消防車負載傳動系統噪聲分析及對策

□魏永建

山東省天河消防車輛裝備有限公司山東臨沂276000

消防車負載傳動系統噪聲分析及對策

□魏永建

山東省天河消防車輛裝備有限公司山東臨沂276000

負載傳動系統是消防車動力傳輸的關鍵系統，在實際工作過程中常常存在噪聲過大的問題。對消防車負載傳動系統的構成與工作原理進行了介紹，針對負載傳動系統噪聲問題進行了試驗分析，并提出了相應對策。

消防車是人們用于滅火或救援的機動消防裝備,是根據不同施救對象和滅火戰斗需要而設計制造的適于消防人員乘用、裝備各種消防器材或滅火劑的專用車輛[1]。消防車滅火功能的核心部件是消防泵，其動力通過消防車負載傳動系統由底盤動力輸出裝置提供。傳動系統在消防車工作過程中至關重要，其性能直接決定著消防車工作的狀態。

消防車負載傳動系統一般由傳動軸、中間支撐、安裝支架及連接緊固件等組成[2]。傳動系統在車輛實際工作過程中，由于傳動軸安裝夾角、傳動軸本身質量和長度、傳動軸動平衡，以及支撐和支架安裝形式等因素的影響，常常會伴隨著振動和噪聲的產生，對使用人員造成不適，也會影響消防車整車性能，縮短系統使用壽命。因此，針對以上問題進行試驗和分析，找出合理的解決措施，對于提高消防車性能和安全是十分必要的。

1 傳動系統布置方式、工作原理及構成

傳動系統根據消防車動力輸出裝置安裝位置和取力方式的不同，布置方式也存在不同。目前消防車用于驅動消防泵等大負載的動力輸出裝置主要有兩種：一種是安裝在變速箱與發動機之間，通過發動機直接進行動力輸出的取力器，為夾心式取力器；另一種是安裝在分動器或者傳動軸上，通過傳動軸進行動力傳輸的取力器，為斷軸式取力器[3]。兩種取力器進行動力輸出的傳動系統布置方式如圖1、圖2所示。傳動系統的核心部件是傳動軸，車輛的動力傳輸均通過傳動軸得以實現，因此傳動軸的合理設計，對于傳動系統的良好工作而言至關重要。

傳動軸由軸管、伸縮套和萬向節組成，其中萬向節是傳動軸構成的關鍵部件，是傳動系統中傳遞扭矩的關鍵零件之一，也是動力傳輸的橋梁，其工作性能直接影響傳動系統的正常工作。目前傳動軸常用的是十字軸式萬向節，具有結構簡單、低幅、磨損小、傳遞功率大、主從動軸間夾角允許變化范圍大的特點，在車輛中應用較廣[4]。

圖1 夾心式取力器傳動系統布置示意圖

圖2 斷軸式取力器傳動系統布置示意圖

1.1 雙萬向節傳動軸平面布置方式及工作條件

傳動系統中常見的傳動軸一般為雙十字軸式萬向節（簡稱雙萬向節）結構，通過使用兩個雙萬向節實現對運動過程中的誤差補償。為了確保傳動過程中對運動的完全補償，傳動軸在安裝使用過程中必須滿足以下三個條件。

（1）輸入軸和輸出軸必須位于同一平面內，布置方式主要分為W式排列和Z式排列，如圖3、圖4所示。

圖3 W式排列傳動軸示意圖

圖4 Z式排列傳動軸示意圖

（2）雙萬向節的兩個內叉必須位于同一平面。

（3）雙萬向節的工作角必須相等，即β1=β2。

在滿足以上三個條件的基礎上，對于雙萬向節的工作角要求不得大于6°，如果雙萬向節工作角大于6°，且雙萬向節工作角存在誤差，即β1≠β2，那么會造成傳動系統振動，這樣會影響傳動系統零部件的使用壽命，并且會造成損壞[5]。

1.2 雙萬向節傳動軸立體布置方式及工作條件

傳動系統中較為特殊的一種傳動軸布置方式為立體式布置，即輸入軸和輸出軸未處于同一平面，輸入軸1和傳動軸2形成的平面Ⅰ與傳動軸2和輸出軸3形成的平面Ⅱ存在偏移角γ，如圖5所示。

