​發動機軸類零件振紋分析與測量

通過（guò）對發動機軸（zhóu）類零件旋轉工作表麵的振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫助產品（pǐn）設（shè）計人員、工藝與質量管理人員對旋轉表麵振紋分（fèn）析與測量（liàng）的正（zhèng）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（yòng）振紋分析技術，對提高發動機軸類零（líng）件的表麵質量、降低發動機噪音有一（yī）定的現實意義（yì）。

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引  言

隨著（zhe）我國汽車行業的高速發（fā）展，汽車市場（chǎng）的競（jìng）爭（zhēng）越來愈激烈，各大汽車企業為了（le）滿足（zú）不同用戶的需求，都在努力提高自（zì）己的產品質量（liàng），如近年來越來（lái）越多的用戶開始關注發動機的噪聲。汽車（chē）企業（yè）為（wéi）了降低發動機的噪（zào）聲，除了在整車（chē）上對發動（dòng）機采取隔振降噪的措施外，開始重（chóng）視降低發動機關鍵零部（bù）件在發動機工作時（shí）可能（néng）產生的噪聲，如（rú）改善這些關鍵零部（bù）件的設計、提高零件的表麵狀態、增加振紋（wén）分析要求等措施，來減少發動機工作時的震動，降低發動機運轉過程中的（de）噪音，滿足用戶要求。

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振紋分析問題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的（de）回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸（zhóu）工作（zuò）表麵的（de）周期性（xìng）波動形狀，是發動（dòng）機噪聲的主要來源之一。目前學術上把這種一定頻（pín）率範圍（wéi）的（de）周期性（xìng）波動形（xíng）狀，稱之為振紋（wén）（Chatter）。順（shùn）應汽（qì）車行業發展的（de）需要，世界著（zhe）名的檢測設（shè）備供應（yīng）商紛紛開始研究（jiū）凸輪軸、曲軸（zhóu）工作表麵上這些周期性波動形（xíng）狀的（de）測量與評價方（fāng）法，並推出了振紋分析軟件，為分析和評價振紋提供了量化的指標和直觀的頻譜，使用戶可以一（yī）目了然地看到振紋的大（dà）小和發生的頻率，據此控製凸輪軸和曲軸工作表（biǎo）麵質量，並找（zhǎo）出加工過（guò）程（chéng）中造成振紋（wén）的原因（yīn）。

由於振紋分析軟件推出時間不長，多數（shù）用戶對（duì）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（zhèn）紋頻譜的疑惑。為了幫助大家更好地（dì）了解、使用和（hé）推廣振紋分析軟件（jiàn），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（sī）凸（tū）輪軸和（hé）曲軸（zhóu）係列產品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋分（fèn）析與測量基礎知（zhī）識介（jiè）紹。

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 振紋研究的起源和發展曆（lì）史

對於振紋（wén）的研究（jiū），基（jī）本起源於發動機的噪聲，人們認為發動機的（de）運動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪（lún）軸和曲軸的表麵形狀（zhuàng）是噪聲的主（zhǔ）要來源。最初發動機製造廠家在產生（shēng）噪聲的凸輪軸和曲軸表麵（miàn）看到了棱麵痕跡，稱（chēng）之為振紋，那時還隻停留在目測階段。上（shàng）個世紀九十年代，一些國際著名的凸輪軸檢測設備供應商提出了“潛在噪聲（shēng）——APN（單隻凸輪的潛在噪聲）和TAPN（整隻凸輪（lún）軸的（de）潛在噪聲）”這兩個參（cān）數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾（zhòng）所周知，噪聲來源於振動，或者說噪聲本身就是振（zhèn）動，而描述振動（dòng）最主要的兩個參數就是振（zhèn）幅和頻率（當然還有（yǒu）各種頻率的（de）振動疊加時的時間關（guān）係——相位）。潛在（zài）噪聲確實可（kě）以（yǐ）反（fǎn）映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能明確指出其具體的振幅（fú）和頻率，因而對分析乃至消除噪聲幫助（zhù）不大。

