性和穩定（dìng）性，同時也為（wéi）如何確定公差提供了指導性經驗。

04

檢測方案的優化

振紋分析軟件（jiàn）所使用的數學工（gōng）具，是在信號分析中被（bèi）廣泛（fàn）應（yīng）用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡單通（tōng）俗理解，就是把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定（dìng）振幅、頻率、相（xiàng）位的基本正（zhèng）弦（xián）（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變（biàn）換的目的，就是（shì）找（zhǎo）出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高（gāo））信號對（duì）應的頻率，從而找出雜（zá）亂無章的信號中的主要（yào）振動頻率特點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其徑（jìng）向（周向）形狀如（rú）凸輪的（de）型線（xiàn）和曲軸的圓度，就成為振紋分析的（de）信號來源，對（duì）其進行傅立葉變換，即可得到組合信號／波動的譜線。

有許多用戶覺得傅立葉（yè）變換太過高深，不容易理（lǐ）解（jiě），其實它隻是（shì）從不同角度看問題，即把時域的問題拿到頻（pín）域來分析。可以把它當成一個工具來看待（dài），比如光（guāng）學中的三棱鏡，當白（bái）光通過（guò）它時，會分解為依次排列的紅橙黃（huáng）綠藍青紫等（děng）不同顏色的可見光，以及不可見（jiàn）的（de）紅外線和紫外線。同一種物質，在三棱鏡的一側看到（dào）的是混疊的白光，在另一側看到的卻（què）是分離出來的各個（gè）單色光，而描述和分析單色光則容易得多（duō），這就是從不（bú）同角度看（kàn）問題帶來的好處。如果再測量（liàng）出不同顏色的光的（de）強度，就可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏色（sè），縱（zòng）坐標是（shì）強度，這樣就可以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾所周知，不（bú）同顏色的光是因為各（gè）自不同的頻率造成的（de），因此，光譜也是頻譜（pǔ）。在（zài）振紋分析中（zhōng）使用傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和光強計的功能，經過（guò）變（biàn）換後，形狀（zhuàng）曲線中各組成成份的頻率和幅度（dù）如光譜，一般直觀地顯示出來，非（fēi）常便於處理和應（yīng）用。

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振紋分析範圍與測（cè）量（liàng）

一般來說，從波長／頻（pín）率上來分，零（líng）件表麵形貌大致分為三個層次：輪廓、波紋（wén）度和（hé）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。過於關注波紋度區域，可（kě）能會漏掉輪廓區域和粗糙度區（qū）域的異常波（bō）動，這種情況已經實際發生過，因此，還（hái）是建議用戶從低（dī）頻（1～2UPR）開始計算到（dào）較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準（zhǔn）定義了圓度（dù）分析點數（shù）為3600點，因此凸輪軸、曲軸綜合檢測儀采樣點數均為（wéi）3600點，計算振紋可（kě）以到（dào）700UPR左（zuǒ）右。原來的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（qǔ）軸綜（zōng）合測量儀器上測量振紋，不需要增加（jiā）太多的調整，隻需要在現（xiàn）有的程序中加入幾個與振紋相關（設置算法、公差（chà），計算及（jí）輸出數據報告（gào）和頻（pín）譜（pǔ））的指令（lìng）或模塊即可，對原測量（liàng）過程幾乎毫無影響。目前幾款（kuǎn）著名的（de）振紋分析軟（ruǎn）件，既可以用標準方（fāng）法（傅立葉變（biàn）換）評定，也（yě）可以去除輪（lún）廓部分後（hòu）評定（dìng），從而更加突（tū）出振紋部分。既可以全周計算（suàn）振紋，也可以指定（dìng）區域（yù）（如（rú）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（bú）同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出如1所示（shì）柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪（lún）振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位（wèi）UPR），縱（zòng）坐標為幅值（單位（wèi）0.1μm）。這是一個典（diǎn）型的波紋度區（qū）間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方框是公差（chà）帶，使用不同顏色來表示8個（gè）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（bào）告中，看到了同樣的超差項，二（èr）者是統一的，隻不過一（yī）個是像化，一個是數字化。

