燃料電池觀光車底盤異響故障分析及處理

于蓬，倪淮生，沈春娟*

（嘉興德燃動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，浙江 嘉興 314000）

前言

隨著全球資源短缺、環(huán)境惡化等問題的日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極進(jìn)行新能源汽車的研制和開發(fā)。燃料電池汽車由于其零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高的特性，被認(rèn)為是全球能源與環(huán)境問題的理想解決方案之一，擁有廣闊的發(fā)展前景[1-3]。中國(guó)政府也積極重視燃料電池汽車的研發(fā)工作。目前，中國(guó)已有多款燃料電池客車、燃料電池轎車樣車推出，先后在北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、全球環(huán)境基金與聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署（GEF/UNDP）共同支持的燃料電池城市客車商業(yè)化示范活動(dòng)、新加坡青奧會(huì)等開展了示范運(yùn)行[1]。與傳統(tǒng)燃油汽車類似，燃料電池汽車的振動(dòng)噪聲問題關(guān)系到乘客舒適性、駕駛平穩(wěn)性。

本文針對(duì)某燃料電池觀光車存在的底盤異響問題，進(jìn)行了故障排查與分析，并提出最終解決方案，故障分析、解決的一系列流程對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。本文研究對(duì)象為某11座燃料電池觀光車。該車曾參與上海世博會(huì)新能源汽車研發(fā)與應(yīng)用示范項(xiàng)目，承擔(dān)世博會(huì)的園區(qū)載客工作，燃料電池觀光車單車耗氫1.375 kg/(100 km)[2,4]。

1 燃料電池觀光車故障描述及檢查

1.1 燃料電池觀光車故障描述

燃料電池觀光車在轉(zhuǎn)向時(shí)，出現(xiàn)的問題描述如下：左轉(zhuǎn)時(shí)，方向盤打滿，在顛簸路面出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足，并有部件摩擦感，平順路面沒有該問題；向右轉(zhuǎn)方向盤時(shí)，偶發(fā)底盤振動(dòng)，振動(dòng)主要發(fā)生在右側(cè)車輪及相關(guān)連接部件處；隨著右轉(zhuǎn)，振動(dòng)情況加劇，方向盤向右打滿后，振動(dòng)情況最為劇烈。

1.2 底盤檢查實(shí)驗(yàn)及分析

1.2.1 轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)

操縱燃料電池觀光車左轉(zhuǎn)，當(dāng)離地間隙較大時(shí)（即行駛在顛簸路面上時(shí)），左側(cè)懸架下支架上加強(qiáng)筋（如圖1所示）與輪轂內(nèi)側(cè)緊固螺栓（如圖2所示）產(chǎn)生干涉，干涉情況如圖3所示。

圖1 加強(qiáng)筋

圖2 緊固螺栓

圖3 干涉情況

操縱燃料電池觀光車右轉(zhuǎn)，方向盤未打到底時(shí)，即出現(xiàn)底盤右前方振動(dòng)問題，并伴隨噪聲，分析可得，可能存在的噪聲源為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，機(jī)械干涉。

1.2.2 噪聲源排查

采用控制變量法，對(duì)以上三種可能的噪聲源進(jìn)行逐一排查，過(guò)程如下。

1）車輛不上高壓電，人力推動(dòng)車輛，駕駛員向左向右打方向盤：左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)均未產(chǎn)生問題，只有在右轉(zhuǎn)到底時(shí)有機(jī)械摩擦感覺；

2）車輛上高壓電，但不踩油門，同上步驟，結(jié)果與上步驟相同，說(shuō)明轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)不存在問題；

3）車輛上高壓電，踩油門，在稍微右轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，隨著右轉(zhuǎn)的角度增大，振動(dòng)不衰減，有持續(xù)振動(dòng)源輸入。

圖4 底盤部件與制動(dòng)器接觸

圖5 制動(dòng)器接觸造成的傷痕

將車輛吊起檢查，右轉(zhuǎn)到底時(shí)，左側(cè)車輪由于制動(dòng)盤與車架接觸（接觸圖如圖4、長(zhǎng)期接觸造成的制動(dòng)器磨損如圖5所示），造成自動(dòng)剎車，左側(cè)車輪在不踩油門的情況下，人力難以旋轉(zhuǎn)，踩油門時(shí)可以強(qiáng)行旋轉(zhuǎn)；

檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，右側(cè)車輪出現(xiàn)的問題最為嚴(yán)重：掛前進(jìn)擋/倒退檔，不踩油門時(shí)候，其他車輪不轉(zhuǎn)動(dòng)，右前方車輪出現(xiàn)自行轉(zhuǎn)動(dòng)或者無(wú)規(guī)律的脈動(dòng)；掛前進(jìn)擋/倒退檔，踩油門時(shí)候，其他車輪按照期望轉(zhuǎn)動(dòng)，右前方車輪出現(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)，或者無(wú)規(guī)律的脈動(dòng)；在兩種情況下，用手調(diào)整右側(cè)輪轂電機(jī)的電源輸入線（如圖6所示），可以在駕駛員不操作油門的情況下，控制車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，但規(guī)律不明顯。

