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)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061 2.濰柴動力股份有限公司，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)一般可分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(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，駕駛員在朝左、右打方向盤時發(fā)出持續(xù)“嗯嗯”聲，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高異響越明顯，由于轉(zhuǎn)向器左向無法正常卸荷，向左打死方向盤時，異響最嚴(yán)重。本文針對該客車的轉(zhuǎn)向異響故障，采用特定的試驗方法對整車進行試驗并分析，確定故障源并進行驗證優(yōu)化。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

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

液壓動力轉(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)動機提供動力，稱為動力轉(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力轉(zhuǎn)向器構(gòu)的特性。根據(jù)客車使用環(huán)境及特點對轉(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)向的通過性；d)保持正常直線行駛和自動回正；e)保持路感；f)隨動作用。

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)向盤自由間隙過大、高速行駛轉(zhuǎn)向盤飄、轉(zhuǎn)向盤抖動和轉(zhuǎn)向盤不能自動回位等故障，對車輛的操縱穩(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)在正常使用過程中發(fā)出的異常噪音。控制閥、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)的異響問題。轉(zhuǎn)向異響主要包括機械摩擦噪音、油泵噪音、管路噪音和轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油路。轉(zhuǎn)向異響常見的表現(xiàn)形式是在整車原地怠速打方向時，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)。更換動力轉(zhuǎn)向器或轉(zhuǎn)向泵，調(diào)整齒輪和齒條，可解決問題。

(2)動力轉(zhuǎn)向器(方向機)設(shè)計不合理。主要是設(shè)計匹配流量較大，此時應(yīng)進行匹配校核，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(機械傳動部分阻力大)過大致使脈動頻率加大出現(xiàn)聲音。降低機械傳動部分阻力，可避免異響發(fā)生。

(5)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管路安裝彎折、變形過大或進油管路通徑過小，造成吸油不暢。故在管路匹配上應(yīng)使用通徑較大的進出油管，當(dāng)進出油管采用鋼管，安裝時避免較大彎折或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)及時補充油液和更換濾芯可解決問題。

(7)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封失效，導(dǎo)致系統(tǒng)進氣。此時應(yīng)檢查進油管路的各連接處并擰緊，必要時更換密封件。

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噪聲振動分析儀、三向加速度傳感器和麥克風(fēng)等設(shè)備，對發(fā)生異響故障的7.9米出口客運車整車的NVH現(xiàn)象進行試驗。

3.1 異響源判斷

該客運車所使用的轉(zhuǎn)向泵葉片數(shù)為10個，轉(zhuǎn)向泵流量為11L/min，排量為16mL/r。噪聲測點位于整車前部下方，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)、泵油頻次相對應(yīng)，另外由于轉(zhuǎn)向泵為雙作用泵(雙進油口、雙排油口)，其存在較大的20階噪聲。

振動測點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，其中測點A為轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向泵之間管路的第一個直角后處。由振動測試數(shù)據(jù)對測點進行頻譜分析，測點7在車輛左打死方向盤時升速工況振動如圖5所示。

由試驗數(shù)據(jù)可知：

1)測點A～G的振動烈度都超過40mm/s，最大能達到110mm/s，說明油管的整體振動較大。

2)管路振動頻譜特性同樣為10階、20階，管路振動最大方向為X向，與液壓油流向一致。

由測試結(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，造成壓力脈動過大的原因為液壓油管路90°折彎過多，管路為鋼管，管路振動較大，轉(zhuǎn)向泵本身激勵較大等是整個系統(tǒng)問題。

3.2 改進方案驗證

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

表1 各狀態(tài)異響噪聲幅值統(tǒng)計-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)為整個管路采用軟管連接，半軟狀態(tài)如圖6所示。

由試驗數(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，小流量優(yōu)于大流量，小排量優(yōu)于大排量。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，選取12葉片降流量轉(zhuǎn)向泵進行試驗驗證，該轉(zhuǎn)向泵的流量為10L/min，排量為12mL/r。客運車的整車在原地最高油門向左、右緩打方向進行噪聲測試，測試結(jié)果為：

1)整車的方向盤向左打過程，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)下異響噪聲測試幅值見表2，測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)無法保證)。

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

從測試結(jié)果可以看出：

1)對比所有車輛的右轉(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)場根據(jù)實際情況，在采用12葉降流量泵的基礎(chǔ)上，對整車的其他參數(shù)進行了優(yōu)化，最終確定方案如下：

1)確保轉(zhuǎn)向器在左、右轉(zhuǎn)向時處于正確的卸荷狀態(tài)(不卸荷對于轉(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(需進行轉(zhuǎn)向泵可靠性驗證)。

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

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

表3 最終狀態(tài)與各狀態(tài)噪聲幅值對比

4 結(jié)束語

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