自动行车高度控制系统设计及开发

陈德玲+++周振华

摘 要：文中介绍了一种自动行车高度控制系统的设计与开发，并通过最终路试验证，以及安装前后整车性能的对比，对Nivomat的性能进行了评估，验证了该车上Nivomat系统的有效性。

关键词：自动行车高度控制系统（Nivomat）；悬架系统

0 引言

传统悬架参数一经选定就难以改变，在设计过程中通常寻找一个最佳的折中方案来确定参数。即只有在特定工况下，汽车的性能才最佳；一旦工况发生改变，其性能将会变差，难以同时满足舒适性和稳定性的要求。要提高车辆平顺性，悬架刚度需要设计的软一点；为了满足操稳性，悬架刚度则要硬一点；有时为了保证安全，就需要牺牲部分平顺性。

而对于刚度阻尼可变的主动及半主动悬架，可以根据实际工况，改变刚度，既能满足操稳性，也能提高车辆的平顺性。车辆行车高度自动调节系统（Nivomat）是涉及交通、运输、车辆领域中汽车的悬架控制装置，能够自适应控制汽车整车姿态始终处于设计位置，同时满足操稳性和平顺性，并能提升满载情况下的离地间隙，增加整车通过性。

1 Nivomat系统的原理

Nivomat采用油气弹簧与减振器集成技术，搭配低刚度螺旋弹簧，理论上可在传统钢制弹性元件的基础上有效提升舒适性与操控性，并在各载荷下保持车身姿态不变。Nivomat的活塞连杆为空心的，并且连杆表面带有油槽，阻尼器和高压油腔、泵油腔、水平调节器等所有的高度调节元件构成一体[1]。如图1所示，在高压储存器里，油和气体用一个气袋隔离，随着载荷增加，作为增强阻尼力的泵做功也会增加。

2 Nivomat系统的优势

传统的减振器的作用主要是作为阻尼装置和限位装置，在车辆的行驶过程中，衰减车辆振动，消耗车身或车轮垂直运动的能量，同时作为限位装置，约束悬架（车轮）下极限位置。设计参数一旦确定，其性能不可再进行调节。

Nivomat系统作为一种新型的减振装置，一般用于后悬架开发使用，使汽车后悬架部分始终（从空载至满载）保持在相同车身高度的位置上，有主动悬架的功能，除了具有传统减振器作用外，还同时兼有如下功能：

（1）补偿汽车上载荷的变化，使得车辆在整个载荷变化范围内的动力学特性几乎保持不变；

（2）保证后悬架螺旋弹簧的设计行程，即不会随着载荷的增加使螺旋弹簧压缩，工作行程变短，作用降低；。

（3）能使车辆后部的离地高度始终处于设计位置，提高整车通过性。

（4）确保行驶状态和转向的正确性，确保整车定位参数不变，减少行驶跑偏；

（5）Nivomat支撑部分后桥载荷，减轻了车身的振动，降低了内部噪声，保证了汽车行驶平顺性。

3 Nivomat的安装方式

与传统减振器类似，Nivomat的安装非常简单，通常情况下上端安装在车身纵梁支架上，下端与后桥支架相连。由于车辆在行驶过程中，Nivomat需承受一部分的刚度，因此其安装支架比传统减振器安装支架承受的力大很多，紧固件所受轴向力增大，一般建议使用U型支架代替悬臂梁形式，用两端夹紧方式安装Nivomat上下吊环。

4 Nivomat的参数设计

Nivomat的设计过程中，按照整车载荷、悬架相对阻尼系数等选择合适的Nivomat连杆、外筒直径。Nivomat的参数设计包含了：系统参数选取、Nivomat刚度曲线、螺旋弹簧刚度计算，从而确保车身设计高度达到最优的悬架行程，以及保持空满载偏频较低且基本不变，舒适性好

4.1 悬架系统弹性曲线优化设计

为确保车身设计高度以达到最优的悬架行程，保持空满载偏频较低且基本不变，舒适性好，需要从平顺性的角度对悬架的偏颇进行分析計算，并对前后悬架进行匹配。需要注意的是，传统减振器不承受载荷，而Nivomat的受力包含了阻尼力和承受载荷，可以提供一部分的刚度，因此需要减小后螺旋弹簧的刚度，如图2所示。

4.2 Nivomat油气弹簧的匹配开发

Nivomat参数的匹配设计包含连杆直径、内筒尺寸、气室压力计算校核，以及相关周边件的要求：外筒直径，衬套结构尺寸，Nivomat下置布置方式（upside down）。工作缸直径D的确定是根据伸张行程的最大卸载荷F0进行计算[2]：

式中，[p]为工作缸最大允许压力，取3～4MPa；

为连杆与缸筒直径之比，一般取0.4～0.5

4.3 系统阻尼计算与优化

相对于传统弹性元件，基于Nivomat油气弹簧的阻尼系数选取与校核。压缩行程的阻尼系数，伸张行程的阻尼系数，悬架系统的相对阻尼系数则是用来评定悬架系统的振动衰减的快慢程度[2]。

其中，K为悬架刚度，ms为悬架簧上质量。

根据Nivomat油气弹簧在整车上的实际布置情况，对悬架系统的性能进行匹配计算和优化。

4.4 DMU校核

根据所选定的方案和Nivomat的结构形式，对整个悬架系统在上下跳行程中，各部件件间隙进行校核，确保相邻零件间的间隙要求，同时校核轮心位置及整车的姿态。

5 路试验证

所设计的Nivomat在车辆上安装调试后，进行了试乘试驾和路试验证。如路试结果雷达图（图3）所示，相对于原车性能，使用Nivomat系统后，舒适性提升15%，操控性提升10%

6 结语

随着对整车性能要求的不断提高，Nivomat系统凭借它卓越的性能，出色的稳定性，以及超高的性价比，将会在越来越多的产品中得到应用。文中通过一款Nivomat自动行车高度控制系统的设计开发，描述了整个设计过程。最终通过路试验证，对安装Nivomat前后整车性能进行了对比。

参考文献

[1] 严平，具有变刚度特性和阻尼功能的NIVOMAT全自动行车高度控制系统，汽车与配件，2009（36）

[2] 比特·考什曼博士，汽车减振器设计功能、结构和应用，萨克斯汽车零部件系统有限公司上海汇众萨克斯减振器有限公司联合出版

作者简介

陈德玲，女，博士，2008年毕业于上海交通大学机械与动力工程学院车辆工程专业，现为上海汽车集团有限公司商用车技术中心悬架工程师。endprint