Электромагнитная подвеска автомобиля: революционное изобретение, опередившее время

Динамическая стабилизация подвески Active Curve

Любой мотоциклист скажет вам, что заваливать байк в скоростной поворот- это естественная реакция, обусловленная физикой движущегося двухколесного тела. Мы же добавим, нам хотелось бы чтоб и автомобили так могли. Могут, уже могут! 2015 Mercedes-Benz S65 AMG Coupe обзавелся такой фантастической системой.

Суть работы системы крена Mercedes-Benz проста и сложна одновременно. При помощи датчика бокового ускорения, совмещенного с передней видеокамерой, S65 следит за поворотами и в нужный момент подключает свою пневмоподвеску наклоняя кузов в сторону апекса поворота (к вершине траектории поворота). Автомобиль проходит вираж стабильнее и без сильных кренов. Правда основной целью является не повышение скорости прохождения изгиба дороги, а, скорее, повышение комфорта, так как пассажиры испытывают меньшие боковые нагрузки на скорости. Возможно в будущем похожие технологии появятся и на бюджетных автомобилях.

P.S. Эта же система может отлично подойти и для работы на бездорожье. Разработки уже ведутся.

Автомобили с электромагнитной подвеской

Несмотря на то, что разработку системы ведут еще с незапамятных времен (в следующем году, первому прототипу исполнится более 35 лет), на серийном уровне такой тип подвески не прижился. Все дело в том, что оснащение современных серийных автомобилей подобной технологией не целесообразно по высокой себестоимости подобного оборудования. Кроме того, автопроизводители прекрасно понимают, что обслуживания подобной установки потребует, как минимум специального оборудования, а также знаний по профессиональному ремонту электромагнитных систем. Проблема состоит в том, что подобных салонов, которые имеют такие возможности во всем мире найдется только десяток.

Другой стороной медали является факт большой массы используемого оборудования. Для примера, электромагнитная подвеска типа Боуза весит в более полтора раза больше чем аналог в виде подвески McPherson’a. В современном мире, где производители тщательно подходят к экономии массы автомобиля путем добавления соединений на основе карбона и магния, решение по обустройству спортивного автомобиля такой подвеской кажется слишком фантастичным. Другое дело представительские дорогостоящие седаны топ-класса, которые могли бы заиметь первые прототипы в обозримом будущем.

В процессе создания инженеры многих компаний пытались оснастить автомобили подобными системами. Например, для демонстрации возможностей очередной версии электромагнитной подвески инженеры из Bose переоборудовали седан 1999 года Lexus LS.

Что надо знать об электромагнитной подвеске

Быстрее всего работают узлы и элементы, использующие электромагнитное взаимодействие между составными частями.

Такие устройства способны максимально оперативно реагировать на внешние воздействия, получая команды от электронного контроллера.

Принцип работы

Известно, что одноимённые полюса магнитов отталкиваются. Если магниты выполнены с электрической активацией, то такое устройство называется электромагнитом. Изменяя величину тока, проходящего по обмоткам электромагнитов можно регулировать силу их отталкивания.

Всё это позволяет использовать конструкцию из двух и более магнитов, как эффективную и быстродействующую пружину, поскольку внешний эффект совершенно идентичен стальной рессоре или её спиральному аналогу – пружине.

Получившаяся электромагнитная пружина обладает чрезвычайно полезным свойством мгновенной реакции на управляющее воздействие. Никаким другим способом добиться такой скорости невозможно, гидравлика и пневматика имеют задержки, измеряемые секундами, что для быстрого изменения мгновенной жёсткости неприемлемо.

Имея такой мощный инструмент в подвеске конструкторам остаётся только построить электронный блок управления, снабдить его нужным набором датчиков и разработать соответствующее программное обеспечение управляющего микрокомпьютера.

Теоретически такая задача легко выполнима, хотя на практике и выявляются определённые сложности. Как обычно, всё упирается в цену вопроса. Особенно если это касается крупносерийного производства. Можно создать идеально работающую систему, но в массовом выпуске она не будет обладать нужной конкурентоспособностью.

