Машины с магнитной подвеской

Электромагнитная подвеска

Ещё со времён Максвелла и Фарадея, основоположников теории применения электромагнитного поля в практических целях, конструкторы и инженеры постоянно пытаются расширить границы использования таких явлений как сверхпроводимость и магнитная индукция. Ведь это открывает широчайшие возможности перед человечеством.

Но только в 80-х годах 20 века явление электромагнетизма начали применять с практическими целями. В 1982 году был построен первый поезд, который передвигался на магнитной подушке и достигал скорости 501 км/час. Это и положило начало новых разработок, в том числе и в автомобилестроении.

1. В чем уникальность электромагнитной подвески. Автомобильная подвеска – это совокупность компонентов и механизмов, которые выполняют роль связующего звена между дорогой и кузовом. Автомобильная подвеска входит в состав шасси.

Электромагнитная подвеска, как и любая другая, выполняет такие функции:
1. Соединение колёс или мостов автомобиля с его кузовом или рамой.
2. Передача на несущую систему (кузов, рама) моментов и сил, которые возникают при взаимодействии колёс с дорогой.
3. Обеспечение нужного характера перемещений колёс относительно автомобильного кузова или рамы.
4. Обеспечение плавности хода автомобильного средства.

Автомобильные подвески состоят из таких основных компонентов:
1. Упругие составляющие, которые способны принимать и передавать силы в вертикальной плоскости.
2. Направляющие составляющие, которые формируют особенности перемещения автомобильных колёс, их связи между собой, а также воспринимают и передают боковые и продольные силы.
3. Амортизаторы, которые предназначаются для гашения колебаний несущей системы во время передвижения по дороге.

В обычных подвесках один элемент может выполнять сразу несколько функций. Но большинство современных подвесок – это крайне сложные конструкции, состоящие из множества элементов, каждый из которых имеет свой назначение. Такой подход помогает обеспечить очень хорошие параметры управляемости, комфортабельности, устойчивости автомобиля, его безопасности В электромагнитных подвесках подобные составляющие также присутствуют, но они усовершенствованы и модифицированы. В чём же особенности конструкции таких подвесок? Электромагнитная подвеска автомобиля представляет собой конструкцию, в основе которой лежит электродвигатель. Этот двигатель имеет два режима работы: как демпфирующий элемент и как упругий элемент. Режим работы определяет микроконтроллер. Таким образом, этот электродвигатель заменяет стандартный автомобильный амортизатор.

Уникальность электромагнитной подвески состоит в том, что она работает безотказно и имеет очень высокий уровень безопасности. В случае прекращения подачи электроэнергии в систему подвески, она способна переключиться в механический режим работы посредством системы электромагнитов. То есть, становиться обычной механической подвеской. При всём этом электромагнитные подвески очень экономичны с точки зрения потребления электроэнергии. Такая экономичность становиться возможной из-за того, что на обратном ходе электромагнита происходит выработка электроэнергии.

2. Как работает электромагнитная подвеска.
Многим, наверное, уже стало интересно, как работает электромагнитная подвеска. В основе работы электромагнитной подвески лежит принцип электромагнетизма, то есть зависимости электрического и магнитного полей.

Обычные механические подвески работают благодаря наличию пружин или упругих элементов. Гидравлические подвески используют в качестве рабочего элемента жидкость. Что касается электромагнитных подвесок, то в их конструкции используются электромагниты, от которых и произошло название подвески. Вся система управляется при помощи бортового компьютера (электронного узла), который в режиме реального времени снимает показатели с колёс и по всему периметру автомобильного кузова и посылает соответствующие команды на подвеску. Управлять электромагнитами намного проще, чем управлять жидкостью, пружинами и другими механическими элементами.

3. Виды электромагнитных подвесок.
Различают такие виды электромагнитных подвесок в зависимости от производителя:
1. SKF.
2. Delphi.
3. Bose.

