郭其昌
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)
轉向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分,其性能的好壞,直接影響到汽車行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性。現(xiàn)代汽車技術的迅速發(fā)展,汽車轉向系統(tǒng)已從純機械式轉向系統(tǒng)、液壓助力轉向系統(tǒng)(HPS)、電控液壓助力轉向系統(tǒng)(EHPS),發(fā)展到利用現(xiàn)代電子和控制技術的電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)及線控轉向系統(tǒng)(SBW)。其中,液壓轉向為現(xiàn)階段普遍采用的設計結構(如圖1)。
圖1 汽車轉向系統(tǒng)分類圖
隨著用戶對車輛行駛舒適性要求越來越高,液壓轉向系統(tǒng)(HPS)的噪音問題,在車輛售后的抱怨中所占比例越來越高。其中,系統(tǒng)的液壓噪音最難解決,也較難找到根本原因來解決。本文分別從轉向系統(tǒng)裝配關系和設計角度,對液壓噪音進行了分析,并希望找到噪音問題解決方案。
根據(jù)轉向系統(tǒng)噪音來源,分機械噪音(傳動連接件運動產(chǎn)生的噪音)和液壓噪音(主要指油泵和動力轉向器液力助力系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音),本文重點介紹液壓噪音的排除方法,及典型的轉向系統(tǒng)氣穴噪音現(xiàn)象及排除方法。
為了轉向輕便,汽車越來越來多安裝動力轉向裝置。動力轉向系統(tǒng),實際是機械轉向器加上液力助力器。液力轉向裝置出現(xiàn)故障時,將會使轉向力不足,有噪音或漏油等。
(1)可能原因。可歸結為:驅動皮帶過松打滑;油泵軸承過于松曠或損壞;壓力板或轉子損壞;泵環(huán)過度磨損;貯油罐油液不足;液壓油中有空氣或壓力軟管連接不牢;轉向泵裝配不當;流量控制閥有故障。
(2)排除方法。有:按規(guī)定調整皮帶的預緊度;更換轉向油泵的軸承;更換損壞的零件,并沖洗液壓系統(tǒng);更換泵環(huán);按規(guī)定的油面高度,向貯油罐加足液壓油;按規(guī)定扭矩擰緊壓力軟管接頭,自右向左打足轉向來排除液壓系統(tǒng)的空氣;按要求裝配轉向泵。
(1)原因分析。有如下原因:液壓系統(tǒng)缺油,使轉向助力不足;液壓系統(tǒng)中混有空氣,使油壓不足;驅動油泵的三角皮帶打滑或齒輪傳動副嚙合不良;油泵磨損過大,內部漏油嚴重;油泵安全閥漏油或彈簧過軟,開啟壓力過低;油泵、動力缸或分配閥的密封圈損壞;液壓油濾清器堵塞、管路堵塞或接頭滲漏等。
(2)判斷與排除。方法有:檢查轉向油泵的驅動裝置的工作情況,如是三角皮帶傳動,應檢查其是否打滑或過松;檢查液壓系統(tǒng)各個部件管路連接處是否漏油;檢查液壓油油面的高度,按規(guī)定加足液壓油;檢查液壓系統(tǒng)內是否混入空氣,應排出系統(tǒng)內的空氣和漏油部位的故障;檢查油泵的工作壓力,如油泵工作正常,則表明故障出現(xiàn)在動力缸或分配閥;如油泵的壓力或流量不足,應進一步檢查液壓油濾清器和管路有無堵塞。
