​發動機軸類零件（jiàn）振紋分析與測（cè）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（cè）量相關（guān）知識的介紹，有效幫（bāng）助產（chǎn）品設計人員（yuán）、工藝（yì）與質量（liàng）管理人（rén）員對（duì）旋轉表麵振紋（wén）分析與測量的正確理解，希望在生產過程、質（zhì）量控製、產品（pǐn）驗收和噪聲分析（xī）中積極（jí）應用振紋分析（xī）技術（shù），對（duì）提（tí）高發動機軸類零件的表麵質量、降（jiàng）低發動機（jī）噪音有一定的現（xiàn）實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業（yè）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不同用（yòng）戶（hù）的需求，都在努力提高自（zì）己的產品質（zhì）量，如近年來越來越多的用戶開始（shǐ）關注發（fā）動機的噪聲。汽車企業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（de）措施外（wài），開始重（chóng）視降低發動（dòng）機關鍵零部件在發動機工作時可能產（chǎn）生的噪（zào）聲，如改善這些關（guān）鍵（jiàn）零部件的設計（jì）、提高零（líng）件的表（biǎo）麵狀態、增加振紋分析要求等措施，來減少發動機工作時的震動，降低（dī）發（fā）動機運轉過程（chéng）中的噪音（yīn），滿足用戶要求。

02

振紋分析問題（tí）的提出

實驗（yàn）和理論分（fèn）析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸（tū）輪軸和曲軸工作（zuò）表麵的（de）周期性波動形狀（zhuàng），是發動機噪（zào）聲的主要來源之一。目前學術上把這種一定頻（pín）率範圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（Chatter）。順（shùn）應（yīng）汽車行（háng）業發展（zhǎn）的需要，世（shì）界著名的檢測設備供應商紛紛開（kāi）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（xī）軟（ruǎn）件，為分析和評價振（zhèn）紋提供了量化的指標（biāo）和直觀的頻譜，使用戶可以（yǐ）一目了然地看（kàn）到（dào）振紋的大（dà）小和發生的（de）頻率，據此控製凸輪軸和曲軸工作表麵質量，並找出加工（gōng）過程中造成振紋的原因。

由（yóu）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（gòu）了解，還（hái）廣泛（fàn）存在著對於振紋分析軟（ruǎn）件的（de）困惑、對振紋（wén）頻譜的疑（yí）惑。為了幫助大家更好地了解、使用和推廣（guǎng）振紋分析軟（ruǎn）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（zhóu）和曲軸係列產品（pǐn）振紋測量與分析中的經（jīng）驗為大家做個振紋分析與（yǔ）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（duì）於振紋的研究（jiū），基本起（qǐ）源於發（fā）動機的噪聲，人們認為發動機的運（yùn）動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是（shì）噪聲的主要來源。最初（chū）發動機製造（zào）廠家在產生噪聲的凸（tū）輪軸和曲軸表麵看到了棱麵（miàn）痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留在目測階（jiē）段。上個世紀（jì）九十年代，一些（xiē）國際著名的（de）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（shēng））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（zhèn）動，或者說噪（zào）聲本身就是振動，而描述振動最主要的兩個參數就是振幅和頻率（當（dāng）然還有各種頻率的振（zhèn）動疊加時的時間（jiān）關係——相位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪（zào）聲水平（píng），但缺點是（shì），不能明確指（zhǐ）出其具體的振幅和頻率，因而對分析乃（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，使得用戶可以清楚直觀地看到各個頻率（lǜ）振動的（de）幅度，用以判別工件是否超出振紋公差，並能找出幅度大的或異常的（de）振動，分析其產生的原（yuán）因從而減小乃至消除之。而在發動機行業，振紋一詞也被專（zhuān）門用來定義（yì）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，取得了大量的（de）實驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也（yě）為如何確定公差提供了指導性經（jīng）驗。

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檢測方案的優化

振紋分析軟件所（suǒ）使（shǐ）用的數學工具，是在信號分析中被廣（guǎng）泛應用的傅立（lì）葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是把（bǎ）看似雜亂無章的信號，考慮成由一定振幅、頻率、相位的基（jī）本正（zhèng）弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換的（de）目（mù）的，就是找出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量較高）信（xìn）號對應（yīng）的頻率，從而找出雜亂（luàn）無章的信號中（zhōng）的主要振動（dòng）頻率（lǜ）特（tè）點。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其徑向（周向（xiàng））形狀如凸輪（lún）的型線和曲軸的圓度（dù），就成為振紋分析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可（kě）得到組合信（xìn）號／波（bō）動的譜線。

