高速行驶方向盘摆振的鲁棒性分析及优化

摘要：针对车辆高速行驶时产生的方向盘摆振问题，通过分析方向盘摆振机理和阐述鲁棒性分析原理，提出一种大样本下摆振响应分布和摆振响应量级分析相结合的方法进行研究。构建某皮卡车型底盘硬点、轮胎、悬架结构、悬架动刚度、转向系统模型，并通过实测和CAE分析悬架模态验证模型准确性，通过CAE对方向盘摆振问题的激励源、传递路径及响应进行研究，确定各部件对方向盘摆振的贡献量，找出影响方向盘摆振的关键部件。最终通过优化方向盘转动惯量以及转向器阻尼参数，有效解决车辆高速行驶时的方向盘摆振问题，提升了问题控制鲁棒性和驾乘舒适性。本研究对于方向盘摆振问题的前期设计规避和后期优化思路具有重要的参考意义。

关键词：方向盘摆振；鲁棒性分析；方向盘惯量；转向器阻尼

中图分类号：U463.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.10.005

文章编号：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

随着我国高速公路的飞速发展以及汽车应用的普及，汽车在高速行驶过程中的振动问题越来越引起消费者的重视，其中方向盘摆振是汽车高速行驶过程中的常见问题之一。方向盘是驾驶员直接接触的部位，其振动大小是汽车NVH（Noise， Vibration， Harshness，噪声、振动与声振粗糙度）品质的重要因素[1]。其中以轻型商用车液压助力转向系统引发的NVH问题尤为突出，不仅会影响驾驶员的主观舒适性，而且会影响操纵稳定性和行车安全，因此解决方向盘摆振问题尤为重要。

Kim等[2]研究了轮胎动不平衡、滚动相位差、均一性和胎压等对方向盘摆振的影响。Yu等[3]通过对底盘系统建模的方法研究了车辆底盘传递特性，进而分析方向盘的摆振。Wu等[4]采用动力学方法研究了方向盘摆振的影响。Pahwa等[5]采用多体动力学方法研究了方向盘摆振的影响。谭万军等[6]运用ODS（Operational Deflection Shape，工作变形分析）与试验模态分析方法，研究方向盘振动的激励源、传递路径及转向系统的结构弱点，为改善方向盘振动提供了方法。胡朝辉等[7]采用底盘转向节处的加速度频谱为激励，通过CAE（Computer-Aided Engineering，计算机辅助工程）手段优化方向盘抖动问题。张哲恺等[8]应用序列二次规划法对方向盘摆振进行了优化。田绍军等[9]研究了配置麦弗逊前悬架和齿轮齿条转向器车型底盘各部件特性对方向盘摆振的影响。

方向盘摆振问题是一个涉及到多个系统结构、参数以及生产制造偏差的系统性工程。目前行业内主要分析摆振响应量级，很少考虑大样本下摆振的响应分布情况。因此，本文提出响应量级和摆振响应分布相结合的分析方法，通过鲁棒性分析方法对源、传递路径及响应的相关零部件进行优化分析。

1 方向盘高速摆振机理分析

1.1 方向盘高速摆振原理

方向盘摆振主要由路面激励引起。路面及车轮总成是激励源，悬架及转向系统是传递路径，主要通过“转向节－转向拉杆－转向器－转向管柱”及“转向节－下摆臂－车架横梁－转向器－转向管柱”两条路径进行传递，如图1所示。若传递路径上底盘某系统的固有频率与激励频率存在耦合，会进一步加剧方向盘的摆振。因此，方向盘摆振问题是一个综合性的系统问题，涉及的零部件较多，需要对底盘系统零部件的传递特性以及贡献量进行分析。

1.2 方向盘高速摆振鲁棒性分析

鲁棒性分析的目的是确保系统能够在非理想条件下正常运行，并且能够处理意外和极端情况。按照分析的层次，其可以分为：①针对环境参数的鲁棒性分析，②针对模型参数的鲁棒性分析，③针对方法模型的鲁棒性分析[10]。模型参数的鲁棒性是指模型在面对输入数据的不确定性或输入发生变化时，仍能保持其性能和准确性的能力。

