Электромагнитные подвески на авто

Задний план

Электромагниты

Когда через провод проходит ток, вокруг этого провода создается магнитное поле . Сила генерируемого магнитного поля пропорциональна току через провод. Когда провод наматывается, это генерируемое магнитное поле концентрируется в центре катушки. Напряженность этого поля можно значительно увеличить, поместив ферромагнитный материал в центр катушки. Этим полем легко управлять, пропуская в провод переменный ток. Поэтому сочетание постоянных магнитов с электромагнитами является оптимальным устройством для левитации. Чтобы снизить требования к средней мощности, часто электромагнитная подвеска используется только для стабилизации левитации, а статическая подъемная сила против силы тяжести обеспечивается системой вторичных постоянных магнитов, часто притягиваемых к относительно недорогому мягкому ферромагнитному материалу, такому как железо или сталь.

Обратная связь

Положение подвешенного объекта можно определить оптически или магнитно, иногда могут использоваться другие схемы.

Схема обратной связи управляет электромагнитом, чтобы удерживать подвешенный объект в правильном положении.

Однако простое управление положением обычно приводит к нестабильности из-за небольших временных задержек индуктивности катушки и определения положения. На практике схема обратной связи должна использовать изменение положения с течением времени для определения скорости и снижения скорости.

Как работает магнитная подвеска

Современные механизмы, называемые магнитными подвесками, эксплуатируют принцип работы, в основе которого лежит явление электромагнетизма. Этот эффект описывает зависимость между двумя видами поля: электрического и магнитного.

Стандартные продукты, устанавливаемые на автомобилях, исполняют свою основную задачу благодаря таким элементам конструкции как пружины и упругие детали. Электромагнитные подвески, в качестве основных элементов, используют электромагниты. Именно из-за такого механического состава современные подвески и получили свое название.

Схема работы устройства заключается в создании особой системы управления (control system) путем установки на транспортное средство бортового компьютера. Данный компьютер, также именуемый электронным узлом, в real-time режиме снимает характеристики колесного ряда, и, в зависимости от них, посылает соответствующие команды. Управление осуществляется достаточно простым образом: схема намного проще по своей сути, чем те же пружины или гидравлические конструкции или маховик.

Основные виды

Большая часть современных автомобилей оснащена независимыми конструкциями подвесных конструкций. Выбор обусловлен достижением качественного управления авто и отсутствием необходимости в постоянном контроле за поведением машины на дороге и траекторией ее движения. Среди основных видов такой подвески стоит рассмотреть отдельно несколько наиболее популярных. Они будут разобраны далее.

С двумя рычагами

Конструкция подразумевает использование двух рычагов. Они крепятся к кузову с помощью сайлентблоков, которые обеспечивают их надежную фиксацию и работу. Также в конструкцию системы входят амортизатор, способствующий снижению колебаний, и витую пружину.

Подвеска макферсон

В качестве рычага используют амортизационную стойку. Данный вариант считается более упрощенным, но в то же время довольно надежным и востребованным. Стоит заметить, что большая часть выпускаемых моделей оснащается системой по схеме МакФерсон. Особенно это актуально для легковушек. Интересен факт, что эта конструкция — производная от предыдущего варианта.

Подвеска с большим количеством рычагов

По названию понятно, что в данной системе используется несколько рычагов вместо стандартных двух поперечных. Вариант считается усовершенствованным. Помимо поперечных деталей также присутствуют продольные. Схема также считается довольно распространенной и применяемой на сегодняшний день. Обычно встречается на задней оси легковых автомобилей.

Подвеска торсионная

Основу системы представляет деталь с упругими свойствами. При производстве ей дали название — торсион. С его помощью осуществляют соединение между собой используемых рычагов и кузова машины. Принцип работы — скручивание. Вариант считается современным и еще не пользуется особой популярностью, так как не до конца опробован. В основном такую подвеску предпочитают устанавливать на внедорожниках и крупных машинках.

Будущее электромагнитной подвески

С каждым днём, инженеры из представленных выше компаний дорабатывают свои продукты, доводя их качество выполнения до серийного/совершенного уровня.

Проводятся активные работы по обеспечению и оптимизации программного кода, с помощью которого осуществляется процесс управления электромагнитами.

