​發動機軸類零件振紋分析與測量

通過對發動機軸（zhóu）類零件旋轉工作表（biǎo）麵的（de）振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫（bāng）助產品設（shè）計人員、工藝與質（zhì）量管理人員對旋轉表麵振紋（wén）分析與測（cè）量的（de）正確理解，希望（wàng）在生產（chǎn）過程、質量控製、產品驗收和噪聲分析（xī）中積極應（yīng）用振（zhèn）紋（wén）分析技術（shù），對提（tí）高發動機軸（zhóu）類零件的表麵質量、降（jiàng）低（dī）發動機噪音有一定的現實意義。

01

引  言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來（lái）愈激烈，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質量（liàng），如近年來越來越多的用戶開始關注發動機的噪聲。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隔振降噪的措施外，開始重視降低發動機關鍵零部件在（zài）發動機工作時可能產生的噪聲，如改善這些關鍵零部（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（yùn）轉過程中（zhōng）的噪音，滿足用戶要（yào）求。

02

振紋分析問題的提出（chū）

實驗和理論分析都表明，發（fā）動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表麵（miàn）的周（zhōu）期性波動形狀，是發動機噪聲的主（zhǔ）要來源之一。目前（qián）學術上把這種（zhǒng）一定頻率範（fàn）圍的周期（qī）性波動（dòng）形狀，稱（chēng）之為振（zhèn）紋（Chatter）。順應汽車行業發展的需要，世界著名的檢測設備（bèi）供應商紛紛開始研究凸輪軸、曲軸工作（zuò）表麵上這些周期性波（bō）動形狀的測量（liàng）與評價方法，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（biāo）和直觀的頻譜，使（shǐ）用（yòng）戶可（kě）以一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（zhóu）和（hé）曲軸工作表麵質量，並（bìng）找出加工過（guò）程中造成振紋的（de）原因。

由於振紋分析軟（ruǎn）件推出時間不長，多數用（yòng）戶（hù）對此（cǐ）經（jīng）驗不多或在理論上不夠了解（jiě），還廣泛存在著對於（yú）振紋分析軟件的困惑、對（duì）振紋頻譜的疑惑。為了幫助大家更好地了解、使用和推廣振紋分析軟件，從而更好地為提升發動機（jī）的性能和質量服務，結合近年來在公司凸輪軸和曲軸係列（liè）產品振紋測量與分析（xī）中（zhōng）的經驗為大家做個振紋分析與測量基礎知識介紹。

03

 振紋（wén）研究的起（qǐ）源和發展曆史

對於振紋的研究，基本起源於發動機的噪聲，人們認為發動機的（de）運（yùn）動部件尤其（qí）是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表麵（miàn）形狀是噪聲的主要來源。最初發動機製造廠家在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那（nà）時還（hái）隻停留在目測階段。上個世（shì）紀（jì）九十年代，一些國際著名的（de）凸輪軸檢測設（shè）備供應商提（tí）出了“潛在噪聲——APN（單（dān）隻凸（tū）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（shēng）水平。

眾所周知，噪聲來源於振動，或者說噪聲本身就是振動，而描述振動最主要的（de）兩個（gè）參數就是振（zhèn）幅和頻率（當然還有各種頻率的振動疊加時的時間（jiān）關係（xì）——相位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪（zào）聲（shēng）水平，但缺（quē）點（diǎn）是，不（bú）能明確指出其具體的振幅和頻率，因而對分析乃至消除噪聲幫助不（bú）大（dà）。

隨後一些凸輪軸曲（qǔ）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（guān）地看到各個頻率振（zhèn）動的幅度，用以判別工件是否超出振（zhèn）紋公差（chà），並能找出幅度大的或異（yì）常的振動，分析其產（chǎn）生的原因從（cóng）而減小乃至消除之。而在發動機行業，振紋一詞也被（bèi）專門（mén）用來定義或描述引起振動／噪聲的（de）周期（qī）性波動的表麵形狀。通過與一些汽車（chē）製造企業合作，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（xìng），同時也（yě）為如何確定公差提供（gòng）了指（zhǐ）導性經驗。

