轿车高速行驶方向盘摆振控制与工程应用

轿车高速行驶方向盘摆振控制与工程应用贾小利;张军;闵福江;赵立峰;宫世超【摘要】研究高速行驶方向盘摆振机理，控制策略，识别与测试方法。

根据实际工程问题，建立某摆振车辆的多体仿真模型，分析方向盘摆振的影响因素及优化措施。

为确定传递路径上各影响因素对摆振的影响程度，开展方向盘摆振对影响因素的灵敏度分析，结果表明前摆臂后衬套刚度、前摆臂前衬套刚度、副车架后衬套刚度是影响摆振的敏感因子。

通过DOE正交试验优化系统衬套参数，该车方向盘摆振幅值降低近52%，有效地抑制摆振现象。

最后开展实车道路试验，验证仿真分析的准确性。

该研究提供一套行之有效的高速方向盘摆振控制方法，并取得良好的工程应用效果。

%The steering wheel nibble mechanism of vehicles at high speeds and the corresponding control strategy, identification and measurement methodology were studied. According to the practical engineering problem, a multi-body dynamics model for nibble simulation in a problematic vehicle was established. The influencing factors and the optimization measures for the steering wheel nibble were analyzed. In order to determine the contribution of the influencing factors to the nibble in the transfer paths, the sensitivity of the steering wheel nibble to the influencing factors were investigated. The results show that the rear bushing stiffness and the front bushing stiffness of the front control arm, and the rear bushing stiffness of the sub-frame are the sensitivity factors which influence the steering wheel nibble. Optimizing bushing stiffness parameters through DOE approach, the magnitude of the steering wheel nibble of the problematic vehicle was reduced by 52 %, and the nibblephenomenon was effectively suppressed. Finally, a road test was done for the vehicle and the correctness of the simulation analysis was verified. This study provides an effective approach for controlling steering wheel nibble of vehicles.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P228-232)【关键词】振动与波;方向盘摆振;轮胎不平衡;多体动力学;衬套刚度;试验设计【作者】贾小利;张军;闵福江;赵立峰;宫世超【作者单位】长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆 401120; 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120;长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆 401120; 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆401120;长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆 401120; 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120;长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆 401120; 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120;长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院，重庆 401120; 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120【正文语种】中文【中图分类】TB53;U467.4+92方向盘摆振是指方向盘在特定的车速下发生的持续回转摆动或振动。

