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、襯套等組件構成。油缸使用分體式活塞進行密封，此結構可以帶來良好的密封性能，同時增強運動的平穩(wěn)性。油缸密封由矩形圈、T形導向帶及前后活塞體4部分組成，活塞桿與襯套之間必須設計有良好的導向和密封，才可以保證運動的平順及油缸內腔的液壓油不會外滲而污染產品表面及環(huán)境[1]。

當維護人員需對卡車進行檢修時，基于伯努利原理和帕斯卡原理，舉升油缸無桿腔泵入高壓油，作用在活塞側，推動活塞桿，活塞（桿）相對缸筒往外伸出，可以輕松地將駕駛室抬升起來。

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，當車輛行駛在顛簸路面時，駕駛室相對車大梁有顛簸現象，兩者之間的舉升油缸就會有相對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，嚴重時會使板頂變形開裂。要想消除這一現象，必須確保活塞桿及活塞可以在缸筒內進行自由往復運動，此時當駕駛室發(fā)生顛簸時，活塞會在缸內的隨動段進行往復運動。

通常隨動段的設計是在缸筒底部位置設4個均布的圓弧形結構，與活塞密封外圓之間存在一定間隙，由此形成4道隨動間隙。當活塞處于此段時，液壓油通過此隨動間隙上下腔竄流，也就是活塞及活塞桿在此段長度內可以自由運動，不會受到液壓阻力而形成反作用力。

1 噪聲分析

1.1 行車過程中的噪聲分析

1.1.1 行車時頂缸異響

油缸內隨動的設計，主要就是為了避免直筒式非內隨動油缸在顛簸路面出現的油缸活塞桿頂到駕駛室底部而影響駕駛室內部的舒適性，油缸內隨動的設計具有隨動散能的作用，但是隨動段設計不合理也會造成相應的不舒適。

比如隨行程長度設計小于通過懸架彈簧（減振器）設計振幅F及油缸安裝位置及角度折算出來的值M時，當路面顛簸幅度偏高甚至達到懸架彈簧（減振器）設計最大值的要求，那么此時活塞桿在缸筒內部的自由隨動行程已經不夠，就會出現下沉時活塞桿頂到缸筒底部，然后反作用往上通過活塞桿上支座作用在駕駛室底部，上浮時油缸內部活塞超出隨動段，有桿腔和無桿腔形成阻力壓力差，造成系統(tǒng)內部有壓力作用在活塞桿上，活塞桿在油缸內部不能自由隨動，同樣會產生反作用往上通過活塞桿上支座作用在駕駛室底部，從而影響駕駛室內部的舒適性也一定程度上產生了噪聲。

1.1.2 上下安裝結構松曠

目前國內對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接；另一種則采用向心關節(jié)軸承，兩側用碗型墊片和螺母壓住背死。這2種結構都是純機械連接，在行車振動頻繁的工況下均會出現松曠異響的現象。如軸孔磨損后的間隙擴大，關節(jié)軸承內圈與外圈之間游隙偏大造成內外圈的松曠異響。

1.2 升降過程中的噪聲分析

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

1.2.1 油缸系統(tǒng)內部的摩擦副及高壓油

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

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

（2）密封面粗糙度及紋絡設計。油缸在做好密封工作的同時還需要做好潤滑處理。但密封和潤滑兩者是相互矛盾的對立面，為了達到良好的密封和使用壽命，勢必要求密封面越光滑越好，但是當密封面粗糙度到Ra0.1 μm，甚至更高的時候，密封面上就無法形成連續(xù)均勻的油膜用于相互運動時候的潤滑，于是密封件與活塞桿之間就完全靠內腔高壓油頂住唇口作用在活塞桿表面而運動，形成滑動摩擦，且此時的滑動摩擦是非常有害的干摩擦，在此種情況下勢必出現尖銳的異響，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程中，壓力液體會擠壓密封件，使之發(fā)生變形。這樣一來，密封件的表面就產生了極大的壓強。隨之附加接觸應力就變得越來越高，與初始的預應力聯合發(fā)力，并起到阻止壓力液體泄漏的作用。在這一過程中，若密封件的硬度過硬或過軟，都會影響到密封件所受的摩擦力，進而使得液壓油缸在工作的狀態(tài)下，時常發(fā)生異響。