2  軸頸（jǐng）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為區域型的公差限，5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋公差采用區（qū）域型的公（gōng）差限，軸頸振紋（wén）公差采用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

在4所（suǒ）示（shì）的公差限中，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度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值不（bú）能超過公差（chà）限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各（gè）個凸（tū）輪最（zuì）大振幅值不（bú）能超過公差限0.25μm；頻率（lǜ）在100UPR～350UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值不（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分析頻譜，結合台（tái）架（jià）試驗結果得到，如4所示的黑（hēi）色粗線為（wéi）各頻率區域的公差限，是由試驗得到的，使用不同（tóng）顏色來（lái）表（biǎo）示（shì）8個凸輪，各（gè）個凸輪的振紋幅值在黑色粗線（xiàn）以內，則表明該（gāi）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（héng）坐標為頻率（單位（wèi）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指數函數（shù）定義，用指數公（gōng）式表示，一般由產品設計（jì）人員在產品中給（gěi）出，測量（liàng）工程師需要（yào）在檢測設備上設置定義該曲線型的公差限（xiàn），如5所示的黑色粗線為公（gōng）差限，所有軸頸的（de）振紋幅值在黑色粗線以內（nèi），則表明該曲軸表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型（xíng）的公差限

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 振紋分析（xī）與測（cè）量注意事項（xiàng）

6.1  振紋公差的確定

由於每款發動機的結構不同（tóng），各自凸（tū）輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定也不（bú）能一概而（ér）論。目前的建議是，通過實驗（yàn）獲得公差（chà），即通過檢測儀（yí）器測量，選出一批（pī）或若幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲（qǔ）軸做（zuò）台架實（shí）驗，通過實（shí）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聲，在（zài）兩者之間劃一條控製線，即為（wéi）公差。

6.2  測量結果的一致性

由（yóu）於不同檢測儀器的結構（gòu）有（yǒu）所區別，如型號不同、夾具和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其是測頭部分）和工（gōng）件的共振點不同，以及測頭對於工件（jiàn）的（de）摩擦引起的振動（dòng）噪聲不同，再加上環境噪聲（shēng）和電器噪聲，不同儀器測得的振（zhèn）紋結果在個別頻率（lǜ）上（shàng）可（kě）能略有（yǒu）差別。

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 測量振紋對產品、工藝及生產的指導（dǎo）意義

測量振紋，首先可以判定工件是否超差，從而（ér）控製加工質（zhì）量。其實，測量振（zhèn）紋更大的意義（yì）在於指（zhǐ）導生產（chǎn），找（zhǎo）出振紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻（pín）譜找出振幅較大或異常振動所發（fā）生的（de）頻率點（UPR為單位（wèi）），再根據加工機床各運動部件和工件之間的速比（bǐ），可以很容易地找（zhǎo）到（dào）產生振動的部位和原因，如夾具（jù）、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等，然後加以（yǐ）解決。如在2009年凸（tū）輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收過程中，通過振（zhèn）紋分析發現了該磨（mó）床所使用（yòng）砂輪（lún）的問題，從而及時處理，保（bǎo）證了（le）設備驗收進度、預批量生產進度及（jí）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（tū）輪軸（zhóu）產品，和曲軸產（chǎn）品的生（shēng）產過程控製、產品（pǐn）審核和驗收中（zhōng），對提高神龍公司凸輪軸、曲軸產品（pǐn）的符合性質量、整（zhěng）車用戶質量，有很（hěn）強的現實意義和指導作用。

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 結束語（yǔ）

發動機（jī）軸類零件振紋分析方法已經（jīng）開始在各大企業廣泛（fàn）使用，為了（le）幫助大家理解（jiě）和應用回轉（zhuǎn）體零（líng）件振紋分（fèn）析報告，降低發動機噪聲，特（tè）將個人對（duì）凸輪（lún）軸、曲軸振紋分析中的一些經驗和理解，以及對振紋分析軟件及相關知識應用的探索，與各專業人員共同探討和廣泛交流，希望能夠推動發動機軸（zhóu）類零件噪聲（shēng）測量與分析技術的發展與進步，從而為降低（dī）發（fā）動機的噪聲貢獻一份力量。