商用卡车驾驶室举升油缸噪声分析及降噪措施

邵金龙

（浙江科力车辆控制系统有限公司，浙江江山 324100）

0 引言

商用卡车驾驶室举升油缸主要由缸筒、活塞、衬套等组件构成。油缸使用分体式活塞进行密封，此结构可以带来良好的密封性能，同时增强运动的平稳性。油缸密封由矩形圈、T形导向带及前后活塞体4部分组成，活塞杆与衬套之间必须设计有良好的导向和密封，才可以保证运动的平顺及油缸内腔的液压油不会外渗而污染产品表面及环境[1]。

当维护人员需对卡车进行检修时，基于伯努利原理和帕斯卡原理，举升油缸无杆腔泵入高压油，作用在活塞侧，推动活塞杆，活塞（杆）相对缸筒往外伸出，可以轻松地将驾驶室抬升起来。

因举升油缸下支座与车大梁连接，上支座与驾驶室底板纵梁相连接，当车辆行驶在颠簸路面时，驾驶室相对车大梁有颠簸现象，两者之间的举升油缸就会有相对的作用力顶在驾驶室底板上，从而造成“咯噔咯噔”的异响，影响行驶舒适性，严重时会使板顶变形开裂。要想消除这一现象，必须确保活塞杆及活塞可以在缸筒内进行自由往复运动，此时当驾驶室发生颠簸时，活塞会在缸内的随动段进行往复运动。

通常随动段的设计是在缸筒底部位置设4个均布的圆弧形结构，与活塞密封外圆之间存在一定间隙，由此形成4道随动间隙。当活塞处于此段时，液压油通过此随动间隙上下腔窜流，也就是活塞及活塞杆在此段长度内可以自由运动，不会受到液压阻力而形成反作用力。

1 噪声分析

1.1 行车过程中的噪声分析

1.1.1 行车时顶缸异响

油缸内随动的设计，主要就是为了避免直筒式非内随动油缸在颠簸路面出现的油缸活塞杆顶到驾驶室底部而影响驾驶室内部的舒适性，油缸内随动的设计具有随动散能的作用，但是随动段设计不合理也会造成相应的不舒适。

比如随行程长度设计小于通过悬架弹簧（减振器）设计振幅F及油缸安装位置及角度折算出来的值M时，当路面颠簸幅度偏高甚至达到悬架弹簧（减振器）设计最大值的要求，那么此时活塞杆在缸筒内部的自由随动行程已经不够，就会出现下沉时活塞杆顶到缸筒底部，然后反作用往上通过活塞杆上支座作用在驾驶室底部，上浮时油缸内部活塞超出随动段，有杆腔和无杆腔形成阻力压力差，造成系统内部有压力作用在活塞杆上，活塞杆在油缸内部不能自由随动，同样会产生反作用往上通过活塞杆上支座作用在驾驶室底部，从而影响驾驶室内部的舒适性也一定程度上产生了噪声。

1.1.2 上下安装结构松旷

目前国内对于油缸上下支座的安装主要有2种形式：一种是直接采用光孔与销轴联接；另一种则采用向心关节轴承，两侧用碗型垫片和螺母压住背死。这2种结构都是纯机械连接，在行车振动频繁的工况下均会出现松旷异响的现象。如轴孔磨损后的间隙扩大，关节轴承内圈与外圈之间游隙偏大造成内外圈的松旷异响。

1.2 升降过程中的噪声分析

举升油缸在举升和下降过程，主要是油缸内部的活塞杆伸出和回收的过程，在此过程中存在的变化体主要考虑到两部分，一是油缸系统内部的摩擦副之间及高压油，另一个则是油缸上下安装连接中的转动。

1.2.1 油缸系统内部的摩擦副及高压油

油缸内部的摩擦副，主要是活塞密封件与缸筒内壁之间以及衬套密封件与活塞杆表面之间的滑动摩擦，这里可能存在3个因素。

（1）密封配合的过盈量。为了确保液压缸的使用性能，会采用密封处理。配合过盈量越大，密封效果越好。但随着配合过盈量增大，液压缸在举升的过程中所承受的摩擦力矩也会随之增大，系统能量就会损失，效率降低，同时摩擦力增大就会造成密封件的早期磨损或唇口翻边变形，降低产品的使用寿命。一旦密封圈被磨损或出现变形也影响接触摩擦力矩的均匀性，破坏活塞杆表面的润滑油膜，导致爬行，进而也可能出现异响现象。

（2）密封面粗糙度及纹络设计。油缸在做好密封工作的同时还需要做好润滑处理。但密封和润滑两者是相互矛盾的对立面，为了达到良好的密封和使用寿命，势必要求密封面越光滑越好，但是当密封面粗糙度到Ra0.1 μm，甚至更高的时候，密封面上就无法形成连续均匀的油膜用于相互运动时候的润滑，于是密封件与活塞杆之间就完全靠内腔高压油顶住唇口作用在活塞杆表面而运动，形成滑动摩擦，且此时的滑动摩擦是非常有害的干摩擦，在此种情况下势必出现尖锐的异响，甚至密封件的早期失效。

