汽车平滑路面高速行驶时方向盘抖动的硏究
刘士士刘立刚冯向敏张瑛陈麟（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201208)
【摘要】引起方向盘抖动的原因很多，文章重点研究了某车型在平滑路面高速行驶时方向盘的抖动问
题。首 了向方向盘的 径，建立了包含转向齿条、转向 方向盘的转向子系
车动力学 -然后根 径 出了影响方向盘高 的关键 ，并通过优化关键 ，降了方向
盘的 ，为汽车转向系统的设计研发提供了思路，大大缩短了整车的开发周期。
【Abstract】There are m any reasons fo r the steering w heel sh a kin g.The steering w heel shake
pro blem o f tlie ve h ic le d riv in g on sm ootli road at h ig h speed is focused in th is p a p e r.F i from road surface to steering w heel is a n a lyz e d，and the steering subsystem m odel and ve m odel in c lu d in g steering r a c k，steering colum n and steering w heel are e sta blished.T hen the key fa c­
tors a ffectin g h igh- speed steering w heel shake are analyzed acco rding to the transfe steering w heel shake is reduced by o p tim izin g the key fa cto rs.The results p ro vid e a tra in o f the research and d esign o f ve h icle steering system，and greatly shorten the developm ent cycle o f the
w hole v e h ic le.
【关键词】方向盘抖动转向系统传递路径优化设计
doi：10. 3969/j.issn.1007-4554.2019.03.11
0引言
高 方向盘的 是 够
感知的 ，影响整车的操纵稳定性顺性。（S R S)是汽车在的（没有明 人）上 ，车 胎 使 受到的抖
动问题。
方向盘高 是 汽车高
激 车 起的。参考文献[1]通过研究轮胎的非 、轮胎压、制扭矩波动以
胎的激励，了方向盘的主要影响 ，为 方向盘 提供了 的方法。本文不考虑 激励的影响，提出
的概念。是影响汽车舒适性的
问一，多家汽车 曾出现多起类似问题的后 ，因此在车辆的 开发过程中，将
为汽车 顺 的 有的意义。的表征是无明
人下车辆的 ，包含3个位置的 ：驾 方向盘接口处的 、口的纵向和垂向抖动。
在某国产样车的开发过程中，平顺 并
汽车方向盘套
，是高 方向盘的
动问 的设计存在很大的 ，严影响了整车的 。为出具体 ，本文 了从方向盘的 径，过程中 零
收稿日期(2018 -11 -16上海汽车2019.03
的质量、转 量 摩擦 套的刚度作
为输入变量，将方向盘处激发的 度Shy 为 ，建立了包含转向系统的车 力学，了各 入变量对方向盘处振
度'h y的，通过优化 新设计对方向盘度Shy贡献最大的参数，使方向盘在高 ‘
上的 问了，为汽车转向系统 的研发设计提供了思路，大大缩短整车的开发周期。
1方向盘高速抖动传递路径
1.1平滑路面抖动
是 明入情况下车的，该工况 激励给方向盘的 。在车 际 过程中，胎总成的质量 并非绝对对称，即车轮的质几何中心并非完全重合，当胎转，会产
生动态的离心力。该动态离心力 在悬架上，并通过一系列零 车身和方向盘，从而产生 。通过在4个车上入 量块来激发响应，通过在 的位置 可测出各个位置的 。本文方向盘的 就是方向盘顶 的加度描述为Shy，单位为mg/oz，其中1o z相当于 28 g的质量，位置如图1所示。动态离心力会经过轮胎 给悬架，再由悬架传转向系统，径图&所示。
