高速行駛方向盤擺振的魯棒性分析及優化

摘要：針對車輛高速行駛時產生的方向盤擺振問題，通過分析方向盤擺振機理和闡述魯棒性分析原理，提出一種大樣本下擺振響應分布和擺振響應量級分析相結合的方法進行研究。構建某皮卡車型底盤硬點、輪胎、懸架結構、懸架動剛度、轉向系統模型，并通過實測和CAE分析懸架模態驗證模型準確性，通過CAE對方向盤擺振問題的激勵源、傳遞路徑及響應進行研究，確定各部件對方向盤擺振的貢獻量，找出影響方向盤擺振的關鍵部件。最終通過優化方向盤轉動慣量以及轉向器阻尼參數，有效解決車輛高速行駛時的方向盤擺振問題，提升了問題控制魯棒性和駕乘舒適性。本研究對于方向盤擺振問題的前期設計規避和后期優化思路具有重要的參考意義。

關鍵詞：方向盤擺振；魯棒性分析；方向盤慣量；轉向器阻尼

中圖分類號：U463.4 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.10.005

文章編號：1006-0316 （2024） 10-0037-07

Robustness Analysis and Optimization of Steering Wheel Nibble during High-Speed Driving

LIN Sheng1，2，LIU Senhai1，ZHONG Chengping1，2，GUAN Yongxue1，2，XU Wenjing1，YIN Ruoyu1，2

（ 1. Jiangling Motors Co.， Ltd.， Nanchang 330001， China;

2. Jiangxi Vehicle Noise and Vibration Key Lab.， Nanchang 330001， China ）

Abstract：In response to the steering wheel nibble problem caused by high-speed driving of vehicles， this paper proposes a method that combines the distribution of nibble response under large sample size and the analysis of nibble response magnitude. The mechanism of steering wheel nibble is analyzed and the principle of robustness analysis is explained. A chassis hard point， tire， suspension structure， suspension dynamic stiffness， and steering system model of a certain pickup truck model is constructed. The accuracy of the model is verified through actual measurement and CAE analysis of suspension modes. The excitation source， transmission path， and response of the steering wheel nibble problem are studied， and the contribution of each component to steering wheel nibble is determined. The key components that affect steering wheel nibble are identified. Finally， by optimizing the steering wheel moment of inertia and steering gear damping parameters， the problem of steering wheel nibble during high-speed driving is effectively solved， which improves the robustness of problem control and enhances driving comfort. This study provides important reference for the early design avoidance and later optimization ideas of steering wheel nibble problems.

Key words：steering wheel nibble；robustness analysis；steering wheel inertia；steering gear damping

隨著我國高速公路的飛速發展以及汽車應用的普及，汽車在高速行駛過程中的振動問題越來越引起消費者的重視，其中方向盤擺振是汽車高速行駛過程中的常見問題之一。方向盤是駕駛員直接接觸的部位，其振動大小是汽車NVH（Noise， Vibration， Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）品質的重要因素[1]。其中以輕型商用車液壓助力轉向系統引發的NVH問題尤為突出，不僅會影響駕駛員的主觀舒適性，而且會影響操縱穩定性和行車安全，因此解決方向盤擺振問題尤為重要。

Kim等[2]研究了輪胎動不平衡、滾動相位差、均一性和胎壓等對方向盤擺振的影響。Yu等[3]通過對底盤系統建模的方法研究了車輛底盤傳遞特性，進而分析方向盤的擺振。Wu等[4]采用動力學方法研究了方向盤擺振的影響。Pahwa等[5]采用多體動力學方法研究了方向盤擺振的影響。譚萬軍等[6]運用ODS（Operational Deflection Shape，工作變形分析）與試驗模態分析方法，研究方向盤振動的激勵源、傳遞路徑及轉向系統的結構弱點，為改善方向盤振動提供了方法。胡朝輝等[7]采用底盤轉向節處的加速度頻譜為激勵，通過CAE（Computer-Aided Engineering，計算機輔助工程）手段優化方向盤抖動問題。張哲愷等[8]應用序列二次規劃法對方向盤擺振進行了優化。田紹軍等[9]研究了配置麥弗遜前懸架和齒輪齒條轉向器車型底盤各部件特性對方向盤擺振的影響。

方向盤擺振問題是一個涉及到多個系統結構、參數以及生產制造偏差的系統性工程。目前行業內主要分析擺振響應量級，很少考慮大樣本下擺振的響應分布情況。因此，本文提出響應量級和擺振響應分布相結合的分析方法，通過魯棒性分析方法對源、傳遞路徑及響應的相關零部件進行優化分析。