（3）密封件密的硬度而引起的噪声。液压油缸在举升的过程中，压力液体会挤压密封件，使之发生变形。这样一来，密封件的表面就产生了极大的压强。随之附加接触应力就变得越来越高，与初始的预应力联合发力，并起到阻止压力液体泄漏的作用。在这一过程中，若密封件的硬度过硬或过软，都会影响到密封件所受的摩擦力，进而使得液压油缸在工作的状态下，时常发生异响。

1.2.2 油缸上下安装连接中的转动

通常油缸上下安装连接都是销孔配合，两侧靠台肩及垫圈螺母背紧锁止，而在举升和下降过程中，驾驶室均是绕着前翻转轴进行翻转，则此时油缸的上下安装孔相对连接轴就会有相对的转动过程，当轴孔间配合过紧或两侧螺母背得过紧，就会制约到其转动，此时举升驾驶室，势必相互件间出现摩擦，出现“吱吱吱”的异响。

2 降噪措施

2.1 随动段的设计方案

在进行成因分析后，要做设计准确校核计算实车随动行程，需要考虑随动段上浮和下浮的长度是否符合整车悬架弹簧（减振器）的上下允许振幅和油缸的安装位置及安装角度。如不相适配需要再次计算核实车随动的行程。

同时根据实车设计好相应的系统液压阻力，才能起到设计之初要求的随动散能作用，提高驾驶室内部舒适性的效果。目前为了达到合适的随动效果，设计油缸时通常要求达到相关技术要求。在20℃，1 Hz频率的条件随动阻尼要求：随动位移±5 mm，随动压缩阻尼≤0.3 kN，随动拉伸阻尼≤0.4 kN；随动位移±10 mm，随动压缩阻尼≤0.35 kN，随动拉伸阻尼≤0.50 kN。

2.2 安装连接

目前国外已慢慢改变了传统的连接结构，采用相对柔性的安装连接。在油缸支座上设计台阶孔，然后将哑铃型的改性聚氨酯或聚四氟乙烯橡胶轴套，套进支座内，这样在装车后销轴不会直接跟支座本体接触，而是与相对柔软的橡胶轴套接触，可以避免金属与金属之间碰触而造成的异响。这种结构，在橡胶轴套中间段外径与支座中间承力段有一定的设计间隙，可以在举升油缸受力有点偏时，通过轴套不同位置产生不同变形，来实现同关节轴承类似的找正向心功能。同时在安装时，在油缸上下安装支座孔内涂抹适量润滑脂，避免出现干摩擦，背紧螺母不能直接压死安装孔的台肩上，要保证销孔能够自由转动、无卡滞现象。

2.3 密封系统的优化

2.3.1 密封件的选用

密封件的材料、硬度、初始压缩量的选择，对于液压系统的设计都很重要。对于举升油缸动密封，基于长期的验证及市场反馈统计分析，选用TPU（Thermoplastic Polyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶），邵尔硬度（A型）：90～95，初始压缩量15%～20%的U形圈进行密封，即可保证工作平稳，又能够得到很好的使用寿命。

2.3.2 密封表面的质量优化

通过以上分析可知，密封面的粗糙度要求并不是越高越好，同样也不是越低越好，因为密封面粗糙度的增大，虽然可以形成很好的油膜，但还是不能达到很好的润滑效果。原因在于粗糙度增大，膜厚比明显减小，表面微凸体承担了更多的载荷，微凸体摩擦力明显增大，而流体摩擦力变化很小，导致总摩擦力增大进而加速密封件表面的磨损。经过长期测试验证后，总结出活塞杆表面设计粗糙度适宜控制在Ra（0.15～0.25）μm，同时密封表面纹络以交叉状的网纹呈现，这时的密封及润滑效果最佳。

2.3.3 初装系统的排气

为了避免系统中混有空气，建议在初装产品时采取抽真空或其他的排气操作，这样不仅可以避免工作不稳定造成的异响，还可以油气混合体的外溢，造成对环境的污染。

3 结束语

卡车作为重要的运输工具，在确保其安全可靠性的同时对驾驶者的舒适性也提出了更高的要求，降噪就是其中一项重点课题。从驾驶室的举升油缸设计中探究了噪声的原因并提供相关降噪措施，而如何全面有效地消除整车噪声，则是一项系统工程，需要从整车结构设计，参数选定，底盘车架系统等多项要素进行技术分析。此项工作应持续进行，需要提供大量的人力与物力支持，由此研发出更优良的降噪方案，提升商用车行驶的舒适性。