关于车辆方向盘摆振的补偿方法及补偿系统研究

郭泉甬 乔斌 袁林 吕林 吴永飞 何友庆

摘 要：研究电动助力转向系统对方向盘摆振补偿的功能，通过对影响方向盘摆振因素的分解，当整车基本参数确定的情况下可以采用EPS进行摆振补偿。通过摆振补偿功能开发到某车型实车测试验证，有效解决高速制动等工况下方向盘摆振问题。该研究为车辆方向盘摆振问题的解决提供采用EPS补偿方式提供方法及系统。

關键词：电动助力转向系统 方向盘摆振 摆振补偿 测试

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

近年来汽车行业高速蓬勃发展，人们对汽车燃油经济性要求越来越高，越来越多的汽车装配电动助力转向系统（Electric Power System，简称EPS），该系统可使驾驶员操纵转向更轻便，能及时准确地执行驾驶员转向操纵指令，同时可以节省燃油，对环境更加友好。但是，车辆在行驶过程中遇到路面不平冲击、轮胎偏磨、轮胎动平衡不正确、高速制动等情况下，路面激励会通过悬架、转向系统在固定频率区间的放大作用而传递到响应端—方向盘，造成方向盘的振动（摆振）以及驾驶员视角和手感不舒适，从而引起驾驶员抱怨，影响驾乘体验以及行车安全。

在以往的方向盘摆振问题的研究和解决中，主要分为摆振激励源研究和激励传递路径的研究。最终多通过高阻尼的衬套来吸收车轮的振动、改变共振系统零部件的固有频率等来减小方向盘的摆振，但车辆经长时间使用后因衬套老化等原因有可能再次发生方向盘摆振问题。本文着重介绍一种采用EPS开发方向盘摆振补偿的功能。

2 影响方向盘摆振的因素

车辆方向盘产生摆振的影响因素有很多且较为复杂，主要影响系统有转向系统、驱动系统、行驶系统等多系统中的一个零部件或多个零部件存在问题从而导致方向盘产生摆振。常见的摆振根据激励源的不同，摆振又可以分为高速行驶摆振和制动摆振，两者在激励的传递路径和振动的表现形式上具有极大的相似性，其中高速行驶摆振的激励源是轮胎高速旋转时产生的不一致性载荷，主要因行驶系统中的轮胎、制动盘的动不平衡，驱动系统中的传动轴的动不平衡;制动摆振的激励源主要是制动过程中的制动力矩波动，主要因制动盘的厚薄差（DTV）以及液压制动管路中的液压波动。

现装配EPS的车型越来越多，故提出针对EPS系统开发一种车辆方向盘摆振的补偿方法及补偿系统，该系统具有持续性摆振检测、快速摆振补偿、可标定、无额外零部件成本增加等优势。

3 EPS摆振补偿功能开发

3.1 EPS摆振补偿功能逻辑

EPS摆振补偿功能在满足方向盘摆振补偿工作条件时，利用公式：Trt=K*Th，计算方向盘摆振抑制力矩Trt。其中，K为预设的抑制系数，Th为驾驶员施加在方向盘上的手力力矩。

判断方向盘摆振抑制力矩Trt与预设的力矩阈值Tts（Tts>0）的大小，若Trt>Tts，则使方向盘摆振补偿力矩Tcp=Tts，若Trt<-Tts，则使方向盘摆振补偿力矩Tcp=-Tts，若|Trt|≤Tts（即若Trt的绝对值小于或等于Tts），则使方向盘摆振补偿力矩Tcp=Trt。方向盘摆振补偿力矩Tcp可能是正值也可能是负值，方向盘摆振补偿力矩Tcp的正负表示其施加方向。

利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），计算方向盘摆振补偿电流I。其中，U为整车电压，G为预设的涡轮蜗杆减速机构传动比，H为预设的机械传动效率系数，n为EPS电机转速。

根据方向盘摆振补偿电流I和预设的补偿施加时刻t生成电机控制指令，并控制EPS电机执行该电机控制指令，补偿方向盘摆振。方向盘摆振补偿电流I可能是正值也可能是负值，方向盘摆振补偿电流I的正负表示其方向。

此时若方向盘摆振补偿使能处于开启状态，且车速大于预设的车速阈值，且左前轮轮速和右前轮轮速都在预设的轮速范围内，则表示满足方向盘摆振补偿工作条件。

预设的抑制系数K和所述预设的补偿施加时刻t通过如下方式获得：

第一步、在相应车型的车辆开发时进行方向盘摆振补偿试验，利用不同的抑制系数和不同的补偿施加时刻两个变量因子共同作用，得到不同的方向盘振动速度。

第二步、将不同的方向盘振动速度以及对应的抑制系数、补偿施加时刻整理后，输入Minitab软件进行数据拟合处理，得到方向盘振动速度拟合公式：

V=A0-B0*K0-C0*t0+D0*K02-E0*t02+F0*K0*t0。其中，V为方向盘振动速度，K0为抑制系数，t0为补偿施加时刻，A0、B0、C0、D0、E0、F0均为拟合得到的常数。