Электромагнитные подвески SKF были разработаны в Швеции. В их основе лежит принцип простоты и надёжности. По конструкции подвеска SKF – это капсула, состоящая из двух электромагнитов. Когда транспортное средство находиться в движении, встроенный автомобильный бортовой компьютер анализирует датчики на колёсах и подаёт сигналы, изменяющие текучесть демпфирующего компонента подвески и создавая оптимальные условия для работы. В конструкции также присутствуют упругие элементы – пружины, которые обеспечиваю подвижность даже, если бортовой компьютер перестанет подавать сигналы.

Преимущества электромагнитных подвесок SKF:
1. При использовании подвесок этого вида, на автомобиле полностью отсутствует эффект, так называемого, «проседания» даже при длительной стоянке транспортного средства. Это достигается благодаря тому, что даже в неактивном состоянии аккумулятор продолжает питать элементы подвески.

2. Даже при отсутствии команд от бортового компьютера (к примеру, произошёл сбой в работе) подвеска сохраняет подвижность благодаря встроенным пружинам.

Электромагнитная подвеска от компании Delphi по своему внешнему виду – это однотрубный амортизатор. Этот амортизатор заполняется специальным веществом с магнитными частями размером от 5 до 10 микрон и электромагнитом. Вещество заполняет треть всего объёма амортизатора. Кстати, в амортизаторе присутствует спецпокрытие, препятствующее сливу магнитного вещества. В качестве электромагнита выступает головка поршня. А управляет этим поршнем бортовой компьютер.

Принцип работы такой подвески состоит в следующем. Когда магнитное поле воздействует на амортизатор, магнитные частицы вещества выстраивают упорядоченную структуру, что способствует увеличению степени вязкости жидкости и переходу амортизатора на другой режим работы.

Преимущества электромагнитных подвесок Delphi:
1. Такие подвески в десять раз быстрее реагируют на запрос от компьютера, чем системы с электромагнитными клапанами (скорость реакции – одна миллисекунда).

2. Невысокая потребляемая мощность (всего 20 Вт).

3. Подвески очень универсальны. Если электромагнит выйдет из строя и управляющий сигнал будет отсутствовать, то подвеска автоматически перейдёт на режим обычного амортизатора, который использует гидравлику.

В 1980 году профессор одного из американских университетов Амар Боуз, являющийся ещё и совладельцем корпорации Bose провёл расчёты и определил оптимальные параметры для автомобильной подвески. После длительных исследований получилось разработать новый тип подвесок – электромагнитные подвески Bose. Это изобретение считается настоящим прорывом в отрасли автомобилестроения.

Электромагнитная подвеска компании Bose считается лучшим решением, что касается всех электромагнитных подвесок. Как показали пробные испытания такие подвески почти идеально устраняют все возникающие колебания. Подвеска Bose – это линейный электродвигатель, который способен работать в двух режимах:

1. Как упругий элемент.

2. Как демпфирующий элемент.

Подобная идея не нова. Но именно в компании Bose её смогли реализовать лучшим образом и добиться подобного быстродействия и подобных характеристик. В конструкции подвески Bose предусмотрен шток, на котором закрепляются постоянные магниты. Эти магниты способны выполнять возвратно-поступательные движения по всей длине обмотки статора. Подобное решение не только гасит все колебания при движениях на неровной дороге, а также открывает новые горизонты для управления автомобилем. Например, можно запрограммировать бортовой компьютер так, чтобы на момент выполнения какого-то виража было задействовано соответствующее колесо.

Электромагнитная подвеска Bose ещё и способна выступать в роли электрогенератора. Когда транспортное средство движется по некоторому участку пути, все колебания из-за неровностей дороги конвертируются в электрическую энергию. Эта энергия собирается в аккумуляторных батареях и может использоваться в будущем. Что касается недостатков, то подвеска Bose – крайне сложный механизм. И для его управления необходимо специальное программное обеспечение, которое всё ещё разрабатывается. Из-за этого обстоятельства в серийном производстве подвески Bose пока что не реализованы.

