通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件旋轉(zhuǎn)工作表面的振紋分析與測(cè)量相關(guān)知識(shí)的介紹，有效幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員、工藝與質(zhì)量管理人員對(duì)旋轉(zhuǎn)表面振紋分析與測(cè)量的正確理解，希望在生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量控制、產(chǎn)品驗(yàn)收和噪聲分析中積極應(yīng)用振紋分析技術(shù)，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件的表面質(zhì)量、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

01

引  言

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)愈激烈，各大汽車企業(yè)為了滿足不同用戶的需求，都在努力提高自己的產(chǎn)品質(zhì)量，如近年來(lái)越來(lái)越多的用戶開(kāi)始關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲。汽車企業(yè)為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，除了在整車上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采取隔振降噪的措施外，開(kāi)始重視降低發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)可能產(chǎn)生的噪聲，如改善這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)、提高零件的表面狀態(tài)、增加振紋分析要求等措施，來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的震動(dòng)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的噪音，滿足用戶要求。

02

振紋分析問(wèn)題的提出

實(shí)驗(yàn)和理論分析都表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表面的周期性波動(dòng)形狀，是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一。目前學(xué)術(shù)上把這種一定頻率范圍的周期性波動(dòng)形狀，稱之為振紋（Chatter）。順應(yīng)汽車行業(yè)發(fā)展的需要，世界著名的檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商紛紛開(kāi)始研究凸輪軸、曲軸工作表面上這些周期性波動(dòng)形狀的測(cè)量與評(píng)價(jià)方法，并推出了振紋分析軟件，為分析和評(píng)價(jià)振紋提供了量化的指標(biāo)和直觀的頻譜，使用戶可以一目了然地看到振紋的大小和發(fā)生的頻率，據(jù)此控制凸輪軸和曲軸工作表面質(zhì)量，并找出加工過(guò)程中造成振紋的原因。

由于振紋分析軟件推出時(shí)間不長(zhǎng)，多數(shù)用戶對(duì)此經(jīng)驗(yàn)不多或在理論上不夠了解，還廣泛存在著對(duì)于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(fā)動(dòng)機(jī)的性能和質(zhì)量服務(wù)，結(jié)合近年來(lái)在公司凸輪軸和曲軸系列產(chǎn)品振紋測(cè)量與分析中的經(jīng)驗(yàn)為大家做個(gè)振紋分析與測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)介紹。

03

 振紋研究的起源和發(fā)展歷史

對(duì)于振紋的研究，基本起源于發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，人們認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件尤其是回轉(zhuǎn)軸類零件——凸輪軸和曲軸的表面形狀是噪聲的主要來(lái)源。最初發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家在產(chǎn)生噪聲的凸輪軸和曲軸表面看到了棱面痕跡，稱之為振紋，那時(shí)還只停留在目測(cè)階段。上個(gè)世紀(jì)九十年代，一些國(guó)際著名的凸輪軸檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商提出了“潛在噪聲——APN（單只凸輪的潛在噪聲）和TAPN（整只凸輪軸的潛在噪聲）”這兩個(gè)參數(shù)，來(lái)評(píng)價(jià)凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪聲來(lái)源于振動(dòng)，或者說(shuō)噪聲本身就是振動(dòng)，而描述振動(dòng)最主要的兩個(gè)參數(shù)就是振幅和頻率（當(dāng)然還有各種頻率的振動(dòng)疊加時(shí)的時(shí)間關(guān)系——相位）。潛在噪聲確實(shí)可以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點(diǎn)是，不能明確指出其具體的振幅和頻率，因而對(duì)分析乃至消除噪聲幫助不大。

隨后一些凸輪軸曲軸檢測(cè)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地看到各個(gè)頻率振動(dòng)的幅度，用以判別工件是否超出振紋公差，并能找出幅度大的或異常的振動(dòng)，分析其產(chǎn)生的原因從而減小乃至消除之。而在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，振紋一詞也被專門用來(lái)定義或描述引起振動(dòng)／噪聲的周期性波動(dòng)的表面形狀。通過(guò)與一些汽車制造企業(yè)合作，取得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也為如何確定公差提供了指導(dǎo)性經(jīng)驗(yàn)。

