​發動機（jī）軸類零（líng）件振紋分析與（yǔ）測量

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

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引  言

隨著（zhe）我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈（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（jìn）年來越來越多的用戶開始關注發動機的（de）噪（zào）聲。汽車企業為了降低發動機的噪聲，除了在整車上對發動機采取（qǔ）隔振降噪的措施外，開始重視降低發動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（xiē）關鍵零部件的設計、提高零件的表麵狀態、增加振紋分析（xī）要（yào）求等措（cuò）施，來減少發動機工作時的震動（dòng），降低發動機運轉過程中的噪音，滿（mǎn）足用戶要求。

02

振紋分析問題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸（tū）輪軸和曲軸工作表麵的周期性波動形狀（zhuàng），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率範圍（wéi）的周期（qī）性波動形狀，稱之（zhī）為振紋（Chatter）。順應汽（qì）車行業發展的需要，世界著名的檢測設備供應商紛（fēn）紛開始研究凸輪（lún）軸（zhóu）、曲軸工作表麵上這些周期性波動形狀的測量與（yǔ）評價方法，並推出了振紋分析軟件，為分（fèn）析和（hé）評價振（zhèn）紋提供了（le）量化的指標和直觀（guān）的頻譜，使用戶可以一目（mù）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麵質量（liàng），並找出加工過程中造成振紋的原因（yīn）。

由於振紋分析軟件推出時（shí）間不長，多數（shù）用戶對此經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惑、對振紋（wén）頻譜的疑惑。為了幫助大家更好地了解、使用和推（tuī）廣振紋分析軟件，從而更（gèng）好地（dì）為（wéi）提升發動機的性能和（hé）質量服務，結合近年來在公司凸輪軸和曲軸係列產品振紋測量與分析中的經（jīng）驗為大家做個振紋分析與測量基礎（chǔ）知識介紹。

03

 振紋研究的起源和（hé）發展曆（lì）史

對於振（zhèn）紋的研究，基本起源於發動機的（de）噪聲，人們認（rèn）為發動機的運動部（bù）件尤其是回轉軸類零件——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生噪聲（shēng）的凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵（miàn）痕跡，稱之為振紋，那時（shí）還隻停留在目測階段。上個世紀九十年代（dài），一些國際（jì）著名的凸輪（lún）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）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在噪聲）”這兩（liǎng）個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周（zhōu）知，噪聲來源於振（zhèn）動，或者說噪聲本身就是振動，而描述（shù）振動（dòng）最主要的兩個參數就是振幅和頻率（當然（rán）還有各種頻率的振動疊加時的（de）時間關係——相位）。潛在（zài）噪聲確（què）實可以反（fǎn）映凸輪（軸）的（de）噪聲水（shuǐ）平，但（dàn）缺點是，不（bú）能明確指出其具體的振幅和頻（pín）率，因而對分析（xī）乃至消（xiāo）除噪聲幫（bāng）助（zhù）不大。

隨後一些凸輪軸曲軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推出（chū）了振紋分析軟件，使得用（yòng）戶可以清楚直觀地看到各個頻率振動（dòng）的幅度，用以判別工件（jiàn）是否超（chāo）出振紋公差，並（bìng）能找出幅度大的或異常的振動，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，振紋一詞也被專門用來定義或描述（shù）引起振動／噪聲的周（zhōu）期性波（bō）動的表麵（miàn）形狀。通過與一些汽（qì）車製（zhì）造企業合作（zuò），取得了大量的實驗數據，證明了振（zhèn）紋分析軟件的可靠性（xìng）和穩定性，同時也為如何確定（dìng）公（gōng）差提供了（le）指導（dǎo）性經驗（yàn）。

04

檢測方案的優化

振紋分析軟件所使（shǐ）用的數學工具（jù），是在信號分析中被廣泛應用的傅立葉變換。傅（fù）裏葉變換簡（jiǎn）單通俗理（lǐ）解，就是把看似雜亂無章的信（xìn）號，考慮成由一定振幅（fú）、頻率、相位的（de）基本正弦（餘弦（xián））信號組合而成，傅裏葉變換的目的，就是找出這些基本正弦（餘弦）信（xìn）號中振幅較（jiào）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（qǔ）軸為回轉工件，其徑向（周向）形狀如凸（tū）輪的型線和曲軸的圓度（dù），就成為振紋分（fèn）析的信號來源，對其進行傅立葉變換，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，即把時域的問題拿到頻（pín）域（yù）來分析。可以把它當成一個工具來看待，比（bǐ）如光學中的三棱（léng）鏡，當白光通過它時，會分解為依次排列的紅橙黃綠藍青紫等不（bú）同顏色的可見光（guāng），以及不可見的紅外線和紫外線。同一（yī）種物（wù）質，在三棱（léng）鏡的一側看到的是混（hún）疊的白光，在另一側（cè）看到（dào）的卻是分離出來的各個單色光，而描述和分析單色光則容易得多，這就（jiù）是從不同角度看問題帶來的（de）好（hǎo）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，橫坐標是頻率（lǜ）／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清楚（chǔ）地看（kàn）出（chū）白光中各單色光的成份。眾所周（zhōu）知，不同顏色的光是（shì）因為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中使用傅（fù）立葉變換，則是綜（zōng）合了三（sān）棱鏡和光強計的功能，經過變換後，形狀曲線中各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直（zhí）觀地顯示出來，非常便於（yú）處理和應用。

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振（zhèn）紋分析（xī）範（fàn）圍與測量（liàng）