隨後（hòu）一些凸輪軸曲軸檢測儀（yí）器公司如ADCOLE等（děng），推出了振（zhèn）紋分析軟件，使得用（yòng）戶可以清楚直觀地（dì）看（kàn）到各個頻（pín）率振動的幅度（dù），用以判別工件是否超出振紋公差，並能（néng）找（zhǎo）出幅度大（dà）的或異常的振動，分（fèn）析其產生的（de）原因從（cóng）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（huò）描述引（yǐn）起振動／噪聲的周期性波動的表麵形狀。通（tōng）過與一些汽車製造企業合作，取得了大量的實（shí）驗數據，證明了振紋（wén）分析軟件的可靠性和穩定性，同時也為（wéi）如何確定公差提供了指導性經驗。

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檢測方案的優（yōu）化

振紋分析軟件所使用的數學工具，是在信號分析中（zhōng）被廣泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定（dìng）振幅、頻率（lǜ）、相位的基本正弦（xián）（餘弦）信號組（zǔ）合而（ér）成，傅裏葉變換的目的，就是找出這些基本正弦（xián）（餘弦）信號中振（zhèn）幅較大（dà）（能量較高）信號對應的頻率，從（cóng）而找出（chū）雜亂無章的信號中的主要振動頻率特點（diǎn）。由於凸輪軸、曲軸為回轉工件，其徑向（周向）形狀如凸輪的型線和曲軸的圓度，就成為振紋分（fèn）析的信號來源，對其進行傅立葉變換，即可（kě）得到（dào）組合信號／波動的譜（pǔ）線。

有許多用（yòng）戶覺得傅立葉變換太過高深，不容易理解，其實它隻是從不同角度看問題，即把時域（yù）的問題拿到頻域來分析。可以把它當成一個工具來（lái）看待，比如光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會（huì）分解為依次排（pái）列的紅橙黃綠藍（lán）青紫等不同顏色的可見光，以及不可見的（de）紅外線和紫（zǐ）外線。同一種物（wù）質，在（zài）三棱鏡（jìng）的一側看到的是混疊的白（bái）光，在另（lìng）一側看到的卻（què）是分離出來的各個單（dān）色光，而描述和分析單色光則容（róng）易得多，這就是從不同角度看問題帶來的（de）好處。如果再測量出不同（tóng）顏色的光的強度，就可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣（yàng）就可以很清楚地看出白光（guāng）中各單色光的成份。眾所周知，不同顏色的光是因為（wéi）各自不同的頻率造成的，因此，光（guāng）譜也是頻譜。在振紋分析中使用（yòng）傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和（hé）光強計的功能，經過變換後（hòu），形狀曲線中（zhōng）各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直（zhí）觀地顯示（shì）出來，非常便於處理和應用（yòng）。

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振（zhèn）紋（wén）分析範圍與（yǔ）測量

一般來（lái）說，從（cóng）波長／頻率（lǜ）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（cāo）度。而（ér）振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓（kuò）和粗糙度也有所交叉。過於關注波紋度區域，可能會漏掉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生過，因此，還是（shì）建議用戶從（cóng）低頻（1～2UPR）開始計算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓度分析（xī）點數為（wéi）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點和1440點的圓度測量儀器，可以通過軟硬件升級（jí），提升到3600點。

在（zài）凸輪（lún）軸曲軸綜合測（cè）量儀器上測量（liàng）振紋，不需要增加太多的（de）調整，隻需要在現有的程序中加（jiā）入幾（jǐ）個與（yǔ）振紋相關（設置算法、公差，計算及（jí）輸出數據報告和頻（pín）譜）的指令或模塊即可（kě），對原測量（liàng）過程幾乎毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件（jiàn），既可以用（yòng）標準方（fāng）法（傅立葉變換）評定，也可（kě）以（yǐ）去除輪（lún）廓部分後評（píng）定，從而更加突（tū）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（jiān）段、過渡段和（hé）基圓段等（děng））計算振紋。數據報告（gào）部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜（pǔ）可（kě）以輸出如1所示柱狀，也可以輸出連續（xù）曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這（zhè）是（shì）一個典型的波紋度區（qū）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（chāo）差項，二者（zhě）是統一的，隻不過一個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸（zhóu）頸（jǐng）振紋數據報告

