郭泉甬 喬斌 袁林 呂林 吳永飛 何友慶

摘 要：研究電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)方向盤擺振補(bǔ)償?shù)墓δ?，通過(guò)對(duì)影響方向盤擺振因素的分解，當(dāng)整車基本參數(shù)確定的情況下可以采用EPS進(jìn)行擺振補(bǔ)償。通過(guò)擺振補(bǔ)償功能開(kāi)發(fā)到某車型實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證，有效解決高速制動(dòng)等工況下方向盤擺振問(wèn)題。該研究為車輛方向盤擺振問(wèn)題的解決提供采用EPS補(bǔ)償方式提供方法及系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 方向盤擺振 擺振補(bǔ)償 測(cè)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(lái)汽車行業(yè)高速蓬勃發(fā)展，人們對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的汽車裝配電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power System，簡(jiǎn)稱EPS），該系統(tǒng)可使駕駛員操縱轉(zhuǎn)向更輕便，能及時(shí)準(zhǔn)確地執(zhí)行駕駛員轉(zhuǎn)向操縱指令，同時(shí)可以節(jié)省燃油，對(duì)環(huán)境更加友好。但是，車輛在行駛過(guò)程中遇到路面不平?jīng)_擊、輪胎偏磨、輪胎動(dòng)平衡不正確、高速制動(dòng)等情況下，路面激勵(lì)會(huì)通過(guò)懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在固定頻率區(qū)間的放大作用而傳遞到響應(yīng)端—方向盤，造成方向盤的振動(dòng)（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(yàn)以及行車安全。

在以往的方向盤擺振問(wèn)題的研究和解決中，主要分為擺振激勵(lì)源研究和激勵(lì)傳遞路徑的研究。最終多通過(guò)高阻尼的襯套來(lái)吸收車輪的振動(dòng)、改變共振系統(tǒng)零部件的固有頻率等來(lái)減小方向盤的擺振，但車輛經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后因襯套老化等原因有可能再次發(fā)生方向盤擺振問(wèn)題。本文著重介紹一種采用EPS開(kāi)發(fā)方向盤擺振補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

2 影響方向盤擺振的因素

車輛方向盤產(chǎn)生擺振的影響因素有很多且較為復(fù)雜，主要影響系統(tǒng)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)等多系統(tǒng)中的一個(gè)零部件或多個(gè)零部件存在問(wèn)題從而導(dǎo)致方向盤產(chǎn)生擺振。常見(jiàn)的擺振根據(jù)激勵(lì)源的不同，擺振又可以分為高速行駛擺振和制動(dòng)擺振，兩者在激勵(lì)的傳遞路徑和振動(dòng)的表現(xiàn)形式上具有極大的相似性，其中高速行駛擺振的激勵(lì)源是輪胎高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不一致性載荷，主要因行駛系統(tǒng)中的輪胎、制動(dòng)盤的動(dòng)不平衡，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸的動(dòng)不平衡;制動(dòng)擺振的激勵(lì)源主要是制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)力矩波動(dòng)，主要因制動(dòng)盤的厚薄差（DTV）以及液壓制動(dòng)管路中的液壓波動(dòng)。

現(xiàn)裝配EPS的車型越來(lái)越多，故提出針對(duì)EPS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一種車輛方向盤擺振的補(bǔ)償方法及補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有持續(xù)性擺振檢測(cè)、快速擺振補(bǔ)償、可標(biāo)定、無(wú)額外零部件成本增加等優(yōu)勢(shì)。

3 EPS擺振補(bǔ)償功能開(kāi)發(fā)

3.1 EPS擺振補(bǔ)償功能邏輯

EPS擺振補(bǔ)償功能在滿足方向盤擺振補(bǔ)償工作條件時(shí)，利用公式：Trt=K*Th，計(jì)算方向盤擺振抑制力矩Trt。其中，K為預(yù)設(shè)的抑制系數(shù)，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(yù)設(shè)的力矩閾值Tts（Tts>0）的大小，若Trt>Tts，則使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp=Tts，若Trt<-Tts，則使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp=-Tts，若|Trt|≤Tts（即若Trt的絕對(duì)值小于或等于Tts），則使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp=Trt。方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp可能是正值也可能是負(fù)值，方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp的正負(fù)表示其施加方向。

