自動行車高度控制系統設計及開發

陳德玲+++周振華

摘 要：文中介紹了一種自動行車高度控制系統的設計與開發，并通過最終路試驗證，以及安裝前后整車性能的對比，對Nivomat的性能進行了評估，驗證了該車上Nivomat系統的有效性。

關鍵詞：自動行車高度控制系統（Nivomat）；懸架系統

0 引言

傳統懸架參數一經選定就難以改變，在設計過程中通常尋找一個最佳的折中方案來確定參數。即只有在特定工況下，汽車的性能才最佳；一旦工況發生改變，其性能將會變差，難以同時滿足舒適性和穩定性的要求。要提高車輛平順性，懸架剛度需要設計的軟一點；為了滿足操穩性，懸架剛度則要硬一點；有時為了保證安全，就需要犧牲部分平順性。

而對于剛度阻尼可變的主動及半主動懸架，可以根據實際工況，改變剛度，既能滿足操穩性，也能提高車輛的平順性。車輛行車高度自動調節系統（Nivomat）是涉及交通、運輸、車輛領域中汽車的懸架控制裝置，能夠自適應控制汽車整車姿態始終處于設計位置，同時滿足操穩性和平順性，并能提升滿載情況下的離地間隙，增加整車通過性。

1 Nivomat系統的原理

Nivomat采用油氣彈簧與減振器集成技術，搭配低剛度螺旋彈簧，理論上可在傳統鋼制彈性元件的基礎上有效提升舒適性與操控性，并在各載荷下保持車身姿態不變。Nivomat的活塞連桿為空心的，并且連桿表面帶有油槽，阻尼器和高壓油腔、泵油腔、水平調節器等所有的高度調節元件構成一體[1]。如圖1所示，在高壓儲存器里，油和氣體用一個氣袋隔離，隨著載荷增加，作為增強阻尼力的泵做功也會增加。

2 Nivomat系統的優勢

傳統的減振器的作用主要是作為阻尼裝置和限位裝置，在車輛的行駛過程中，衰減車輛振動，消耗車身或車輪垂直運動的能量，同時作為限位裝置，約束懸架（車輪）下極限位置。設計參數一旦確定，其性能不可再進行調節。

Nivomat系統作為一種新型的減振裝置，一般用于后懸架開發使用，使汽車后懸架部分始終（從空載至滿載）保持在相同車身高度的位置上，有主動懸架的功能，除了具有傳統減振器作用外，還同時兼有如下功能：

（1）補償汽車上載荷的變化，使得車輛在整個載荷變化范圍內的動力學特性幾乎保持不變；

（2）保證后懸架螺旋彈簧的設計行程，即不會隨著載荷的增加使螺旋彈簧壓縮，工作行程變短，作用降低；。

（3）能使車輛后部的離地高度始終處于設計位置，提高整車通過性。

（4）確保行駛狀態和轉向的正確性，確保整車定位參數不變，減少行駛跑偏；

（5）Nivomat支撐部分后橋載荷，減輕了車身的振動，降低了內部噪聲，保證了汽車行駛平順性。

3 Nivomat的安裝方式

與傳統減振器類似，Nivomat的安裝非常簡單，通常情況下上端安裝在車身縱梁支架上，下端與后橋支架相連。由于車輛在行駛過程中，Nivomat需承受一部分的剛度，因此其安裝支架比傳統減振器安裝支架承受的力大很多，緊固件所受軸向力增大，一般建議使用U型支架代替懸臂梁形式，用兩端夾緊方式安裝Nivomat上下吊環。

4 Nivomat的參數設計

Nivomat的設計過程中，按照整車載荷、懸架相對阻尼系數等選擇合適的Nivomat連桿、外筒直徑。Nivomat的參數設計包含了：系統參數選取、Nivomat剛度曲線、螺旋彈簧剛度計算，從而確保車身設計高度達到最優的懸架行程，以及保持空滿載偏頻較低且基本不變，舒適性好

4.1 懸架系統彈性曲線優化設計

為確保車身設計高度以達到最優的懸架行程，保持空滿載偏頻較低且基本不變，舒適性好，需要從平順性的角度對懸架的偏頗進行分析計算，并對前后懸架進行匹配。需要注意的是，傳統減振器不承受載荷，而Nivomat的受力包含了阻尼力和承受載荷，可以提供一部分的剛度，因此需要減小后螺旋彈簧的剛度，如圖2所示。

4.2 Nivomat油氣彈簧的匹配開發

Nivomat參數的匹配設計包含連桿直徑、內筒尺寸、氣室壓力計算校核，以及相關周邊件的要求：外筒直徑，襯套結構尺寸，Nivomat下置布置方式（upside down）。工作缸直徑D的確定是根據伸張行程的最大卸載荷F0進行計算[2]：

式中，[p]為工作缸最大允許壓力，取3～4MPa；

為連桿與缸筒直徑之比，一般取0.4～0.5

4.3 系統阻尼計算與優化

相對于傳統彈性元件，基于Nivomat油氣彈簧的阻尼系數選取與校核。壓縮行程的阻尼系數，伸張行程的阻尼系數，懸架系統的相對阻尼系數則是用來評定懸架系統的振動衰減的快慢程度[2]。

其中，K為懸架剛度，ms為懸架簧上質量。

根據Nivomat油氣彈簧在整車上的實際布置情況，對懸架系統的性能進行匹配計算和優化。

4.4 DMU校核

根據所選定的方案和Nivomat的結構形式，對整個懸架系統在上下跳行程中，各部件件間隙進行校核，確保相鄰零件間的間隙要求，同時校核輪心位置及整車的姿態。

5 路試驗證

所設計的Nivomat在車輛上安裝調試后，進行了試乘試駕和路試驗證。如路試結果雷達圖（圖3）所示，相對于原車性能，使用Nivomat系統后，舒適性提升15%，操控性提升10%

6 結語

隨著對整車性能要求的不斷提高，Nivomat系統憑借它卓越的性能，出色的穩定性，以及超高的性價比，將會在越來越多的產品中得到應用。文中通過一款Nivomat自動行車高度控制系統的設計開發，描述了整個設計過程。最終通過路試驗證，對安裝Nivomat前后整車性能進行了對比。

參考文獻

[1] 嚴平，具有變剛度特性和阻尼功能的NIVOMAT全自動行車高度控制系統，汽車與配件，2009（36）

[2] 比特·考什曼博士，汽車減振器設計功能、結構和應用，薩克斯汽車零部件系統有限公司上海匯眾薩克斯減振器有限公司聯合出版

作者簡介

陳德玲，女，博士，2008年畢業于上海交通大學機械與動力工程學院車輛工程專業，現為上海汽車集團有限公司商用車技術中心懸架工程師。endprint