關于車輛方向盤擺振的補償方法及補償系統研究

郭泉甬 喬斌 袁林 呂林 吳永飛 何友慶

摘 要：研究電動助力轉向系統對方向盤擺振補償的功能，通過對影響方向盤擺振因素的分解，當整車基本參數確定的情況下可以采用EPS進行擺振補償。通過擺振補償功能開發到某車型實車測試驗證，有效解決高速制動等工況下方向盤擺振問題。該研究為車輛方向盤擺振問題的解決提供采用EPS補償方式提供方法及系統。

關鍵詞：電動助力轉向系統 方向盤擺振 擺振補償 測試

Abstract：This paper studies the steering wheel shimmy compensation function of electric power steering system. Through the decomposition of the factors affecting the steering wheel shimmy， when the vehicle basic parameters are determined， EPS can be used for shimmy compensation. The shimmy compensation function is developed and verified in a real vehicle， which can effectively solve the steering wheel shimmy problem under high-speed braking conditions. This study provides a method and system to solve the steering wheel shimmy problem by using EPS compensation.

Key words：electric power steering system， steering wheel shimmy， shimmy compensation， test

1 引言

近年來汽車行業高速蓬勃發展，人們對汽車燃油經濟性要求越來越高，越來越多的汽車裝配電動助力轉向系統（Electric Power System，簡稱EPS），該系統可使駕駛員操縱轉向更輕便，能及時準確地執行駕駛員轉向操縱指令，同時可以節省燃油，對環境更加友好。但是，車輛在行駛過程中遇到路面不平沖擊、輪胎偏磨、輪胎動平衡不正確、高速制動等情況下，路面激勵會通過懸架、轉向系統在固定頻率區間的放大作用而傳遞到響應端—方向盤，造成方向盤的振動（擺振）以及駕駛員視角和手感不舒適，從而引起駕駛員抱怨，影響駕乘體驗以及行車安全。

在以往的方向盤擺振問題的研究和解決中，主要分為擺振激勵源研究和激勵傳遞路徑的研究。最終多通過高阻尼的襯套來吸收車輪的振動、改變共振系統零部件的固有頻率等來減小方向盤的擺振，但車輛經長時間使用后因襯套老化等原因有可能再次發生方向盤擺振問題。本文著重介紹一種采用EPS開發方向盤擺振補償的功能。

2 影響方向盤擺振的因素

車輛方向盤產生擺振的影響因素有很多且較為復雜，主要影響系統有轉向系統、驅動系統、行駛系統等多系統中的一個零部件或多個零部件存在問題從而導致方向盤產生擺振。常見的擺振根據激勵源的不同，擺振又可以分為高速行駛擺振和制動擺振，兩者在激勵的傳遞路徑和振動的表現形式上具有極大的相似性，其中高速行駛擺振的激勵源是輪胎高速旋轉時產生的不一致性載荷，主要因行駛系統中的輪胎、制動盤的動不平衡，驅動系統中的傳動軸的動不平衡;制動擺振的激勵源主要是制動過程中的制動力矩波動，主要因制動盤的厚薄差（DTV）以及液壓制動管路中的液壓波動。

現裝配EPS的車型越來越多，故提出針對EPS系統開發一種車輛方向盤擺振的補償方法及補償系統，該系統具有持續性擺振檢測、快速擺振補償、可標定、無額外零部件成本增加等優勢。

3 EPS擺振補償功能開發

3.1 EPS擺振補償功能邏輯

EPS擺振補償功能在滿足方向盤擺振補償工作條件時，利用公式：Trt=K*Th，計算方向盤擺振抑制力矩Trt。其中，K為預設的抑制系數，Th為駕駛員施加在方向盤上的手力力矩。

判斷方向盤擺振抑制力矩Trt與預設的力矩閾值Tts（Tts>0）的大小，若Trt>Tts，則使方向盤擺振補償力矩Tcp=Tts，若Trt<-Tts，則使方向盤擺振補償力矩Tcp=-Tts，若|Trt|≤Tts（即若Trt的絕對值小于或等于Tts），則使方向盤擺振補償力矩Tcp=Trt。方向盤擺振補償力矩Tcp可能是正值也可能是負值，方向盤擺振補償力矩Tcp的正負表示其施加方向。

利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），計算方向盤擺振補償電流I。其中，U為整車電壓，G為預設的渦輪蝸桿減速機構傳動比，H為預設的機械傳動效率系數，n為EPS電機轉速。

根據方向盤擺振補償電流I和預設的補償施加時刻t生成電機控制指令，并控制EPS電機執行該電機控制指令，補償方向盤擺振。方向盤擺振補償電流I可能是正值也可能是負值，方向盤擺振補償電流I的正負表示其方向。