有許多用（yòng）戶覺得傅立葉變換太過（guò）高深，不容易（yì）理解，其（qí）實它隻是從不同角度看（kàn）問題，即把（bǎ）時域的問題拿到頻域來分析。可以把它當成一個工具來看待，比如光（guāng）學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次排列的紅（hóng）橙（chéng）黃綠藍青（qīng）紫等（děng）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（hún）疊的白光（guāng），在另一側看到的卻是分離出來的（de）各個單色光，而（ér）描述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角（jiǎo）度看問題（tí）帶來的好處（chù）。如果再測量出不同顏色的光的強度，就可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標（biāo）是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清楚地看（kàn）出白光中各單（dān）色光（guāng）的成份。眾所周知，不同顏色的光是因為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中（zhōng）使用傅立葉變換，則是綜（zōng）合了三棱鏡和光強計的功能，經過變換後，形（xíng）狀曲線中各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯（xiǎn）示出來，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（lái）說，從波長（zhǎng）／頻率上來分（fèn），零件表麵形（xíng）貌大致分為三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而（ér）振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓和（hé）粗（cū）糙度也有（yǒu）所（suǒ）交叉（chā）。過於關注波紋度區域，可能會漏掉輪廓區域和（hé）粗糙度區域的異常波動，這種情況已經實際（jì）發生（shēng）過，因此，還是建議用戶從低頻（1～2UPR）開始（shǐ）計算到較高頻（300～500UPR）。目前（qián）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（wéi）3600點，計算振紋可以到700UPR左右。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（xū）要在現有的程序中加（jiā）入幾個與振紋相關（設置算法、公（gōng）差，計算及輸出數據報告（gào）和頻譜）的指（zhǐ）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分析軟件（jiàn），既可（kě）以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以（yǐ）去（qù）除（chú）輪廓部分（fèn）後評定，從而更加突出振紋部分。既可以（yǐ）全周（zhōu）計算振紋，也可以（yǐ）指定區域（如（rú）凸輪的桃尖段、過渡段（duàn）和基圓段等）計算振紋。數據報（bào）告部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出如（rú）1所示柱狀，也可以（yǐ）輸（shū）出連續曲線。    

1  凸輪振（zhèn）紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為（wéi）頻（pín）率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個（gè）典型的波紋度區間，頻（pín）率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色（sè）方框是公差帶，使用不（bú）同顏色（sè）來表示（shì）8個（gè）凸輪；從2柱狀中看到有兩（liǎng）處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報告中，看到了（le）同樣的超（chāo）差項，二（èr）者是統一的，隻不（bú）過一個（gè）是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸（zhóu）頸振紋數據報告

公差限可以是區域型的，也可以是曲線型（xíng）的，4為區域型的公差限，5為曲線（xiàn）型的公差限。一般凸輪（lún）振紋公差采用（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  區域型的公差限（xiàn）

在4所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這（zhè）是（shì）一（yī）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（dà）振幅值不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各（gè）個凸輪最（zuì）大振幅值不能超過（guò）公差（chà）限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，各個凸輪最大振幅值（zhí）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（de）振紋分析頻譜（pǔ），結合台架試驗結（jié）果得到，如4所示的（de）黑色（sè）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（lái）表示8個凸輪，各（gè）個（gè）凸輪的振（zhèn）紋幅值在黑色粗線以內，則表明該凸（tū）輪表（biǎo）麵振紋合格，不會產（chǎn）生噪聲。

在5所（suǒ）示的公差限中，橫坐標為頻率（單位（wèi）UPR），縱坐標為振幅（fú）值（單位0.25μm）。此公差限由一個振幅（fú）值為頻率的指數函數定義，用指（zhǐ）數公式表示，一般由（yóu）產品設計人員在產品中（zhōng）給出，測量（liàng）工程師需要在檢測設備上設置（zhì）定義該（gāi）曲線型的公差限，如5所示的黑色粗線（xiàn）為公差限，所有軸頸的振（zhèn）紋幅值在黑色粗線以內（nèi），則表明該（gāi）曲軸表麵振紋合（hé）格，不會產生噪（zào）聲。

5  曲線型的公差限（xiàn）

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 振紋分析與（yǔ）測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由於每款發動機的結構不同，各自凸輪（lún）軸、曲軸的（de）加工工藝不同，引發噪聲的（de）情況（kuàng）也不同，因此振紋公差的設定也不能一概而（ér）論。目前（qián）的建議是，通過（guò）實驗獲得公差，即（jí）通過（guò）檢測儀器測量，選出一批或若幹批振紋較大和（hé）較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪個級別的振紋產生噪聲，而哪（nǎ）個級別的振紋不產生噪聲（shēng），在兩者之間劃一條控製線，即為公（gōng）差。

6.2  測量結果的一（yī）致性

由於不同檢測儀器的結構有所區別，如型號不同、夾具和測頭種類不同（tóng），從而（ér）導致儀器（尤其是測頭部分）和工件的共振點不同，以及測頭對於工件的摩擦（cā）引起的振動噪（zào）聲不同，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（néng）略有差別。

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 測量振紋對（duì）產品、工藝及（jí）生產的指（zhǐ）導意義

測量振紋，首先可以判定工件是否超差，從而控製加（jiā）工質量。其實，測量振紋更大（dà）的意義在於指導生產，找出振紋產生的根源並加（jiā）以解決。通過振紋頻譜找出振幅較（jiào）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（jiān）的速比，可以很容易地（dì）找到產生振動的部位和原因，如夾具、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等，然後加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸（zhóu）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問題，從而（ér）及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生（shēng）產進度（dù）及產品質（zhì）量。

振紋分析方法目前已（yǐ）廣（guǎng）泛應用於神（shén）龍（lóng）公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪軸產（chǎn）品，和曲軸產品的生產過程控製、產品審核和驗收中，對提高（gāo）神龍公司凸（tū）輪軸、曲軸產品（pǐn）的符合性質量、整車用戶質量，有很強的現實意義和指（zhǐ）導作用。

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 結束語

發動機軸（zhóu）類零件振紋分析方法已經開始在（zài）各大企業廣泛使用，為（wéi）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（lún）軸、曲軸振紋分析中（zhōng）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（gè）專業人員共同探討和廣泛交流，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步，從而為降低發動機的噪聲貢獻一份力量（liàng）。