04

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（hào）分析中被廣泛應用的傅立葉變換。傅裏葉變（biàn）換簡單（dān）通俗理解，就是把看似雜亂無章（zhāng）的（de）信號，考慮成由一定振（zhèn）幅（fú）、頻率、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而成，傅裏葉（yè）變換的目的，就是（shì）找（zhǎo）出這些基本正弦（餘弦）信號中振（zhèn）幅較大（dà）（能量較高）信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中（zhōng）的主（zhǔ）要振動頻率特點。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（yuán）度，就成為（wéi）振（zhèn）紋分析的信號（hào）來源，對其進行傅立葉變（biàn）換，即（jí）可得到組合（hé）信號／波動的譜（pǔ）線（xiàn）。

有（yǒu）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域來分析。可以把它當成一個工（gōng）具來看待，比如光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次（cì）排列的紅橙黃綠藍青（qīng）紫等不同顏色的可見光，以及不可見的紅外（wài）線和紫外線。同一（yī）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（kàn）到的卻是分離（lí）出來的各個單色光，而描（miáo）述和分析單色光則容易得多，這就（jiù）是（shì）從（cóng）不同角度看問題帶來的好處。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（sè），縱坐標是強（qiáng）度，這樣就可以很清楚地看出（chū）白光（guāng）中各單色光的（de）成份（fèn）。眾（zhòng）所周知，不同顏（yán）色的光是因為各自不同的頻率造成的，因此，光譜也是頻譜。在振紋分析中使用傅立葉變換，則是綜合了三棱鏡和光強計的（de）功能（néng），經過（guò）變換後（hòu），形狀曲線（xiàn）中各組成成份的頻率和（hé）幅度如光譜，一般直觀地（dì）顯示出來，非常便於處理和應用。

05

振紋分析範圍與測量

一般來說，從波長／頻率上來分（fèn），零件表麵（miàn）形貌大（dà）致分為（wéi）三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度（dù）。而振紋基本屬於波紋度區域，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過於關注波紋（wén）度區（qū）域（yù），可能會漏掉輪廓區（qū）域和粗（cū）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（jì）算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標準定（dìng）義了圓度分析點數為3600點（diǎn），因此凸輪軸、曲軸綜合檢測儀采樣點數均（jun1）為3600點，計算振紋可以到700UPR左右。原來的360點和（hé）1440點的圓（yuán）度測量儀器，可以通過軟硬件升級（jí），提升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜（zōng）合測量儀器上測（cè）量（liàng）振紋，不需要（yào）增加太多的調整，隻需要在現有的程（chéng）序中加入幾個與振（zhèn）紋相關（設置（zhì）算（suàn）法、公差，計（jì）算及輸出數（shù）據報告和（hé）頻譜）的指令（lìng）或（huò）模塊即（jí）可，對原測量過程幾乎毫無影響。目前幾款著名的（de）振紋分析軟件，既可以用標（biāo）準（zhǔn）方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部分後評定，從而更（gèng）加突出振紋部分。既可以全周計算振紋，也可以指（zhǐ）定（dìng）區域（如（rú）凸輪（lún）的桃尖段、過渡段和基圓段等）計算振紋。數據報告部分可以輸出（chū）不同頻（pín）率段的最（zuì）大振幅值（zhí），頻譜可以輸出如（rú）1所示柱狀，也可（kě）以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱（zòng）坐標（biāo）為幅值（單位（wèi）0.1μm）。這是（shì）一個典型的波紋（wén）度區間，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（tū）輪（lún）；從2柱狀中看到有（yǒu）兩處超（chāo）差（分別在（zài）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，二者是統一的，隻不過（guò）一個是（shì）像化（huà），一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀（zhuàng）

3  軸頸（jǐng）振紋數據（jù）報告

公差（chà）限可以是區域型的，也可以（yǐ）是曲線型的，4為區域型的公差限，5為曲線型的（de）公差限。一般凸輪振紋公差采用（yòng）區域型的（de）公差限，軸頸振紋公（gōng）差（chà）采用曲線型的公差限。