圖5 立體布置傳動軸示意圖

在立體式傳動軸布置中，由于輸入軸和輸出軸的中線不平行，因此不存在用于補償角速度波動的共同平面，必須通過偏移角γ來抵消雙萬向節的內叉偏移。在安裝使用過程中，仍需滿足輸入軸工作角βR1與輸出軸工作角βR3完全相等的條件，即βR1=βR3。

立體工作角βR與傳動軸水平工作角βv和垂直工作角βh的函數關系：

偏移角γ可使用水平面和垂直面中的連接角γ1、γ2來計算，其計算公式如下：

在立體布置的傳動系統中，如果雙萬向節傳動軸出現立體偏移，那么在使用過程中只需滿足傳動軸立體工作角相等即可。

1.3 雙萬向節傳動軸動平衡及安裝要求

傳動軸是一個高轉速、少支承的旋轉體，因此它的動平衡是至關重要的。一般傳動軸在出廠前都要進行動平衡試驗，并在平衡機上進行調整。根據國家標準，加裝功率輸出裝置后，如對行駛驅動傳動軸進行了改制，應對傳動軸動平衡進行校核，校核結果須符合底盤動平衡的要求[6]。另外，傳動軸系統中的連接角難免會導致附加作用力和力矩，在負載條件下延長或縮短伸縮式傳動軸時，將進一步產生附加作用力。因此，為了消除傳動軸的不等速傳動,防止傳動軸產生振動和傳動系統沖擊,需要依照箭頭印記進行裝配[7]，如圖6所示。

圖6 傳動軸安裝標記示意圖

1.4 傳動系統安裝形式及布置要求

在生產實際中，負載和動力源之間的距離較遠，單一傳動軸無法滿足使用要求，因此需要使用包括兩個或兩個以上傳動軸在內的傳動系統。傳動系統安裝一般分為如圖7所示的幾種形式。

圖7 傳動系統安裝形式示意圖

傳動系統在布置使用時，要注意保證每根傳動軸工作角不宜過大，傳動軸長度適宜，中間支撐安裝牢固，避免產生振動。

2 傳動系統噪聲故障及原因分析

消防車傳動系統由于負載安裝方式和結構形式不同、傳動系統距離較大、車輛底盤動力輸出方式不同，以及傳動軸尺寸和中間支撐位置不同等因素，往往會出現噪聲等故障。該類故障會造成操作人員消防作業時的不適，同時會對消防車消防性能產生不利影響。以筆者公司兩種消防車產品的傳動系統噪聲故障為例，對消防車傳動系統常見的噪聲故障作簡要分析。

2.1 產品基本配置情況

車型1為壓縮空氣泡沫消防車，底盤為德國MAN TGM18.290，中置安裝斷軸式取力器，后置安裝消防泵，自帶增速箱。

車型2為壓縮空氣泡沫消防車，底盤為重汽豪濼ZZ5207N4717D6，安裝全功率夾心式取力器，后置消防泵，自帶增速箱。

2.2 車輛故障現象

以上兩種車型均是在發動機轉速為怠速，接合水泵運轉時，從水泵處發出明顯的傳動噪聲。當提高發動機轉速至800 r/min以上時，噪聲明顯降低。

2.3 車輛故障原因分析

為找到故障發生原因，對兩臺車的傳動系統進行了測量和檢驗。

2.3.1 現場測試車型1

對車型1的傳動系統安裝角及尺寸進行實際測量。以變速箱為起始端，以水泵為末端，中間包括取力器和傳動軸?，F場測量傳動軸安裝角數據見表1，根據測量數據繪制相應的傳動軸布置圖，如圖8所示。

