​發動機軸類零件（jiàn）振紋分（fèn）析與測量

通過對發動機軸類（lèi）零件旋轉工（gōng）作表麵的（de）振紋分析與測量相關知識的（de）介紹，有（yǒu）效幫助產品設計人員、工藝與質量管理人員對旋轉表麵（miàn）振紋分析與測量的正確理解，希望在生產過程、質（zhì）量控製、產品驗收和噪（zào）聲分析中積（jī）極應用（yòng）振紋分析技術（shù），對提（tí）高發動機軸（zhóu）類零件的表麵質量、降低發動機噪音（yīn）有一定的現實（shí）意義。

01

引  言（yán）

隨著我國汽車行業的（de）高速發（fā）展，汽車市場的競（jìng）爭（zhēng）越來愈激烈（liè），各大汽車企業為了滿足不同用戶的需求，都（dōu）在努力提（tí）高自己的產品質量，如近年來越來越多的（de）用（yòng）戶開始關注發動機的噪聲。汽車企業為了降（jiàng）低發動機的噪聲，除了在整（zhěng）車（chē）上（shàng）對發動機采取隔振降噪的措施外，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（shēng），如（rú）改善這些關鍵零（líng）部件（jiàn）的設計（jì）、提高零件的表麵狀態、增加振紋（wén）分析要求等措施（shī），來減少發動機工作時的震動，降低發動（dòng）機（jī）運轉過程（chéng）中的噪音（yīn），滿足用戶（hù）要求。

02

振紋分析問題的（de）提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回轉軸類零（líng）件——凸輪軸和曲軸工作（zuò）表麵（miàn）的周期（qī）性波（bō）動形狀（zhuàng），是發動機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（zhōu）期性波動（dòng）形狀，稱之為振紋（wén）（Chatter）。順應汽車行業發展的需要，世界著名的檢測設備供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上（shàng）這些周期性波動形狀的測量與評價方法，並推出了振（zhèn）紋（wén）分析軟件，為分析和（hé）評價振紋提供了（le）量化的指標和（hé）直觀的頻譜，使用（yòng）戶可以一目了然（rán）地看到振紋的大小和發生的頻率（lǜ），據（jù）此控製凸輪軸和曲軸工作（zuò）表麵質量，並找出加工（gōng）過程中造成振紋的原（yuán）因。

由於振紋分析（xī）軟件推出時間不長，多數用戶對此經驗不多或在理（lǐ）論上不夠了解，還廣泛存在著對於振紋（wén）分析軟件的困（kùn）惑、對振（zhèn）紋頻譜的疑惑。為了幫助大（dà）家更好地（dì）了解、使用和推廣振紋分（fèn）析軟件（jiàn），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和曲（qǔ）軸係列產品振紋測量與分析中的經驗為大家做個振紋分析與測量基礎知識介紹（shào）。

03

 振紋研究的起源和發展（zhǎn）曆史

對於振紋（wén）的研究，基本起源於發動（dòng）機的噪聲（shēng），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（hé）曲（qǔ）軸的表麵形狀是噪聲的主要來源。最初（chū）發動機製造廠（chǎng）家在產生噪聲（shēng）的凸輪軸和曲軸表麵看（kàn）到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留在目測（cè）階（jiē）段。上個世紀九十年代，一些（xiē）國際（jì）著名的凸輪（lún）軸檢測設備供應商（shāng）提出了“潛在噪聲——APN（單隻凸輪的潛（qián）在噪聲）和TAPN（整隻凸輪軸的潛在（zài）噪（zào）聲）”這兩個參數，來（lái）評價凸（tū）輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪（zào）聲來源於振動，或（huò）者說噪聲本身就是（shì）振動，而描述振動最主要的兩個參數就是振幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊（dié）加時的時間關係——相（xiàng）位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪（zào）聲水（shuǐ）平，但（dàn）缺點是，不能明確指出其具體的振幅和頻率，因而（ér）對（duì）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公司如ADCOLE等，推出了振紋分析（xī）軟件，使得用戶可以（yǐ）清楚直觀地看到各個頻率振動的幅度（dù），用以判別工件是否超出振紋公差（chà），並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（dòng）機行業，振紋一詞也被專門用來定義或描述引起振動／噪聲（shēng）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（le）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，同時也為如（rú）何確定（dìng）公差提（tí）供了指導性經驗。