Ещё один путь внедрения электротехники в подвеску – это применение её в демпфирующих элементах более традиционной гидравлической конструкции.

Здесь можно поступить двумя способами:

• управлять электрогидравлическими клапанами, через которые перетекает рабочая жидкость амортизатора, уменьшение сечения переходного отверстия ведёт к повышению эффективной жёсткости узла и наоборот, амортизатор работает мягче, если масло в нём перетекает свободно;
• тот же эффект даст изменение свойств самой жидкости под воздействием внешнего электромагнитного поля, такие смеси существуют, в них используется принцип пространственной ориентации ферромагнитных частиц.

Второй способ даёт большее быстродействие, но и стоит дороже, поскольку подобные жидкости высокотехнологичны и сложны в производстве.

Из каких элементов состоит?

На сегодняшний день, на рынке главенствуют три компании:

Естественно, устройство каждой упомянутой подвески будет отличаться.

Электромагнитная подвеска от Delphi представляет собой амортизатор, состоящий из одной трубки, заполненной веществом с включением магнитных составляющих. Они составляют 30% от всего объема необходимой жидкости, а чтобы она не выливалась, в шасси присутствует специальное покрытие.

Это интересно:  Tiger Moon

В роли электромагнита выступает поршневая головка, управляемая компьютеризированной системой бортового типа.
Электромагнитная подвеска от SKF – это капсула с двумя электромагнитами.

Когда машина находится в движении, система начинает анализировать информацию и, при необходимости, может менять жидкость демпферного элемента, в зависимости от информации, поступающей от колесных датчиков.

Подвеска от Bose считается лучшей конструкцией данного типа. Она представляет собой электродвигатель линейного типа с несколькими режимами:

• демпфирующий элемент;
• упругий элемент.

Это шток, на котором расположены магниты. Когда автомобиль движется, шток выполняет двигательные манипуляции по всей длине статора. Данное обстоятельство позволяет очень уверенно чувствовать себя даже на достаточно неровной дороге.

  Причины остановки транспортного средства сотрудниками дпс

Помимо уверенной езды по неровной дороге, такая подвеска позволяет выбирать определенный режим работы компьютера. В частности, если выполняется вираж, то можно сделать так, чтобы рабочим было именно заднее внешнее колесо.

Виды электромагнитных подвесок

Исследования и разработки по улучшению ходовых качеств, сосредоточенные на системе подвески автомобиля, продвигаются по трем, отличным друг от друга, направлениям.

1. Подвеска Delphi;
2. Решение от компании SKF;
3. Электромагнитная подвеска  Боуза.

Магнитная подвеска от Delphi

Электромагнитная подвеска, разработанная компанией Delphi, представляет собой однотрубный амортизатор, заполненный магнито-реологическим составом, жидкостью с включением магнитных частиц, размером от трех до десяти микрон.

Специальное покрытие препятствует их слипанию, а количество равно одной третьей от требуемого объема жидкости. Головка поршня амортизатора представляет собой электромагнит, управляемый сигналами бортового компьютера. Под действием наведенного магнитного поля, частицы выстраиваются в пространстве в упорядоченные структуры, тем самым увеличивая вязкость жидкости и изменяя режим работы амортизатора.

Электромагнитная подвеска Delphi в действии – видео, наглядно иллюстрирующее конструкцию и полученный результат.

А так же видео полевых испытаний Corvette C5

Скорость реакции такой системы составляет 1 мс, что в десять раз меньше, чем в системах с электромагнитными клапанами. Потребляемая мощность составляет порядка 20 Вт. При неисправности электромагнита или в отсутствии управляющих сигналов, подвеска компании Delphi работает в режиме обычного гидравлического амортизатора.

Историческая справка. Первые эксперименты с магнито-реологическим составом в 1940 году провел Яков Рабинович. Родившийся на заре двадцатого столетия, в украинском городе Харькове, в 1935 году эмигрировал в США, где работал в Национальном бюро стандартов.