Источник

Магнитная подвеска: Преимущество и недостатки, Виды магнитных подвесок

Чуть более четверти века назад мир был потрясен созданием поезда, парящим в воздухе и способным развить скорость до 500 км/ч. Применение эффекта парения стало возможным благодаря теории электромагнитных полей. Создание подобных транспортных средств несет большие расходы не только в их непосредственном производстве, но и в оформлении дорог в виде магнитного полотна. Это сделало изобретение экономически невыгодным и непригодным для класса универсального транспорта.

Однако, ключевые моменты в принципе работы электромагнитных полей нашли свое применение в автомобилестроении. «Парящий» транспорт получил научно обоснованное и подтвержденное право на реализацию. М агнитная подвеска автомобиля стала настоящим прорывом и переходом на новый уровень комфортного и безопасного вождения.

Электромагнитная подвеска — что за зверь, и с чем его едят

Главное отличие данной подвески от ее сестер — отсутствие вспомогательных элементов: торсионов, пружин, амортизаторов, стабилизаторов. Она представляет собой индивидуальную стойку на каждое колесо, управляемую электронным блоком и позволяющую контролировать состояние колес и кузова в режиме онлайн. Некоторые модели имеют стандартный комплект пружин и амортизаторов на случай неисправности автоматической системы. При отсутствии подачи электроэнергии, система автоматически переключается на механический режим через электромагниты.

Вместо привычных деталей магнитная подвеска оснащена электромагнитными клапанами или магнитно-реологической жидкостью. Основными ее компонентами являются:

В своей работе она отвечает за те же опции, что и ее вариации:

Чем проще подвеска, тем больше функций берет на себя каждый элемент. В современных конструкциях система распределения достаточно сложная и индивидуальная. Это обеспечивает более эффективное обеспечение безопасности, устойчивости, плавности хода и управляемости автомобилем.

Принцип работы электромагнитной подвески заключается во взаимодействии магнитного и электрического полей. Если механические конструкции осуществляют предназначение за счет пружин и других элементов, гидравлика — за счет рабочей жидкости, то здесь главную роль играют электромагниты. Управление ими происходит посредством электронного узла (через бортовой компьютер). Он снимает все данные со всего кузова, а затем направляет необходимые команды системе. Программа позволит анализировать не только состояние колес относительно кузова и дороги, но и характер дорожного полотна, а также уровень воздействия на автомобиль. Этот тип работы намного легче его механических и гидравлических вариаций.

Процесс протекает в дуэте с электродвижком, заменяющим обыкновенный амортизатор. Вопреки ожиданиям уровень электропотребления низкий из-за выработки электроэнергии во время обратного движения электромагнитов. Это делает подвеску экономичной.

Преимущества и недостатки

Единственным, пожалуй, недостатком является стоимость данной разработки. Цена удовольствия будет колебаться в пределах 200 тыс. рублей.

Виды магнитных подвесок

В настоящее время идет производство и разработка в трех ведущих направлениях:

Корпорация Bose под непосредственным руководством ее совладельца Амара Боуза, являющегося профессором американского университета, запатентовала производство электромагнитных подвесок в 1980 году. Благодаря расчетам и многочисленным испытаниям Амар смог вывести оптимальные параметры для данного устройства.

Продукция данной компании считается лучшей в своей области: они практически полностью устраняют любые колебания, возникающие при взаимодействии с дорогой. Принцип работы лежит в использовании упругого и демпфирующего элементов. Эта идея уже существовала, однако, успешное применение на практике ей смогли найти лишь в Bose.

Сама конструкция является штоком с закрепленными на нем магнитами. Поступательно-возвратные движения по всему статору, которые способны совершать данные элементы, не только нейтрализуют воздействие неровностей дорожного полотна на кузов, но и позволяют по-новому взглянуть на управление авто в принципе. Через бортовой компьютер можно задать настройку на определенную схему выполнения того или иного маневра и привязать к нему нужное колесо.