04

檢測方案的優化（huà）

振紋（wén）分析軟件所使用的（de）數學工具，是在（zài）信號分析中被（bèi）廣泛應用的傅立葉（yè）變換。傅（fù）裏葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信號，考（kǎo）慮成由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉變換（huàn）的目的，就是找出這些基本正弦（餘弦）信號中振幅較大（能量（liàng）較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信（xìn）號中的主要振動頻率特點。由（yóu）於凸輪軸、曲軸為回轉工件（jiàn），其徑向（周（zhōu）向）形狀如凸輪的型（xíng）線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號來源，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（fù）立葉變換（huàn）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域來分析。可以把它當成一個（gè）工具來看待，比如光學（xué）中的三棱鏡，當白光通過它時（shí），會分解為依次排列的紅橙黃綠（lǜ）藍青紫等不同顏色的可見光，以及不可見的紅外線和紫外線。同一種物質，在（zài）三棱鏡的一側看（kàn）到的是混（hún）疊（dié）的白光，在另一側看到的卻是分離出來的各個單色光，而描述和分析單（dān）色光則容易得（dé）多，這就是從不同角度看問題帶（dài）來的好處。如果（guǒ）再測量出不同顏色的光的強度，就可以畫一張（zhāng）“完整的”頻／光譜（pǔ），橫（héng）坐標是頻率／顏色，縱坐標是強度，這樣就可以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾所周（zhōu）知，不同顏色的（de）光是因（yīn）為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振（zhèn）紋分析中使用（yòng）傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和光強（qiáng）計的功能，經過變（biàn）換後，形狀曲線中各組（zǔ）成成（chéng）份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出來，非常便於處理和應用。

05

振紋分（fèn）析範（fàn）圍與測量

一般來說，從波長／頻率上來（lái）分，零（líng）件表（biǎo）麵形貌大致分為三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而振紋基本（běn）屬於波紋度區域，當然與輪廓和粗（cū）糙度也有所交叉。過於關注波紋度（dù）區域，可能會漏掉輪廓區域和粗糙度區域的異常波動，這種情況已經實際發生過，因此，還是建議用戶從低頻（1～2UPR）開始計算到（dào）較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定義了圓（yuán）度分析點數為3600點，因此凸輪軸、曲軸綜合檢測儀采樣點數（shù）均為3600點（diǎn），計算振紋可（kě）以到700UPR左右。原（yuán）來的360點（diǎn）和（hé）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器（qì）上測量振紋，不需（xū）要增（zēng）加太多的調（diào）整，隻需要在現有的程序中加入幾個與振紋相關（guān）（設置算法、公差，計算及輸出數據報告和頻譜）的（de）指令或模塊即可，對原測量過程幾乎毫無（wú）影響（xiǎng）。目前幾款著（zhe）名的振紋分析軟件，既可（kě）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（zhèn）紋（wén）部分。既可以全周計算振紋，也可以（yǐ）指定區域（如凸輪的桃尖段、過渡段和基圓段等）計算（suàn）振紋。數據（jù）報告部分可以輸出不同頻（pín）率段（duàn）的最大振幅值，頻譜可以輸出如1所（suǒ）示柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋（wén）柱形     

2柱（zhù）狀中，橫坐標（biāo）為頻率（單位UPR），縱坐（zuò）標為（wéi）幅值（單位0.1μm）。這是一個典型的波紋度（dù）區間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段。灰色方框是公差（chà）帶，使用不（bú）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（zhuàng）