Будучи талантливым инженером, запатентовал более 300 изобретений. Среди них присутствует патент на дисковый магнитный накопитель, прообраз современных винчестеров. Скончался осенью 1999 года.

Шведская магнитная подвеска

Другим путем решили пойти конструкторы шведской компании SKF, решив, что простота – залог успеха и надежности. Подвеска в их исполнении представляет собой капсулу, состоящую из двух электромагнитов. Бортовой компьютер автомобиля анализирует данные колесных датчиков и «на лету» изменяет жесткость магнитного демпферного элемента, выбирая наиболее оптимальный режим работы.

Роль упругого элемента выполняет обычная пружина, что позволяет транспортному средству сохранять подвижность при отсутствии управляющих сигналов. Кроме того, даже при длительной стоянке автомобиля, отсутствует эффект «проседания», причиной которого является истощение аккумуляторных батарей, питающих элементы подвески.

Электромагнитная подвеска профессора Боуза

Но истинный прорыв в данной области совершил Амар Боуз, профессор Массачусетского технологического университета, основатель и владелец компании BOSE. Выложенное в Интернет видео испытаний его изобретения глубоко потрясло автомобильную общественность.

Идея, безусловно, не нова. Но никому еще не удавалось добиться хотя бы схожего быстродействия. Шток амортизатора, с закрепленными на нем постоянными магнитами, совершает возвратно-поступательные движения по длине обмотки статора, расположенного в корпусе узла.

Такая конструкция не только обеспечивает эффективное гашение колебаний, возникающих из-за неровности дороги, но и открывает новые возможности для управления транспортным средствам.

Заводя машину в вираж, можно подобрать такую схему сигналов бортового компьютера автомобиля, что опорным будет заднее внешнее колесо. Заехав в поворот, электромагнитная система перенесет нагрузку на внешнее переднее колесо. Как результат – полный контроль автомобиля на дорожном покрытии любого качества.

рекуперации

Но довольно слов! Видео демонстрации ходовых качеств новой подвески говорит само за себя.

Основная сложность на данный момент связана с разработкой программного обеспечения, способного реализовать весь потенциал подвески Боуза. Но есть надежда, что в ближайшее время проблема будет решена, и удивительная подвеска пойдет в серийное производство.

Мне нравится2Не нравится

Многообразие вариантов подвески

Устройство подвески автомобиля – это самостоятельное конструкционное решение производителя. Существует несколько типологий подвески автомобиля: их различает критерий, положенный в основу градации.

В зависимости от устройства направляющих элементов выделяются наиболее распространенные типы подвески: независимая, зависимая и полунезависимая.

Зависимый вариант не может существовать без одной детали — жесткой балки, входящей в состав моста автомобиля. При этом колеса в поперечной плоскости перемещаются параллельно. Простота и эффективность конструкции обеспечивает ее высокую надежность, не допуская развала колес. Именно поэтому зависимая подвеска активно применяется в грузовых автомобилях и на задней оси легковых.

Схема независимой подвески автомобиля предполагает автономное существование колес друг от друга. Это позволяет повысить амортизационные характеристики подвески и обеспечить большую плавность хода. Данный вариант активно применяется для организации как передней, так и задней подвески на легковых автомобилях.

Полунезависимый вариант состоит из жесткой балки, закрепленной на кузове с помощью торсионов. Данная схема обеспечивает относительную независимость подвески от кузова. Характерный ее представитель – переднеприводные модели ВАЗ.

Вторая типология подвесок основывается на конструкции гасящего устройства. Специалисты выделяют гидравлические (масляные), пневматические (газовые), гидропневматические (газо-масляные) устройства.

Определенным особняком стоит так называемая активная подвеска. Ее схема включает в себя вариативные возможности – изменение параметров подвески при помощи специализированной электронной системы управления в зависимости от условий движения автомобиля.

Наиболее распространенными изменяемыми параметрами являются:

• степень демпфирования гасящего устройства (амортизаторного устройства);
• степень жесткости упругого элемента (например, пружины);
• степень жесткости стабилизатора поперечной устойчивости;
• длина направляющих элементов (рычагов).