一般來說，從波長（zhǎng）／頻（pín）率上來分，零（líng）件（jiàn）表麵形貌（mào）大致分為三個層次（cì）：輪廓、波紋度和粗糙度（dù）。而振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓（kuò）和粗糙度（dù）也有所交叉。過於關注波紋度區域，可能（néng）會漏掉輪（lún）廓區域和粗糙度區域的異常波動，這種（zhǒng）情況已經實際發生（shēng）過（guò），因此，還是建議用戶從低頻（pín）（1～2UPR）開始計算到較高頻（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（qǔ）軸綜合檢（jiǎn）測儀采樣點數均為3600點，計算振紋（wén）可以到700UPR左右。原來的360點和（hé）1440點的（de）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器上測量振紋，不需要增加太多的調整，隻需要在現有的程序中加入幾個與振紋相關（設置算法、公差，計算及輸出數據（jù）報告和頻譜）的指令（lìng）或模塊即可，對原測（cè）量過程幾乎毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部分（fèn）後評定，從而更加突出振紋部分。既可以全周計算振紋，也可以指定（dìng）區域（如凸輪的桃尖（jiān）段、過渡段和基圓段等）計算（suàn）振紋。數（shù）據報（bào）告部分可以輸出（chū）不（bú）同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出（chū）如1所（suǒ）示柱狀，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UPR），縱坐（zuò）標為幅值（單位（wèi）0.1μm）。這是一（yī）個典型的波紋度區間，頻率從（cóng）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（gè）凸輪；從2柱狀中看到（dào）有兩處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的（de）數值報告中，看到了同樣的超差項（xiàng），二者是統一的，隻不過一個是像化，一個（gè）是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數據報告

公差限可以是區域型的，也可以是曲線型的，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（cǎi）用區域型的公差限（xiàn），軸頸振紋公（gōng）差采用曲線型的公差限。

4  區（qū）域型（xíng）的公差限

在4所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標（biāo）為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率在40UPR～50UPR區域（yù）範圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差（chà）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，各個凸輪最（zuì）大振幅值不能超過公差限0.15μm。區（qū）域型（xíng）公差限，一般由測量工程師通過大量的振紋分析頻譜，結合（hé）台架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線（xiàn）為各頻率區域的公差限，是由試驗得到的，使用不同顏色來表示8個凸輪，各個凸輪的振紋幅（fú）值在黑色粗線以內，則表明該凸輪表（biǎo）麵振紋合（hé）格，不會（huì）產生噪聲。

在5所示的公差（chà）限（xiàn）中（zhōng），橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標為（wéi）振幅值（單位（wèi）0.25μm）。此公差限由一個振幅值為頻率的指數函數定義，用指數（shù）公式表示，一般由產品設計人員在（zài）產品中給出，測量工程師需要在檢測設備（bèi）上設置定義該（gāi）曲線（xiàn）型的公差限，如5所示的黑色粗線為公差（chà）限，所有軸頸的（de）振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該曲軸表麵振（zhèn）紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與（yǔ）測量（liàng）注意（yì）事項

6.1  振紋公差的（de）確定

由於每款發動（dòng）機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工（gōng）藝不同，引發噪聲的情況也（yě）不同，因此（cǐ）振紋（wén）公差的設定也不能一概而論。目（mù）前的建議是，通過實驗獲得公差，即（jí）通過檢測儀器測量，選出（chū）一批或若幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做（zuò）台架實驗，通過實驗判定哪個（gè）級別的振紋產生噪聲，而哪個級別的（de）振紋不產（chǎn）生噪聲，在兩（liǎng）者之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果（guǒ）的一致性

由於不同檢測（cè）儀器的結構有所區別，如型號不同、夾具和測頭種類不同，從而導（dǎo）致儀器（尤（yóu）其是測（cè）頭部分）和工件（jiàn）的共振點不同，以及測頭對於工件（jiàn）的摩擦引起的振動噪聲不同（tóng），再加上環境噪聲和電器噪聲，不同儀器測（cè）得的振紋結果在個（gè）別頻率上可能略有差別。

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 測（cè）量振紋對產品、工藝及生產的指導意義

測量振紋，首先可（kě）以（yǐ）判定工（gōng）件是否超差，從而控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指導（dǎo）生產，找出振紋產生的根源並加以解決。通過振紋頻譜找（zhǎo）出振幅較大或異常（cháng）振動所發生的頻率點（UPR為單位（wèi）），再根據加（jiā）工機床各運（yùn）動部件和工件（jiàn）之間的速比，可以很容易地（dì）找到產生振動的部位和原因，如（rú）夾具、支撐架、傳動軸、軸（zhóu）承、砂輪等，然後加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗收過（guò）程中，通過振紋分析發（fā）現了該磨床（chuáng）所使用砂（shā）輪的問題，從而及時處理，保證了設備（bèi）驗收進度、預批量生產進度及產品（pǐn）質量。

振紋分（fèn）析方法（fǎ）目前已廣泛（fàn）應用於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪軸（zhóu）產（chǎn）品，和曲軸產品的（de）生產過程控製、產（chǎn）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（liàng）、整車用戶質量，有很強的現實意義和指導作用。

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 結束語

發動機軸（zhóu）類（lèi）零件振紋分析（xī）方法（fǎ）已經開始（shǐ）在各大企業廣泛使用，為了幫助大（dà）家理解（jiě）和應用回轉（zhuǎn）體零件振紋分析報（bào）告，降低發（fā）動機噪聲，特將個人（rén）對凸輪（lún）軸、曲（qǔ）軸振紋（wén）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（tǎo）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（shù）的發展與進步，從而為（wéi）降（jiàng）低發動機的噪聲貢獻一（yī）份力量（liàng）。