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（qū）域型的公差限，5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋公差（chà）采用區域型的公差限，軸頸振紋公差采用曲線型（xíng）的公差限。

4  區域（yù）型的公差限

在4所示的公差限中，橫（héng）坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個（gè）典型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範（fàn）圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過（guò）公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域（yù）範圍（wéi）內，各個凸輪最大振幅（fú）值不（bú）能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範圍內，各（gè）個凸輪最大振幅值不（bú）能超過（guò）公差限0.15μm。區域型公差限，一（yī）般由（yóu）測量工程師通過大量的振紋分析頻譜（pǔ），結合台架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區域的（de）公差限，是由試（shì）驗得到（dào）的，使用不（bú）同顏色來表示8個凸輪，各個凸（tū）輪的振紋幅值在黑（hēi）色粗（cū）線以內，則表明該凸輪表麵振紋合格，不會產生噪聲。

在5所示的公差限中，橫坐標為頻（pín）率（單位UPR），縱坐（zuò）標（biāo）為振幅值（單位0.25μm）。此公差限由一個振幅值為頻率（lǜ）的指數函數定義，用指數（shù）公式（shì）表示，一般由產品設計人員（yuán）在產品中給出，測量（liàng）工程師需要在檢測設備上設置定義該（gāi）曲線型的公差限，如5所（suǒ）示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅（fú）值在黑色粗（cū）線以內，則表明該曲軸表麵振紋合格（gé），不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

06

 振紋（wén）分析與測量注意（yì）事項

6.1  振紋公差的（de）確定

由於每款（kuǎn）發動機的結構不同（tóng），各自凸輪軸、曲（qǔ）軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此（cǐ）振紋公差的設定也不能一概而論。目前的建議是，通過實驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選出一批或若幹批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通（tōng）過實驗判定哪個級別的振（zhèn）紋產生（shēng）噪聲，而哪個級別的振紋不產（chǎn）生噪聲，在兩者（zhě）之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果的一致性

由於不（bú）同檢測儀器的結構有所區別，如型號不同、夾（jiá）具和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其是測頭（tóu）部分）和工件的（de）共振點不同，以及測頭對於（yú）工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加上環境噪聲和電器噪聲，不同儀器測得的振紋（wén）結果在個別頻率上可能略有差別。

07

 測量振紋對（duì）產品、工藝及生產的指導意（yì）義

測量振紋，首先可以判定工件是否超（chāo）差（chà），從而控製加工質量。其實，測量振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產（chǎn）生的根（gēn）源並加以解決。通過振紋頻譜找出振幅較大或異常振動（dòng）所發生的頻率點（diǎn）（UPR為單位），再（zài）根據加工機床各運動部件和工件之間的速比（bǐ），可以很容易地找到產生振動的（de）部位和原因，如夾具（jù）、支撐架、傳動軸、軸承、砂輪等（děng），然後（hòu）加以解決。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（chuáng）所使用砂輪的問題，從而及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生產進（jìn）度及產（chǎn）品質量（liàng）。

振紋分析（xī）方法目前（qián）已廣泛應用於神龍公司的（de）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（kòng）製、產品審核和驗收中，對提高神龍公司凸輪軸（zhóu）、曲軸產品的符（fú）合性質（zhì）量、整車用戶質量，有很強的現實意義和指導作用。

08

 結束語

發動機軸類零件振紋分析方法已經開始在各大企業廣泛使用，為了幫助大家理解和應用回轉體零（líng）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（wén）分析中的一些經驗和（hé）理解，以及對振紋分（fèn）析軟件及相關知識應用（yòng）的探索，與各專業人員共同探討（tǎo）和廣（guǎng）泛交流，希望能夠推動（dòng）發動機軸類零件噪聲測量與分析技（jì）術的（de）發（fā）展與進（jìn）步，從而為降低（dī）發動機的噪聲貢獻一（yī）份力量。