公差（chà）限可以是區域型的，也可以是曲線型的（de），4為（wéi）區域（yù）型的公差限，5為曲線型（xíng）的公差限。一般凸輪振紋公差采用（yòng）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4所示的公差限中（zhōng），橫坐（zuò）標為頻率（lǜ）（單位UPR），縱坐（zuò）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（tū）輪（lún）最大振幅（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（chāo）過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍（wéi）內，各個凸輪最大（dà）振幅（fú）值不能超過（guò）公差限0.15μm。區域（yù）型公差限，一般由測量工（gōng）程師通過大量的振紋（wén）分析頻譜，結合台架試驗結果得到，如4所示（shì）的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（biǎo）示8個凸輪，各個凸輪的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該凸輪表（biǎo）麵振紋合格（gé），不（bú）會產生噪聲。

在5所示的公差限中，橫（héng）坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅（fú）值（單位（wèi）0.25μm）。此公差限由一個振（zhèn）幅（fú）值為頻率的指數函（hán）數定義，用指數公式表示，一般由（yóu）產品設計（jì）人員在產品中給出（chū），測（cè）量工程師需要在檢測設備上設置定義該曲線型的公差限，如5所示的黑色粗線為公差限，所有（yǒu）軸頸的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該曲軸表（biǎo）麵振紋（wén）合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由（yóu）於（yú）每款發動機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不（bú）同，因此振紋公差（chà）的（de）設定也（yě）不能（néng）一概而論。目前的（de）建議是，通過實（shí）驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選出一批或若（ruò）幹（gàn）批振紋較大（dà）和較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗（yàn），通過實驗（yàn）判定哪個級別的（de）振紋產生噪聲，而（ér）哪個級別的振紋不產生噪聲，在兩者之間劃一條控製線，即（jí）為公差。

6.2  測量結果的一致性

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（tóu）種類不同，從而導致儀器（尤其是測（cè）頭部分（fèn））和工件的共（gòng）振點不同，以及測頭對於工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環境噪聲和電器（qì）噪聲，不（bú）同儀器測得的振紋結果在個別頻率上可能略有差別。

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 測量振紋對產品、工藝及生產的指導意義

測量振紋，首先可以判定工（gōng）件是否超差，從（cóng）而控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻譜找出（chū）振幅較大或異常振動所發生的頻率點（UPR為單位），再根（gēn）據加工機床各運動部件和（hé）工件（jiàn）之間（jiān）的速（sù）比，可（kě）以（yǐ）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（zhóu）、軸承、砂輪等，然後加（jiā）以解決。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（mó）床所使用砂輪的問題，從而（ér）及時（shí）處理，保證（zhèng）了設備驗收（shōu）進度（dù）、預批量生產進度及（jí）產品質量。

振紋分析方法目前已廣（guǎng）泛應用於神龍（lóng）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（yàn）收（shōu）中，對提高（gāo）神龍公（gōng）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（yì）和指導作用。

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 結束語

發（fā）動機（jī）軸類零件振（zhèn）紋分析方法已經開始在各大企業廣泛使用，為了幫（bāng）助（zhù）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（jiāng）個人（rén）對（duì）凸輪軸、曲軸振紋（wén）分析中的一些經驗和理解，以及對振紋分析軟件（jiàn）及相關知識應用的探索，與各專業人員共同探討和廣泛交（jiāo）流，希望能夠（gòu）推動發動機軸類零件噪（zào）聲測量與分析技術的發展與進步，從而為降低發（fā）動機的噪聲貢（gòng）獻一（yī）份力量。