Активная подвеска представляет собой электронно-механическую систему, существенного увеличивающую стоимость автомобиля.

Преимущества

Сравнивать эффективность новой системы с традиционными гидравлическими и пружинными аналогами нет смысла, поскольку это совершенно разные устройства. И все же с точки зрения водителя разница довольно существенная. В первую очередь, отмечается мягкость ходовой части автомобиля, которая вовсе не противоречит высоким показателям стабильности и устойчивости. Есть и преимущества в плане управления. Наличие электроники, контролирующей подвеску, давно не является чем-то эксклюзивным. Однако электромагнитные системы обеспечивают более высокую скорость реакций на команды бортового компьютера.

Кроме того, есть преимущество у подвесок такого типа в плане экономии энергопотребления. Стандартная мощность составляет лишь 20 Вт, что позволяет рациональнее использовать энергетические ресурсы машины. В то же время электромагнитная подвеска достаточно универсальна и даже многофункциональна. Сохраняя примерно схожие функции, этот комплекс может переходить из автоматизированного режима в механический. Это комбинированные системы, в составе которых предусматриваются и амортизаторы в качестве запасных элементов для обеспечения рабочего усилия. В совокупности перечисленные достоинства обуславливают высокую надежность ходовой части и безопасность автомобиля в целом.

Какие бывают зависимые подвески автомобиля

Рессорная и пружинная. Первый тип можно разделить на два вида:

1. С поперечным расположением рессор.
2. С продольным – явными представителями этого вида являются отечественные грузовые автомобили. У них спереди и сзади видны рессоры.

Такой тип ходовой отличается большой выносливостью. Он позволяет не просто возить большие грузы, но и долго это делать. Рессорная пластина выдерживает большие нагрузки и не теряет своих упругих свойств.

Пружинная подвеска более комфортная. Пружины занимают меньше места под кузовом машины. Они легче, что снижает общую массу авто. Их проще обслуживать и менять. Недостаток один – на них нельзя долго возить большие грузы. Они быстро «просаживаются», теряют эластичность. Характерный признак этого – сзади сидят три человека, и слышно, как колесо трется об подкрылок.

С направляющими рычагами

В большинстве случаев применяется схема с четырьмя направляющими рычагами и тягой Панара. Она состоит из верхних и нижних рычагов, лучше их называть штангами, которые расположены вдоль кузова автомобиля.

Тяга Панара крепится на балке моста поперёк кузова. Она нужна для удержания моста он поперечных смещений, особенно во время поворотов. Продольные штанги фиксируют мост. Они не дают одному из колёс «уйти» вперед или назад, мост всегда остается строго поперёк кузова.

Виды магнитных подвесок

В настоящее время известны три крупных мировых бренда, выпускающие магнитные подвески:

• SKF
• Delphi
• Bose

Остановимся на каждом из них более подробно.

Магнитная подвеска SKF

Электромагнитная подвеска, созданная шведской компанией, представлена в виде капсулы. Капсула состоит из двух электромагнитов. На основе данных со всех датчиков, собранных бортовым компьютером, корректируется жесткость демпфирующего элемента. Это позволяет выбрать оптимальный режим движения автомобиля.

Рис. 2. Магнитная стойка SKF.

Ключевой задачей, которая была поставлена перед шведскими специалистами при разработке своего варианта магнитной подвески, являлось достижение простоты и надежности конструкции.

В случае неисправности системы управления подвеска продолжает функционирование за счет пружины. Возможность перехода из автоматического режима в механический является главным преимуществом подвески SKF. Кроме того, устройство подвески позволяет избежать эффекта проседания при длительной стоянке машины.

Подвеска Delphi

В варианте от Delphi подвеска представлена в виде однотрубного амортизатора, заполненного магнитно-реологической жидкостью. Размер магнитных частиц в составе не превышает десяти микрон. Особое покрытие, добавленное в раствор в пропорции «один к трем», препятствует слипанию частиц между собой.

Рис. 3. Передний и задний магнитные амортизаторы Delphi.

