某客车转向异响故障分析及优化

马 雁，范明果，梁昌水，阚守旭，王燕青，李 帅，刘勇峰

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061 2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061)

0 引言

转向系统是控制汽车行驶方向的枢纽，其性能好坏直接关系到车辆操纵性和安全行驶。转向系统的功用是依照驾驶员的思想与意愿[1]，实现汽车行驶方向的改变和保持汽车稳定的行驶路线。转向系统一般可分为机械转向系和动力转向系，重型商用车全部使用助力系统辅助转向系统，以机械转向系统为基础，增设助力装置[2]。大多数转向问题都是匹配不合理导致，少数是安装使用原因导致。

某出口客车装配完成后，出现原地踩油门从怠速到最大油门时，驾驶员在朝左、右打方向盘时发出持续“嗯嗯”声，发动机转速越高异响越明显，由于转向器左向无法正常卸荷，向左打死方向盘时，异响最严重。本文针对该客车的转向异响故障，采用特定的试验方法对整车进行试验并分析，确定故障源并进行验证优化。

1 转向系统介绍

动力转向系按动力介质的不同，可分为气压式、液压式和电动式三类。液压动力转向系统是以液压油为动力传递介质，通过液压泵产生液压力来实现对汽车车轮的控制[3]。液压动力转向系统能够对转向盘的冲击进行缓解，工作灵敏度高、结构紧凑、外廓尺寸较小、工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此液压动力转向系统已经越来越广泛地应用于商用车领域[4]。本文所研究的转向系主要指液压动力转向系统[5]。

液压动力转向系统主要由转向盘、转向轴[6]、转向油泵、转向油罐、机械转向器、转向摇臂、转向拉杆、转向控制阀、转向节、转向臂、转向动力缸和转向横拉杆等组成，如图1所示。

转向助力系统基本是借助车辆本身发动机提供动力，称为动力转向系统。根据GB7258规定，客车在加装转向助力系统之后，必须只起到助力作用而不改变动力转向器构的特性。根据客车使用环境及特点对转向系统提出以下性能要求：a)转向灵敏操纵轻便；b)确保转向安全可靠；c)转向的通过性；d)保持正常直线行驶和自动回正；e)保持路感；f)随动作用。

2 转向异响故障概述

客车转向系统故障主要包括转向沉重、转向异响、转向盘自由间隙过大、高速行驶转向盘飘、转向盘抖动和转向盘不能自动回位等故障，对车辆的操纵稳定性[7]、舒适性及行车安全性产生重要影响。其中转向异响是液压助力转向系统中最为常见的一种故障类型。

转向异响是指汽车转向系统在正常使用过程中发出的异常噪音。控制阀、转向油管和转向油泵等位置的故障，都可能引发系统的异响问题。转向异响主要包括机械摩擦噪音、油泵噪音、管路噪音和转向器内部油路。转向异响常见的表现形式是在整车原地怠速打方向时，转向系统发出沉闷类似“呃、呃”的声音。造成这种现象的主要原因和解决措施如下：

(1)动力转向器或转向泵损坏或磨损严重[8]，齿轮、齿条调整不当。更换动力转向器或转向泵，调整齿轮和齿条，可解决问题。

(2)动力转向器(方向机)设计不合理。主要是设计匹配流量较大，此时应进行匹配校核，选择合适流量转向泵匹配。

(3)管路设置软管+硬管结构，会造成系统产生共振，产生异响。应尽量避免采用硬管结构，减少共振发生。

(4)转向系统压力(机械传动部分阻力大)过大致使脉动频率加大出现声音。降低机械传动部分阻力，可避免异响发生。

(5)转向系统管路安装弯折、变形过大或进油管路通径过小，造成吸油不畅。故在管路匹配上应使用通径较大的进出油管，当进出油管采用钢管，安装时避免较大弯折或U型弯管。

(6)转向系统油液不足或油罐滤芯被堵造成吸油不足。应及时补充油液和更换滤芯可解决问题。

(7)转向系统密封失效，导致系统进气。此时应检查进油管路的各连接处并拧紧，必要时更换密封件。

3 客车转向异响故障解决及优化

利用西门子公司的LMS噪声振动分析仪、三向加速度传感器和麦克风等设备，对发生异响故障的7.9米出口客运车整车的NVH现象进行试验。

3.1 异响源判断

该客运车所使用的转向泵叶片数为10个，转向泵流量为11L/min，排量为16mL/r。噪声测点位于整车前部下方，靠近转向器位置；图2、3、4为原状态车辆不转向、左、右打死方向盘，升速工况噪声的Color map图，异响频率阶次表现为10阶，20阶，10阶与转向泵叶片数、泵油频次相对应，另外由于转向泵为双作用泵(双进油口、双排油口)，其存在较大的20阶噪声。

