​发动机轴类零件振纹分析与测量

通过对发动机轴类零件旋转工作表面的振纹分析与测量相关知识的介绍，有效帮助产品设计人员、工艺与质量管理人员对旋转表面振纹分析与测量的正确理解，希望在生产过程、质量控制、产品验收和噪声分析中积极应用振纹分析技术，对提高发动机轴类零件的表面质量、降低发动机噪音有一定的现实意义。

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引  言

随着我国汽车行业的高速发展，汽车市场的竞争越来愈激烈，各大汽车企业为了满足不同用户的需求，都在努力提高自己的产品质量，如近年来越来越多的用户开始关注发动机的噪声。汽车企业为了降低发动机的噪声，除了在整车上对发动机采取隔振降噪的措施外，开始重视降低发动机关键零部件在发动机工作时可能产生的噪声，如改善这些关键零部件的设计、提高零件的表面状态、增加振纹分析要求等措施，来减少发动机工作时的震动，降低发动机运转过程中的噪音，满足用户要求。

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振纹分析问题的提出

实验和理论分析都表明，发动机的回转轴类零件——凸轮轴和曲轴工作表面的周期性波动形状，是发动机噪声的主要来源之一。目前学术上把这种一定频率范围的周期性波动形状，称之为振纹（Chatter）。顺应汽车行业发展的需要，世界著名的检测设备供应商纷纷开始研究凸轮轴、曲轴工作表面上这些周期性波动形状的测量与评价方法，并推出了振纹分析软件，为分析和评价振纹提供了量化的指标和直观的频谱，使用户可以一目了然地看到振纹的大小和发生的频率，据此控制凸轮轴和曲轴工作表面质量，并找出加工过程中造成振纹的原因。

由于振纹分析软件推出时间不长，多数用户对此经验不多或在理论上不够了解，还广泛存在着对于振纹分析软件的困惑、对振纹频谱的疑惑。为了帮助大家更好地了解、使用和推广振纹分析软件，从而更好地为提升发动机的性能和质量服务，结合近年来在公司凸轮轴和曲轴系列产品振纹测量与分析中的经验为大家做个振纹分析与测量基础知识介绍。

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 振纹研究的起源和发展历史

对于振纹的研究，基本起源于发动机的噪声，人们认为发动机的运动部件尤其是回转轴类零件——凸轮轴和曲轴的表面形状是噪声的主要来源。最初发动机制造厂家在产生噪声的凸轮轴和曲轴表面看到了棱面痕迹，称之为振纹，那时还只停留在目测阶段。上个世纪九十年代，一些国际著名的凸轮轴检测设备供应商提出了“潜在噪声——APN（单只凸轮的潜在噪声）和TAPN（整只凸轮轴的潜在噪声）”这两个参数，来评价凸轮（轴）的噪声水平。

众所周知，噪声来源于振动，或者说噪声本身就是振动，而描述振动最主要的两个参数就是振幅和频率（当然还有各种频率的振动叠加时的时间关系——相位）。潜在噪声确实可以反映凸轮（轴）的噪声水平，但缺点是，不能明确指出其具体的振幅和频率，因而对分析乃至消除噪声帮助不大。

随后一些凸轮轴曲轴检测仪器公司如ADCOLE等，推出了振纹分析软件，使得用户可以清楚直观地看到各个频率振动的幅度，用以判别工件是否超出振纹公差，并能找出幅度大的或异常的振动，分析其产生的原因从而减小乃至消除之。而在发动机行业，振纹一词也被专门用来定义或描述引起振动／噪声的周期性波动的表面形状。通过与一些汽车制造企业合作，取得了大量的实验数据，证明了振纹分析软件的可靠性和稳定性，同时也为如何确定公差提供了指导性经验。

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检测方案的优化

振纹分析软件所使用的数学工具，是在信号分析中被广泛应用的傅立叶变换。傅里叶变换简单通俗理解，就是把看似杂乱无章的信号，考虑成由一定振幅、频率、相位的基本正弦（余弦）信号组合而成，傅里叶变换的目的，就是找出这些基本正弦（余弦）信号中振幅较大（能量较高）信号对应的频率，从而找出杂乱无章的信号中的主要振动频率特点。由于凸轮轴、曲轴为回转工件，其径向（周向）形状如凸轮的型线和曲轴的圆度，就成为振纹分析的信号来源，对其进行傅立叶变换，即可得到组合信号／波动的谱线。

有许多用户觉得傅立叶变换太过高深，不容易理解，其实它只是从不同角度看问题，即把时域的问题拿到频域来分析。可以把它当成一个工具来看待，比如光学中的三棱镜，当白光通过它时，会分解为依次排列的红橙黄绿蓝青紫等不同颜色的可见光，以及不可见的红外线和紫外线。同一种物质，在三棱镜的一侧看到的是混叠的白光，在另一侧看到的却是分离出来的各个单色光，而描述和分析单色光则容易得多，这就是从不同角度看问题带来的好处。如果再测量出不同颜色的光的强度，就可以画一张“完整的”频／光谱，横坐标是频率／颜色，纵坐标是强度，这样就可以很清楚地看出白光中各单色光的成份。众所周知，不同颜色的光是因为各自不同的频率造成的，因此，光谱也是频谱。在振纹分析中使用傅立叶变换，则是综合了三棱镜和光强计的功能，经过变换后，形状曲线中各组成成份的频率和幅度如光谱，一般直观地显示出来，非常便于处理和应用。