(1)原因分析。轉閥偏離中心位置(轉閥的對稱性不好),或轉閥雖在中心位置但與閥體的縫隙不一致;轉閥或閥體臺肩擦傷或有毛刺,影響工作油液的流量和壓力;工作油液有臟污,使轉閥的一側受阻;動力缸的一側的活塞卸壓閥過早開啟,使油壓下降;動力缸一側油路密封件損壞,形成部分泄漏而降低壓力,或動力缸的一側有空氣滲入。
(2)排除方法。首先檢查工作油液是否清潔,若工作油液有臟污,應清洗轉閥和閥體,更換工作油液;若工作油液清潔,應考慮動力缸一側的可能有空氣,可作排氣處理后,進一步檢查動力缸密封元件是否損壞。如有損壞,應及時更換。
經(jīng)上述處理后,若問題仍然存在,應調試轉閥的軸向位置,使其位置居中。調整轉向重的一邊行程卸壓閥。
其現(xiàn)象是汽車在行駛中轉向時,液壓系統(tǒng)轉向油泵出現(xiàn)噪音。
(1)原因分析。儲油罐中油面過低,油泵在工作時容易吸入空氣;油泵驅動皮帶過松或打滑;油路系統(tǒng)中存有空氣;濾油器濾網(wǎng)堵塞,或因破裂造成油管堵塞;各個管路接頭松動或油管破裂;油泵嚴重磨損或損壞。
(2)判斷。首先應檢查儲油罐法油面的高度和油泵皮帶,是否過松打滑;若正常,應檢查油液中是否有泡沫;若有泡沫,則應查找何處漏氣;若無漏氣,則表明油路有堵塞處或油泵磨損嚴重、油泵損壞。此時,應及時檢查疏通油路。如油泵損壞或磨損嚴重,應看情況修理或更換。
(1)原因。吸油管密封不嚴,混入空氣或濾清器堵塞、油泵空轉。葉片泵轉速過高;葉片泵主軸的密封圈過緊;葉片泵各個葉片的高度尺寸不一致;葉片泵的定子曲面表面拉毛;葉片泵的葉片與轉子之間加有雜質,使葉片的表面拉毛,或使葉片卡死在槽內。
(2)排除方法。葉片泵在工作時不平穩(wěn)、噪音大的原因很多,應根據(jù)實際情況,有針對加以檢查和排除。方法有:擰緊吸油管接頭,清洗濾清器,加油至油標規(guī)定的高度;將葉片泵調整到規(guī)定的轉速范圍內;適當調整主軸的密封圈;檢查同一葉片的高度,尺寸應一致,其高度相差不超過0.01 mm;看情況修理或更換不符和要求的零件;輕微研磨,去掉表面拉毛突起部分,直至葉片能輕松裝入轉子槽內,并保持原有的間隙要求即可。
氣穴現(xiàn)象是指在常溫下,溶解于液壓油中的氣體約占6%~12%,而以游離狀態(tài)存在于液壓油中的小氣泡約占0.2%~0.3%以上。在一定的條件下,液壓油中產(chǎn)生大量的氣泡的現(xiàn)象,稱為氣穴現(xiàn)象(如圖2)。
圖2 某車型出現(xiàn)轉向異響,發(fā)動機停機后油壺內液壓油發(fā)現(xiàn)大量氣泡
(1)氣穴形成的機理。當液壓系統(tǒng)某以一部分的壓力下降到一定的值時,溶解在液壓油中的氣體游離出來,形成氣泡。若壓力進一步下降,當達到油液的飽和蒸氣壓力時,液壓油便大量的氣化,形成更多的氣泡。這種氣泡混雜在液壓油中,使管路或元件中的液壓油成為不連續(xù)的狀態(tài),即形成所謂氣穴。
(2)氣穴對轉向系統(tǒng)噪音的影響。引起局部的高壓和高溫,并出現(xiàn)噪音和震動;沖擊大,氣蝕金屬;降低油泵效率,產(chǎn)生噪音;氣穴現(xiàn)象使油泵的效率顯著下降,系統(tǒng)各個部分的壓力不平衡;回轉機構的輸出扭矩發(fā)生波動,液壓裝置產(chǎn)生噪音。
(1)在液壓系統(tǒng)中設置排氣閥,及時排除液壓系統(tǒng)內空氣;
(2)保證管路接頭與結合面的密封性,保持回油管在油面以下,以防止空氣侵入;
(3)避免管路中出現(xiàn)狹窄和急彎,避免在很大的壓力差下的節(jié)流,保證具有足夠大的吸油管徑,提高油泵的進油口的壓力等;
(4)提高零件表面耐氣蝕能力。
液壓動力轉向系統(tǒng)中出現(xiàn)氣穴和空氣混入,就會使系統(tǒng)出現(xiàn)噪音。