Еще одним ноу-хау данной продукции является выработка электроэнергии. По сути, подвеска является заодно и электрогенератором, преобразующим колебания в полезную силу. Сбор энергии производится в аккумуляторные батареи для последующего использования.

Отсутствие грамотного программного обеспечения — главный фактор, тормозящий широкое производство Bose.

Delphi

Решение от производителя Delphi заключается в однотрубном амортизаторе. На 1/3 его заправляют смесью с магнитными частицами и электромагнитом в виде головки поршня. Чтобы избежать слив магнитной смеси весь амортизатор покрыт слоем специального покрытия. Управление все также возлагается на электронный узел.

Работает эта подвеска через воздействие магнитного поля на амортизатор. В процессе происходит создание упорядоченной цепочки из магнитных частиц. Это увеличивает вязкость самой жидкости, и за счет этого амортизатор переключается на следующий режим работы.

Главные достоинства этого типа — реакция на запрос бортового узла в одну миллисекунду и малое потребление в 20 Вт, а также переход на гидравлику в случае поломки.

Швейцарская разработка SKF является капсулой, состоящей из 2-х электромагнитов. При движении авто компьютер собирает информацию со всех колес с помощью установленных датчиков и направляет сигналы для изменения текучести демпфирующего элемента. Помимо него в подвеске имеются упругие части — пружинки, гарантирующие упругость и подвижность даже при поломке управляющего центра.

Благодаря подпитке подвески через аккумулятор даже в режиме офлайн, автомобиль не будет проседать во время длительной стоянки. Наличие упругих элементов позволяет минимизировать ущерб в случае неисправностей системы.

Перспективы производства

К сожалению, помимо несомненных преимуществ магнитная подвеска имеет основательные подводные камни. Самое проблематичное в постановке на широкое производство — его стоимость и цена установки на автомобиль. Даже ведущие автомобильные концерны не могут оснащать свои модели, резко не изменив при этом их ценник.

К тому же внедрение данной системы потребует наличия специального программного обеспечения, отдельного оборудования и специалистов по обслуживанию. Сервисы, которые могут решить ремонт такого характера, имеются, но не больше двух десятков в мире.

Еще один важный момент — вес конструкции. Подвеска Bose весит больше аналогичной McPherson в полтора раза. В наше время производители стараются сделать массу автомобиля ниже, потому этот аспект требует компромиссного решения.

В данный момент разработки и поиски решения ключевых моментов продолжаются. Инженеры тестируют экспериментальные образцы, используя различные материалы для изготовления элементов. Так, был переоборудован седан Lexus ls 99-го года для испытания новой версии электромагнитной подвески Bose. Активно ведется работа по совершенствованию программного кода и его обеспечению.

Несомненная выгода от внедрения данной системы очевидна, так что в обозримом будущем автолюбителей ждут радужные перспективы. Помимо безопасности и комфорта существенно снизится риск аварийных повреждений машины, а значит ремонт авто будет менее существенным для кармана. Это будет достаточно приемлемо по затратам и полностью оправдает их в дальнейшем.

Источник

Электромагнитная подвеска Bose — устройство и принцип работы

Слишком много в подвеске современной легковушки разнообразных деталей. Не говоря уже о направляющем аппарате (рычаги и шарниры), – упругие элементы, амортизаторы, поперечные стабилизаторы… На взгляд д-ра Bose, пришло время собрать все в единый узел, – что он и сделал.

В основе принципиально новой подвески – линейный электродвигатель. Ведь э-моторы делают не только на вращательное движение, но и на поступательное – для обрабатывающих станков с ЧПУ, для перспективных ж/д поездов на э-магнитной «подушке». В общем, ничего особенного; прикол в приложении линейного э-двигателя (ЛЭ) к автомобильному шасси. И получилось неслабо.

