​發（fā）動機軸類零件振紋分析與測量

通過對發動（dòng）機軸類零件旋轉工作表麵的振紋分（fèn）析與（yǔ）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（lǐ）人員對旋轉表麵振紋分析與測量的正（zhèng）確理（lǐ）解，希望在生產過程、質量控（kòng）製、產（chǎn）品驗收（shōu）和噪聲（shēng）分析中積極應用振紋分析技術，對提高發動機軸類零件（jiàn）的表麵質（zhì）量、降低發動機噪音有一定的現實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業（yè）的高速發展，汽車市（shì）場的（de）競（jìng）爭越（yuè）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（pǐn）質量，如近年來越來越多的用戶開始關注發動（dòng）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（zào）的措施外，開始重視降低發動（dòng）機關鍵零部件在發動機工作時可能產生的噪聲，如改善（shàn）這（zhè）些關鍵零部（bù）件的（de）設計、提高零件的表麵狀態、增加振紋（wén）分（fèn）析要求等措施（shī），來減少發動機工作時的震動，降低發動機運轉過程中的噪音（yīn），滿足用戶要求。

02

振紋分析問（wèn）題的提出（chū）

實驗和（hé）理論分析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲（qǔ）軸工作表麵的周期性波動形狀，是發動機噪聲的主要來源之（zhī）一。目前（qián）學術上把這（zhè）種一定頻率範圍的周期性波動形狀（zhuàng），稱之為（wéi）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（fēn）紛開始研究凸輪軸、曲軸工作表麵上這些周期性波動形狀的測量與評價方（fāng）法，並推出了振紋分析軟件，為分析和評（píng）價振紋提供了量化的指標（biāo）和直觀的頻譜，使用戶可以一目（mù）了然地看到（dào）振（zhèn）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，並找出加工過程中造成振紋的原因。

由於振（zhèn）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（jiě），還廣泛存在著對於振紋分析軟件的困惑（huò）、對（duì）振紋（wén）頻譜的疑惑。為了幫助（zhù）大家更好地了解、使用和推廣振紋分（fèn）析軟件，從而（ér）更好地為提升發動機的性能和質量服務，結合近（jìn）年來在公司凸輪軸和（hé）曲軸係列產品（pǐn）振紋測量與分析中的經（jīng）驗（yàn）為大家做個振紋分析與測量基礎知識介紹。

03

 振紋研究的起（qǐ）源和發展曆史

對於振紋的研究，基本起（qǐ）源於發動機的噪聲，人們（men）認（rèn）為發動機的運動部件尤其是回轉軸類零（líng）件——凸輪軸和曲軸的表麵形狀是噪聲（shēng）的（de）主要來源。最初發動機製造廠家在產（chǎn）生（shēng）噪（zào）聲的（de）凸輪軸和曲軸表麵看到了棱麵痕跡，稱之為振紋，那時還隻停留在目測階段。上個世紀九十年（nián）代，一些國際著名的凸輪軸檢測設備供應商提出了“潛（qián）在噪聲——APN（單隻凸輪的潛在（zài）噪聲）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，噪聲來源於振動，或者說噪聲本（běn）身就是振動，而描述振動最主要的兩個參數（shù）就是振幅和頻率（當然（rán）還有各種頻率的振動疊加時的時間關係——相位）。潛在噪聲確實可（kě）以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不能明確指出其（qí）具體的振幅和頻率，因而對（duì）分析乃至（zhì）消除噪聲幫助不大。

隨後一些凸輪軸（zhóu）曲軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推（tuī）出了振紋分析軟件（jiàn），使得用戶可以清楚直觀地（dì）看到各個頻率振動的幅度，用以判別工件是否超（chāo）出振紋公差，並能找出幅度大的或異常（cháng）的振動，分析（xī）其產生的原因從而減小（xiǎo）乃至消除之。而在發動機行業，振（zhèn）紋一詞也被專門用來定義或（huò）描述引起振動／噪聲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（shí）驗數據，證明了振紋分（fèn）析軟件的可（kě）靠性和穩定性，同時也為如何確（què）定公差提供了指導性經驗。