04

檢測(cè)方案的優(yōu)化

振紋分析軟件所使用的數(shù)學(xué)工具，是在信號(hào)分析中被廣泛應(yīng)用的傅立葉變換。傅里葉變換簡(jiǎn)單通俗理解，就是把看似雜亂無(wú)章的信號(hào)，考慮成由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（余弦）信號(hào)組合而成，傅里葉變換的目的，就是找出這些基本正弦（余弦）信號(hào)中振幅較大（能量較高）信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率，從而找出雜亂無(wú)章的信號(hào)中的主要振動(dòng)頻率特點(diǎn)。由于凸輪軸、曲軸為回轉(zhuǎn)工件，其徑向（周向）形狀如凸輪的型線和曲軸的圓度，就成為振紋分析的信號(hào)來(lái)源，對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換，即可得到組合信號(hào)／波動(dòng)的譜線。

有許多用戶覺(jué)得傅立葉變換太過(guò)高深，不容易理解，其實(shí)它只是從不同角度看問(wèn)題，即把時(shí)域的問(wèn)題拿到頻域來(lái)分析。可以把它當(dāng)成一個(gè)工具來(lái)看待，比如光學(xué)中的三棱鏡，當(dāng)白光通過(guò)它時(shí)，會(huì)分解為依次排列的紅橙黃綠藍(lán)青紫等不同顏色的可見(jiàn)光，以及不可見(jiàn)的紅外線和紫外線。同一種物質(zhì)，在三棱鏡的一側(cè)看到的是混疊的白光，在另一側(cè)看到的卻是分離出來(lái)的各個(gè)單色光，而描述和分析單色光則容易得多，這就是從不同角度看問(wèn)題帶來(lái)的好處。如果再測(cè)量出不同顏色的光的強(qiáng)度，就可以畫一張“完整的”頻／光譜，橫坐標(biāo)是頻率／顏色，縱坐標(biāo)是強(qiáng)度，這樣就可以很清楚地看出白光中各單色光的成份。眾所周知，不同顏色的光是因?yàn)楦髯圆煌念l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(qiáng)計(jì)的功能，經(jīng)過(guò)變換后，形狀曲線中各組成成份的頻率和幅度如光譜，一般直觀地顯示出來(lái)，非常便于處理和應(yīng)用。

05

振紋分析范圍與測(cè)量

一般來(lái)說(shuō)，從波長(zhǎng)／頻率上來(lái)分，零件表面形貌大致分為三個(gè)層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬于波紋度區(qū)域，當(dāng)然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過(guò)于關(guān)注波紋度區(qū)域，可能會(huì)漏掉輪廓區(qū)域和粗糙度區(qū)域的異常波動(dòng)，這種情況已經(jīng)實(shí)際發(fā)生過(guò)，因此，還是建議用戶從低頻（1～2UPR）開(kāi)始計(jì)算到較高頻（300～500UPR）。目前ISO標(biāo)準(zhǔn)定義了圓度分析點(diǎn)數(shù)為3600點(diǎn)，因此凸輪軸、曲軸綜合檢測(cè)儀采樣點(diǎn)數(shù)均為3600點(diǎn)，計(jì)算振紋可以到700UPR左右。原來(lái)的360點(diǎn)和1440點(diǎn)的圓度測(cè)量?jī)x器，可以通過(guò)軟硬件升級(jí)，提升到3600點(diǎn)。

在凸輪軸曲軸綜合測(cè)量?jī)x器上測(cè)量振紋，不需要增加太多的調(diào)整，只需要在現(xiàn)有的程序中加入幾個(gè)與振紋相關(guān)（設(shè)置算法、公差，計(jì)算及輸出數(shù)據(jù)報(bào)告和頻譜）的指令或模塊即可，對(duì)原測(cè)量過(guò)程幾乎毫無(wú)影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用標(biāo)準(zhǔn)方法（傅立葉變換）評(píng)定，也可以去除輪廓部分后評(píng)定，從而更加突出振紋部分。既可以全周計(jì)算振紋，也可以指定區(qū)域（如凸輪的桃尖段、過(guò)渡段和基圓段等）計(jì)算振紋。數(shù)據(jù)報(bào)告部分可以輸出不同頻率段的最大振幅值，頻譜可以輸出如1所示柱狀，也可以輸出連續(xù)曲線。    

1  凸輪振紋柱形     

2柱狀中，橫坐標(biāo)為頻率（單位UPR），縱坐標(biāo)為幅值（單位0.1μm）。這是一個(gè)典型的波紋度區(qū)間，頻率從40UPR～300UPR，分為4段?；疑娇蚴枪顜?，使用不同顏色來(lái)表示8個(gè)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(shù)值報(bào)告中，看到了同樣的超差項(xiàng)，二者是統(tǒng)一的，只不過(guò)一個(gè)是像化，一個(gè)是數(shù)字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數(shù)據(jù)報(bào)告