Пытаются работать с конструкцией установки, активно применяя новые материалы и производя прототипы намного легче предыдущих вариантов.

Некоторые эксперты подозревают активные работы по созданию рабочих прототипов в закрытых установках.

Не исключено, что продвигать электромагнитную подвеску в скором времени будут и сами крупные производители автомобилей в лице Volkswagen, General Motors, Hyundai и других.

Полезность и преимущества использования подобной системы видна невооруженным глазом, а потому осознанно никто не будет отказываться от подобной системы.

Достоинства и недостатки

Как и у большинства продуктов высоких технологий, недостаток у электромагнитной подвески один – высокая сложность.

Этот параметр формирует и цену, из-за чего до широкого внедрения разработок ещё далеко. Зато достоинств значительно больше:

• высочайшая плавность хода, недостижимая более простыми решениями;
• практически идеальная управляемость, из-за чего автомобиль обладает прекрасным сцеплением с дорогой в любых условиях;
• возможность полного устранения кренов, клевков и разгрузок осей, что позволяет максимально использовать тяговые, тормозные и боковые свойства шин, а также оптимизировать аэродинамику кузова;
• полная компенсация негативного влияния неподрессоренных масс на работу подвески;

В настоящее время по эффективности работы ни одна подвеска не может быть даже сравнима с электромагнитной.

Однорычажная система типа «Макферсон»

Данный тип подвески считается наиболее дешевым и практичным. Устанавливается на переднюю ось большинства бюджетных легковых автомобилей и состоит из таких деталей:

• подрамник – металлическая конструкция, прикрепляемая к нижней части кузова;
• поперечные нижние рычаги, установленные на подрамнике;
• поворотный кулак со ступицей крепится к рычагу посредством шаровой опоры;
• роль верхнего рычага играет сама стойка в сборе с пружиной, опирающаяся верхним концом в стакан кузовного лонжерона;
• стабилизатор, связывающий поперечные рычаги;
• наконечники рулевых тяг, присоединенные к поворотным кулакам на шарнирах.

Принцип действия подвески McPherson довольно прост: амортизатор, установленный внутри пружины, работает вместе с ней как главный демпфирующий элемент. Стойка способна вращаться вместе с поворотным кулаком за счет опорного подшипника в верхней части. Рычаг держит колесо снизу, а поворот осуществляется под воздействием рулевой тяги, прикрепленной шарниром к кулаку. От кренов автомобиль предохраняет стабилизатор, соединенный с подрамником и обоими рычагами.

Основные плюсы данной подвески – компактность, низкая стоимость и возможность без проблем подключить к колесам ШРУСы от поперечно стоящего мотора. Дополнительное преимущество – большой ход, практически на всю длину раскрытия амортизатора, предохраняющий детали кузова от пробоев подвески.

Теперь о минусах:

1. Опорная стойка подвержена ударным нагрузкам со стороны колеса и нередко выходит из строя. Это слабое место конструкции McPherson.
2. Из-за большого хода и подвижного крепления элемента упругости на шарнирах существенно меняется развал передних колес.

Указанные недостатки не позволяют устанавливать независимую подвеску Макферсон на тяжелые машины премиум-класса, внедорожники и спорткары.

Способы практического применения

Однако применить эти технологии в автомобилестроении очень сложно, ведь обычный седан ездит по городу на колесах, и скорость в полтысячи километров ему явно ни к чему. Ведь если начать применять магнитные подушки повсеместно, то это мы увидим два основных минуса:

• Необходимость возведения специальных дорог.
• Убивает в корне многозадачность автомобилей.

И действительно, невозможно себе представить уже будет внедорожник или 18-ти колесник, т.к. как минимум нужно будет строить специальные дороги по всему миру, а это триллионы триллионов долларов. Однако сейчас конструкторы решили проводить опыты по внедрению эффекта магнитного поля в автомобилестроение. Тут и появилась магнитная подвеска. По расчетам инженеров подвеска находится под управлением бортового компьютера машины и должна на основе эффекта левитации обеспечивать плавность хода, которую невозможно достичь механическими способами. Также такая подвеска автомобиля должна обеспечивать более стабильную управляемость.