1 方向盤高速擺振機理分析

1.1 方向盤高速擺振原理

方向盤擺振主要由路面激勵引起。路面及車輪總成是激勵源，懸架及轉向系統是傳遞路徑，主要通過“轉向節－轉向拉桿－轉向器－轉向管柱”及“轉向節－下擺臂－車架橫梁－轉向器－轉向管柱”兩條路徑進行傳遞，如圖1所示。若傳遞路徑上底盤某系統的固有頻率與激勵頻率存在耦合，會進一步加劇方向盤的擺振。因此，方向盤擺振問題是一個綜合性的系統問題，涉及的零部件較多，需要對底盤系統零部件的傳遞特性以及貢獻量進行分析。

1.2 方向盤高速擺振魯棒性分析

魯棒性分析的目的是確保系統能夠在非理想條件下正常運行，并且能夠處理意外和極端情況。按照分析的層次，其可以分為：①針對環境參數的魯棒性分析，②針對模型參數的魯棒性分析，③針對方法模型的魯棒性分析[10]。模型參數的魯棒性是指模型在面對輸入數據的不確定性或輸入發生變化時，仍能保持其性能和準確性的能力。

由于輪胎激勵隨機性較大，且底盤傳遞路徑復雜，因此采用模型參數的魯棒性分析方法研究方向盤擺振問題是一個較好的方向。

魯棒性優化問題的定義為：

（1）

式中： ，為決策向量； 為解的最優性； ，為擾動向量；n為決策向量的維數； 為可行性空間。

魯棒性優化的目的就是尋找X'，以使式（1）達到最優。魯棒性分析的意義在于尋找最優方案的同時，克服不確定因素的影響，獲得穩定的中立方案[11]。

本文結合針對模型參數的魯棒性分析方法和CAE仿真，對方向盤擺振問題進行優化分析，分析流程如圖2所示。

2方向盤高速擺振控制方法

2.1 源頭控制[12]

方向盤擺振的激勵源為輪胎。通過控制輪胎動不平衡和輪胎均勻性，可以優化方向盤擺振問題。目前主機廠對輪胎動不平衡量均按照較低的水平進行控制，但在輪胎行駛一定里程數后，動平衡會發生變化，方向盤仍有擺振風險，所以目前從輪胎上控制方向盤擺振有一定的難度。而輪胎的均勻性主要包括力的均勻性和尺寸的均勻性。輪胎力包括輪胎徑向力和切向力。徑向力偏差及一次諧波產生徑向力波動，引發車輪垂向抖動；切向力偏差及一次諧波產生切向波動力波動，引發車輪縱向抖動。尺寸的均勻性主要是對輪胎徑向尺寸偏差和側向尺寸偏差進行控制。

2.2 傳遞路徑控制[13]

方向盤擺振的傳遞路徑為懸架及轉向系統部件，其中懸架的影響參數主要包括轉向梯形臂、主銷臂的長度和襯套剛度。轉向梯形臂的長度需要控制在一個合理的范圍內，同時兼顧方向盤擺振和最小轉彎半徑、轉向傳動比等。主銷臂的長度同樣需要控制在一個合理的范圍內，同時兼顧方向盤擺振和轉向回正、彎道轉矩增益及高速直線轉向調控。因此在開發階段會對轉向梯形臂、主銷臂的長度進行定義。襯套剛度則是在實車調教中進行驗證。

轉向器作為方向盤擺振的重要傳遞介質，需要在轉向器的阻尼以及轉向扭轉剛度等方面進行研究，從而達到降低方向盤擺振的目的。

2.3 響應控制

轉向系統包括HPS（Hydraulic Power Steering，液壓助力系統）和EPS（Electric Power Steering，電動助力轉向系統）。EPS車型可以通過軟件參數進行擺振補償，有效解決高速行駛等工況下的方向盤擺振問題[14]；而HPS車型無法通過軟件參數進行擺振補償，需要通過優化方向盤結構、方向盤模態、方向盤慣量等方法降低方向盤本身的靈敏度，從而在響應上降低高速行駛過程中方向盤的擺振。

3 實際案例分析

3.1 問題診斷

某皮卡研發樣車在以100～120 km/h高速直線行駛時主觀感受方向盤存在明顯擺振，嚴重影響駕駛感受，且存在安全隱患。針對該問題，本文進行了方向盤的擺振測試。如圖3所示，在方向盤6點及12點位置布置振動傳感器，兩個傳感器的橫向方向相同。計算：

（2）

式中：N為方向盤擺振幅值；A1為12點位置傳感器的橫向振動；A2為6點位置傳感器的橫向振動。

進行50～140 km/h的勻速工況測試，得到方向盤擺振幅值隨車速的變化曲線，如圖4所示。可以看出，在車速為100～120 km/h時，方向盤擺振幅值增大明顯，與主觀感受表現一致。對120 km/h車速下方向盤的振動數據進行頻域處理，如圖5所示，可以看出，方向盤振動最大頻率為13.5 Hz。