公差限可以是區(qū)域型的，也可以是曲線型的，4為區(qū)域型的公差限，5為曲線型的公差限。一般凸輪振紋公差采用區(qū)域型的公差限，軸頸振紋公差采用曲線型的公差限。

4  區(qū)域型的公差限

在4所示的公差限中，橫坐標(biāo)為頻率（單位UPR），縱坐標(biāo)為振幅值（單位0.25μm）。這是一個(gè)典型的波紋度區(qū)間，頻率在40UPR～50UPR區(qū)域范圍內(nèi)，各個(gè)凸輪最大振幅值不能超過(guò)公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區(qū)域范圍內(nèi)，各個(gè)凸輪最大振幅值不能超過(guò)公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區(qū)域范圍內(nèi)，各個(gè)凸輪最大振幅值不能超過(guò)公差限0.15μm。區(qū)域型公差限，一般由測(cè)量工程師通過(guò)大量的振紋分析頻譜，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區(qū)域的公差限，是由試驗(yàn)得到的，使用不同顏色來(lái)表示8個(gè)凸輪，各個(gè)凸輪的振紋幅值在黑色粗線以內(nèi)，則表明該凸輪表面振紋合格，不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

在5所示的公差限中，橫坐標(biāo)為頻率（單位UPR），縱坐標(biāo)為振幅值（單位0.25μm）。此公差限由一個(gè)振幅值為頻率的指數(shù)函數(shù)定義，用指數(shù)公式表示，一般由產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品中給出，測(cè)量工程師需要在檢測(cè)設(shè)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(nèi)，則表明該曲軸表面振紋合格，不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

5  曲線型的公差限

06

 振紋分析與測(cè)量注意事項(xiàng)

6.1  振紋公差的確定

由于每款發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發(fā)噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設(shè)定也不能一概而論。目前的建議是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得公差，即通過(guò)檢測(cè)儀器測(cè)量，選出一批或若干批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)判定哪個(gè)級(jí)別的振紋產(chǎn)生噪聲，而哪個(gè)級(jí)別的振紋不產(chǎn)生噪聲，在兩者之間劃一條控制線，即為公差。

6.2  測(cè)量結(jié)果的一致性

由于不同檢測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，如型號(hào)不同、夾具和測(cè)頭種類不同，從而導(dǎo)致儀器（尤其是測(cè)頭部分）和工件的共振點(diǎn)不同，以及測(cè)頭對(duì)于工件的摩擦引起的振動(dòng)噪聲不同，再加上環(huán)境噪聲和電器噪聲，不同儀器測(cè)得的振紋結(jié)果在個(gè)別頻率上可能略有差別。

07

 測(cè)量振紋對(duì)產(chǎn)品、工藝及生產(chǎn)的指導(dǎo)意義

測(cè)量振紋，首先可以判定工件是否超差，從而控制加工質(zhì)量。其實(shí)，測(cè)量振紋更大的意義在于指導(dǎo)生產(chǎn)，找出振紋產(chǎn)生的根源并加以解決。通過(guò)振紋頻譜找出振幅較大或異常振動(dòng)所發(fā)生的頻率點(diǎn)（UPR為單位），再根據(jù)加工機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件和工件之間的速比，可以很容易地找到產(chǎn)生振動(dòng)的部位和原因，如夾具、支撐架、傳動(dòng)軸、軸承、砂輪等，然后加以解決。如在2009年凸輪軸L3線JUNKER凸輪軸磨床驗(yàn)收過(guò)程中，通過(guò)振紋分析發(fā)現(xiàn)了該磨床所使用砂輪的問(wèn)題，從而及時(shí)處理，保證了設(shè)備驗(yàn)收進(jìn)度、預(yù)批量生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)品質(zhì)量。

振紋分析方法目前已廣泛應(yīng)用于神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全系列凸輪軸產(chǎn)品，和曲軸產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程控制、產(chǎn)品審核和驗(yàn)收中，對(duì)提高神龍公司凸輪軸、曲軸產(chǎn)品的符合性質(zhì)量、整車用戶質(zhì)量，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

08

 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件振紋分析方法已經(jīng)開(kāi)始在各大企業(yè)廣泛使用，為了幫助大家理解和應(yīng)用回轉(zhuǎn)體零件振紋分析報(bào)告，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，特將個(gè)人對(duì)凸輪軸、曲軸振紋分析中的一些經(jīng)驗(yàn)和理解，以及對(duì)振紋分析軟件及相關(guān)知識(shí)應(yīng)用的探索，與各專業(yè)人員共同探討和廣泛交流，希望能夠推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)軸類零件噪聲測(cè)量與分析技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，從而為降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲貢獻(xiàn)一份力量。