Виды магнитных подвесок

Современная автомобильная промышленность дала миру три основных бренда, продукция которых – электромагнитная автомобильная подвеска высокого класса. Это такие фирменные марки:

• SKF;
• Delphi;
• Bose.

Каждый из них, базируясь на фундаментальном принципе работы, имеет свои отличия и изюминки, ряд преимуществ и недостатков. Объединяет их то, что каждая из них обеспечивает не только отличную плавность движения автомобиля, но и его отменную устойчивость при передвижении на большой скорости.

В плане комфортности и безопасности водителя и пассажиров такие магнитные подвески не имеют себе равных. Помимо того, они позволяют рационально использовать энергетический потенциал авто.

Магнитная подвеска SKF

Этот вариант сконструирован в формате капсулы, которую составляют два электромагнита. Бортовой компьютер сверхбыстро собирает информацию с всевозможных датчиков и с её учетом делает коррекцию жесткости демпфирующих элементов, определяя оптимальный режим передвижения машины. Ещё одним однозначным «плюсом» такой модели является то, что здесь сохранена возможность перейти от автоматического формата к механическому.

Подвеска Delphi

Такой вариант отличается особенным конструированием подвески — это однотрубный амортизатор, внутри которого находится магнитно-реологическая жидкость. Магнитные частицы в ней микроскопические, не более 10 микрон. Кроме того, в раствор добавляется определенная пропорция специального покрытия, чтобы частицы друг с другом не слипались. В поршне амортизатора, которым руководят с помощью электронного блока, содержится электромагнит. Когда подается управляющий сигнал, создается поле магнитного характера и частицы располагаются в упорядоченной структуре.

Такая подвеска отличается скоростью реакции и возможностью применять, при поломке, гидравлический амортизатор.

Гидравлический амортизатор

Электромагнитная подвеска Bose

Мало кто знает, что её создал известный изобретатель Арам Боуз, производящий классные музыкальные приспособления. В настоящее время такие модели являются, пожалуй, самыми популярными, показывая необыкновенную быстроту операций, которую обеспечивает магнитный шток.

Модель демонстрирует линейный электродвигатель. Зависимо от того, какой режим езды, такой двигатель функционирует в роли упругого или демпфирующего элемента. Кроме того, такая модель даёт возможность широко варьировать всевозможные настройки. Другой изюминкой считается «режим электрогенератора». Так, колебания машины превращаются в электроэнергию, которая концентрируется в аккумуляторах.

Электромагнитная подвеска Bose

Одной из самых популярных систем этого класса является разработка ученого Арама Боуза. В его интерпретации этот комплекс представляется линейным электродвигателем, который может работать как демпфирующий или упругий компонент в зависимости от условий движения. Амортизационный шток с наличием в конструкции постоянных магнитов выполняет возвратно-поступательные действия по длине статорной обмотки, которая расположена в корпусе.

В процессе движения устройство эффективно сглаживает колебания, которые возникают на неровных участках. При этом электромагнитная подвеска Bose предполагает широкий спектр различных настроек. Например, в процессе преодоления виража автомобилист сможет так настроить схему сигналов, что опорным выступит внешнее заднее колесо. И напротив, в повороте подвеска переключит основную нагрузку на переднюю часть. В итоге обеспечивается повышенный контроль над машиной в процессе управления.

Типы

На протяжении многих лет использовалось множество примеров этого.

Бедфорд левитатор

В этой ранней конфигурации, разработанной Бедфордом, Пером и Тонксом в 1939 году, алюминиевая пластина помещена на две концентрические цилиндрические катушки и приводится в действие переменным током. Когда параметры верны, пластина демонстрирует стабильную 6-осевую левитацию.

Левитация плавления

В 1950-х годах была разработана техника, при которой небольшие количества металла поднимались и плавились под действием магнитного поля в несколько десятков кГц. Змеевик представлял собой металлическую трубу, по которой циркулировал хладагент. Форма в целом была конической, с плоской вершиной. Это позволило использовать инертную атмосферу и было коммерчески успешным.

Линейный асинхронный двигатель

Поле от линейного двигателя генерирует токи в алюминиевом или медном листе, которые создают подъемную силу, а также движущую силу.