利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），計(jì)算方向盤擺振補(bǔ)償電流I。其中，U為整車電壓，G為預(yù)設(shè)的渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，H為預(yù)設(shè)的機(jī)械傳動(dòng)效率系數(shù)，n為EPS電機(jī)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)方向盤擺振補(bǔ)償電流I和預(yù)設(shè)的補(bǔ)償施加時(shí)刻t生成電機(jī)控制指令，并控制EPS電機(jī)執(zhí)行該電機(jī)控制指令，補(bǔ)償方向盤擺振。方向盤擺振補(bǔ)償電流I可能是正值也可能是負(fù)值，方向盤擺振補(bǔ)償電流I的正負(fù)表示其方向。

此時(shí)若方向盤擺振補(bǔ)償使能處于開(kāi)啟狀態(tài)，且車速大于預(yù)設(shè)的車速閾值，且左前輪輪速和右前輪輪速都在預(yù)設(shè)的輪速范圍內(nèi)，則表示滿足方向盤擺振補(bǔ)償工作條件。

預(yù)設(shè)的抑制系數(shù)K和所述預(yù)設(shè)的補(bǔ)償施加時(shí)刻t通過(guò)如下方式獲得：

第一步、在相應(yīng)車型的車輛開(kāi)發(fā)時(shí)進(jìn)行方向盤擺振補(bǔ)償試驗(yàn)，利用不同的抑制系數(shù)和不同的補(bǔ)償施加時(shí)刻兩個(gè)變量因子共同作用，得到不同的方向盤振動(dòng)速度。

第二步、將不同的方向盤振動(dòng)速度以及對(duì)應(yīng)的抑制系數(shù)、補(bǔ)償施加時(shí)刻整理后，輸入Minitab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到方向盤振動(dòng)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(dòng)速度，K0為抑制系數(shù)，t0為補(bǔ)償施加時(shí)刻，A0、B0、C0、D0、E0、F0均為擬合得到的常數(shù)。

第三步、基于抑制系數(shù)K0的范圍為0～0.5，施加時(shí)刻t0的范圍為-180°～+180°，以及方向盤振動(dòng)速度V的目標(biāo)值為小于或等于預(yù)設(shè)的車型振動(dòng)速度閾值，進(jìn)行車輛在此目標(biāo)值下的最優(yōu)解計(jì)算，得到抑制系數(shù)的計(jì)算值和施加時(shí)刻的計(jì)算值。

第四步、將抑制系數(shù)的計(jì)算值作為所述預(yù)設(shè)的抑制系數(shù)K，將施加時(shí)刻的計(jì)算值作為所述預(yù)設(shè)的補(bǔ)償施加時(shí)刻t。

其中所述預(yù)設(shè)的車速閾值為70 km/h（可標(biāo)定），所述預(yù)設(shè)的輪速范圍為8C～20C r/s（可標(biāo)定）;其中，C為預(yù)設(shè)的輪胎周長(zhǎng)。

3.2 EPS擺振補(bǔ)償具體實(shí)施方法

車輛方向盤擺振的補(bǔ)償方法，由EPS控制器執(zhí)行，該補(bǔ)償方法包括：

第一步、判斷是否方向盤擺振補(bǔ)償使能處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果是，則執(zhí)行第二步，否則結(jié)束。