圖6 右側(cè)電機(jī)輸入線

1.2.3 燃料電池觀光車轉(zhuǎn)向過(guò)程受力分析

采用示意圖對(duì)車輪及車軸的受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化分析?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，燃料電池觀光車在進(jìn)行前進(jìn)/后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)時(shí)，受力情況如圖7所示。其中，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力，L為車輛的輪距，R0為車輛的輪胎半徑，O為車輛轉(zhuǎn)向中心。

圖7 燃料電池觀光車受力情況

（1）當(dāng)燃料電池觀光車前進(jìn)/后退時(shí)，受力情況為：

（2）當(dāng)燃料電池觀光車左轉(zhuǎn)時(shí)，受力情況為：

其中，M為車輛的電磁轉(zhuǎn)矩。

由以上計(jì)算得知，左轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際情況與理想情況間產(chǎn)生的力矩差為：

（3）當(dāng)燃料電池觀光車右轉(zhuǎn)時(shí)，受力情況為：

由以上計(jì)算得知，左轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際情況與理想情況間產(chǎn)生的力矩差為：

而對(duì)于車輛的轉(zhuǎn)向過(guò)程，都有：

根據(jù)以上分析，當(dāng) F=0，即用人力推動(dòng)，不踩油門時(shí)，轉(zhuǎn)向無(wú)振動(dòng)噪聲；當(dāng) F＞0，即正常駕駛時(shí)，轉(zhuǎn)向時(shí)因右前輪轂電機(jī)輸出與駕駛期望不一致，產(chǎn)生相互作用與振動(dòng)噪聲。分析得出的結(jié)論與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

因此，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)及分析，初步判斷問題源于：電機(jī)輸入線長(zhǎng)度不足，與懸架叉臂長(zhǎng)期干涉（右轉(zhuǎn)時(shí)存在，如圖8所示），造成電源輸入與電機(jī)定子處接觸不良。

圖8 右側(cè)叉臂與電源線緊密接觸干涉

1.2.4 問題排查及調(diào)試

將如圖7中白色緊固件擰松，調(diào)整黃色電源線的角度與插入深度，可暫時(shí)消除右轉(zhuǎn)向時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)失控現(xiàn)象。

由于右側(cè)車輪長(zhǎng)期的接觸不良、失控問題，造成的另一個(gè)結(jié)果是，右側(cè)車輪在整車回正狀態(tài)下，有10度左右的右轉(zhuǎn)向，需要重新較調(diào)右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角（如圖9所示）。

圖9 駕駛員方向：右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角偏差

2 解決方案

根據(jù)異響產(chǎn)生的原因，提出以下五種解決方案。

（1）切割左側(cè)車輪加強(qiáng)筋，消除車輛左轉(zhuǎn)時(shí)左側(cè)車輪內(nèi)側(cè)緊固螺栓與加強(qiáng)筋的部件干涉。但此舉帶來(lái)的問題是，破壞加強(qiáng)筋，降低懸架下支架的強(qiáng)度，考慮到只有在離地間隙過(guò)大時(shí)（較為顛簸路面）才會(huì)出現(xiàn)干涉，暫時(shí)可不處理。

（2）砂紙打磨左側(cè)車輪制動(dòng)鉗，消除右轉(zhuǎn)到底時(shí)的自行制動(dòng)。但此舉帶來(lái)的問題是，降低制動(dòng)鉗的強(qiáng)度，造成局部應(yīng)力集中，影響行車安全，建議暫時(shí)不處理。

（3）以上兩個(gè)暫時(shí)不處理的問題的原因是右側(cè)車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源線長(zhǎng)期接觸不良，使得右側(cè)車輪與其余幾個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)情況不一致，并長(zhǎng)期作用使底盤系統(tǒng)產(chǎn)生變形，應(yīng)該更改電源線的長(zhǎng)度、調(diào)整電源線的固定位置、加固電源線與電機(jī)定子的接觸點(diǎn)。

（4）還可以解決振動(dòng)問題的措施有直接斷開右前部車輪的電機(jī)控制與電源輸入，使其只具備轉(zhuǎn)向功能而不具備驅(qū)動(dòng)功能，帶來(lái)的問題是影響整車的驅(qū)動(dòng)性能。

（5）右側(cè)車輪出現(xiàn)10度左右的轉(zhuǎn)向誤差，是因?yàn)橛覀?cè)前輪電機(jī)長(zhǎng)期不受控，與其他幾個(gè)電機(jī)的作用力造成的，建議優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的同時(shí)重新調(diào)整右側(cè)車輪的角度。

3 結(jié)論

觀光車底盤振動(dòng)與異響的振動(dòng)源是右側(cè)電機(jī)不受控，造成其轉(zhuǎn)矩輸出與期望不一致（其他車輪輸出與期望一致），長(zhǎng)期錯(cuò)誤運(yùn)行造成底盤輕微變形，包括車輪角度偏差和局部干涉。建議電控工程師調(diào)整右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)連接件。

4 維修與結(jié)果

最終，為了簡(jiǎn)單直接地一次性從根源解決問題，對(duì)燃料電池觀光車右前輪輪轂電機(jī)進(jìn)行了更換，振動(dòng)與噪聲問題予以解決。