Эрик Лэйтуэйт и его коллеги взяли левитатор Бедфорда и постепенно разработали и улучшили его.

Сначала они сделали левитатор длиннее по одной оси и смогли сделать левитатор, который был нейтрально устойчивым по одной оси и устойчивым по всем остальным осям.

Дальнейшее развитие включало замену однофазного тока возбуждения на линейный асинхронный двигатель, сочетающий левитацию и тягу.

Более поздние системы «поперечного потока» в его лаборатории Имперского колледжа , такие как Магнитная река, избегали большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные толстые железные опорные пластины при очень длинных полюсах, за счет закрытия пути потока в поперечном направлении за счет расположения двух противоположных длинных полюсов. полюса рядом. Они также смогли разбить первичную обмотку левитатора на удобные секции, которые упростили сборку и транспортировку.

Нулевой поток

Системы с нулевым потоком работают за счет наличия катушек, которые подвергаются воздействию магнитного поля, но намотаны, как показано на рисунке 8, и аналогичных конфигураций, так что при относительном движении между магнитом и катушками, но центрированном, ток не течет, поскольку потенциал компенсируется. Когда они смещены не по центру, протекает ток, и катушка создает сильное поле, которое стремится восстановить расстояние.

Эти схемы были предложены Пауэллом и Дэнби ​​в 1960-х годах, и они предположили, что сверхпроводящие магниты могут использоваться для создания необходимого высокого магнитного давления.

Inductrack

Inductrack — это пассивная , отказоустойчивая система магнитной левитации , в которой для достижения магнитной левитации используются только обесточенные петли проводов на рельсах и постоянные магниты (организованные в массивы Хальбаха ) . Путь может быть в одной из двух конфигураций: «лестничный путь» и «ламинированный путь». Лестничная дорожка сделана из кабелей Litz без питания, а многослойная дорожка сделана из сложенных друг на друга медных или алюминиевых листов.

Существует две конструкции: Inductrack I, оптимизированный для работы на высоких скоростях, и Inductrack II, который более эффективен на более низких скоростях.

Электродинамический подшипник

Трехмерное изображение намагниченного в осевом направлении кольцевого магнита, окруженного медным цилиндром. Металлическое кольцо вокруг внешней стороны вращается, и токи, возникающие, когда оно смещено от центра относительно магнита, толкают его обратно в выравнивание.

Электродинамические подшипники (EDB) — это подшипники нового типа, использующие пассивную магнитную технологию. Для работы EDB не требуется управляющая электроника. Они работают за счет электрических токов, возникающих при движении, вызывая восстанавливающую силу.

Плюсы и минусы магнитных подвесок

Как и любое другое изделие, ЭМ подвеска обладает своими характеристиками и качествами. При установке подобной конструкции на свою машину вы получаете достаточно внушительный прирост, в плане ее управляемости. Также стоит отметить такие преимущества:

• Более мягкий, плавный ход.
• Высокая скорость отклика бортового компьютера, что также повышает уровень управляемости.
• Экономия потребляемой энергии.
• Многофункциональность – есть возможность выбрать между автоматическим и механическим режимом работы.

Основной негативный фактор, о котором стоит упомянуть, заключается в наличии и установке на автомобиль программного обеспечения. Ставить дополнительное ПО придется отдельно. На данный момент малое количество машин, вышедших из-под конвейера, обладают подобной конструкцией, включающей магнитную подвеску автомобиля. Также в качестве минуса стоит упомянуть высокую стоимость подобного «апгрейда» ходовой части.

Сферические колеса на магнитной подвеске

Компания Goodyear, которая является производителем автомобильных покрышек с мировым именем, разработала дизайн сферической автомобильной покрышки, которая позволит автоматическим транспортным средствам перемещаться боком так же легко, как нынешние автомобили могут перемешаться вперед или назад. Применение подвески со сферическими колесами позволит избавиться от ограничений возможного направления движения, накладываемых традиционной конструкцией ось-колесо, которая остается практически неизменной уже почти 4 тысячи лет.