1.2.2 油缸上下安裝連接中的轉動

通常油缸上下安裝連接都是銷孔配合，兩側靠臺肩及墊圈螺母背緊鎖止，而在舉升和下降過程中，駕駛室均是繞著前翻轉軸進行翻轉，則此時油缸的上下安裝孔相對連接軸就會有相對的轉動過程，當軸孔間配合過緊或兩側螺母背得過緊，就會制約到其轉動，此時舉升駕駛室，勢必相互件間出現摩擦，出現“吱吱吱”的異響。

2 降噪措施

2.1 隨動段的設計方案

在進行成因分析后，要做設計準確校核計算實車隨動行程，需要考慮隨動段上浮和下浮的長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算核實車隨動的行程。

同時根據實車設計好相應的系統(tǒng)液壓阻力，才能起到設計之初要求的隨動散能作用，提高駕駛室內部舒適性的效果。目前為了達到合適的隨動效果，設計油缸時通常要求達到相關技術要求。在20℃，1 Hz頻率的條件隨動阻尼要求：隨動位移±5 mm，隨動壓縮阻尼≤0.3 kN，隨動拉伸阻尼≤0.4 kN；隨動位移±10 mm，隨動壓縮阻尼≤0.35 kN，隨動拉伸阻尼≤0.50 kN。

2.2 安裝連接

目前國外已慢慢改變了傳統(tǒng)的連接結構，采用相對柔性的安裝連接。在油缸支座上設計臺階孔，然后將啞鈴型的改性聚氨酯或聚四氟乙烯橡膠軸套，套進支座內，這樣在裝車后銷軸不會直接跟支座本體接觸，而是與相對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。這種結構，在橡膠軸套中間段外徑與支座中間承力段有一定的設計間隙，可以在舉升油缸受力有點偏時，通過軸套不同位置產生不同變形，來實現同關節(jié)軸承類似的找正向心功能。同時在安裝時，在油缸上下安裝支座孔內涂抹適量潤滑脂，避免出現干摩擦，背緊螺母不能直接壓死安裝孔的臺肩上，要保證銷孔能夠自由轉動、無卡滯現象。

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、初始壓縮量的選擇，對于液壓系統(tǒng)的設計都很重要。對于舉升油缸動密封，基于長期的驗證及市場反饋統(tǒng)計分析，選用TPU（Thermoplastic Polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠），邵爾硬度（A型）：90～95，初始壓縮量15%～20%的U形圈進行密封，即可保證工作平穩(wěn)，又能夠得到很好的使用壽命。

2.3.2 密封表面的質量優(yōu)化

通過以上分析可知，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，因為密封面粗糙度的增大，雖然可以形成很好的油膜，但還是不能達到很好的潤滑效果。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，導致總摩擦力增大進而加速密封件表面的磨損。經過長期測試驗證后，總結出活塞桿表面設計粗糙度適宜控制在Ra（0.15～0.25）μm，同時密封表面紋絡以交叉狀的網紋呈現，這時的密封及潤滑效果最佳。

2.3.3 初裝系統(tǒng)的排氣

為了避免系統(tǒng)中混有空氣，建議在初裝產品時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，造成對環(huán)境的污染。

3 結束語

卡車作為重要的運輸工具，在確保其安全可靠性的同時對駕駛者的舒適性也提出了更高的要求，降噪就是其中一項重點課題。從駕駛室的舉升油缸設計中探究了噪聲的原因并提供相關降噪措施，而如何全面有效地消除整車噪聲，則是一項系統(tǒng)工程，需要從整車結構設計，參數選定，底盤車架系統(tǒng)等多項要素進行技術分析。此項工作應持續(xù)進行，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。