(1)氣穴現(xiàn)象的判斷方法。有2種方法可以判斷:
其一,儀表判斷。在油泵的進油口處裝一個真空壓力表,看壓力是否等于或高于油泵的額定壓力;
其二,聲音的判斷。當沒有真空壓力表時,可根據(jù)油泵的發(fā)出聲音來判斷。發(fā)生氣穴的油泵會發(fā)出一種高聲調的聲響或尖叫聲,這種聲音有時還象軸承噪音、連軸節(jié)的噪音、來自附近沖床的噪音等。
(2)空氣混入的判斷方法。有2種方法可以判斷:
其一,氣泡是裹攜著空氣的回油從高處沖入儲油罐時產(chǎn)生的,或由于旋渦效應產(chǎn)生的,在油面過低時,儲油罐中就會出現(xiàn)旋渦效應;
其二,氣泡從吸油管吸入,如油封缺陷或安裝不良、管接頭安裝不好、密封不嚴時,均可吸入空氣。若將粘度較大的機油涂抹吸管的漏油處,油泵的噪音會有明顯變化,則表明漏氣。
吸入空氣的油泵發(fā)出的聲音,比產(chǎn)生氣穴的聲音低沉。若單純地為了發(fā)現(xiàn)空氣的混入,可觀察儲油罐或油面指示器液面的氣泡數(shù)量即可。
以上關于噪音的分析,主要側重于轉向系統(tǒng)的整個裝配過程以及使用保養(yǎng)方面的問題。以下根據(jù)影響噪音的幾個因素,從設計的角度,對避免液壓噪音的產(chǎn)生進行闡述。
(1)安靜閥。用來降低噪音的閥稱為安靜閥,其特點是加工精度高、成本高。
(2)影響閥噪音的三大因素:液壓油的流速、溫度及壓力。
(1)閥芯閥筋寬度。決定閥套與閥芯之間的基本間隙,基本間隙大小,影響閥特征的影響(與相對應的槽影響一樣)。
(2)槽深。槽深與噪音水平與氣穴現(xiàn)象有關。我們能夠了解到這一點,對于解決閥的噪音問題有很大的幫助。液壓油在通過小閥口時,流速及溫度都很高,較淺的槽容易使液壓油產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,進而增大噪音,在實際應用中,槽深不應小于1 mm。
(3)槽的對稱性。影響閥特征曲線的形狀,槽的間隔不均勻,會引起左右轉向輕重不同,并增大噪音。
(4)槽的直度。影響特征曲線中心附近的線形部分,如果槽的不直部分長度超過一定值,這種線形部分也會變成彎曲的。理論上,噪音也會增大,這種現(xiàn)象在實際中較易避免。
(5)在槽與平面連接處的圓角半徑。會引起特征曲線中心附近線形部分變成彎曲,可能對某些車的操縱特性,有不利的影響,圓角大不利。
(6)小閥口的平面角α。平面角的存在,緩沖了液壓油從高壓向低壓區(qū)速比的變化。α角越大,曲線的變化越趨近線形,閥口的平面角影響閥特征曲線形狀、輸入扭矩、閥的噪音及油壓的范圍。
例如,當α=2°時,安靜閥(壓低噪音的閥)的效果便會減小,輸入的扭矩增大,油壓的范圍減小,但是2°度的平面易于加工;當α=8°時,閥的特征曲線失去中心附近的線形部分,輸入扭矩減小,油壓范圍增大(附注:方向盤手感變輕)安靜閥的效果增大。
總之,為了噪音考慮,最好不使平面角α小于2°;為了制造工藝考慮,以6.5°的平面為最大較為適宜(參照德爾福進油口分布對應輸入軸的閥筋)。
(7)小閥口的平面寬度。平面寬度越寬,為建立一定的壓力,所需的輸入扭矩越大。
(8)小閥口的長度。影響噪音和閥特征曲線的形狀,而小閥口長度影響噪音,是因為其形狀。長度越短,越易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,進而增大噪音。
(9)閥外圓的圓度。閥的外圓不一致,會改變閥曲線的對稱性,而且這種變化太大,噪音也會增大。
