某客車轉向異響故障分析及優化

馬 雁，范明果，梁昌水，闞守旭，王燕青，李 帥，劉勇峰

(1.內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

轉向系統是控制汽車行駛方向的樞紐，其性能好壞直接關系到車輛操縱性和安全行駛。轉向系統的功用是依照駕駛員的思想與意愿[1]，實現汽車行駛方向的改變和保持汽車穩定的行駛路線。轉向系統一般可分為機械轉向系和動力轉向系，重型商用車全部使用助力系統輔助轉向系統，以機械轉向系統為基礎，增設助力裝置[2]。大多數轉向問題都是匹配不合理導致，少數是安裝使用原因導致。

某出口客車裝配完成后，出現原地踩油門從怠速到最大油門時，駕駛員在朝左、右打方向盤時發出持續“嗯嗯”聲，發動機轉速越高異響越明顯，由于轉向器左向無法正常卸荷，向左打死方向盤時，異響最嚴重。本文針對該客車的轉向異響故障，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化。

1 轉向系統介紹

動力轉向系按動力介質的不同，可分為氣壓式、液壓式和電動式三類。液壓動力轉向系統是以液壓油為動力傳遞介質，通過液壓泵產生液壓力來實現對汽車車輪的控制[3]。液壓動力轉向系統能夠對轉向盤的沖擊進行緩解，工作靈敏度高、結構緊湊、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。因此液壓動力轉向系統已經越來越廣泛地應用于商用車領域[4]。本文所研究的轉向系主要指液壓動力轉向系統[5]。

液壓動力轉向系統主要由轉向盤、轉向軸[6]、轉向油泵、轉向油罐、機械轉向器、轉向搖臂、轉向拉桿、轉向控制閥、轉向節、轉向臂、轉向動力缸和轉向橫拉桿等組成，如圖1所示。

轉向助力系統基本是借助車輛本身發動機提供動力，稱為動力轉向系統。根據GB7258規定，客車在加裝轉向助力系統之后，必須只起到助力作用而不改變動力轉向器構的特性。根據客車使用環境及特點對轉向系統提出以下性能要求：a)轉向靈敏操縱輕便；b)確保轉向安全可靠；c)轉向的通過性；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 轉向異響故障概述

客車轉向系統故障主要包括轉向沉重、轉向異響、轉向盤自由間隙過大、高速行駛轉向盤飄、轉向盤抖動和轉向盤不能自動回位等故障，對車輛的操縱穩定性[7]、舒適性及行車安全性產生重要影響。其中轉向異響是液壓助力轉向系統中最為常見的一種故障類型。

轉向異響是指汽車轉向系統在正常使用過程中發出的異常噪音?？刂崎y、轉向油管和轉向油泵等位置的故障，都可能引發系統的異響問題。轉向異響主要包括機械摩擦噪音、油泵噪音、管路噪音和轉向器內部油路。轉向異響常見的表現形式是在整車原地怠速打方向時，轉向系統發出沉悶類似“呃、呃”的聲音。造成這種現象的主要原因和解決措施如下：

(1)動力轉向器或轉向泵損壞或磨損嚴重[8]，齒輪、齒條調整不當。更換動力轉向器或轉向泵，調整齒輪和齒條，可解決問題。

(2)動力轉向器(方向機)設計不合理。主要是設計匹配流量較大，此時應進行匹配校核，選擇合適流量轉向泵匹配。

(3)管路設置軟管+硬管結構，會造成系統產生共振，產生異響。應盡量避免采用硬管結構，減少共振發生。

(4)轉向系統壓力(機械傳動部分阻力大)過大致使脈動頻率加大出現聲音。降低機械傳動部分阻力，可避免異響發生。

(5)轉向系統管路安裝彎折、變形過大或進油管路通徑過小，造成吸油不暢。故在管路匹配上應使用通徑較大的進出油管，當進出油管采用鋼管，安裝時避免較大彎折或U型彎管。

(6)轉向系統油液不足或油罐濾芯被堵造成吸油不足。應及時補充油液和更換濾芯可解決問題。

(7)轉向系統密封失效，導致系統進氣。此時應檢查進油管路的各連接處并擰緊，必要時更換密封件。

3 客車轉向異響故障解決及優化

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等設備，對發生異響故障的7.9米出口客運車整車的NVH現象進行試驗。

3.1 異響源判斷

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

振動測點A～G分別布置在轉向泵到轉向器高壓油管及卡箍附近，其中測點A為轉向器與轉向泵之間管路的第一個直角后處。由振動測試數據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。

由試驗數據可知：

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。

由測試結果可以得出結論：該客車的轉向異響產生自轉向系統內液壓油的壓力脈動，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，轉向泵本身激勵較大等是整個系統問題。

3.2 改進方案驗證

根據上述試驗結果，提出改進方案，驗證轉向泵流量、排量、管路狀態等參數對異響的貢獻。表1為左轉向10階、20階噪聲幅值統計。

表1 各狀態異響噪聲幅值統計-左轉

表1中半軟狀態為轉向器側高低壓油管采用較短的軟管連接，全軟狀態為整個管路采用軟管連接，半軟狀態如圖6所示。

由試驗數據可知：

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

2)轉向系統液壓油管路同是軟管狀態，排量一致，流量越小，噪聲越小。

3)轉向系統液壓油管路同是軟管狀態，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于硬管路，小流量優于大流量，小排量優于大排量。

根據上述試驗結果，選取12葉片降流量轉向泵進行試驗驗證，該轉向泵的流量為10L/min，排量為12mL/r?？瓦\車的整車在原地最高油門向左、右緩打方向進行噪聲測試，測試結果為：

1)整車的方向盤向左打過程，12葉泵優于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葉泵優于10葉泵；全軟管最佳。

不同車輛及各狀態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(向左轉車輛卸荷狀態無法保證)。

表2 右轉時不同葉片數轉向泵異響噪聲幅值統計

從測試結果可以看出：

1)對比所有車輛的右轉工況，最優狀態都為全軟管狀態。

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

3.3 最終狀態確認

現場根據實際情況，在采用12葉降流量泵的基礎上，對整車的其他參數進行了優化，最終確定方案如下：

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

2)轉向器側的高、低壓油管采用軟管連接形式。

3)采用12葉片、10L/min流量、12mL/r排量的轉向泵(需進行轉向泵可靠性驗證)。

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

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

表3 最終狀態與各狀態噪聲幅值對比

4 結束語

轉向系統作為車輛的重要組成部分，其可靠性對車輛的操縱穩定性、舒適性及行車安全性產生重要影響。針對這次客車的異響故障，全軟管狀態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，做好維護和保養工作，可以避免很多故障的發生。