振动测点A～G分别布置在转向泵到转向器高压油管及卡箍附近，其中测点A为转向器与转向泵之间管路的第一个直角后处。由振动测试数据对测点进行频谱分析，测点7在车辆左打死方向盘时升速工况振动如图5所示。

由试验数据可知：

1)测点A～G的振动烈度都超过40mm/s，最大能达到110mm/s，说明油管的整体振动较大。

2)管路振动频谱特性同样为10阶、20阶，管路振动最大方向为X向，与液压油流向一致。

由测试结果可以得出结论：该客车的转向异响产生自转向系统内液压油的压力脉动，造成压力脉动过大的原因为液压油管路90°折弯过多，管路为钢管，管路振动较大，转向泵本身激励较大等是整个系统问题。

3.2 改进方案验证

根据上述试验结果，提出改进方案，验证转向泵流量、排量、管路状态等参数对异响的贡献。表1为左转向10阶、20阶噪声幅值统计。

表1 各状态异响噪声幅值统计-左转

表1中半软状态为转向器侧高低压油管采用较短的软管连接，全软状态为整个管路采用软管连接，半软状态如图6所示。

由试验数据可知：

1)整车在相同转向泵情况下，转向器端换成软管后，噪声幅值下降5dB(A)左右。

2)转向系统液压油管路同是软管状态，排量一致，流量越小，噪声越小。

3)转向系统液压油管路同是软管状态，流量一致，排量越小，噪声越小。

因此，对于减小异响方面，液压油管路的软管路优于硬管路，小流量优于大流量，小排量优于大排量。

根据上述试验结果，选取12叶片降流量转向泵进行试验验证，该转向泵的流量为10L/min，排量为12mL/r。客运车的整车在原地最高油门向左、右缓打方向进行噪声测试，测试结果为：

1)整车的方向盘向左打过程，12叶泵优于10叶泵；全软管车辆向左不卸荷，噪声最大。

2)整车的方向盘向右打过程，12叶泵优于10叶泵；全软管最佳。

不同车辆及各状态下异响噪声测试幅值见表2，测试工况为整车最高油门，向右缓打方向盘(向左转车辆卸荷状态无法保证)。

表2 右转时不同叶片数转向泵异响噪声幅值统计

从测试结果可以看出：

1)对比所有车辆的右转工况，最优状态都为全软管状态。

2)12叶的降流量泵与原泵的异响噪声相比，数值大幅下降，在车辆、管路参数不变的情况下，下降6dB(A)左右。

3.3 最终状态确认

现场根据实际情况，在采用12叶降流量泵的基础上，对整车的其他参数进行了优化，最终确定方案如下：

1)确保转向器在左、右转向时处于正确的卸荷状态(不卸荷对于转向异响影响较大)。

2)转向器侧的高、低压油管采用软管连接形式。

3)采用12叶片、10L/min流量、12mL/r排量的转向泵(需进行转向泵可靠性验证)。

4)优化转向泵到转向器之间管路，去 90°折弯，去掉两个管路固定卡箍，主机厂后期优化管路与车体连接，采用较软的橡胶卡箍固定。

最终测试结果如表3所示，转向泵的异响噪声幅值为78dB(A)，说明优化措施有了较好的效果，达到了客户接受水平。

表3 最终状态与各状态噪声幅值对比

4 结束语

转向系统作为车辆的重要组成部分，其可靠性对车辆的操纵稳定性、舒适性及行车安全性产生重要影响。针对这次客车的异响故障，全软管状态为最简单有效的整改方式，但软管使用时间过长后会老化，更换成本较高。所以在车辆设计之初做好匹配分析工作，在日常使用过程中定期进行检查，做好维护和保养工作，可以避免很多故障的发生。