由于轮胎激励随机性较大，且底盘传递路径复杂，因此采用模型参数的鲁棒性分析方法研究方向盘摆振问题是一个较好的方向。

鲁棒性优化问题的定义为：

（1）

式中： ，为决策向量； 为解的最优性； ，为扰动向量；n为决策向量的维数； 为可行性空间。

鲁棒性优化的目的就是寻找X'，以使式（1）达到最优。鲁棒性分析的意义在于寻找最优方案的同时，克服不确定因素的影响，获得稳定的中立方案[11]。

本文结合针对模型参数的鲁棒性分析方法和CAE仿真，对方向盘摆振问题进行优化分析，分析流程如图2所示。

2方向盘高速摆振控制方法

2.1 源头控制[12]

方向盘摆振的激励源为轮胎。通过控制轮胎动不平衡和轮胎均匀性，可以优化方向盘摆振问题。目前主机厂对轮胎动不平衡量均按照较低的水平进行控制，但在轮胎行驶一定里程数后，动平衡会发生变化，方向盘仍有摆振风险，所以目前从轮胎上控制方向盘摆振有一定的难度。而轮胎的均匀性主要包括力的均匀性和尺寸的均匀性。轮胎力包括轮胎径向力和切向力。径向力偏差及一次谐波产生径向力波动，引发车轮垂向抖动；切向力偏差及一次谐波产生切向波动力波动，引发车轮纵向抖动。尺寸的均匀性主要是对轮胎径向尺寸偏差和侧向尺寸偏差进行控制。

2.2 传递路径控制[13]

方向盘摆振的传递路径为悬架及转向系统部件，其中悬架的影响参数主要包括转向梯形臂、主销臂的长度和衬套刚度。转向梯形臂的长度需要控制在一个合理的范围内，同时兼顾方向盘摆振和最小转弯半径、转向传动比等。主销臂的长度同样需要控制在一个合理的范围内，同时兼顾方向盘摆振和转向回正、弯道转矩增益及高速直线转向调控。因此在开发阶段会对转向梯形臂、主销臂的长度进行定义。衬套刚度则是在实车调教中进行验证。

转向器作为方向盘摆振的重要传递介质，需要在转向器的阻尼以及转向扭转刚度等方面进行研究，从而达到降低方向盘摆振的目的。

2.3 响应控制

转向系统包括HPS（Hydraulic Power Steering，液压助力系统）和EPS（Electric Power Steering，电动助力转向系统）。EPS车型可以通过软件参数进行摆振补偿，有效解决高速行驶等工况下的方向盘摆振问题[14]；而HPS车型无法通过软件参数进行摆振补偿，需要通过优化方向盘结构、方向盘模态、方向盘惯量等方法降低方向盘本身的灵敏度，从而在响应上降低高速行驶过程中方向盘的摆振。

3 实际案例分析

3.1 问题诊断

某皮卡研发样车在以100～120 km/h高速直线行驶时主观感受方向盘存在明显摆振，严重影响驾驶感受，且存在安全隐患。针对该问题，本文进行了方向盘的摆振测试。如图3所示，在方向盘6点及12点位置布置振动传感器，两个传感器的横向方向相同。计算：

（2）

式中：N为方向盘摆振幅值；A1为12点位置传感器的横向振动；A2为6点位置传感器的横向振动。

进行50～140 km/h的匀速工况测试，得到方向盘摆振幅值随车速的变化曲线，如图4所示。可以看出，在车速为100～120 km/h时，方向盘摆振幅值增大明显，与主观感受表现一致。对120 km/h车速下方向盘的振动数据进行频域处理，如图5所示，可以看出，方向盘振动最大频率为13.5 Hz。

3.2 CAE模型建立与对标

根据方向盘高速摆振鲁棒性分析方法，需要对整车进行精准建模。如图6所示，构建底盘硬点、轮胎、悬架结构、悬架动刚度、转向系统模型等，保证CAE模型状态与实车一致。

仿真分析之前，为确认模型搭建的准确性，需要对CAE整车模型进行对标。本文通过整车模态分析与实车测试结果进行对标。由于方向盘摆振的频率主要和悬架系统的模态相关，于是首先得到前悬异相位模态频率仿真结果和实测模态结果，如图7所示，分别为13.86 Hz和13.80 Hz，二者误差小于1%，因此认为该整车模型搭建准确，可以支持仿真分析。