Концепт сферической подвески, получившей название Eagle-360, был продемонстрирован компанией Goodyear Tire & Rubber Company в рамках 86-го Международного Автосалона, который проходил в Женеве, Швейцария. К сожалению, представители компании Goodyear не предоставили никаких технических деталей, касательно конструкции подвески и трансмиссии автомобиля со сферическими колесами. Единственной доступной информацией является то, что для этого используется бесконтактная подвеска, использующая эффект магнитной левитации. И, судя по приведенным изображениям, сферические колеса полностью скрыты под элементами кузова автомобиля.

История создателя подвески Босе

Индиец по происхождению, Амар Боуз родился в США в 1929 году, и с детства проявлял интерес к аудиотехнике. Будучи от природы человеком любознательным, Боуз интересовался разными сферами жизни, а не только музыкой. Ещё одним его увлечением были автомобили.

В отличие от автолюбителей того времени, ставивших на первое место скоростные характеристики и мощность двигателя, Боуз ценил комфорт. В 1964 году мужчина основал компанию по изготовлению наушников и акустики, а за 6 лет до этого события приобрел Pontiac с пневмобаллонной подвеской. Неизвестно, был ли он полностью удовлетворен ею, но, если судить по тому обстоятельству, что в 1980 году Боуз начал разрабатывать новый тип автомобильной подвески, претензии к ней у него были.

Как работает

Наглядно проиллюстрировать, как функционирует электромагнитная подвеска автомобиля, хорошо на примере одного из самых удачных её образцов – подвески марки Bose. В ней главная функция возложена на шток, оснащенный магнитным «сердечком». Он находится в создаваемом при помощи линейного электродвигателя магнитном поле. За счёт изменений его характеристик обеспечивается быстрое изменение параметров упругости самой подвески и кузова автомашины. Всё это достигается с огромной скоростью реакции на внешние обстоятельства. Всю нужную информацию водитель постоянно считывает с разных датчиков, вмонтированных в разные места машины.

Сведенное к минимуму количество компонентов механического рода обеспечивает всей конструкции высокие ресурсные данные. Плавность движения автомобиля при этом гораздо выше, чем в традиционном варианте.

Стабильность

Статический

В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическую левитацию можно сделать стабильной. Электродинамическая левитация с металлическими проводниками проявляет форму диамагнетизма , и может быть достигнута относительная проницаемость около 0,7 (в зависимости от частоты и конфигурации проводника). Учитывая детали применимой петли гистерезиса, частотно-зависимая изменчивость поведения должна иметь минимальное значение для тех магнитных материалов, которые могут быть развернуты.

Динамический

Эта форма маглева может вызвать колебание левитирующего объекта, вызванное сопротивлением, и это колебание всегда происходит с достаточно высокой скоростью. Эти колебания могут быть довольно серьезными и могут привести к отказу подвески.

Однако внутреннее демпфирование на уровне системы часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах.

Кроме того, добавление легких настроенных демпферов массы может предотвратить возникновение проблем с колебаниями.

Также может использоваться электронная стабилизация.

Принцип работы

Посредством работы схемы сила колебаний преобразуется в энергию, которая затем перемещает упругие элементы. Нагрузка от колес постепенно переходит на пружину, и кочка становится не такой страшной. При желании можно настроить жесткость перемещения элементов упругости, и, если есть такая необходимость, смягчить действие гасящих деталей.

Плавность хода авто обеспечивается за счет уменьшения силы удара. Чтобы убедиться в этом, стоит посмотреть видео в интернете — таких роликов полно.

Следует отметить, что автомобили обладают различными по типу жесткости подвески. И чем жестче конструкция, тем эффективнее будет управление транспортным средством, но от этого пострадает комфорт сидящих в салоне. И, наоборот, если будет обеспечено удобство эксплуатации, может пострадать управляемость. Ни то, ни другое недопустимо. Поэтому владельцы авто стремятся найти наиболее верное решение путем выбора подходящей системы подвеска.

Как работает магнитная подвеска

Современные механизмы, называемые магнитными подвесками, эксплуатируют принцип работы, в основе которого лежит явление электромагнетизма. Этот эффект описывает зависимость между двумя видами поля: электрического и магнитного.

Стандартные продукты, устанавливаемые на автомобилях, исполняют свою основную задачу благодаря таким элементам конструкции как пружины и упругие детали. Электромагнитные подвески, в качестве основных элементов, используют электромагниты. Именно из-за такого механического состава современные подвески и получили свое название.