第三步、基于抑制系數K0的范围为0～0.5，施加时刻t0的范围为-180°～+180°，以及方向盘振动速度V的目标值为小于或等于预设的车型振动速度阈值，进行车辆在此目标值下的最优解计算，得到抑制系数的计算值和施加时刻的计算值。

第四步、将抑制系数的计算值作为所述预设的抑制系数K，将施加时刻的计算值作为所述预设的补偿施加时刻t。

其中所述预设的车速阈值为70 km/h（可标定），所述预设的轮速范围为8C～20C r/s（可标定）;其中，C为预设的轮胎周长。

3.2 EPS摆振补偿具体实施方法

车辆方向盘摆振的补偿方法，由EPS控制器执行，该补偿方法包括：

第一步、判断是否方向盘摆振补偿使能处于开启状态，如果是，则执行第二步，否则结束。

第二步、判断车速是否大于预设的车速阈值（预设的车速阈值可以根据不同的车型进行标定，本实施例中取值为70 km/h），如果是，则执行第三步，否则返回执行第一步。

第三步、判断是否左前轮轮速和右前轮轮速都在预设的轮速范围（预设的轮速范围可以根据不同的车型进行标定，本实施例中取值为8C～20C r/s，C为预设的轮胎周长）内，如果是，则执行第四步，否则返回执行第一步。

第四步、利用公式：Trt=K*Th，计算方向盘摆振抑制力矩Trt，然后执行第五步。其中，K为预设的抑制系数，Th为驾驶员施加在方向盘上的手力力矩。

第五步、判断方向盘摆振抑制力矩Trt是否大于预设的力矩阈值Tts（Tts>0），如果是，则执行第六步，否则执行第七步。

第六步、使方向盘摆振补偿力矩Tcp= Tts，然后执行第十步。

第七步、判断方向盘摆振抑制力矩Trt是否小于-Tts，如果是，则执行第八步，否则（即|Trt|≤Tts时）执行第九步。

第八步、使方向盘摆振补偿力矩Tcp= -Tts，然后执行第十步。

第九步、使方向盘摆振补偿力矩Tcp= Trt，然后执行第十步。

第十步、利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），计算方向盘摆振补偿电流I，然后执行第十一步。其中，U为整车电压，G为预设的涡轮蜗杆减速机构传动比，H为预设的机械传动效率系数，n为EPS电机转速。

第十一步、根据方向盘摆振补偿电流I和预设的补偿施加时刻t生成电机控制指令，并控制EPS电机执行该电机控制指令，补偿方向盘摆振，然后结束。

4 EPS摆振补偿功能测试

某车型制动卡钳采用单缸设计，在高速制动时方向盘产生摆振现象，依据表1制动振动主观评价标准评价为6.25分，不满足大于7分接受标准，若更改设计将会付出较大的成本代价，故采用EPS摆振补偿功能进行振动抑制。

根据实车功能开发，抑制系数K=0.13，补偿施加时刻t=106°。对某车型进行高速制动方向盘摆振主观客观测试，测试结果见表2。

通过测试结果可知，EPS摆振补偿功能可以大幅减小高速制动时的方向盘摆振，提高驾驶舒适性。

5 结论

EPS摆振补偿功能，利用抑制系数和驾驶员施加在方向盘上的手力力矩计算方向盘摆振抑制力矩，并与预设的力矩阈值进行比较，进而确定方向盘摆振补偿力矩，在避免出现车辆极端情况的同时保证了补偿力矩的准确性;车辆在遇到路面不平冲击、轮胎偏磨、轮胎动平衡不正确、高速制动等情况下，路面激励被通过EPS电机施加的该补偿力矩抑制，从而减小了路面激励带来的手力波动，减小了方向盘摆振，提高了驾乘体验和行车安全性。

参考文献：

[1]张森，李龙，许春铁.电动助力转向系统阻尼测试及其对方向盘摆振抑制研究.中国汽车工程学会年会论文集.2019.923-926.

[2]王朝建，马晓敏，郑昌龙.某车型高速行驶方向盘摆振分析.测试试验.2020（4）.139-141.

作者简介

郭泉甬：（1992—），男，本科，从事汽车底盘产品研究与开发。