消防车负载传动系统噪声分析及对策

□魏永建

山东省天河消防车辆装备有限公司山东临沂276000

消防车负载传动系统噪声分析及对策

□魏永建

山东省天河消防车辆装备有限公司山东临沂276000

负载传动系统是消防车动力传输的关键系统，在实际工作过程中常常存在噪声过大的问题。对消防车负载传动系统的构成与工作原理进行了介绍，针对负载传动系统噪声问题进行了试验分析，并提出了相应对策。

消防车是人们用于灭火或救援的机动消防装备,是根据不同施救对象和灭火战斗需要而设计制造的适于消防人员乘用、装备各种消防器材或灭火剂的专用车辆[1]。消防车灭火功能的核心部件是消防泵，其动力通过消防车负载传动系统由底盘动力输出装置提供。传动系统在消防车工作过程中至关重要，其性能直接决定着消防车工作的状态。

消防车负载传动系统一般由传动轴、中间支撑、安装支架及连接紧固件等组成[2]。传动系统在车辆实际工作过程中，由于传动轴安装夹角、传动轴本身质量和长度、传动轴动平衡，以及支撑和支架安装形式等因素的影响，常常会伴随着振动和噪声的产生，对使用人员造成不适，也会影响消防车整车性能，缩短系统使用寿命。因此，针对以上问题进行试验和分析，找出合理的解决措施，对于提高消防车性能和安全是十分必要的。

1 传动系统布置方式、工作原理及构成

传动系统根据消防车动力输出装置安装位置和取力方式的不同，布置方式也存在不同。目前消防车用于驱动消防泵等大负载的动力输出装置主要有两种：一种是安装在变速箱与发动机之间，通过发动机直接进行动力输出的取力器，为夹心式取力器；另一种是安装在分动器或者传动轴上，通过传动轴进行动力传输的取力器，为断轴式取力器[3]。两种取力器进行动力输出的传动系统布置方式如图1、图2所示。传动系统的核心部件是传动轴，车辆的动力传输均通过传动轴得以实现，因此传动轴的合理设计，对于传动系统的良好工作而言至关重要。

传动轴由轴管、伸缩套和万向节组成，其中万向节是传动轴构成的关键部件，是传动系统中传递扭矩的关键零件之一，也是动力传输的桥梁，其工作性能直接影响传动系统的正常工作。目前传动轴常用的是十字轴式万向节，具有结构简单、低幅、磨损小、传递功率大、主从动轴间夹角允许变化范围大的特点，在车辆中应用较广[4]。

图1 夹心式取力器传动系统布置示意图

图2 断轴式取力器传动系统布置示意图

1.1 双万向节传动轴平面布置方式及工作条件

传动系统中常见的传动轴一般为双十字轴式万向节（简称双万向节）结构，通过使用两个双万向节实现对运动过程中的误差补偿。为了确保传动过程中对运动的完全补偿，传动轴在安装使用过程中必须满足以下三个条件。

（1）输入轴和输出轴必须位于同一平面内，布置方式主要分为W式排列和Z式排列，如图3、图4所示。

图3 W式排列传动轴示意图

图4 Z式排列传动轴示意图

（2）双万向节的两个内叉必须位于同一平面。

（3）双万向节的工作角必须相等，即β1=β2。

在满足以上三个条件的基础上，对于双万向节的工作角要求不得大于6°，如果双万向节工作角大于6°，且双万向节工作角存在误差，即β1≠β2，那么会造成传动系统振动，这样会影响传动系统零部件的使用寿命，并且会造成损坏[5]。

1.2 双万向节传动轴立体布置方式及工作条件

传动系统中较为特殊的一种传动轴布置方式为立体式布置，即输入轴和输出轴未处于同一平面，输入轴1和传动轴2形成的平面Ⅰ与传动轴2和输出轴3形成的平面Ⅱ存在偏移角γ，如图5所示。

图5 立体布置传动轴示意图

在立体式传动轴布置中，由于输入轴和输出轴的中线不平行，因此不存在用于补偿角速度波动的共同平面，必须通过偏移角γ来抵消双万向节的内叉偏移。在安装使用过程中，仍需满足输入轴工作角βR1与输出轴工作角βR3完全相等的条件，即βR1=βR3。

立体工作角βR与传动轴水平工作角βv和垂直工作角βh的函数关系：

偏移角γ可使用水平面和垂直面中的连接角γ1、γ2来计算，其计算公式如下：

在立体布置的传动系统中，如果双万向节传动轴出现立体偏移，那么在使用过程中只需满足传动轴立体工作角相等即可。

1.3 双万向节传动轴动平衡及安装要求

传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行调整。根据国家标准，加装功率输出装置后，如对行驶驱动传动轴进行了改制，应对传动轴动平衡进行校核，校核结果须符合底盘动平衡的要求[6]。另外，传动轴系统中的连接角难免会导致附加作用力和力矩，在负载条件下延长或缩短伸缩式传动轴时，将进一步产生附加作用力。因此，为了消除传动轴的不等速传动,防止传动轴产生振动和传动系统冲击,需要依照箭头印记进行装配[7]，如图6所示。