3.3 方向盘摆振仿真计算

在整车仿真分析模型中输入轮胎的激励载荷，涵盖轮胎径向和垂向的一阶力和力矩，简化轮胎模型，假设径向力在整个频率范围内恒定、垂向力随频率的平方而变化[15]，计算如下：

（3）

式中：F为轮胎的垂向力；M为轮胎的垂向力矩；m为轮胎的动不平衡量；R为轮胎的转动半径； 为角加速度；L为胎宽。

在整车仿真分析模型中输入轮胎激励载荷及制动盘最大DTV（Dynamic Torque Vectoring AWD，动态扭矩矢量控制四驱系统）值，采用标准灵敏度工况进行整车分析，最终得到摆振响应量级，目标小于44 mm/s；基于3sigma的轮胎激励载荷，对标准工况载荷进行随机离散抽样，最终分析得到摆振响应分布，目标小于20 mm/s。本文离散样本数量为500，当超过客观目标值的车辆数小于样本量总数的5%，则认为符合要求。对该车型基础状态进行分析，如图8所示，该车型超过目标20 mm/s的样本数为34＋14＋9＋5＝62个，该车型超过目标比例为62/500＝12.4%。

3.4 贡献量分析

贡献量分析通常是指在统计学、经济学、管理学等领域中，评估不同因素或变量对某个结果或目标的贡献程度的一种分析方法[16]。以基于项目制定的最大轮胎不平衡量作为激励，对方向盘摆振进行单个样本响应分析。采用HyperStudy进行多变量贡献量分析，通过贡献量分析寻找筛选影响摆振响应的主要因子。基于项目可以变更的范围，研究了方向盘质量、转向器阻尼、轮胎动平衡等参数，如图9所示。可以看出，方向盘质量和转向器阻尼对方向盘摆振的影响最大。

3.5 优化分析

基于上述分析，分别单独对转向器加大阻尼方案以及方向盘增大惯量方案进行多样本分析。发现单个优化方案对于方向盘摆振存在一定的优化效果，但其结果超过目标的样本量皆未达到5%以内，仍不符合目标要求。因此同时实施转向器加大阻尼方案和方向盘增大惯量方案，进行多样本分析，如图10所示，结果超过目标的样本量由12.4%降为2.2%，满足小于样本量5%的目标要求。

4 试验验证

根据仿真分析结果可知，转向器加大阻尼方案和方向盘增大惯量方案对方向盘摆振有着良好的优化效果，且两者的组合方案分析结果符合目标要求。分别对车辆的基础状态、转向器加大阻尼方案状态、方向盘增大惯量方案状态及两者的组合方案状态进行实车测试，每个状态在车速110～130 km/h区间内测试15组。

转向器加大阻尼方案通过优化转向器的转阀等效实现。如图11所示，主要变更为转阀的刃口宽度尺寸缩短，由原来的0.19 mm优化至0.16 mm，使相同压力差下流速变大，阻力随之变大，转阀转动小角度就能产生原来需转动更大角度才能产生的压力。方向盘增大惯量方案主要是通过优化方向盘骨架结构实现。在方向盘骨架背面增加260 g配重条，方向盘转动惯量由原来的30 g·m²提升至34 g·m²。

实车测试结果如图12、表1所示。

转向器加大阻尼和方向盘增大惯量的组合方案对皮卡高速方向盘摆振优化效果明显。采用该方案进行工程化实施，批量试制车辆再无出现高速方向盘摆振，该问题得到有效解决。

IN为油液入口。

5 结论

针对皮卡高速行驶方向盘摆振问题，采用大样本下摆振响应分布和摆振响应量级分析相结合的方法，分别从激励源、传递路径、响应进行贡献量分析及研究，得出以下结论：

（1）转向器刃口宽度尺寸缩短可以与转向器加大阻尼等效，减少刃口宽度尺寸可以有效降低方向盘的摆振。

（2）增大方向盘惯量可以有效降低方向盘摆振的响应。

（3）大样本下摆振响应分布和摆振响应量级分析相结合的方法可以更全面地评估方向盘摆振问题，提高开发的鲁棒性。

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