4  區域型的公差限

在（zài）4所示的公（gōng）差限中，橫（héng）坐標為頻率（單位UPR），縱坐（zuò）標為振（zhèn）幅值（單（dān）位0.25μm）。這是一個典（diǎn）型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域（yù）範圍內，各個凸輪最大（dà）振幅值不能超過（guò）公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各個凸輪最大振（zhèn）幅值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域範（fàn）圍內，各個凸輪最（zuì）大振幅（fú）值不能超過公差限0.15μm。區域型公（gōng）差限，一般由測量工程師通過大（dà）量（liàng）的振紋分析頻譜（pǔ），結合台架試驗結果得到（dào），如4所示的黑色粗線為（wéi）各頻率區域的公（gōng）差限，是由試驗得到（dào）的（de），使用不同顏色來表示8個凸輪，各個凸輪的振紋幅值在黑色粗線以內，則表（biǎo）明該凸輪表麵振紋（wén）合格（gé），不會產（chǎn）生噪（zào）聲。

在5所示的公（gōng）差限中，橫坐標為頻率（單位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（shù）函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中（zhōng）給（gěi）出，測量工程師需要在檢測設備上設（shè）置定義該曲線型（xíng）的公差限，如5所示的黑色粗線為公差限，所（suǒ）有軸頸的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該曲軸（zhóu）表麵振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公（gōng）差（chà）限

06

 振紋分析（xī）與測量注意事項

6.1  振紋公差的（de）確定

由於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（shēng）的情況也（yě）不同，因此振紋公差的設定也不能一概而論。目前的建議是，通（tōng）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（jiào）大和較小的凸輪軸、曲軸做台架實驗，通過實驗判定哪（nǎ）個級別（bié）的振紋（wén）產（chǎn）生噪聲（shēng），而哪個（gè）級別的振紋不產生噪聲，在兩者之間劃一條控製線，即為公差。

6.2  測量結果的一致性

由於不同檢測儀器的結構有所區別，如型號不同、夾（jiá）具和（hé）測（cè）頭種類不（bú）同，從而導致儀器（尤其是（shì）測頭部分）和工（gōng）件的共振點不同，以（yǐ）及測頭對於工件的摩擦引起的振（zhèn）動噪聲不同，再（zài）加上（shàng）環境噪（zào）聲和電器噪聲，不同儀器（qì）測得的振（zhèn）紋結果（guǒ）在個別（bié）頻率上可能略有（yǒu）差別。

07

 測量振（zhèn）紋對產品、工藝（yì）及生產的指導意義

測量振紋，首先可（kě）以判定工件是否超差，從而控製加工質量。其實，測量（liàng）振紋更大的意義在於指導生產，找出振紋產生的根源（yuán）並加以解（jiě）決。通（tōng）過振紋頻譜（pǔ）找出振幅較大或異常振動所發生的（de）頻率點（UPR為單位），再根（gēn）據加工機（jī）床各（gè）運動部件和工件之間的（de）速比，可以很容易地（dì）找到（dào）產生（shēng）振（zhèn）動的部位和原因，如夾具（jù）、支撐架、傳動（dòng）軸、軸承、砂輪等，然後加以解（jiě）決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪（lún）軸磨（mó）床驗收過程中（zhōng），通過振紋（wén）分析發現了（le）該磨床所使用砂輪（lún）的問題，從而及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生產進度及產品質量。

振紋分析（xī）方法目前已廣泛應用於神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全係列凸輪（lún）軸產品（pǐn），和曲軸產品的生產過程控製、產（chǎn）品（pǐn）審核和驗收中，對提高（gāo）神龍公司凸（tū）輪軸、曲軸（zhóu）產品的符合性質量、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（yǔ）

發動機（jī）軸類零件振紋分析方（fāng）法已經開始在各大企業廣泛使（shǐ）用，為（wéi）了幫助大（dà）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（zhóu）振紋分析中（zhōng）的一（yī）些經驗和理解，以（yǐ）及對振紋（wén）分析軟件及相關知（zhī）識應（yīng）用的探索，與（yǔ）各專業（yè）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（shēng）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。