通過對發動機軸類零件旋轉工作表面的振紋分析與測量相關知識的介紹，有效幫助產品設計人員、工藝與質量管理人員對旋轉表面振紋分析與測量的正確理解，希望在生產過程、質量控制、產品驗收和噪聲分析中積極應用振紋分析技術，對提高發動機軸類零件的表面質量、降低發動機噪音有一定的現實意義。

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引  言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車市場的競爭越來愈激烈，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，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發動機工作時可能產生的噪聲，如改善這些關鍵零部件的設計、提高零件的表面狀態、增加振紋分析要求等措施，來減少發動機工作時的震動，降低發動機運轉過程中的噪音，滿足用戶要求。

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振紋分析問題的提出

實驗和理論分析都表明，發動機的回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸工作表面的周期性波動形狀，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范圍的周期性波動形狀，稱之為振紋（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、曲軸工作表面上這些周期性波動形狀的測量與評價方法，并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生的頻率，據此控制凸輪軸和曲軸工作表面質量，并找出加工過程中造成振紋的原因。

由于振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了解，還廣泛存在著對于振紋分析軟件的困惑、對振紋頻譜的疑惑。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的性能和質量服務，結合近年來在公司凸輪軸和曲軸系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。

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 振紋研究的起源和發展歷史

對于振紋的研究，基本起源于發動機的噪聲，人們認為發動機的運動部件尤其是回轉軸類零件——凸輪軸和曲軸的表面形狀是噪聲的主要來源。最初發動機制造廠家在產生噪聲的凸輪軸和曲軸表面看到了棱面痕跡，稱之為振紋，那時還只停留在目測階段。上個世紀九十年代，一些國際著名的凸輪軸檢測設備供應商提出了“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）”這兩個參數，來評價凸輪（軸）的噪聲水平。

眾所周知，噪聲來源于振動，或者說噪聲本身就是振動，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加時的時間關系——相位）。潛在噪聲確實可以反映凸輪（軸）的噪聲水平，但缺點是，不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大。

隨后一些凸輪軸曲軸檢測儀器公司如ADCOLE等，推出了振紋分析軟件，使得用戶可以清楚直觀地看到各個頻率振動的幅度，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，分析其產生的原因從而減小乃至消除之。而在發動機行業，振紋一詞也被專門用來定義或描述引起振動／噪聲的周期性波動的表面形狀。通過與一些汽車制造企業合作，取得了大量的實驗數據，證明了振紋分析軟件的可靠性和穩定性，同時也為如何確定公差提供了指導性經驗。

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檢測方案的優化

振紋分析軟件所使用的數學工具，是在信號分析中被廣泛應用的傅立葉變換。傅里葉變換簡單通俗理解，就是把看似雜亂無章的信號，考慮成由一定振幅、頻率、相位的基本正弦（余弦）信號組合而成，傅里葉變換的目的，就是找出這些基本正弦（余弦）信號中振幅較大（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率特點。由于凸輪軸、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。

有許多用戶覺得傅立葉變換太過高深，不容易理解，其實它只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，會分解為依次排列的紅橙黃綠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，在三棱鏡的一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／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。眾所周知，不同顏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功能，經過變換后，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，非常便于處理和應用。

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振紋分析范圍與測量

一般來說，從波長／頻率上來分，零件表面形貌大致分為三個層次：輪廓、波紋度和粗糙度。而振紋基本屬于波紋度區域，當然與輪廓和粗糙度也有所交叉。過于關注波紋度區域，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）開始計算到較高頻（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，計算振紋可以到700UPR左右。原來的360點和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上測量振紋，不需要增加太多的調整，只需要在現有的程序中加入幾個與振紋相關（設置算法、公差，計算及輸出數據報告和頻譜）的指令或模塊即可，對原測量過程幾乎毫無影響。目前幾款著名的振紋分析軟件，既可以用標準方法（傅立葉變換）評定，也可以去除輪廓部分后評定，從而更加突出振紋部分。既可以全周計算振紋，也可以指定區域（如凸輪的桃尖段、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）。這是一個典型的波紋度區間，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的數值報告中，看到了同樣的超差項，二者是統一的，只不過一個是像化，一個是數字化。

2  軸頸振紋柱狀

3  軸頸振紋數據報告

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

4  區域型的公差限

在4所示的公差限中，橫坐標為頻率（單位UPR），縱坐標為振幅值（單位0.25μm）。這是一個典型的波紋度區間，頻率在40UPR～50UPR區域范圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限1μm；頻率在50UPR～100UPR區域范圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.25μm；頻率在100UPR～350UPR區域范圍內，各個凸輪最大振幅值不能超過公差限0.15μm。區域型公差限，一般由測量工程師通過大量的振紋分析頻譜，結合臺架試驗結果得到，如4所示的黑色粗線為各頻率區域的公差限，是由試驗得到的，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，則表明該凸輪表面振紋合格，不會產生噪聲。

在5所示的公差限中，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函數定義，用指數公式表示，一般由產品設計人員在產品中給出，測量工程師需要在檢測設備上設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，則表明該曲軸表面振紋合格，不會產生噪聲。

5  曲線型的公差限

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 振紋分析與測量注意事項

6.1  振紋公差的確定

由于每款發動機的結構不同，各自凸輪軸、曲軸的加工工藝不同，引發噪聲的情況也不同，因此振紋公差的設定也不能一概而論。目前的建議是，通過實驗獲得公差，即通過檢測儀器測量，選出一批或若干批振紋較大和較小的凸輪軸、曲軸做臺架實驗，通過實驗判定哪個級別的振紋產生噪聲，而哪個級別的振紋不產生噪聲，在兩者之間劃一條控制線，即為公差。

6.2  測量結果的一致性

由于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）和工件的共振點不同，以及測頭對于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結果在個別頻率上可能略有差別。

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 測量振紋對產品、工藝及生產的指導意義

測量振紋，首先可以判定工件是否超差，從而控制加工質量。其實，測量振紋更大的意義在于指導生產，找出振紋產生的根源并加以解決。通過振紋頻譜找出振幅較大或異常振動所發生的頻率點（UPR為單位），再根據加工機床各運動部件和工件之間的速比，可以很容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，然后加以解決。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床所使用砂輪的問題，從而及時處理，保證了設備驗收進度、預批量生產進度及產品質量。

振紋分析方法目前已廣泛應用于神龍公司的TU/EC/EW/EP/EB等全系列凸輪軸產品，和曲軸產品的生產過程控制、產品審核和驗收中，對提高神龍公司凸輪軸、曲軸產品的符合性質量、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

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件振紋分析報告，降低發動機噪聲，特將個人對凸輪軸、曲軸振紋分析中的一些經驗和理解，以及對振紋分析軟件及相關知識應用的探索，與各專業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。