Схема работы устройства заключается в создании особой системы управления (control system) путем установки на транспортное средство бортового компьютера. Данный компьютер, также именуемый электронным узлом, в real-time режиме снимает характеристики колесного ряда, и, в зависимости от них, посылает соответствующие команды. Управление осуществляется достаточно простым образом: схема намного проще по своей сути, чем те же пружины или гидравлические конструкции или маховик.

Независимая подвеска

Независимая подвеска отличается тем, что колеса одной оси между собой не связаны и движение одного из них не оказывает никакого влияния на другое. По сути, в этом типе для каждого колеса предусмотрен свой комплект составляющих частей – упругой, демпфирующей, направляющей. Между собой эти два комплекта практически не взаимодействуют.

Стойки Макферсона

Разработано было несколько типов независимой подвески. Одним из самых популярных видов является подвеска МакФерсона (она же – «качающаяся свеча»).

Особенность этого вида заключена в использовании так называемой амортизационной стойки, которая выполняет одновременно три функции. В состав стойки входит и амортизатор, и пружина. В нижней части этот составной элемент подвески крепиться к ступице колеса, а вверху посредством опор – к кузову, поэтому он помимо принятия и гашения колебаний еще и обеспечивает крепление колеса.

Устройство газомасляной стойки MacPherson

Также в конструкции имеется еще одни компоненты направляющей системы – поперечные рычаги, в задачу которых входит помимо обеспечения подвижного соединения колеса с кузовом еще и предотвращение его продольного перемещения.

Для борьбы с кренами кузова во время движения в конструкции подвески используется еще один элемент – стабилизатор поперечной устойчивости, который является единственным связующим звеном между подвесками двух колес одной оси. По сути, этот элемент является торсионом и принцип его работы основан на возникновении противодействующей силы при скручивании.

Подвеска со стойками МакФерсона является одной из самых распространенных и может использоваться как на передней, так и задней оси.

Она отличается сравнительно компактными размерами, простотой конструкции и надежностью, за что и получила популярность. Недостатком же ее является изменение угла развала при значительном ходе колеса относительно кузова.

Рычажный тип

Рычажные независимые подвески – тоже достаточно распространенный вариант, применяемые на автомобилях. Этот тип делится на два вида – двухрычажную и многорычажную подвески.

Конструкция двухрычажной подвески сделана так, что амортизационная стойка выполняет только свои прямые задачи – гасит колебания. Крепление же колеса полностью лежит на управляющей системе, состоящей из двух поперечных рычагов (верхнего и нижнего).

Двухрычажная подвеска

Используемые рычаги имеют А-образную форму, что обеспечивает надежное удержание колеса от продольного перемещения. К тому же они разной длины (верхний – короче), благодаря чему даже при значительных передвижениях колеса относительно кузова, угол развала не меняется.

В отличии от «МакФерсона» двухрычажная подвеска более габаритна и металлоемка, хотя чуть большее количество составных частей на надежности не сказывается, но она несколько сложнее в обслуживании.

Многорычажный тип, по сути, является доработанной двухрычажной подвеской. Вместо двух А-образных в ее конструкции используется до 10 поперечных и продольных рычагов.

Многорычажная подвеска

Такое конструктивное решение оказывает положительное влияние на плавность хода и управляемость авто, сохранности углов положения колеса во время работы подвески, но при этом она более дорогостоящая и сложная в обслуживании. Из-за этого по применяемости она уступает стойкам МакФерсона и двухрычажному типу. Ее можно встретить на более дорогостоящих авто.

Заключение

Концепция электромагнитной системы обусловила появление целого направления в автомобильной отрасли, специалисты которой занимаются улучшением ходовой части. Основной площадкой для работ в этой сфере является передняя подвеска автомобиля, хотя возможности новой конструкции позволяют ориентироваться на более широкий простор в плане технической реализации. Также развиваются и сторонние направления. К примеру, некоторые из последних модификаций электромагнитной подвески дополняются и полноценной функцией электрогенератора. Это значит, что все неровности покрытия, преодолеваемые машиной, трансформируются в электрическую энергию.