于蓬,倪淮生,沈春娟*
(嘉興德燃動力系統(tǒng)有限公司,浙江 嘉興 314000)
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]。中國政府也積極重視燃料電池汽車的研發(fā)工作。目前,中國已有多款燃料電池客車、燃料電池轎車樣車推出,先后在北京奧運會、上海世博會、全球環(huán)境基金與聯(lián)合國發(fā)展計劃署(GEF/UNDP)共同支持的燃料電池城市客車商業(yè)化示范活動、新加坡青奧會等開展了示范運行[1]。與傳統(tǒng)燃油汽車類似,燃料電池汽車的振動噪聲問題關(guān)系到乘客舒適性、駕駛平穩(wěn)性。
本文針對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于工程實際應(yīng)用有一定的參考價值。本文研究對象為某11座燃料電池觀光車。該車曾參與上海世博會新能源汽車研發(fā)與應(yīng)用示范項目,承擔(dān)世博會的園區(qū)載客工作,燃料電池觀光車單車耗氫1.375 kg/(100 km)[2,4]。
燃料電池觀光車在轉(zhuǎn)向時,出現(xiàn)的問題描述如下:左轉(zhuǎn)時,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,偶發(fā)底盤振動,振動主要發(fā)生在右側(cè)車輪及相關(guān)連接部件處;隨著右轉(zhuǎn),振動情況加劇,方向盤向右打滿后,振動情況最為劇烈。
1.2.1 轉(zhuǎn)向?qū)嶒?/p>
操縱燃料電池觀光車左轉(zhuǎn),當(dāng)離地間隙較大時(即行駛在顛簸路面上時),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,即出現(xiàn)底盤右前方振動問題,并伴隨噪聲,分析可得,可能存在的噪聲源為:驅(qū)動電機(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,對以上三種可能的噪聲源進(jìn)行逐一排查,過程如下。
1)車輛不上高壓電,人力推動車輛,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)時出現(xiàn)振動現(xiàn)象,隨著右轉(zhuǎn)的角度增大,振動不衰減,有持續(xù)振動源輸入。
圖4 底盤部件與制動器接觸
圖5 制動器接觸造成的傷痕
將車輛吊起檢查,右轉(zhuǎn)到底時,左側(cè)車輪由于制動盤與車架接觸(接觸圖如圖4、長期接觸造成的制動器磨損如圖5所示),造成自動剎車,左側(cè)車輪在不踩油門的情況下,人力難以旋轉(zhuǎn),踩油門時可以強(qiáng)行旋轉(zhuǎn);
檢查過程中發(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,不踩油門時候,其他車輪不轉(zhuǎn)動,右前方車輪出現(xiàn)自行轉(zhuǎn)動或者無規(guī)律的脈動;掛前進(jìn)擋/倒退檔,踩油門時候,其他車輪按照期望轉(zhuǎn)動,右前方車輪出現(xiàn)停止轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動,或者無規(guī)律的脈動;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,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)向過程受力分析
采用示意圖對車輪及車軸的受力情況進(jìn)行簡化分析。基于以上實驗過程及結(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,受力情況如圖7所示。其中,F(xiàn)為驅(qū)動力,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,受力情況為:
(2)當(dāng)燃料電池觀光車左轉(zhuǎn)時,受力情況為:
其中,M為車輛的電磁轉(zhuǎn)矩。
由以上計算得知,左轉(zhuǎn)時,實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,受力情況為:
由以上計算得知,左轉(zhuǎn)時,實際情況與理想情況間產(chǎn)生的力矩差為:
而對于車輛的轉(zhuǎn)向過程,都有:
根據(jù)以上分析,當(dāng) F=0,即用人力推動,不踩油門時,轉(zhuǎn)向無振動噪聲;當(dāng) F>0,即正常駕駛時,轉(zhuǎn)向時因右前輪轂電機(jī)輸出與駕駛期望不一致,產(chǎn)生相互作用與振動噪聲。分析得出的結(jié)論與實際實驗結(jié)果相同。
因此,經(jīng)過實驗及分析,初步判斷問題源于:電機(jī)輸入線長度不足,與懸架叉臂長期干涉(右轉(zhuǎn)時存在,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,可暫時消除右轉(zhuǎn)向時的驅(qū)動電機(jī)失控現(xiàn)象。
由于右側(cè)車輪長期的接觸不良、失控問題,造成的另一個結(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
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大時(較為顛簸路面)才會出現(xiàn)干涉,暫時可不處理。
(2)砂紙打磨左側(cè)車輪制動鉗,消除右轉(zhuǎn)到底時的自行制動。但此舉帶來的問題是,降低制動鉗的強(qiáng)度,造成局部應(yīng)力集中,影響行車安全,建議暫時不處理。
(3)以上兩個暫時不處理的問題的原因是右側(cè)車輪驅(qū)動電機(jī)電源線長期接觸不良,使得右側(cè)車輪與其余幾個車輪驅(qū)動情況不一致,并長期作用使底盤系統(tǒng)產(chǎn)生變形,應(yīng)該更改電源線的長度、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。
(4)還可以解決振動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)動功能,帶來的問題是影響整車的驅(qū)動性能。
(5)右側(cè)車輪出現(xiàn)10度左右的轉(zhuǎn)向誤差,是因為右側(cè)前輪電機(jī)長期不受控,與其他幾個電機(jī)的作用力造成的,建議優(yōu)化電機(jī)系統(tǒng)的同時重新調(diào)整右側(cè)車輪的角度。
觀光車底盤振動與異響的振動源是右側(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),長期錯誤運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)動電機(jī)系統(tǒng)連接件。
最終,為了簡單直接地一次性從根源解決問題,對燃料電池觀光車右前輪輪轂電機(jī)進(jìn)行了更換,振動與噪聲問題予以解決。