Поршень амортизатора, управляемый электронным блоком, содержит в себе электромагнит. При подаче управляющего сигнала образуется магнитное поле и частицы принимают упорядоченную структуру. Вязкость жидкости увеличивается. Режим работы амортизатора меняется — он становится более жестким.

Главным преимуществом подвески является скорость реакции, не превышающая 1 м/с. Помимо этого при неисправности системы управления подвеска будет функционировать за счет гидравлического амортизатора. Это обеспечивает безопасность при управлении транспортным средством.

Электромагнитная подвеска Bose

Магнитная подвеска, разработанная ученым Арамом Боузом (да-да, именно тем, кто также производит премиальное музыкальное оборудование), является одной из самых популярных и обсуждаемых. В его трактовке устройство представлено линейным электродвигателем, который, в зависимости от режима движения, работает как упругий или демпфирующий элемент.

Рис. 4. Стойки от Bose

Отличительная особенность этой подвески – быстрота действия за счет работы магнитного штока. Амортизационный шток с установленными на нем постоянными  магнитами совершает возвратно-поступательные движения по длине обмотки статора, расположенного в корпусе.

Устройство сглаживает колебания при движении на неровных участках дороги. Это обеспечивает повышение эффективности управления транспортным средством.

Подвеска Bose предусматривает большой диапазон различных настроек:

• в процессе прохождения виража водитель может подобрать схему сигналов бортового компьютера таким образом, что опорным выступит заднее внешнее колесо
• в повороте подвеска перенесет нагрузку на переднее внешнее колесо

Это обеспечивает повышенный контроль над управлением транспортным средством независимо от типа покрытия дороги.

Еще одной особенностью подвески Bose является режим «электрогенератор». При движении автомобиля по прямой колебания, вызванные неровностью дороги, превращаются в электрическую энергию. При этом электроэнергия не рассеивается в пространстве, а концентрируется в аккумуляторных батареях для дальнейшего применения.

К сожалению, не весь потенциал подвески Bose реализован до конца. Процесс тормозит разработка программного обеспечения.

Магнитная подвеска, безусловно, позволяет добиться нового качества управления автомобилем. Она обеспечивает комфорт, хорошую управляемость и безопасность на дороге. В промышленных масштабах только очень крупные компании устанавливают на свои автомобили адаптивную электромагнитную подвеску. Например,  магнитно-реологическая жидкость (как в подвеске Delphi) применяется в следующих адаптивных подвесках:

• MagneRide от General Motors (Cadillac, Chevrolet);
• Magnetic Ride от Audi.

Но прогресс движется очень стремительно. Технологии развиваются так быстро, что совсем скоро можно будет увидеть данное ноу-хау и на доступных бюджетных моделях, распространенных по всему миру.

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:

• упругие детали, способные проводить силы, возникающие в вертикальной плоскости;
• элементы, отвечающие за перемещение колесной базы, взаимодействия колес и проводимость боковых и продольных сил;
• составляющие, направленные на гашение колебаний (амортизаторы).

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

• обеспечивает гармоничную связь колес с кузовом;
• передает моменты и силы во время движения;
• гарантирует комфортное вращение колес относительно кузова;
• способствует плавности хода.

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.

Назначение элементов

Несмотря на глубокие различия в принципе действия, у всех электромагнитных подвесок много общих элементов:

• система датчиков, фиксирующих перемещение колёс относительно кузова, а также следящих за состоянием дороги на участках, которые колесу только предстоит преодолеть для заблаговременной реакции на неровности;
• датчики общего назначения, собирающие информацию о текущих параметрах движения, скорости, реакциях водителя и прочем;
• электронный блок управления с микрокомпьютером, собирающий, анализирующий и перерабатывающий информацию в сигналы управления;
• силовая электроника, формирующая мощные токи в обмотках электромагнитов;
• линейные электрические магниты, создающие необходимые механические усилия на штоки элементов подвески;
• исполнительные и направляющие узлы ходовой части.

Помимо видимых узлов в системе присутствует не менее технологичный программный продукт, под управлением которого всё и работает. Его роль в общем комплексе ничуть не меньше, чем у элементов подвески.