3.2 CAE模型建立與對標

根據方向盤高速擺振魯棒性分析方法，需要對整車進行精準建模。如圖6所示，構建底盤硬點、輪胎、懸架結構、懸架動剛度、轉向系統模型等，保證CAE模型狀態與實車一致。

仿真分析之前，為確認模型搭建的準確性，需要對CAE整車模型進行對標。本文通過整車模態分析與實車測試結果進行對標。由于方向盤擺振的頻率主要和懸架系統的模態相關，于是首先得到前懸異相位模態頻率仿真結果和實測模態結果，如圖7所示，分別為13.86 Hz和13.80 Hz，二者誤差小于1%，因此認為該整車模型搭建準確，可以支持仿真分析。

3.3 方向盤擺振仿真計算

在整車仿真分析模型中輸入輪胎的激勵載荷，涵蓋輪胎徑向和垂向的一階力和力矩，簡化輪胎模型，假設徑向力在整個頻率范圍內恒定、垂向力隨頻率的平方而變化[15]，計算如下：

（3）

式中：F為輪胎的垂向力；M為輪胎的垂向力矩；m為輪胎的動不平衡量；R為輪胎的轉動半徑； 為角加速度；L為胎寬。

在整車仿真分析模型中輸入輪胎激勵載荷及制動盤最大DTV（Dynamic Torque Vectoring AWD，動態扭矩矢量控制四驅系統）值，采用標準靈敏度工況進行整車分析，最終得到擺振響應量級，目標小于44 mm/s；基于3sigma的輪胎激勵載荷，對標準工況載荷進行隨機離散抽樣，最終分析得到擺振響應分布，目標小于20 mm/s。本文離散樣本數量為500，當超過客觀目標值的車輛數小于樣本量總數的5%，則認為符合要求。對該車型基礎狀態進行分析，如圖8所示，該車型超過目標20 mm/s的樣本數為34＋14＋9＋5＝62個，該車型超過目標比例為62/500＝12.4%。

3.4 貢獻量分析

貢獻量分析通常是指在統計學、經濟學、管理學等領域中，評估不同因素或變量對某個結果或目標的貢獻程度的一種分析方法[16]。以基于項目制定的最大輪胎不平衡量作為激勵，對方向盤擺振進行單個樣本響應分析。采用HyperStudy進行多變量貢獻量分析，通過貢獻量分析尋找篩選影響擺振響應的主要因子。基于項目可以變更的范圍，研究了方向盤質量、轉向器阻尼、輪胎動平衡等參數，如圖9所示。可以看出，方向盤質量和轉向器阻尼對方向盤擺振的影響最大。

3.5 優化分析

基于上述分析，分別單獨對轉向器加大阻尼方案以及方向盤增大慣量方案進行多樣本分析。發現單個優化方案對于方向盤擺振存在一定的優化效果，但其結果超過目標的樣本量皆未達到5%以內，仍不符合目標要求。因此同時實施轉向器加大阻尼方案和方向盤增大慣量方案，進行多樣本分析，如圖10所示，結果超過目標的樣本量由12.4%降為2.2%，滿足小于樣本量5%的目標要求。

4 試驗驗證

根據仿真分析結果可知，轉向器加大阻尼方案和方向盤增大慣量方案對方向盤擺振有著良好的優化效果，且兩者的組合方案分析結果符合目標要求。分別對車輛的基礎狀態、轉向器加大阻尼方案狀態、方向盤增大慣量方案狀態及兩者的組合方案狀態進行實車測試，每個狀態在車速110～130 km/h區間內測試15組。

轉向器加大阻尼方案通過優化轉向器的轉閥等效實現。如圖11所示，主要變更為轉閥的刃口寬度尺寸縮短，由原來的0.19 mm優化至0.16 mm，使相同壓力差下流速變大，阻力隨之變大，轉閥轉動小角度就能產生原來需轉動更大角度才能產生的壓力。方向盤增大慣量方案主要是通過優化方向盤骨架結構實現。在方向盤骨架背面增加260 g配重條，方向盤轉動慣量由原來的30 g·m2提升至34 g·m2。

實車測試結果如圖12、表1所示。

轉向器加大阻尼和方向盤增大慣量的組合方案對皮卡高速方向盤擺振優化效果明顯。采用該方案進行工程化實施，批量試制車輛再無出現高速方向盤擺振，該問題得到有效解決。

IN為油液入口。

5 結論

針對皮卡高速行駛方向盤擺振問題，采用大樣本下擺振響應分布和擺振響應量級分析相結合的方法，分別從激勵源、傳遞路徑、響應進行貢獻量分析及研究，得出以下結論：

（1）轉向器刃口寬度尺寸縮短可以與轉向器加大阻尼等效，減少刃口寬度尺寸可以有效降低方向盤的擺振。

（2）增大方向盤慣量可以有效降低方向盤擺振的響應。

（3）大樣本下擺振響應分布和擺振響應量級分析相結合的方法可以更全面地評估方向盤擺振問題，提高開發的魯棒性。

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