此時若方向盤擺振補償使能處于開啟狀態，且車速大于預設的車速閾值，且左前輪輪速和右前輪輪速都在預設的輪速范圍內，則表示滿足方向盤擺振補償工作條件。

預設的抑制系數K和所述預設的補償施加時刻t通過如下方式獲得：

第一步、在相應車型的車輛開發時進行方向盤擺振補償試驗，利用不同的抑制系數和不同的補償施加時刻兩個變量因子共同作用，得到不同的方向盤振動速度。

第二步、將不同的方向盤振動速度以及對應的抑制系數、補償施加時刻整理后，輸入Minitab軟件進行數據擬合處理，得到方向盤振動速度擬合公式：

V=A0-B0*K0-C0*t0+D0*K02-E0*t02+F0*K0*t0。其中，V為方向盤振動速度，K0為抑制系數，t0為補償施加時刻，A0、B0、C0、D0、E0、F0均為擬合得到的常數。

第三步、基于抑制系數K0的范圍為0～0.5，施加時刻t0的范圍為-180°～+180°，以及方向盤振動速度V的目標值為小于或等于預設的車型振動速度閾值，進行車輛在此目標值下的最優解計算，得到抑制系數的計算值和施加時刻的計算值。

第四步、將抑制系數的計算值作為所述預設的抑制系數K，將施加時刻的計算值作為所述預設的補償施加時刻t。

其中所述預設的車速閾值為70 km/h（可標定），所述預設的輪速范圍為8C～20C r/s（可標定）;其中，C為預設的輪胎周長。

3.2 EPS擺振補償具體實施方法

車輛方向盤擺振的補償方法，由EPS控制器執行，該補償方法包括：

第一步、判斷是否方向盤擺振補償使能處于開啟狀態，如果是，則執行第二步，否則結束。

第二步、判斷車速是否大于預設的車速閾值（預設的車速閾值可以根據不同的車型進行標定，本實施例中取值為70 km/h），如果是，則執行第三步，否則返回執行第一步。

第三步、判斷是否左前輪輪速和右前輪輪速都在預設的輪速范圍（預設的輪速范圍可以根據不同的車型進行標定，本實施例中取值為8C～20C r/s，C為預設的輪胎周長）內，如果是，則執行第四步，否則返回執行第一步。

第四步、利用公式：Trt=K*Th，計算方向盤擺振抑制力矩Trt，然后執行第五步。其中，K為預設的抑制系數，Th為駕駛員施加在方向盤上的手力力矩。

第五步、判斷方向盤擺振抑制力矩Trt是否大于預設的力矩閾值Tts（Tts>0），如果是，則執行第六步，否則執行第七步。

第六步、使方向盤擺振補償力矩Tcp= Tts，然后執行第十步。

第七步、判斷方向盤擺振抑制力矩Trt是否小于-Tts，如果是，則執行第八步，否則（即|Trt|≤Tts時）執行第九步。

第八步、使方向盤擺振補償力矩Tcp= -Tts，然后執行第十步。

第九步、使方向盤擺振補償力矩Tcp= Trt，然后執行第十步。

第十步、利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），計算方向盤擺振補償電流I，然后執行第十一步。其中，U為整車電壓，G為預設的渦輪蝸桿減速機構傳動比，H為預設的機械傳動效率系數，n為EPS電機轉速。

第十一步、根據方向盤擺振補償電流I和預設的補償施加時刻t生成電機控制指令，并控制EPS電機執行該電機控制指令，補償方向盤擺振，然后結束。

4 EPS擺振補償功能測試

某車型制動卡鉗采用單缸設計，在高速制動時方向盤產生擺振現象，依據表1制動振動主觀評價標準評價為6.25分，不滿足大于7分接受標準，若更改設計將會付出較大的成本代價，故采用EPS擺振補償功能進行振動抑制。

根據實車功能開發，抑制系數K=0.13，補償施加時刻t=106°。對某車型進行高速制動方向盤擺振主觀客觀測試，測試結果見表2。

通過測試結果可知，EPS擺振補償功能可以大幅減小高速制動時的方向盤擺振，提高駕駛舒適性。

5 結論

EPS擺振補償功能，利用抑制系數和駕駛員施加在方向盤上的手力力矩計算方向盤擺振抑制力矩，并與預設的力矩閾值進行比較，進而確定方向盤擺振補償力矩，在避免出現車輛極端情況的同時保證了補償力矩的準確性;車輛在遇到路面不平沖擊、輪胎偏磨、輪胎動平衡不正確、高速制動等情況下，路面激勵被通過EPS電機施加的該補償力矩抑制，從而減小了路面激勵帶來的手力波動，減小了方向盤擺振，提高了駕乘體驗和行車安全性。

參考文獻：

[1]張森，李龍，許春鐵.電動助力轉向系統阻尼測試及其對方向盤擺振抑制研究.中國汽車工程學會年會論文集.2019.923-926.

[2]王朝建，馬曉敏，鄭昌龍.某車型高速行駛方向盤擺振分析.測試試驗.2020（4）.139-141.

作者簡介

郭泉甬：（1992—），男，本科，從事汽車底盤產品研究與開發。