商用卡車駕駛室舉升油缸噪聲分析及降噪措施

邵金龍

（浙江科力車輛控制系統(tǒng)有限公司，浙江江山 324100）

0 引言

商用卡車駕駛室舉升油缸主要由缸筒、活塞、襯套等組件構(gòu)成。油缸使用分體式活塞進(jìn)行密封，此結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)良好的密封性能，同時(shí)增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。油缸密封由矩形圈、T形導(dǎo)向帶及前后活塞體4部分組成，活塞桿與襯套之間必須設(shè)計(jì)有良好的導(dǎo)向和密封，才可以保證運(yùn)動(dòng)的平順及油缸內(nèi)腔的液壓油不會(huì)外滲而污染產(chǎn)品表面及環(huán)境[1]。

當(dāng)維護(hù)人員需對(duì)卡車進(jìn)行檢修時(shí)，基于伯努利原理和帕斯卡原理，舉升油缸無(wú)桿腔泵入高壓油，作用在活塞側(cè)，推動(dòng)活塞桿，活塞（桿）相對(duì)缸筒往外伸出，可以輕松地將駕駛室抬升起來(lái)。

因舉升油缸下支座與車大梁連接，上支座與駕駛室底板縱梁相連接，當(dāng)車輛行駛在顛簸路面時(shí)，駕駛室相對(duì)車大梁有顛簸現(xiàn)象，兩者之間的舉升油缸就會(huì)有相對(duì)的作用力頂在駕駛室底板上，從而造成“咯噔咯噔”的異響，影響行駛舒適性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使板頂變形開裂。要想消除這一現(xiàn)象，必須確保活塞桿及活塞可以在缸筒內(nèi)進(jìn)行自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)當(dāng)駕駛室發(fā)生顛簸時(shí)，活塞會(huì)在缸內(nèi)的隨動(dòng)段進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

通常隨動(dòng)段的設(shè)計(jì)是在缸筒底部位置設(shè)4個(gè)均布的圓弧形結(jié)構(gòu)，與活塞密封外圓之間存在一定間隙，由此形成4道隨動(dòng)間隙。當(dāng)活塞處于此段時(shí)，液壓油通過(guò)此隨動(dòng)間隙上下腔竄流，也就是活塞及活塞桿在此段長(zhǎng)度內(nèi)可以自由運(yùn)動(dòng)，不會(huì)受到液壓阻力而形成反作用力。

1 噪聲分析

1.1 行車過(guò)程中的噪聲分析

1.1.1 行車時(shí)頂缸異響

油缸內(nèi)隨動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要就是為了避免直筒式非內(nèi)隨動(dòng)油缸在顛簸路面出現(xiàn)的油缸活塞桿頂?shù)今{駛室底部而影響駕駛室內(nèi)部的舒適性，油缸內(nèi)隨動(dòng)的設(shè)計(jì)具有隨動(dòng)散能的作用，但是隨動(dòng)段設(shè)計(jì)不合理也會(huì)造成相應(yīng)的不舒適。

比如隨行程長(zhǎng)度設(shè)計(jì)小于通過(guò)懸架彈簧（減振器）設(shè)計(jì)振幅F及油缸安裝位置及角度折算出來(lái)的值M時(shí)，當(dāng)路面顛簸幅度偏高甚至達(dá)到懸架彈簧（減振器）設(shè)計(jì)最大值的要求，那么此時(shí)活塞桿在缸筒內(nèi)部的自由隨動(dòng)行程已經(jīng)不夠，就會(huì)出現(xiàn)下沉?xí)r活塞桿頂?shù)礁淄驳撞浚缓蠓醋饔猛贤ㄟ^(guò)活塞桿上支座作用在駕駛室底部，上浮時(shí)油缸內(nèi)部活塞超出隨動(dòng)段，有桿腔和無(wú)桿腔形成阻力壓力差，造成系統(tǒng)內(nèi)部有壓力作用在活塞桿上，活塞桿在油缸內(nèi)部不能自由隨動(dòng)，同樣會(huì)產(chǎn)生反作用往上通過(guò)活塞桿上支座作用在駕駛室底部，從而影響駕駛室內(nèi)部的舒適性也一定程度上產(chǎn)生了噪聲。

1.1.2 上下安裝結(jié)構(gòu)松曠

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于油缸上下支座的安裝主要有2種形式：一種是直接采用光孔與銷軸聯(lián)接；另一種則采用向心關(guān)節(jié)軸承，兩側(cè)用碗型墊片和螺母壓住背死。這2種結(jié)構(gòu)都是純機(jī)械連接，在行車振動(dòng)頻繁的工況下均會(huì)出現(xiàn)松曠異響的現(xiàn)象。如軸孔磨損后的間隙擴(kuò)大，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與外圈之間游隙偏大造成內(nèi)外圈的松曠異響。