(10)裝配變化的作用。閥芯與閥套之間的間隙,對閥所起的作用至關重要。如果間隙太小,摩擦力就會過大,可能使閥發(fā)卡;如果間隙太大,可能發(fā)生過份泄漏。對于安靜閥,這種間隙的變化也會引起輸入扭矩的變化。廣泛的試驗表明,隨著這種間隙的增大,輸入扭矩也會增大,因此,這種間隙一般被控制在0.01~0.015 mm。在加工后,輸入軸和閥套必須利用專用機器測量其外徑和內徑,分4個公差區(qū)間,輸入軸應和一個在相同或相鄰公差區(qū)域的閥套相配。
(11)閥口的個數(shù)。閥口的個數(shù)越多,當小閥口關閉時,其液壓油的速比變化就越緩,油溫不至于過高。
動力轉向系統(tǒng)常常趨向引起嚴重的噪音。主要的噪音源通常是泵,閥也是個噪音源。噪音源通常分為3類:空氣傳播噪音(ABN)、結構傳播的噪音(SBN)、流體傳播的噪音(FBN)。
ABN是通過空氣傳播的噪音,人耳可以聽到。
SBN是結構零件的機械振動,常常是ABN的主要原因。
FBN是液體中的壓力波動,它是SBN的一個主要來源,從而也是ABN的主要原因。FBN可以沿著液壓管路傳播很遠。
ABN、SBN、FBN之間的關系,是極端復雜的。從FBN轉換到SBN取決于許多因素,例如管線支承的類型和間隔、彎頭的數(shù)量、油管長度和柔性油管等。
(1)growl轟鳴聲——低聲調的液壓噪聲。當發(fā)動機處于怠速,較慢地來回轉動方向盤時,轉向系統(tǒng)發(fā)出的這種噪聲。
(2)Moan呻吟聲——低聲調的液壓噪聲。當發(fā)動機轉速約為1 000 r/min時,較慢地來回轉動方向盤時,轉向系統(tǒng)發(fā)出這種噪聲。
(3)Whine顫音——高聲調的噪聲。在不轉動方向盤的情況下,發(fā)動機轉速從怠速增大到3 000 r/min時,轉向系統(tǒng)發(fā)出的這種噪聲。
(4)Scream尖叫聲——高聲調的液壓噪聲。當發(fā)動機轉速為3 500 r/min時,緩慢地來回轉動方向盤,并不因起限壓的情況下,轉向系統(tǒng)發(fā)出的噪聲。
(5)限壓噪聲——當發(fā)動機轉速為1 000 r/min時,轉動方向盤直到限位狀態(tài),轉向系統(tǒng)發(fā)出這種噪聲。
選擇一個流量波動小的泵,可以降低噪音,但成本較高。
(1)動力轉向泵有可能出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。其會增強流量波動,并會引起嚴重的噪音,以及零件破壞,必須避免其發(fā)生,辦法是通過良好的吸油管設計。
(2)油中含有空氣,當泵油循環(huán)壓縮流體時,氣泡被壓破,為了避免發(fā)生嚴重氣蝕,應保證在泵的進油口有足夠的壓力,泵的流速不要超過進油口的進油能力。
(3)特別注意遠距離儲油罐的位置(使儲油罐盡可能的高)和油管的尺寸,以確保進油管有足夠的流動的特性,防止泵抽成真空(由于儲油罐過低,在進油口的壓力過低或油管尺寸不足);此外檢查液壓油的特性,以確保在泵中的真空度,不使壓力低于油的蒸氣壓力。如果不滿足以上的條件,油就會汽化,產(chǎn)生嚴重的氣穴、氣蝕。
動力系統(tǒng)可以看作簡單的泵—油管—流量控制閥系統(tǒng)。油管的長度對壓力波動有很大的影響。通過合理的設計,有可能明顯減小壓力波動水平。
(1)噪聲。當轉向系統(tǒng)發(fā)出噪聲時,應用調諧壓力油管,在減少噪聲水平方面有很顯著的效果。一條螺旋金屬管被放置在橡膠管總成之內,構成調諧器油管。調諧器油管是一種1/4波長衰減器。這種裝置被用在壓力油管中來衰減泵的呻吟聲,用在回油管中來幫助控制顫抖。