图2方向盘抖动传递路径
2整车动力学模型的建立与验证
:1整车模型的建立
在动力学软件Motion- V iew中建立某国产样 车的整车动力学 图3所示。整车 系的方向定义为J轴正向指向汽车的倒车方向，？轴 正向指向汽车的 方向，<；正向垂 向上方。建立 ，假设悬 转向系统零件都是刚体，在仿真 过程中不发生变形，、橡胶 采 验 建模，并在SRS工况模拟 采用橡胶的 态刚度计。
方向盘
12点钟
位置座椅靠背
不丰/I
衡块/i s
地板导轨
脚部位置
图1SRS块 位置图15传递路径
前悬架系统是方向盘高 的主要
径，本文研究车的前悬架采用麦弗逊式悬架结构，转向系统采用C-EPS转向系统。影响方向盘 的零 有：车 胎、下控制：衬套、、车身连 套、隔 ^转向系统。由轮胎的 量块引起的轮胎
图3某国产样车整车动力学模型
转向系统一般包括方向盘、转向 、齿
条及转向拉杆。转向系统（EPS)是近年来迅发展并逐渐 压助力转向系统的一种新型
后悬扭力梁悬架模型
-转向系统模型
轮胎系统模型
平滑路面系统模型
上海汽车
2019.03
的动力转向装置。EPS
子控制 （E C U )、、扭矩
、 杆 。在
转
向系统中，
的 是：
司转向操
方向盘产生的扭矩或转角的大
方向，并此转换为 号 E C U 。E C U
根据转向传
的信号及车 号 判断，决
定驱 的回转力 转方向。因此，传是E P S 中最
的
一。方向盘转角
器是汽车动力学稳定性控制系统的 ，
精度和稳定
关系
车安全[2]。整车
模型的验证
在建立好的整车动力学
上，
对K C 的
垂向加载 载 仿真 计算，并
：
车的K C 试验 对 。对结果表明，整车
的动力学 仿真
车
合良好，
建立
的仿真精度可支持进一步的
研
究。图4和图5 是垂向加载
载工况
下的
角的变化曲线。
6i -------------------------------■试验值
4 - …仿真值
S R S
整车模型_______ 方向盘处振动加速度S h y
症状：
平滑路面上方向盘高速抖动
图6方向盘高速抖动的控制因子和响应
根据整车的设计参 零
带宽范围，
控制因子的初始
范围设定如表1所示。
表1方向盘高速抖动控制因子的初始值和范围
号控制因子变量名初始值变
量取值范围1车身连套径向刚度（N /m m )V a r .
1900(630, 1 170)2下控制臂后衬套径向刚度3/(N /m m )V a r .21700(1 190, 2 210)3下控制臂后衬套径向刚度？(N /m m )V a rK 3450(320, 580)
4下控制臂后衬套损失角/°
V a rK 47(5,9)5转向套刚度/(N /m m )V a rK 51
4 000(10 000, 18 000)6条 ’(m m /re v )V a rK 651.3(46.3, 56.3)7扭杆刚度/(N m /°)V a rK 72(1.5,2.5)
8胎 'm m
V a rK 844(39,49)9前轮前束角/°
V a rK 90.13(0,0.26)10前 角/°V a r . 10-0.5(-1,0)11方向盘转量/(F  % m m 2)
V a r .1122 000(16 000,28 000)12力转向系统转量/(F  % m m 2)V a r  1
268(48,88)13
转向摩擦力矩/(N  % m m )V a r  13405
(305, 505)本文以13个控制因子为设计变量，结合整车
3 速抖动的敏感性分析
3.1方向盘高速抖动的控制因子和响应
通过介 方向盘高
的传递路径，本文以包括 车身连 套、下控制臂
套、转向
套、车
定位参
转向系统
在内的13 控制因子为输入，以方向盘度
S h y 为
响应，对响应
。控
制因子和响应如图6所示。-6 -3 0
3 6
侧倾角/°
图5 载工况 角变化曲线2 0
-2-4
。
/«孽右韶卅
名
套件衬 位
零接 定 径连套 轮
路身衬 四 递车后套及 传与臂衬胎 统的器制机轮
系 应振控向轮 向 对减下转车 转麼
-
刚向X 7
径度
度
奮刚刚角 量
衬向向失 惯 擦径径损 比
轨
矩 连套套套度 动量转力 身衬衬衬刚 传惯向擦 :
车后后后套距角角线动
转摩
子与
臂臂臂衬