04

檢測方案的優化

振紋分析軟件所（suǒ）使用的數學（xué）工具，是在信號分析中被廣泛應用的傅立葉變換（huàn）。傅裏（lǐ）葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信（xìn）號，考慮成由一定振幅、頻率（lǜ）、相位的基本正弦（餘弦）信號組合而（ér）成，傅裏葉變換的目的，就是找出（chū）這些基本正弦（餘弦）信號中（zhōng）振幅較大（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（pín）率特（tè）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（xíng）線（xiàn）和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號來源，對（duì）其進行傅立葉變換，即可（kě）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域來分（fèn）析。可以把它當成一個工具來看待，比如（rú）光學中的三棱鏡，當白光通過它時，會分解為依次排列的紅橙黃綠藍（lán）青（qīng）紫等不同（tóng）顏色的可見（jiàn）光，以及不可見（jiàn）的（de）紅（hóng）外線和紫外線。同一（yī）種物質，在三棱鏡的一（yī）側看到的是混疊的白光，在另一側看到的卻是分離出來的各個（gè）單色（sè）光，而描（miáo）述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角（jiǎo）度看問題帶來的好處。如果再測（cè）量出不同顏色的光的強度，就可以畫（huà）一張“完整的”頻／光譜，橫坐標是頻率／顏（yán）色，縱（zòng）坐標是強度，這樣就可（kě）以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾所周知，不同顏色（sè）的光是因為各自不同的頻率造成的，因（yīn）此，光譜也是頻譜。在振紋（wén）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，經過變換後，形（xíng）狀曲線中各組成成份的（de）頻率和幅（fú）度如光譜，一般直觀地顯示出來（lái），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，零件表麵形貌大致分為（wéi）三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度（dù）。而振紋基本（běn）屬於波紋（wén）度區域，當然與輪廓和粗糙（cāo）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（fā）生過，因此，還是（shì）建議用戶（hù）從低頻（1～2UPR）開始計算到較高頻（pín）（300～500UPR）。目前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3600點，計算振紋（wén）可以到700UPR左右。原來的360點和1440點的圓（yuán）度（dù）測量儀器，可以通過軟硬件升（shēng）級，提升到3600點。

在凸輪軸曲軸綜合測量儀器上（shàng）測量振（zhèn）紋，不需要（yào）增加太多的調整，隻需要在現有的（de）程序中加入幾個與振紋相關（guān）（設置（zhì）算法（fǎ）、公差，計算及（jí）輸出數據報告（gào）和頻譜）的指（zhǐ）令或模塊即（jí）可，對原測（cè）量過程幾乎毫無影響。目前（qián）幾款著名（míng）的（de）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後評定，從而更加突（tū）出振（zhèn）紋部分。既可以全周計（jì）算振（zhèn）紋（wén），也可以指定區域（如（rú）凸輪的桃尖段、過渡段（duàn）和基圓段等）計算振（zhèn）紋。數據報告部分可以輸出（chū）不同頻率段（duàn）的最大振幅值，頻譜可以輸出如1所示柱狀，也可以輸出連續曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為幅值（單位0.1μm）。這是一個典（diǎn）型的波紋度區間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段（duàn）。灰色方框是公差帶，使用不同顏色來表（biǎo）示8個（gè）凸輪；從2柱狀中看到有（yǒu）兩處超差（分別在35～65UPR段和65～84UPR段）。從3的數值報告中，看到了同（tóng）樣的超差項，二者（zhě）是統一的，隻不過一個是像化，一個是（shì）數字化（huà）。

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（de），也可以（yǐ）是曲線型的，4為區域（yù）型的公差限，5為曲線（xiàn）型的公差限。一般凸輪振紋公差采用（yòng）區域型的（de）公差限，軸頸振紋公差采用曲（qǔ）線型（xíng）的（de）公差（chà）限。