Мощный ЛЭ удачно вписывается на место телескопического амортизатора и заменяет собой и его, и пружину, и поперечный стабилизатор. Под контролем ЦПУ на э-двигатель подается напряжение, и на его штоке возникает выталкивающее усилие. Скажем, 375 кг; на 4-х штоках – 1500 кг; то есть, вес легковушки «гольф»-класса с нормальной нагрузкой [Без так называемых неподрессоренных частей подвески, которые для «гольф»-класса всяко тянут на 150 кг.]. Понятно, что ЛЭ поддерживают заданную высоту шасси – независимо от нагрузки. Как с нормальной (гидро)пневматической подвеской; так называемая статическая компенсация.

Кроме того, быстродействующие ЛЭ берут на себя и динамическую компенсацию: ограничивают боковой крен автомобиля [Поперечные стабилизаторы отпадают – за ненадобностью.], а также устраняют продольные «клевки» при разгоне и торможении. Они способны срабатывать хоть 100 раз в секунду – только подавай напряжение на обмотки статора. А ЦПУ контролирует каждый из 4-х ЛЭ индивидуально, и тут открываются удивительные возможности. Например, игра угловой жесткостью передней и задней подвески – по раздельности. Скажем, при входе в вираж ЛЭ запитываются так, что машина опирается по преимуществу на внешнее заднее колесо – и приобретает легкую избыточную поворачиваемость. Охотно заруливаем в поворот, и упор мягко переносится на внешнее переднее колесо. Выходим из виража с чуть-чуть недостаточной поворачиваемостью. Или еще как-то; вопрос настройки «софта».

Особенно ценно, что ЛЭ не только берут на себя функции упругих элементов подвески, но и гасят, демпфируют колебания [Забавно: здесь как бы возврат в прошлое, когда многолистовые рессоры выполняли роль упругих элементов подвески – и демпфировали ее колебания (как фрикционные амортизаторы). Как бы возврат, – но на насколько ином уровне техники!]. То есть, работают (под контролем того же ЦПУ) как амортизаторы – только электрические. При ходе колеса на неровностях ЛЭ действует уже не как э-двигатель, а в роли линейного альтернатора: поглощает кинетическую энергию, преобразует ее в электрическую – и закачивает бортовую э-сеть.

Совсем иной принцип гашения колебаний: вместо рассеивания их энергии в атмосфере через сильно греющиеся гидроамортизаторы – рекуперирование ее и запасание (в аккумуляторах). Причем ЦПУ может молниеносно изменять характеристики э-амортизаторов – каждого по отдельности и всех 4-х вместе. Достигается фантастическая плавность хода на покрытиях самого разного качества – при великолепном держании дороги и управляемости автомобиля. Тут на передний план выступает программное обеспечение ЦПУ: степеней свободы множество, возможности необозримы, но чтобы взять хоть часть их, нужно тонко настраивать управляющую электронику.

Что-то вроде пружинно-гидравлической системы ABC (Active Body Control – активное регулирование подвески) у седанов Mercedes S-класса – только быстродействие несравненно выше и возможности управления еще богаче. И практически полная интеграция в 4 ЛЭ – с проводами высокого напряжения (и больших амперов), ведущими к ним.

Но в отличие от ABC, подвеска Bose по-своему решает болезненный вопрос об отборе мощности. Дело в том, что мерседесовская система работает под высоким гидравлическим давлением (около 150 бар), которое поддерживается гидронасосом, отбирающим от двигателя немалую мощность. Заметный перерасход горючего – в конечном счете на обогрев атмосферы. ЛЭ требуют примерно такой же (электрической) мощности [Баланс примерно такой: в высокоактивном режиме 4 ЛЭ расходуют в общей сложности 20-25 кВт мощности. Немало; но они и возвращают в сеть (рекуперация) 16-20 кВт. В любом случае нужен мощный альтернатор с приводом от вала двигателя – и емкая батарея.], однако электроупругие элементы/амортизаторы не рассеивают энергию впустую, а всякий раз рекуперируют ее – возвращают обратно в бортовую сеть. Вообразите ситуацию: ветер раскачивает машину на стоянке, а ЛЭ тем самым вырабатывают э-энергию и подзаряжают батареи… Ветроэлектростанция.