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振纹分析范围与测量

一般来说，从波长／频率上来分，零件表面形貌大致分为三个层次：轮廓、波纹度和粗糙度。而振纹基本属于波纹度区域，当然与轮廓和粗糙度也有所交叉。过于关注波纹度区域，可能会漏掉轮廓区域和粗糙度区域的异常波动，这种情况已经实际发生过，因此，还是建议用户从低频（1～2UPR）开始计算到较高频（300～500UPR）。目前ISO标准定义了圆度分析点数为3600点，因此凸轮轴、曲轴综合检测仪采样点数均为3600点，计算振纹可以到700UPR左右。原来的360点和1440点的圆度测量仪器，可以通过软硬件升级，提升到3600点。

在凸轮轴曲轴综合测量仪器上测量振纹，不需要增加太多的调整，只需要在现有的程序中加入几个与振纹相关（设置算法、公差，计算及输出数据报告和频谱）的指令或模块即可，对原测量过程几乎毫无影响。目前几款著名的振纹分析软件，既可以用标准方法（傅立叶变换）评定，也可以去除轮廓部分后评定，从而更加突出振纹部分。既可以全周计算振纹，也可以指定区域（如凸轮的桃尖段、过渡段和基圆段等）计算振纹。数据报告部分可以输出不同频率段的最大振幅值，频谱可以输出如1所示柱状，也可以输出连续曲线。    

1  凸轮振纹柱形     

2柱状中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为幅值（单位0.1μm）。这是一个典型的波纹度区间，频率从40UPR～300UPR，分为4段。灰色方框是公差带，使用不同颜色来表示8个凸轮；从2柱状中看到有两处超差（分别在35～65UPR段和65～84UPR段）。从3的数值报告中，看到了同样的超差项，二者是统一的，只不过一个是像化，一个是数字化。

2  轴颈振纹柱状

3  轴颈振纹数据报告

公差限可以是区域型的，也可以是曲线型的，4为区域型的公差限，5为曲线型的公差限。一般凸轮振纹公差采用区域型的公差限，轴颈振纹公差采用曲线型的公差限。

4  区域型的公差限

在4所示的公差限中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为振幅值（单位0.25μm）。这是一个典型的波纹度区间，频率在40UPR～50UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限1μm；频率在50UPR～100UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限0.25μm；频率在100UPR～350UPR区域范围内，各个凸轮最大振幅值不能超过公差限0.15μm。区域型公差限，一般由测量工程师通过大量的振纹分析频谱，结合台架试验结果得到，如4所示的黑色粗线为各频率区域的公差限，是由试验得到的，使用不同颜色来表示8个凸轮，各个凸轮的振纹幅值在黑色粗线以内，则表明该凸轮表面振纹合格，不会产生噪声。

在5所示的公差限中，横坐标为频率（单位UPR），纵坐标为振幅值（单位0.25μm）。此公差限由一个振幅值为频率的指数函数定义，用指数公式表示，一般由产品设计人员在产品中给出，测量工程师需要在检测设备上设置定义该曲线型的公差限，如5所示的黑色粗线为公差限，所有轴颈的振纹幅值在黑色粗线以内，则表明该曲轴表面振纹合格，不会产生噪声。

5  曲线型的公差限

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 振纹分析与测量注意事项

6.1  振纹公差的确定

由于每款发动机的结构不同，各自凸轮轴、曲轴的加工工艺不同，引发噪声的情况也不同，因此振纹公差的设定也不能一概而论。目前的建议是，通过实验获得公差，即通过检测仪器测量，选出一批或若干批振纹较大和较小的凸轮轴、曲轴做台架实验，通过实验判定哪个级别的振纹产生噪声，而哪个级别的振纹不产生噪声，在两者之间划一条控制线，即为公差。

6.2  测量结果的一致性

由于不同检测仪器的结构有所区别，如型号不同、夹具和测头种类不同，从而导致仪器（尤其是测头部分）和工件的共振点不同，以及测头对于工件的摩擦引起的振动噪声不同，再加上环境噪声和电器噪声，不同仪器测得的振纹结果在个别频率上可能略有差别。

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 测量振纹对产品、工艺及生产的指导意义

测量振纹，首先可以判定工件是否超差，从而控制加工质量。其实，测量振纹更大的意义在于指导生产，找出振纹产生的根源并加以解决。通过振纹频谱找出振幅较大或异常振动所发生的频率点（UPR为单位），再根据加工机床各运动部件和工件之间的速比，可以很容易地找到产生振动的部位和原因，如夹具、支撑架、传动轴、轴承、砂轮等，然后加以解决。如在2009年凸轮轴L3线JUNKER凸轮轴磨床验收过程中，通过振纹分析发现了该磨床所使用砂轮的问题，从而及时处理，保证了设备验收进度、预批量生产进度及产品质量。

振纹分析方法目前已广泛应用于神龙公司的TU/EC/EW/EP/EB等全系列凸轮轴产品，和曲轴产品的生产过程控制、产品审核和验收中，对提高神龙公司凸轮轴、曲轴产品的符合性质量、整车用户质量，有很强的现实意义和指导作用。

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 结束语

发动机轴类零件振纹分析方法已经开始在各大企业广泛使用，为了帮助大家理解和应用回转体零件振纹分析报告，降低发动机噪声，特将个人对凸轮轴、曲轴振纹分析中的一些经验和理解，以及对振纹分析软件及相关知识应用的探索，与各专业人员共同探讨和广泛交流，希望能够推动发动机轴类零件噪声测量与分析技术的发展与进步，从而为降低发动机的噪声贡献一份力量。