第二步、判斷車速是否大于預(yù)設(shè)的車速閾值（預(yù)設(shè)的車速閾值可以根據(jù)不同的車型進(jìn)行標(biāo)定，本實(shí)施例中取值為70 km/h），如果是，則執(zhí)行第三步，否則返回執(zhí)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(yù)設(shè)的輪速范圍（預(yù)設(shè)的輪速范圍可以根據(jù)不同的車型進(jìn)行標(biāo)定，本實(shí)施例中取值為8C～20C r/s，C為預(yù)設(shè)的輪胎周長(zhǎng)）內(nèi)，如果是，則執(zhí)行第四步，否則返回執(zhí)行第一步。

第四步、利用公式：Trt=K*Th，計(jì)算方向盤擺振抑制力矩Trt，然后執(zhí)行第五步。其中，K為預(yù)設(shè)的抑制系數(shù)，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(yù)設(shè)的力矩閾值Tts（Tts>0），如果是，則執(zhí)行第六步，否則執(zhí)行第七步。

第六步、使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp= Tts，然后執(zhí)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(zhí)行第八步，否則（即|Trt|≤Tts時(shí)）執(zhí)行第九步。

第八步、使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp= -Tts，然后執(zhí)行第十步。

第九步、使方向盤擺振補(bǔ)償力矩Tcp= Trt，然后執(zhí)行第十步。

第十步、利用公式：I=（9.55*U*G*H）/（Tcp*n），計(jì)算方向盤擺振補(bǔ)償電流I，然后執(zhí)行第十一步。其中，U為整車電壓，G為預(yù)設(shè)的渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，H為預(yù)設(shè)的機(jī)械傳動(dòng)效率系數(shù)，n為EPS電機(jī)轉(zhuǎn)速。

第十一步、根據(jù)方向盤擺振補(bǔ)償電流I和預(yù)設(shè)的補(bǔ)償施加時(shí)刻t生成電機(jī)控制指令，并控制EPS電機(jī)執(zhí)行該電機(jī)控制指令，補(bǔ)償方向盤擺振，然后結(jié)束。

4 EPS擺振補(bǔ)償功能測(cè)試

某車型制動(dòng)卡鉗采用單缸設(shè)計(jì)，在高速制動(dòng)時(shí)方向盤產(chǎn)生擺振現(xiàn)象，依據(jù)表1制動(dòng)振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)為6.25分，不滿足大于7分接受標(biāo)準(zhǔn)，若更改設(shè)計(jì)將會(huì)付出較大的成本代價(jià)，故采用EPS擺振補(bǔ)償功能進(jìn)行振動(dòng)抑制。

根據(jù)實(shí)車功能開(kāi)發(fā)，抑制系數(shù)K=0.13，補(bǔ)償施加時(shí)刻t=106°。對(duì)某車型進(jìn)行高速制動(dòng)方向盤擺振主觀客觀測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，EPS擺振補(bǔ)償功能可以大幅減小高速制動(dòng)時(shí)的方向盤擺振，提高駕駛舒適性。

5 結(jié)論

EPS擺振補(bǔ)償功能，利用抑制系數(shù)和駕駛員施加在方向盤上的手力力矩計(jì)算方向盤擺振抑制力矩，并與預(yù)設(shè)的力矩閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而確定方向盤擺振補(bǔ)償力矩，在避免出現(xiàn)車輛極端情況的同時(shí)保證了補(bǔ)償力矩的準(zhǔn)確性;車輛在遇到路面不平?jīng)_擊、輪胎偏磨、輪胎動(dòng)平衡不正確、高速制動(dòng)等情況下，路面激勵(lì)被通過(guò)EPS電機(jī)施加的該補(bǔ)償力矩抑制，從而減小了路面激勵(lì)帶來(lái)的手力波動(dòng)，減小了方向盤擺振，提高了駕乘體驗(yàn)和行車安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張森，李龍，許春鐵.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻尼測(cè)試及其對(duì)方向盤擺振抑制研究.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)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(cè)試試驗(yàn).2020（4）.139-141.

作者簡(jiǎn)介

郭泉甬：（1992—），男，本科，從事汽車底盤產(chǎn)品研究與開(kāi)發(fā)。