Правда, ЛЭ расходуют э-энергию даже и тогда, когда машина неподвижна. Просто потому, что нужно держать ее вес [Напротив, пружинно-гидравлическая ABC не расходует энергию, пока машина неподвижна. Гидроопоры пружин блокируются клапанами, и высота упругих элементов фиксируется – как стопором. С другой стороны, ABC практически не способна рекуперировать потраченную энергию и при динамической компенсации интенсивно обогревает атмосферу.]; иначе говоря, э-магнитные упругие элементы оправданы, только если подвеска в самом деле «активная» и все время работает в режиме динамической компенсации. Тогда э-энергия расходуется на стабилизацию шасси – и тут же возвращается обратно, рекуперируется при гашении колебаний подвески. А вот пружинно-гидравлическая ABC лучше подходит для «пассивной», статической компенсации (поскольку рекуперирование в гидросистеме организовать трудно) – при изменениях нагрузки. В каждом особом случае свое решение.

Д-р Bose – профессиональный математик, и четверть века назад он начал работу с создания компьютерных моделей автомобильной подвески. А теперь испытания проходит вполне реальный Lexus LS400, оснащенный э-магнитной «квадро»-подвеской. Вместо телескопических амортизаторов – ЛЭ; в паре с ними в качестве вспомогательных упругих элементов работают торсионы. Они принимают на себя вес пустого автомобиля, – чтобы не расходовать зря э-энергию на поддержание шасси в статике. А также чтобы «лекс» не ложился (как «ситроены» с гидропневматикой) после длительной стоянки на дорогу. Здесь немало разного рода технических (и электротехнических) тонкостей, однако соль – в 4-х ЛЭ и быстродействующем ЦПУ с соответствующим программным обеспечением. Работы впереди еще много, но уже сейчас д-р Bose показывает впечатляющие результаты.

Два LS400 – в «штатном» исполнении и модифицированный с подвеской Bose – бок о бок на скорости выполняли стандартный маневр двойной «переставки» по неровной дороге. Зрителей поразило практически полное отсутствие у Bose-«лекса» кренов [Для «квадро»-подвески нетрудно задать и обратный крен в виражах – как у мотоциклов; вопрос настройки «софта». Тогда планка держания дороги и управляемости поднимается на новую высоту.] и «клевков» – по контрасту с машиной на заводской подвеске. Тут же LS400 с ЛЭ подлетел к трамплину посреди демонстрационной площадки и изящно исполнил прыжок с мягким приземлением. Водитель вышел и поклонился собравшимся, «лекс» рядом с ним тоже сделал реверанс. Публика рукоплескала.

По словам профессиональных «драйверов», э-магнитная подвеска дает уверенность в полном контроле над автомобилем. А когда тест-машина катится по неровной дороге, активное подавление резких толчков и вибраций заметно повышает плавность хода. В общем, LS400 с э-магнитной подвеской Bose гармонично сочетает разнородные качества: плавность хода, которая превосходит стандарты легковушек люкс-класса. И стабильность шасси на скоростях, характерная для спортивно-гоночных «табуреток».

Поражает, насколько органично подвеска Bose вписывается в образ перспективного автомобиля с его мощной бортовой электросетью – на тяговых э-аккумуляторах или водородных топливных элементах. Ему принадлежит обозримое будущее, – и д-р Bose безошибочно попадает в ведущие тенденции. Правда, обойдется стерео-подвеска недешево и поначалу ее получат только самые дорогие и претенциозные модели. И электростартер впервые появился когда-то на недешевом «кадиллаке» и казался вопиющей роскошью. А теперь покупатель «хэтчбека» Golf-класса воспринимает отсутствие климат-контроля и электростеклоподъемников («по кругу»!) как оскорбление. Все относительно, как учил нас великий Эйнштейн.

Источник