某客車轉(zhuǎn)向異響故障分析及優(yōu)化

馬 雁，范明果，梁昌水，闞守旭，王燕青，李 帥，劉勇峰

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是控制汽車行駛方向的樞紐，其性能好壞直接關(guān)系到車輛操縱性和安全行駛。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是依照駕駛員的思想與意愿[1]，實(shí)現(xiàn)汽車行駛方向的改變和保持汽車穩(wěn)定的行駛路線。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系，重型商用車全部使用助力系統(tǒng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增設(shè)助力裝置[2]。大多數(shù)轉(zhuǎn)向問(wèn)題都是匹配不合理導(dǎo)致，少數(shù)是安裝使用原因?qū)е隆?/p>

某出口客車裝配完成后，出現(xiàn)原地踩油門從怠速到最大油門時(shí)，駕駛員在朝左、右打方向盤時(shí)發(fā)出持續(xù)“嗯嗯”聲，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高異響越明顯，由于轉(zhuǎn)向器左向無(wú)法正常卸荷，向左打死方向盤時(shí)，異響最嚴(yán)重。本文針對(duì)該客車的轉(zhuǎn)向異響故障，采用特定的試驗(yàn)方法對(duì)整車進(jìn)行試驗(yàn)并分析，確定故障源并進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系按動(dòng)力介質(zhì)的不同，可分為氣壓式、液壓式和電動(dòng)式三類。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以液壓油為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，通過(guò)液壓泵產(chǎn)生液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車車輪的控制[3]。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠?qū)D(zhuǎn)向盤的沖擊進(jìn)行緩解，工作靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸較小、工作滯后時(shí)間短，而且能吸收來(lái)自不平路面的沖擊。因此液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于商用車領(lǐng)域[4]。本文所研究的轉(zhuǎn)向系主要指液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[5]。

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸[6]、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油罐、機(jī)械轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向控制閥、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸和轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成，如圖1所示。

轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)基本是借助車輛本身發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，稱為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。根據(jù)GB7258規(guī)定，客車在加裝轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)之后，必須只起到助力作用而不改變動(dòng)力轉(zhuǎn)向器構(gòu)的特性。根據(jù)客車使用環(huán)境及特點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出以下性能要求：a)轉(zhuǎn)向靈敏操縱輕便；b)確保轉(zhuǎn)向安全可靠；c)轉(zhuǎn)向的通過(guò)性；d)保持正常直線行駛和自動(dòng)回正；e)保持路感；f)隨動(dòng)作用。

2 轉(zhuǎn)向異響故障概述

客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障主要包括轉(zhuǎn)向沉重、轉(zhuǎn)向異響、轉(zhuǎn)向盤自由間隙過(guò)大、高速行駛轉(zhuǎn)向盤飄、轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)和轉(zhuǎn)向盤不能自動(dòng)回位等故障，對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性[7]、舒適性及行車安全性產(chǎn)生重要影響。其中轉(zhuǎn)向異響是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的一種故障類型。

轉(zhuǎn)向異響是指汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在正常使用過(guò)程中發(fā)出的異常噪音?？刂崎y、轉(zhuǎn)向油管和轉(zhuǎn)向油泵等位置的故障，都可能引發(fā)系統(tǒng)的異響問(wèn)題。轉(zhuǎn)向異響主要包括機(jī)械摩擦噪音、油泵噪音、管路噪音和轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油路。轉(zhuǎn)向異響常見(jiàn)的表現(xiàn)形式是在整車原地怠速打方向時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)出沉悶類似“呃、呃”的聲音。造成這種現(xiàn)象的主要原因和解決措施如下：

(1)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器或轉(zhuǎn)向泵損壞或磨損嚴(yán)重[8]，齒輪、齒條調(diào)整不當(dāng)。更換動(dòng)力轉(zhuǎn)向器或轉(zhuǎn)向泵，調(diào)整齒輪和齒條，可解決問(wèn)題。

(2)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器(方向機(jī))設(shè)計(jì)不合理。主要是設(shè)計(jì)匹配流量較大，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行匹配校核，選擇合適流量轉(zhuǎn)向泵匹配。

(3)管路設(shè)置軟管+硬管結(jié)構(gòu)，會(huì)造成系統(tǒng)產(chǎn)生共振，產(chǎn)生異響。應(yīng)盡量避免采用硬管結(jié)構(gòu)，減少共振發(fā)生。

(4)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力(機(jī)械傳動(dòng)部分阻力大)過(guò)大致使脈動(dòng)頻率加大出現(xiàn)聲音。降低機(jī)械傳動(dòng)部分阻力，可避免異響發(fā)生。

(5)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管路安裝彎折、變形過(guò)大或進(jìn)油管路通徑過(guò)小，造成吸油不暢。故在管路匹配上應(yīng)使用通徑較大的進(jìn)出油管，當(dāng)進(jìn)出油管采用鋼管，安裝時(shí)避免較大彎折或U型彎管。

(6)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油液不足或油罐濾芯被堵造成吸油不足。應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充油液和更換濾芯可解決問(wèn)題。

(7)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封失效，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)氣。此時(shí)應(yīng)檢查進(jìn)油管路的各連接處并擰緊，必要時(shí)更換密封件。

3 客車轉(zhuǎn)向異響故障解決及優(yōu)化

利用西門子公司的LMS噪聲振動(dòng)分析儀、三向加速度傳感器和麥克風(fēng)等設(shè)備，對(duì)發(fā)生異響故障的7.9米出口客運(yùn)車整車的NVH現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 異響源判斷