表1 傳動軸安裝角度

圖8 傳動系統安裝布置示意圖

表1和圖8中的數據均以水平面為基準。對傳動軸安裝角的數據進行分析：傳動軸1與傳動軸2之間的工作角為-4.6°-（-1.0°）=-3.6°，傳動軸2與傳動軸3之間的工作角為-1.0°-3.8°=-4.8°，傳動軸6與傳動軸2之間的工作角為-7.6°-（-1.0°）=-6.6°?？梢钥闯?，只有傳動軸2與傳動軸6之間的工作角超出了傳動軸安裝標準角為6°的要求，同時傳動軸1和傳動軸6兩端雙萬向節工作角度不相等，違背了雙萬向節傳動軸安裝條件要求，且不滿足傳動軸在使用過程中必須確保所有傳動軸法蘭平行[8]的安裝原則。

在現場實際測量了不同轉速下的噪聲大小，并通過快速傅里葉變換頻譜分析軟件記錄噪聲頻率值，得到噪聲測量曲線，如圖9所示。

圖9 噪聲測量曲線圖

通過圖9可以得出：噪聲的頻率與發動機轉速是對應的，發動機轉速在600～850 r/min范圍內，噪聲比較明顯；當發動機轉速提升到1 000 r/min以上時，水泵處的噪聲逐漸被其它背景聲音所掩蓋。

現場經過排查發現，噪聲發出的源頭在中置安裝的斷軸式取力器（傳動軸2）處。為了徹底查找噪聲產生的原因，將斷軸式取力器后面的傳動軸斷開，不連接水泵傳動軸，只運轉斷軸式取力器，即變速箱只帶動傳動軸1和傳動軸2轉動。通過對頻閃儀記錄的斷軸式取力器運轉情況進行分析，總結如下。

（1）明確了噪聲源，噪聲確實是從斷軸式取力器處發出的。

（2）發動機轉速在600～850 r/min范圍內，通過頻閃儀記錄的視頻可以看出，斷軸式取力器的輸出法蘭轉速是不均勻的，每一圈轉動均有忽快忽慢的現象。當發動機轉速提升到1 000 r/min以上時，斷軸式取力器輸出轉速不均勻的現象得到明顯改善。

（3）發動機本身在怠速低轉速情況下，轉速是不均勻的，連接傳動軸后會進一步放大該現象，尤其是傳動軸工作角度較大時，該現象會更加明顯。當發動機提高到適當轉速后，轉速才會平穩，噪聲也相應減小。

2.3.2 現場測試車型2

車型2的傳動軸系統與車型1有所不同，車型2采用夾心式取力器，取力器在車輛前端，噪聲情況與車型1類似。通過采用車型1的試驗方法，試驗結果也與車型1類似：噪聲頻率與發動機轉速相對應，噪聲出現位置在夾心式取力器處。

2.4 結論

通過以上兩種車型的試驗和分析，對傳動系統噪聲故障的原因分析結論如下。

（1）發動機怠速不穩定，造成動力輸出法蘭轉速不穩，是故障的主要原因。

（2）取力器安裝使用過程中，沒有嚴格按照規范安裝，造成傳動軸前后法蘭面不平行，從而造成雙萬向節的兩個工作角不相等,雙萬向節傳動軸不能實現等速傳動[9]，加劇了噪聲的產生。

（3）多級變速箱串聯使用，因各齒輪箱的機械振動及噪聲的疊加效應，使噪聲放大。

3 傳動系統的改進及提高

通過對傳動系統的介紹和故障車輛的試驗與分析，針對故障產生的原因，采取相應的改進和調整措施，使以上兩種車型的噪聲故障得到有效控制。

3.1 故障車輛的改進和調整措施

針對故障原因的分析結果，對故障車輛進行了改進和調整，采取措施如下。

（1）提高了發動機怠速，避免動力輸出使法蘭轉速不穩現象的產生。通過和底盤廠家進行溝通，在不影響車輛正常使用的情況下，通過局域網總線控制器來提高底盤動力輸出時的怠速，避免了怠速不穩現象的產生。經提高怠速，底盤與取力器接合后的運轉表明，傳動系統噪聲明顯降低，由此傳動系統怠速異響問題得以解決。

（2）規范取力器安裝使用要求。通過調整取力器安裝角度，確保了傳動軸雙萬向節工作角相等，實現等速傳動。同時使用彈性連接，有效降低取力器在工作中的振動，大幅改善傳動系統的工作條件，減小了噪聲的產生。