(2)顫抖。是一種在發(fā)動機低轉速下進行轉向時發(fā)生的振動。在某些情況下,通過在系統(tǒng)的回油管中加調諧器來消除它。
FBN和SBN都應該在噪聲源可能靠近的地方進行衰減。而最簡單的方法,就是在噪聲源和其余部分之間使用合適的長度的柔性油管。柔性油管衰減噪聲,在較高的頻率最有效。
(1)幾種常用油管對FBN的衰減性能。線編織的橡膠油管性能,在0~2 kHz的范圍內衰減性能差,然后衰減性能很快增強。尼龍編織熱塑型油管,在很低頻率范圍便能提供有用的衰減性能,但其使用受到系統(tǒng)的壓力和溫度限制,在條件允許的情況下,應優(yōu)先使用這種油管。
(2)柔性油管減少噪音的特征,由橡膠及其增強材料所固有的消耗能量的特性造成的。另外,油管的柔性使其很象一個容積共振器,提供反作用衰減。
(3)結構隔離所需要的柔性油管長度。為降低泵的噪音,長度一般為1~2 m,對更高頻的閥噪音為0.6 m。
(4)一般來說,對于衰減FBN,柔性油管越長越好。但是,使用太多的柔性油管是不現(xiàn)實的,因為:其一,柔性油管成本價太高;其二是對于一定水平的FBN,柔性油管單位長度輻射的ABN比相同的鋼油管要多,特別是對低頻噪音。
(5)為避免橡膠油管發(fā)生扭轉和拉伸。為此橡膠油管的最小半徑如表1所列。
表1 橡膠油管最小半徑表(單位:mm)
主要討論泵和閥的機械噪音,向其他零件的傳播及隔離問題。
(1)泵的機械隔離。泵的隔離通常應用柔性支撐來實現(xiàn),防止機械振動傳給支座。應用柔性油管為泵提供機械隔離,但其長度受到一些因素的限制,實用長度在1~3 m之間。
(2)閥的機械隔離。閥的隔離與泵的隔離相同。但是,閥的隔離通常較簡單,主要是其頻率高。采用較短的油管就足夠,結構支架較簡單。
詳見本文 4.3節(jié)的(1)、(2)所述。
儲油罐的材料通常為含有33%玻璃的尼龍66。
儲油罐的功能是:為系統(tǒng)提供加液壓油的地方;為系統(tǒng)提供檢查液壓油的地方;為熱膨脹提供空間;當系統(tǒng)使油管膨脹時,提供補償液壓油;提供除去空氣的地方。
遠距離儲油罐(不直接裝在泵上),主要用在安裝困難或用戶要求的場合;離開泵的距離應盡量短;冷啟動性不如整體儲油罐系統(tǒng)好;由于有更多的泄漏點,成本高;發(fā)動機上的垂直加速度超過25 g時,不能裝在發(fā)動機上。
儲油罐的設計要考慮如下因素:足夠的儲油罐容積(大于600 mL);空氣/油的比率為1:2~1:2.5;
兩件結構——箱體和面板,帶有模壓的加油頸和回油管接頭;熱板焊接;加筋箱壁厚2 mm,在支撐處厚2.5mm。
充油量正確是很重要的,油量過多,會導致儲油罐蓋泄漏;而油量過少,又會導致由于吸入空氣引起泵的噪聲。要時刻注意儲油罐中進入雜物。油管管路布置得應盡量圓滑,拐彎盡可能少。為確保儲油罐中的正確的油面高度,應從系統(tǒng)中放出空氣。遠距離儲油罐的設計,標準要求其最小容積是泵的每分鐘的流量的兩倍。在整體儲油罐中,油面至少比泵進油口高30 mm?;赜凸芙宇^必須布置在儲油罐的底部,以免回油打破油面,引起空氣進入。對遠距離儲油罐,儲油罐中的油面至少比泵進油口高75 mm。對遠距離儲油罐,進油管直徑至少為15.8 mm。
本文內容主要關于液壓轉向系統(tǒng)的噪音分析,介紹了幾個不同因素對液壓轉向的噪音影響及設計原理,在分析液壓噪音問題時按照這幾個方面來考慮一般可以找到異響源,從而解決問題。
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