該客運(yùn)車所使用的轉(zhuǎn)向泵葉片數(shù)為10個(gè)，轉(zhuǎn)向泵流量為11L/min，排量為16mL/r。噪聲測(cè)點(diǎn)位于整車前部下方，靠近轉(zhuǎn)向器位置；圖2、3、4為原狀態(tài)車輛不轉(zhuǎn)向、左、右打死方向盤，升速工況噪聲的Color map圖，異響頻率階次表現(xiàn)為10階，20階，10階與轉(zhuǎn)向泵葉片數(shù)、泵油頻次相對(duì)應(yīng)，另外由于轉(zhuǎn)向泵為雙作用泵(雙進(jìn)油口、雙排油口)，其存在較大的20階噪聲。

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)A～G分別布置在轉(zhuǎn)向泵到轉(zhuǎn)向器高壓油管及卡箍附近，其中測(cè)點(diǎn)A為轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向泵之間管路的第一個(gè)直角后處。由振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，測(cè)點(diǎn)7在車輛左打死方向盤時(shí)升速工況振動(dòng)如圖5所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1)測(cè)點(diǎn)A～G的振動(dòng)烈度都超過(guò)40mm/s，最大能達(dá)到110mm/s，說(shuō)明油管的整體振動(dòng)較大。

2)管路振動(dòng)頻譜特性同樣為10階、20階，管路振動(dòng)最大方向?yàn)閄向，與液壓油流向一致。

由測(cè)試結(jié)果可以得出結(jié)論：該客車的轉(zhuǎn)向異響產(chǎn)生自轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)液壓油的壓力脈動(dòng)，造成壓力脈動(dòng)過(guò)大的原因?yàn)橐簤河凸苈?0°折彎過(guò)多，管路為鋼管，管路振動(dòng)較大，轉(zhuǎn)向泵本身激勵(lì)較大等是整個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。

3.2 改進(jìn)方案驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，提出改進(jìn)方案，驗(yàn)證轉(zhuǎn)向泵流量、排量、管路狀態(tài)等參數(shù)對(duì)異響的貢獻(xiàn)。表1為左轉(zhuǎn)向10階、20階噪聲幅值統(tǒng)計(jì)。

表1 各狀態(tài)異響噪聲幅值統(tǒng)計(jì)-左轉(zhuǎn)

表1中半軟狀態(tài)為轉(zhuǎn)向器側(cè)高低壓油管采用較短的軟管連接，全軟狀態(tài)為整個(gè)管路采用軟管連接，半軟狀態(tài)如圖6所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1)整車在相同轉(zhuǎn)向泵情況下，轉(zhuǎn)向器端換成軟管后，噪聲幅值下降5dB(A)左右。

2)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油管路同是軟管狀態(tài)，排量一致，流量越小，噪聲越小。

3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油管路同是軟管狀態(tài)，流量一致，排量越小，噪聲越小。

因此，對(duì)于減小異響方面，液壓油管路的軟管路優(yōu)于硬管路，小流量?jī)?yōu)于大流量，小排量?jī)?yōu)于大排量。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選取12葉片降流量轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該轉(zhuǎn)向泵的流量為10L/min，排量為12mL/r。客運(yùn)車的整車在原地最高油門向左、右緩打方向進(jìn)行噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：

1)整車的方向盤向左打過(guò)程，12葉泵優(yōu)于10葉泵；全軟管車輛向左不卸荷，噪聲最大。

2)整車的方向盤向右打過(guò)程，12葉泵優(yōu)于10葉泵；全軟管最佳。

不同車輛及各狀態(tài)下異響噪聲測(cè)試幅值見(jiàn)表2，測(cè)試工況為整車最高油門，向右緩打方向盤(向左轉(zhuǎn)車輛卸荷狀態(tài)無(wú)法保證)。

表2 右轉(zhuǎn)時(shí)不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)向泵異響噪聲幅值統(tǒng)計(jì)

從測(cè)試結(jié)果可以看出：

1)對(duì)比所有車輛的右轉(zhuǎn)工況，最優(yōu)狀態(tài)都為全軟管狀態(tài)。

2)12葉的降流量泵與原泵的異響噪聲相比，數(shù)值大幅下降，在車輛、管路參數(shù)不變的情況下，下降6dB(A)左右。

3.3 最終狀態(tài)確認(rèn)

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況，在采用12葉降流量泵的基礎(chǔ)上，對(duì)整車的其他參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定方案如下：

1)確保轉(zhuǎn)向器在左、右轉(zhuǎn)向時(shí)處于正確的卸荷狀態(tài)(不卸荷對(duì)于轉(zhuǎn)向異響影響較大)。

2)轉(zhuǎn)向器側(cè)的高、低壓油管采用軟管連接形式。

3)采用12葉片、10L/min流量、12mL/r排量的轉(zhuǎn)向泵(需進(jìn)行轉(zhuǎn)向泵可靠性驗(yàn)證)。

4)優(yōu)化轉(zhuǎn)向泵到轉(zhuǎn)向器之間管路，去 90°折彎，去掉兩個(gè)管路固定卡箍，主機(jī)廠后期優(yōu)化管路與車體連接，采用較軟的橡膠卡箍固定。

最終測(cè)試結(jié)果如表3所示，轉(zhuǎn)向泵的異響噪聲幅值為78dB(A)，說(shuō)明優(yōu)化措施有了較好的效果，達(dá)到了客戶接受水平。

表3 最終狀態(tài)與各狀態(tài)噪聲幅值對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為車輛的重要組成部分，其可靠性對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性、舒適性及行車安全性產(chǎn)生重要影響。針對(duì)這次客車的異響故障，全軟管狀態(tài)為最簡(jiǎn)單有效的整改方式，但軟管使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后會(huì)老化，更換成本較高。所以在車輛設(shè)計(jì)之初做好匹配分析工作，在日常使用過(guò)程中定期進(jìn)行檢查，做好維護(hù)和保養(yǎng)工作，可以避免很多故障的發(fā)生。