它是一种非常有害而又普遍的振动现象，不仅严重影响整车的NVH性能，引起客户抱怨，对汽车的操纵稳定性、安全性等也有一定的负面影响，严重时甚至会引发安全事故。

对摆振的研究多从激励源及影响因素展开，Mahindra等人在ADAMS中建立整车模型，提出在轮胎上加不平衡质量会引起方向盘摆振[1]。

Jinghong YU等人建立底盘系统模型，分析了底盘对轮胎不平衡激励等引起的振动传递特性[2]。

谭万军等人基于ODS与试验模态对方向盘摆振开展优化[3]。

张永利等人分析了摆振的影响因素，确定引起方向盘产生摆振的问题部件，并对其进行优化[4]。

对摆振的研究虽然取得了一些成果，但如何在设计初期实现对摆振的预测，如何在摆振控制过程中降低成本，仍需进一步的研究。

针对轿车高速行驶方向盘摆振问题，研究摆振机理，制定摆振控制策略，提出摆振识别及测试方法。

并根据实际工程问题，建立摆振车辆多体仿真模型，通过灵敏度分析及DOE正交试验设计优化衬套参数，抑制摆振现象，最后通过道路试验验证仿真分析的准确性。

将试验与多体仿真有机结合，提供了一套行之有效的方向盘摆振控制方法，降低了试验成本，缩短了开发周期。

该研究可用于项目前期的摆振风险预测，指导车辆设计，也可用于快速解决项目后期摆振难题，具有较大的应用价值。

1 方向盘高速摆振机理分析与摆振识别方向盘摆振通常是指方向盘周向振动，由激励源与传递路径综合作用产生。

激励源的激励经由悬架系统、车体结构等，传递至转向系统，最终到达方向盘，引发方向盘摆振。

根据激励源及传递路径建立的轿车高速行驶方向盘摆振机理如图1所示。

图1 高速行驶方向盘摆振机理示意图1.1激励源分析方向盘摆振的激励源主要包括发动机激励及轮胎-路面激励。

发动机工作转速一般为600 r/min～6 000 r/min，发动机激励一般以点火阶次为主。

如四冲程四缸发动机，其激励以二阶激励为主，频率范围为20 Hz～200 Hz。

轮胎—路面激励主要由轮胎的不平衡引起。

轮胎—路面激励频率的近似公式式中f Road为路面对轮胎的激励频率，V为汽车行驶的车速，R为轮胎半径，N为路面激励的阶次。

发动机激励的控制主要通过悬置系统隔振实现。

轮胎－路面引发的方向盘摆振问题，激励源的控制主要包括两方面：一是控制路面不平度，二是控制轮胎不平衡及均匀性。

因路面难以控制，要控制激励源必须严格控制轮胎的不平衡，但满足要求的轮胎成本高，成本低的轮胎动平衡难以控制。

且轮胎即使满足要求，使用一段时间后，仍有摆振风险。

所以从激励源上控制方向盘摆振有一定的难度，本文主要研究从传递路径上加以控制。

1.2传递路径分析引起高速行驶方向盘摆振的主要传递路径包括：（1）悬架系统：轮胎—路面激励通过车轮心轴传递给悬架系统，诱发悬架系统振动(共振等)，再通过车身或转向节传递至转向系统及方向盘。

（2）悬置系统：发动机激励通过悬置系统将振动传递至车身或车架，最终到达方向盘。

（3）传动系统：路面轮胎激励或者发动机激励经传动轴将振动传递至转向节，最终传递至转向系统及方向盘。

方向盘摆振传递路径的控制主要包括两个方面：一是控制传递路径上部件及系统的模态，实现部件模态频率与激励频率解耦；二是提升系统隔振能力，主要是调整衬套刚度、阻尼参数等。

1.3方向盘摆振控制策略依据方向盘摆振机理，结合摆振影响因素，制定方向盘摆振的控制流程图（图2）。

当发生方向盘摆振现象时，首先进行方向盘振动特征分析，识别诱发摆振的原因，进而从激励源，传递路径及系统灵敏度等方面进行控制，优化摆振问题。

图2 高速行驶方向盘摆振控制流程图1.4方向盘摆振识别与测试方法方向盘摆振通常是指方向盘周向振动，而抖振通常指方向盘径向振动。

分析摆振时应将二者加以区别。

测试方向盘摆振时，通常在方向盘9点钟及12点钟位置各布置一个振动传感器，分别测试其加速度值。

图3为方向盘摆振识别图。

方向盘摆振幅值为图3中两传感器加速度响应的矢量差。

摆振幅值计算公式如下图3 方向盘摆振识别图摆振幅值式中A→(t)1为传感器1的加速度响应矢量值；A(→t)2为传感器2的加速度响应矢量值。

2 工程应用实例2.1方向盘摆振问题诊断对某款轿车开展主观评价，发现在中高速（100 km/h左右）匀速行驶时方向盘出现明显摆振现象。

驾驶员有种不能完全掌控方向盘的感觉，严重影响了该车的NVH性能及行驶安全性。

本文在方向盘圆周方向3点钟、6点钟、9点钟及12点钟位置布置振动传感器（图4），开展50 km/h～120 km/h匀速工况测试。

图5为方向盘摆振幅值随车速变化曲线。

图4 方向盘测点位置布置图测试结果显示：在80 km/h～100 km/h时，方向盘摆振幅值明显增大，与主观评价方向盘发生摆振现象的车速吻合。

80 km/h、90 km/h、100 km/h匀速行驶时，问题频率分别为：12 Hz、13.3 Hz、15.1 Hz。

该轿车所配置轮胎型号为：185/60 R15，由公式（1）计算得到轮胎1阶激励频率，各车速下激励频率与问题频率基本吻合（表1）。

由此判断方向盘振动大与轮胎激励相关。

由于摆振影响因素多，传递路径复杂，且涉及摆振问题的轮胎、底盘、转向系统的参数调节及在整车上更换均不容易进行。

单纯使用试验手段优化摆振成本高，周期长。

本文借助仿真的方法进行分析，降低试验成本，缩短开发周期。

图5 方向盘摆振幅值随车速的变化曲线表1 问题频率与轮胎1阶激励频率对照表2.2多体仿真分析模型的应用激励源振动由轮胎经悬架系统、车架或车身传递至转向系统，最终到达方向盘，引起方向盘振动。

本文以多体动力学理论[5, 6]为依据，在ADAMS中建立某乘用车方向盘摆振的激励源—传递路径—响应分析模型(图6)。

模型中包含激励源（轮胎）、传递路径上部件（麦弗逊式前悬架、扭力梁式后悬架、转向系统、车身、副车架）、响应（方向盘）。

为研究实车行驶摆振，将部件装配成整车，根据实车数据，调整整车质量、质心位置及前后轴荷分布，确保整车状态与试验时车辆状态基本一致。