1.2 升降過(guò)程中的噪聲分析

舉升油缸在舉升和下降過(guò)程，主要是油缸內(nèi)部的活塞桿伸出和回收的過(guò)程，在此過(guò)程中存在的變化體主要考慮到兩部分，一是油缸系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦副之間及高壓油，另一個(gè)則是油缸上下安裝連接中的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.1 油缸系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦副及高壓油

油缸內(nèi)部的摩擦副，主要是活塞密封件與缸筒內(nèi)壁之間以及襯套密封件與活塞桿表面之間的滑動(dòng)摩擦，這里可能存在3個(gè)因素。

（1）密封配合的過(guò)盈量。為了確保液壓缸的使用性能，會(huì)采用密封處理。配合過(guò)盈量越大，密封效果越好。但隨著配合過(guò)盈量增大，液壓缸在舉升的過(guò)程中所承受的摩擦力矩也會(huì)隨之增大，系統(tǒng)能量就會(huì)損失，效率降低，同時(shí)摩擦力增大就會(huì)造成密封件的早期磨損或唇口翻邊變形，降低產(chǎn)品的使用壽命。一旦密封圈被磨損或出現(xiàn)變形也影響接觸摩擦力矩的均勻性，破壞活塞桿表面的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致爬行，進(jìn)而也可能出現(xiàn)異響現(xiàn)象。

（2）密封面粗糙度及紋絡(luò)設(shè)計(jì)。油缸在做好密封工作的同時(shí)還需要做好潤(rùn)滑處理。但密封和潤(rùn)滑兩者是相互矛盾的對(duì)立面，為了達(dá)到良好的密封和使用壽命，勢(shì)必要求密封面越光滑越好，但是當(dāng)密封面粗糙度到Ra0.1 μm，甚至更高的時(shí)候，密封面上就無(wú)法形成連續(xù)均勻的油膜用于相互運(yùn)動(dòng)時(shí)候的潤(rùn)滑，于是密封件與活塞桿之間就完全靠?jī)?nèi)腔高壓油頂住唇口作用在活塞桿表面而運(yùn)動(dòng)，形成滑動(dòng)摩擦，且此時(shí)的滑動(dòng)摩擦是非常有害的干摩擦，在此種情況下勢(shì)必出現(xiàn)尖銳的異響，甚至密封件的早期失效。

（3）密封件密的硬度而引起的噪聲。液壓油缸在舉升的過(guò)程中，壓力液體會(huì)擠壓密封件，使之發(fā)生變形。這樣一來(lái)，密封件的表面就產(chǎn)生了極大的壓強(qiáng)。隨之附加接觸應(yīng)力就變得越來(lái)越高，與初始的預(yù)應(yīng)力聯(lián)合發(fā)力，并起到阻止壓力液體泄漏的作用。在這一過(guò)程中，若密封件的硬度過(guò)硬或過(guò)軟，都會(huì)影響到密封件所受的摩擦力，進(jìn)而使得液壓油缸在工作的狀態(tài)下，時(shí)常發(fā)生異響。

1.2.2 油缸上下安裝連接中的轉(zhuǎn)動(dòng)

通常油缸上下安裝連接都是銷孔配合，兩側(cè)靠臺(tái)肩及墊圈螺母背緊鎖止，而在舉升和下降過(guò)程中，駕駛室均是繞著前翻轉(zhuǎn)軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，則此時(shí)油缸的上下安裝孔相對(duì)連接軸就會(huì)有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程，當(dāng)軸孔間配合過(guò)緊或兩側(cè)螺母背得過(guò)緊，就會(huì)制約到其轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)舉升駕駛室，勢(shì)必相互件間出現(xiàn)摩擦，出現(xiàn)“吱吱吱”的異響。

2 降噪措施

2.1 隨動(dòng)段的設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行成因分析后，要做設(shè)計(jì)準(zhǔn)確校核計(jì)算實(shí)車隨動(dòng)行程，需要考慮隨動(dòng)段上浮和下浮的長(zhǎng)度是否符合整車懸架彈簧（減振器）的上下允許振幅和油缸的安裝位置及安裝角度。如不相適配需要再次計(jì)算核實(shí)車隨動(dòng)的行程。