图6 传动轴安装标记示意图

1.4 传动系统安装形式及布置要求

在生产实际中，负载和动力源之间的距离较远，单一传动轴无法满足使用要求，因此需要使用包括两个或两个以上传动轴在内的传动系统。传动系统安装一般分为如图7所示的几种形式。

图7 传动系统安装形式示意图

传动系统在布置使用时，要注意保证每根传动轴工作角不宜过大，传动轴长度适宜，中间支撑安装牢固，避免产生振动。

2 传动系统噪声故障及原因分析

消防车传动系统由于负载安装方式和结构形式不同、传动系统距离较大、车辆底盘动力输出方式不同，以及传动轴尺寸和中间支撑位置不同等因素，往往会出现噪声等故障。该类故障会造成操作人员消防作业时的不适，同时会对消防车消防性能产生不利影响。以笔者公司两种消防车产品的传动系统噪声故障为例，对消防车传动系统常见的噪声故障作简要分析。

2.1 产品基本配置情况

车型1为压缩空气泡沫消防车，底盘为德国MAN TGM18.290，中置安装断轴式取力器，后置安装消防泵，自带增速箱。

车型2为压缩空气泡沫消防车，底盘为重汽豪泺ZZ5207N4717D6，安装全功率夹心式取力器，后置消防泵，自带增速箱。

2.2 车辆故障现象

以上两种车型均是在发动机转速为怠速，接合水泵运转时，从水泵处发出明显的传动噪声。当提高发动机转速至800 r/min以上时，噪声明显降低。

2.3 车辆故障原因分析

为找到故障发生原因，对两台车的传动系统进行了测量和检验。

2.3.1 现场测试车型1

对车型1的传动系统安装角及尺寸进行实际测量。以变速箱为起始端，以水泵为末端，中间包括取力器和传动轴。现场测量传动轴安装角数据见表1，根据测量数据绘制相应的传动轴布置图，如图8所示。

表1 传动轴安装角度

图8 传动系统安装布置示意图

表1和图8中的数据均以水平面为基准。对传动轴安装角的数据进行分析：传动轴1与传动轴2之间的工作角为-4.6°-（-1.0°）=-3.6°，传动轴2与传动轴3之间的工作角为-1.0°-3.8°=-4.8°，传动轴6与传动轴2之间的工作角为-7.6°-（-1.0°）=-6.6°。可以看出，只有传动轴2与传动轴6之间的工作角超出了传动轴安装标准角为6°的要求，同时传动轴1和传动轴6两端双万向节工作角度不相等，违背了双万向节传动轴安装条件要求，且不满足传动轴在使用过程中必须确保所有传动轴法兰平行[8]的安装原则。

在现场实际测量了不同转速下的噪声大小，并通过快速傅里叶变换频谱分析软件记录噪声频率值，得到噪声测量曲线，如图9所示。

图9 噪声测量曲线图

通过图9可以得出：噪声的频率与发动机转速是对应的，发动机转速在600～850 r/min范围内，噪声比较明显；当发动机转速提升到1 000 r/min以上时，水泵处的噪声逐渐被其它背景声音所掩盖。

现场经过排查发现，噪声发出的源头在中置安装的断轴式取力器（传动轴2）处。为了彻底查找噪声产生的原因，将断轴式取力器后面的传动轴断开，不连接水泵传动轴，只运转断轴式取力器，即变速箱只带动传动轴1和传动轴2转动。通过对频闪仪记录的断轴式取力器运转情况进行分析，总结如下。

（1）明确了噪声源，噪声确实是从断轴式取力器处发出的。

（2）发动机转速在600～850 r/min范围内，通过频闪仪记录的视频可以看出，断轴式取力器的输出法兰转速是不均匀的，每一圈转动均有忽快忽慢的现象。当发动机转速提升到1 000 r/min以上时，断轴式取力器输出转速不均匀的现象得到明显改善。

（3）发动机本身在怠速低转速情况下，转速是不均匀的，连接传动轴后会进一步放大该现象，尤其是传动轴工作角度较大时，该现象会更加明显。当发动机提高到适当转速后，转速才会平稳，噪声也相应减小。

2.3.2 现场测试车型2

车型2的传动轴系统与车型1有所不同，车型2采用夹心式取力器，取力器在车辆前端，噪声情况与车型1类似。通过采用车型1的试验方法，试验结果也与车型1类似：噪声频率与发动机转速相对应，噪声出现位置在夹心式取力器处。

2.4 结论

通过以上两种车型的试验和分析，对传动系统噪声故障的原因分析结论如下。

（1）发动机怠速不稳定，造成动力输出法兰转速不稳，是故障的主要原因。

（2）取力器安装使用过程中，没有严格按照规范安装，造成传动轴前后法兰面不平行，从而造成双万向节的两个工作角不相等,双万向节传动轴不能实现等速传动[9]，加剧了噪声的产生。