（3）盡量采用單級消防泵進行消防作業，在滿足消防作業的條件下，減少變速箱的級數，避免傳動系統工作時的噪聲疊加效應。

（4）做好傳動系統維護保養工作。及時檢查傳動系統中間支撐及傳動軸的潤滑保養，使傳動軸處于良好的工作狀態。

3.2 傳動系統的提高和建議

消防車負載傳動系統是消防車動力系統的關鍵組成部分，其工作狀態直接影響著消防車的整體性能，關系著消防車消防滅火功能的實現。因此，提高傳動系統的工作可靠性，減小故障發生率是消防車設計的一個重要課題。

傳動系統是一個復雜的多級聯動系統，其各個組成部件均會影響整個傳動系統的性能實現，筆者認為，著重應該從以下幾個方面進行提高和改進。

（1）高精度、輕量化的傳動軸設計。傳動軸作為傳動系統的關鍵部件，其性能直接決定著傳動系統的工作狀態。不斷提高傳動軸的設計精度和平衡精度，是提高傳動系統性能的最大保障。探索新型材質的傳動軸輕量化設計是目前傳動軸改進的努力方向，可以借鑒進口輕質一體式鋁合金傳動軸設計，如德國Dana公司的Diamond系列傳動軸，相比通常的非一體式鋼傳動軸質量小40%，部件減少，而且噪聲降低，振動減小[10]。

（2）標準化、規范化的傳動系統設計。制訂傳動系統設計安裝規范，使操作人員嚴格按照標準進行傳動系統的安裝，確保傳動系統各部件正常工作。在發生故障的傳動系統中，很大一部分原因是操作人員在安裝過程中未按照標準進行規范化操作，因此提高操作人員的標準化、規范化意識，是提高傳動系統工作可靠性的一個重要保障。

（3）優化傳動系統部件設計。為減小傳動系統的振動，中間支撐可以安裝減振器。為確保各傳動軸角速度相等，可以采用等速萬向節進行連接，進而有效減小振動，避免噪聲產生。針對部分特殊場合，可以采用靠彈性零件傳遞動力、具有緩沖減振作用的撓性萬向節進行連接。

總而言之，對于消防車負載傳動系統而言，需要不斷進行研究和提高，以滿足用戶要求為標準，保證系統工作穩定可靠，降低噪聲，減小振動，這是消防車設計的努力方向和目標。

[1]馬云峰.消防車的分類、定義及用途釋義[J].商用汽車, 2009（3）:86-89.

[2]孟祥宇，石義民，于文鵬，等.消防車傳動系統異響原因分析[J].商用汽車,2014（20）:59-61.

[3]魏永建.消防車用斷軸式取力器的原理和應用[J].裝備機械,2016（3）:50-54.

[4]朱龍英，孫美艷，孫書旺.傳動軸萬向節叉的設計與分析研究[J].機械研究與應用,2010（3）:35-36,41.

[5]戴姆勒克萊斯勒公司.ACTROSL車身及設備安裝規范[Z].

[6]消防車第1部分：通用技術條件:GB7956.1—2014[S].

[7]吳政清.萬向傳動裝置的正確使用和異響判斷[J].工程機械與維修,2010（12）:199.

[8]薛錦達.十字軸式萬向傳動軸的原理及其結構[J].機械制造,1997,34（7）:14-16.

[9]李寧，李友榮，周思柱，等.雙十字軸萬向節轉向傳動軸的相位角影響分析[J].機械傳動，2015（9）:15-19.

[10]黃文梅.Dana公司推薦卡車用輕質傳動軸[J].現代材料動態,2011（5）:9.

（編輯：小前）

The load transmission system is the key system of the power transmission of the fire truck.In the process of real work,the noise is too big.Introduced the composition and working principle of the load transmission system in the fire truck,test and analyzed the noise problem of the load transmission system and put forward the corresponding countermeasures.

消防車；傳動；噪聲

Fire Truck；Transmission；Noise

TH132

A

1672-0555（2017）02-053-05

2016年11月

魏永建（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事消防車及取力器設計開發工作。