同時(shí)根據(jù)實(shí)車設(shè)計(jì)好相應(yīng)的系統(tǒng)液壓阻力，才能起到設(shè)計(jì)之初要求的隨動(dòng)散能作用，提高駕駛室內(nèi)部舒適性的效果。目前為了達(dá)到合適的隨動(dòng)效果，設(shè)計(jì)油缸時(shí)通常要求達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。在20℃，1 Hz頻率的條件隨動(dòng)阻尼要求：隨動(dòng)位移±5 mm，隨動(dòng)壓縮阻尼≤0.3 kN，隨動(dòng)拉伸阻尼≤0.4 kN；隨動(dòng)位移±10 mm，隨動(dòng)壓縮阻尼≤0.35 kN，隨動(dòng)拉伸阻尼≤0.50 kN。

2.2 安裝連接

目前國(guó)外已慢慢改變了傳統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，采用相對(duì)柔性的安裝連接。在油缸支座上設(shè)計(jì)臺(tái)階孔，然后將啞鈴型的改性聚氨酯或聚四氟乙烯橡膠軸套，套進(jìn)支座內(nèi)，這樣在裝車后銷軸不會(huì)直接跟支座本體接觸，而是與相對(duì)柔軟的橡膠軸套接觸，可以避免金屬與金屬之間碰觸而造成的異響。這種結(jié)構(gòu)，在橡膠軸套中間段外徑與支座中間承力段有一定的設(shè)計(jì)間隙，可以在舉升油缸受力有點(diǎn)偏時(shí)，通過(guò)軸套不同位置產(chǎn)生不同變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)同關(guān)節(jié)軸承類似的找正向心功能。同時(shí)在安裝時(shí)，在油缸上下安裝支座孔內(nèi)涂抹適量潤(rùn)滑脂，避免出現(xiàn)干摩擦，背緊螺母不能直接壓死安裝孔的臺(tái)肩上，要保證銷孔能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)、無(wú)卡滯現(xiàn)象。

2.3 密封系統(tǒng)的優(yōu)化

2.3.1 密封件的選用

密封件的材料、硬度、初始?jí)嚎s量的選擇，對(duì)于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都很重要。對(duì)于舉升油缸動(dòng)密封，基于長(zhǎng)期的驗(yàn)證及市場(chǎng)反饋統(tǒng)計(jì)分析，選用TPU（Thermoplastic Polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠），邵爾硬度（A型）：90～95，初始?jí)嚎s量15%～20%的U形圈進(jìn)行密封，即可保證工作平穩(wěn)，又能夠得到很好的使用壽命。

2.3.2 密封表面的質(zhì)量?jī)?yōu)化

通過(guò)以上分析可知，密封面的粗糙度要求并不是越高越好，同樣也不是越低越好，因?yàn)槊芊饷娲植诙鹊脑龃螅m然可以形成很好的油膜，但還是不能達(dá)到很好的潤(rùn)滑效果。原因在于粗糙度增大，膜厚比明顯減小，表面微凸體承擔(dān)了更多的載荷，微凸體摩擦力明顯增大，而流體摩擦力變化很小，導(dǎo)致總摩擦力增大進(jìn)而加速密封件表面的磨損。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試驗(yàn)證后，總結(jié)出活塞桿表面設(shè)計(jì)粗糙度適宜控制在Ra（0.15～0.25）μm，同時(shí)密封表面紋絡(luò)以交叉狀的網(wǎng)紋呈現(xiàn)，這時(shí)的密封及潤(rùn)滑效果最佳。

2.3.3 初裝系統(tǒng)的排氣

為了避免系統(tǒng)中混有空氣，建議在初裝產(chǎn)品時(shí)采取抽真空或其他的排氣操作，這樣不僅可以避免工作不穩(wěn)定造成的異響，還可以油氣混合體的外溢，造成對(duì)環(huán)境的污染。

3 結(jié)束語(yǔ)

卡車作為重要的運(yùn)輸工具，在確保其安全可靠性的同時(shí)對(duì)駕駛者的舒適性也提出了更高的要求，降噪就是其中一項(xiàng)重點(diǎn)課題。從駕駛室的舉升油缸設(shè)計(jì)中探究了噪聲的原因并提供相關(guān)降噪措施，而如何全面有效地消除整車噪聲，則是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要從整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)選定，底盤車架系統(tǒng)等多項(xiàng)要素進(jìn)行技術(shù)分析。此項(xiàng)工作應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，需要提供大量的人力與物力支持，由此研發(fā)出更優(yōu)良的降噪方案，提升商用車行駛的舒適性。