（3）多级变速箱串联使用，因各齿轮箱的机械振动及噪声的叠加效应，使噪声放大。

3 传动系统的改进及提高

通过对传动系统的介绍和故障车辆的试验与分析，针对故障产生的原因，采取相应的改进和调整措施，使以上两种车型的噪声故障得到有效控制。

3.1 故障车辆的改进和调整措施

针对故障原因的分析结果，对故障车辆进行了改进和调整，采取措施如下。

（1）提高了发动机怠速，避免动力输出使法兰转速不稳现象的产生。通过和底盘厂家进行沟通，在不影响车辆正常使用的情况下，通过局域网总线控制器来提高底盘动力输出时的怠速，避免了怠速不稳现象的产生。经提高怠速，底盘与取力器接合后的运转表明，传动系统噪声明显降低，由此传动系统怠速异响问题得以解决。

（2）规范取力器安装使用要求。通过调整取力器安装角度，确保了传动轴双万向节工作角相等，实现等速传动。同时使用弹性连接，有效降低取力器在工作中的振动，大幅改善传动系统的工作条件，减小了噪声的产生。

（3）尽量采用单级消防泵进行消防作业，在满足消防作业的条件下，减少变速箱的级数，避免传动系统工作时的噪声叠加效应。

（4）做好传动系统维护保养工作。及时检查传动系统中间支撑及传动轴的润滑保养，使传动轴处于良好的工作状态。

3.2 传动系统的提高和建议

消防车负载传动系统是消防车动力系统的关键组成部分，其工作状态直接影响着消防车的整体性能，关系着消防车消防灭火功能的实现。因此，提高传动系统的工作可靠性，减小故障发生率是消防车设计的一个重要课题。

传动系统是一个复杂的多级联动系统，其各个组成部件均会影响整个传动系统的性能实现，笔者认为，着重应该从以下几个方面进行提高和改进。

（1）高精度、轻量化的传动轴设计。传动轴作为传动系统的关键部件，其性能直接决定着传动系统的工作状态。不断提高传动轴的设计精度和平衡精度，是提高传动系统性能的最大保障。探索新型材质的传动轴轻量化设计是目前传动轴改进的努力方向，可以借鉴进口轻质一体式铝合金传动轴设计，如德国Dana公司的Diamond系列传动轴，相比通常的非一体式钢传动轴质量小40%，部件减少，而且噪声降低，振动减小[10]。

（2）标准化、规范化的传动系统设计。制订传动系统设计安装规范，使操作人员严格按照标准进行传动系统的安装，确保传动系统各部件正常工作。在发生故障的传动系统中，很大一部分原因是操作人员在安装过程中未按照标准进行规范化操作，因此提高操作人员的标准化、规范化意识，是提高传动系统工作可靠性的一个重要保障。

（3）优化传动系统部件设计。为减小传动系统的振动，中间支撑可以安装减振器。为确保各传动轴角速度相等，可以采用等速万向节进行连接，进而有效减小振动，避免噪声产生。针对部分特殊场合，可以采用靠弹性零件传递动力、具有缓冲减振作用的挠性万向节进行连接。

总而言之，对于消防车负载传动系统而言，需要不断进行研究和提高，以满足用户要求为标准，保证系统工作稳定可靠，降低噪声，减小振动，这是消防车设计的努力方向和目标。

[1]马云峰.消防车的分类、定义及用途释义[J].商用汽车, 2009（3）:86-89.

[2]孟祥宇，石义民，于文鹏，等.消防车传动系统异响原因分析[J].商用汽车,2014（20）:59-61.

[3]魏永建.消防车用断轴式取力器的原理和应用[J].装备机械,2016（3）:50-54.

[4]朱龙英，孙美艳，孙书旺.传动轴万向节叉的设计与分析研究[J].机械研究与应用,2010（3）:35-36,41.

[5]戴姆勒克莱斯勒公司.ACTROSL车身及设备安装规范[Z].

[6]消防车第1部分：通用技术条件:GB7956.1—2014[S].

[7]吴政清.万向传动装置的正确使用和异响判断[J].工程机械与维修,2010（12）:199.

[8]薛锦达.十字轴式万向传动轴的原理及其结构[J].机械制造,1997,34（7）:14-16.

[9]李宁，李友荣，周思柱，等.双十字轴万向节转向传动轴的相位角影响分析[J].机械传动，2015（9）:15-19.

[10]黄文梅.Dana公司推荐卡车用轻质传动轴[J].现代材料动态,2011（5）:9.

（编辑：小前）

The load transmission system is the key system of the power transmission of the fire truck.In the process of real work,the noise is too big.Introduced the composition and working principle of the load transmission system in the fire truck,test and analyzed the noise problem of the load transmission system and put forward the corresponding countermeasures.

消防车；传动；噪声

Fire Truck；Transmission；Noise

TH132

A

1672-0555（2017）02-053-05

2016年11月

魏永建（1976—），男，本科，高级工程师，主要从事消防车及取力器设计开发工作。