移束倾条度转力柱 因器制制制机偏前外齿刚盘助管 制振控控控向胎轮轮轮杆向动向 控减下下下转轮前前齿扭方电转
上海汽车2019. 03
素有：下控制臂后衬套径向刚度？( V : 3)、损失 角 * V : 4 )、 条 （V : 6 )、EPS  转动量（V :12)
转向
力矩（V : 13)。通过
适当减小下控制臂后衬套径向刚2 ?、增大下控制 后衬套的损失角、 E P S 转
量和转向管
摩擦力矩可
方向盘上的高
度
S h y 的值。
3.3方向盘高
分析
根据当前项 的实际情况，考虑变量的对总布置、成本 他
的影响，参考应图对当前的变量 优化，
方向盘高
最优。优化变量的 表&所示。
表2
优化变量的分析与选取
4结语
车辆在 高速行驶时的方向盘抖动性是评估车 顺性的一
，随着对车 顺性的
越来越高，方向盘高速
问
会越来越集中地受
的关注，
此在车辆开发 ，就关注方向盘
的传
径，选合适的悬
套参 转向参数，使方向盘
的
控制在 范围。本文从方向盘 的
径入手，
了
影响方向盘
的
应图，并通过优化下控制
后衬套径向刚度和损失角、转向 套刚度、扭杆刚度 转向
的摩擦力矩，得
的S h y 值，对后续方向盘高
的研究具
有一定的 ，也可在项目前期预测方向盘高
是否
，给项目提供更多
的设计输入。
参考文南V
[1] 张永利，许翔，吴云.高速行驶时汽车方向盘摆振的控
制[J ].噪声与振动控制，&011(&):56-58.[2] ，周.方向盘转角传感器研究进展[J ].传感器 与微系统，2〇〇7,26(11):11.
的设计参 零
带宽设定各变量变化的水平，选用L 27正交试验表进行仿真试验设计，以
'h y 为响应， 车的S R S 仿真
。通过对仿真
的结 ， 的控制因子对
响应的贡献，探讨13个控制因子对
高速
方向盘
的影响。
35方向盘高
主效应分析
使用多体动力学软件M otio n  V ie w 和A d a m s 进
仿真计算，
S h y 主效应图，如图7
所示。
经过优化分析，结合目前项目的实际情况，变 量1、6、8、9、10、11、12
适合作为本车方向盘
高
的优化对象，对下的其他控制因子进
优化。优化后方向盘 度S h y  来的 117mg /〇z  降
81 mg /o z ，
，
提升301。优化的变量
表3所示。
表3
优化的变量值
V a r .l V a r .2V a r .3V a r .4V a r .5V a r .6V a r .7V a r .8V a r .9V a r .10V ar.ll V a r .12V a r .13
/
//八\\
A A \
\
/
j  、/
/
\^
\
\\
123123123123123123123123123123123123123
图7
方向盘高速抖动Shy 主效应图
由以上敏感性分析结果可知，影响较大的因号
悬参优化
2下控制臂后衬套径向刚度3/(N /mm )
1 7003下控制臂后衬套径向刚度？/(N /mm )3204下控制臂后衬套损失角/°
95
转向机衬套刚度/ ( N/mm  )10 0007扭杆刚度/(Nm /°)
1.513
转向管柱摩擦力矩/(N  % mm )505
号控制子
变量名是否为优化变量1车身连接衬套径向刚度（N /m m )V a r . 1否(不敏感）2下控制臂后衬套径向刚度3/( N /m m )V a r . 2是
3下控制臂后衬套径向刚度？(N /m m )V :r . 3是4下控制臂后衬套损失角/°V :r .4是5转向套刚度(N /m m )V:r .5是6条 （m m /re v )V :r .6否(对转向损失大）7扭杆刚度(N m /°)V :?.是
8胎 /m m V :r .8否(影响总布置）
9前轮前束角/°
V a r .9否(影响轮胎磨损 ）10前 角/°
V a r . 10否(影响轮胎磨损 ）11方向盘转量/(/.疆2)V :rK 11否(重量本影响大）12力转向系统转量/(/%m
m 2)V :rK 12否(重量成本影响大）13转向摩擦力矩/(N  % m m )V :rK 13是
i s i i w
贫水
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