4  區域型的公差（chà）限

在4所示（shì）的公差限中，橫坐標為頻率（lǜ）（單位UPR），縱（zòng）坐標為振（zhèn）幅值（單（dān）位0.25μm）。這（zhè）是一個典型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域範圍內，各個凸輪（lún）最（zuì）大振幅值不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域範圍內，各（gè）個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.25μm；頻率（lǜ）在（zài）100UPR～350UPR區域範（fàn）圍內，各個凸輪最大振幅值不能（néng）超過公差限0.15μm。區域型公差限，一般（bān）由測量工程師通過大量的振紋分（fèn）析頻譜，結合（hé）台架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區域的公差限，是（shì）由試驗得到的，使用（yòng）不同顏色來表示8個凸輪，各個凸輪的（de）振（zhèn）紋幅值（zhí）在黑色粗線以內，則表明該凸輪表麵振紋合（hé）格（gé），不會產生噪聲。

在5所示的公差限中，橫坐標為頻率（lǜ）（單位UPR），縱（zòng）坐標為振幅值（單位（wèi）0.25μm）。此公差限由一個振幅值為（wéi）頻率的指數函數定（dìng）義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出，測量工（gōng）程師需要（yào）在檢測設備上設（shè）置定義該曲線型的公差限，如5所示的黑色粗線為公差限，所有軸頸的振紋幅值在黑色粗線以內，則表明該曲（qǔ）軸表麵振紋合格，不會產生噪聲（shēng）。

5  曲線型（xíng）的公（gōng）差限

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 振紋分析與測（cè）量（liàng）注意事項

6.1  振紋公差的確定

由於每款發動機的（de）結構不同，各自凸輪軸、曲（qǔ）軸的加工工藝不（bú）同，引發噪聲的情（qíng）況也不同，因此振紋公差的設定也不能（néng）一概而論。目（mù）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（huò）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（pàn）定哪個級別的振紋產生噪聲，而（ér）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、夾具和測頭種類不同，從而導致儀器（尤其是測頭部分）和（hé）工件的共振點不（bú）同，以及（jí）測頭對於工件的摩擦引起的振動噪聲不同，再加（jiā）上環境噪（zào）聲和電器噪聲，不同儀器測（cè）得的振紋結果在個別頻率上可（kě）能略有差別。

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 測量振紋（wén）對產品、工藝及（jí）生產的指導意義

測量振紋（wén），首先可以判定工件是否超差（chà），從而控製加工質量。其實（shí），測量振紋更大的意義在於（yú）指導生產，找出振紋產生的根源並加以解決。通（tōng）過（guò）振紋頻譜找出振幅較大或異常振動所發生（shēng）的頻率點（UPR為單（dān）位），再根據加工機床各運（yùn）動（dòng）部件和（hé）工件之間的速比（bǐ），可以很（hěn）容（róng）易地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（rán）後（hòu）加以解決。如（rú）在2009年凸輪（lún）軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗（yàn）收過程中，通過振紋分析發現了該磨床（chuáng）所使用砂（shā）輪的問題，從而及時處理（lǐ），保證了設備驗收進度、預批量生（shēng）產（chǎn）進度及產品（pǐn）質量。

振紋分析方法目前已廣（guǎng）泛應用於（yú）神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等（děng）全係列凸輪軸產品，和曲軸（zhóu）產品的生產過程控製、產品審核和驗收中，對提高神龍公司凸輪軸（zhóu）、曲軸（zhóu）產品的符合性質量、整車用戶質量，有（yǒu）很強的（de）現實意義和（hé）指導作用（yòng）。

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 結束語（yǔ）

發動機軸類零件振紋分析（xī）方法已（yǐ）經開始在各大企業廣泛使用，為了幫助大家理解和應（yīng）用回轉體零件振紋分析報告，降低發動機噪聲，特將個人對（duì）凸輪軸、曲軸振紋分析中（zhōng）的一些經驗（yàn）和理解，以及對振紋分析軟件（jiàn）及相（xiàng）關知識應用的探索，與各專（zhuān）業人員共同探討和廣泛交流，希望能夠推動發動機軸類（lèi）零件噪聲測量與分析技術的發展與進步，從而為降低發（fā）動（dòng）機的噪聲（shēng）貢獻一份力量（liàng）。