Электроподвеска автомобиля: как магнит заменил амортизатор и даже пружину?

Производители

Как и любые другие изделия автомобильной промышленности, электромагнитные амортизаторы производятся несколькими разными концернами. Помимо маркетингового названия, в основе устройств от различных производителей лежит разная технология. Существуют три лидирующие компании, производящие электро подвески, каждая из которых выпускает изделия, работающие по отличному от других принципу. Мы подробно остановимся на всех трех компаниях и рассмотрим каждый продукт.

Электромагнитная подвеска Bose.

Подвеска Bose, доукомплектованная и усовершенствованная компанией, считается эталоном magnetic-подвески. Они, согласно проведенным испытаниям, практически на сто процентов справляются с возложенными задачами – нивелируют уровень любых возникающих колебаний. Основным компонентом продукта от организации Bose стал линейный электродвигатель, осуществляющий работу в двух режимах:

• В качестве упругой составляющей.
• В качестве демпфирующей составляющей.

Постоянные магниты, входящие в конструкцию, обеспечивают произведение возвратно-поступательных движений по всей длине обмотки статора. Такая технология не только надежно защищает автомобиль от колебаний в плоскости, но и позволяет повысить его управляемость до невообразимого уровня.

«SKF» на электромагнитных амортизаторах.

Данное изделие, обладающее высокими показателями простоты и надежности, впервые увидело свет в Швеции. В качестве основного элемента конструкции SKF используется особая капсула, составляющие которой – это особые электромагниты, магнитные амортизаторы.

При движении транспортного средства, главный компьютер получает данные с датчиков, установленных на колесах, считывая их характеристики в режиме реального времени. Тот же компьютер отвечает за передачу сигналов, изменяющих текучесть демпфирующей конструкции. Также изделие SKF подразумевает наличие пружин, внесенных в конструкцию для того, чтобы нивелировать колебания в случае отключения главного компьютера.

«Delphi» с однотрубным магнитным амортизатором.

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

Сейчас магнитная подвеска эволюционирует по нескольким путям, названия которых соответствуют названиям их производителей: подвеска от Delphi, SKFи Боуза.

Начнем по порядку. Подвеска от Delphiпредставляет собой однотрубный амортизатор, в котором содержится магнитно-реологическая жидкость. Размер магнитных частиц достигает всего лишь 10 микрон. Амортизатор изнутри покрыт специальным составом, которой препятствует стягиванию этих частиц. Головка поршня, что перемещается по корпусу это, по сути своей, электромагнит, который полностью контролируется бортовым компьютером.

Реакция подвески автомобиля составляет всего лишь 1 миллисекунду, что быстрее чем в технологиях основанных на электромагнитных клапанах. Мощность электричества необходимая для полноценной работы достигает всего 20 Вт. Если подвеска нарушена, либо в ней отсутствует питание то магнитные амортизаторы работают как обычные гидравлические. Этот факт показывает насколько такая подвеска автомобиля универсальна.

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.

https://youtube.com/watch?v=kJ0ljaqeZ1g

Преимущества

Специалисты отмечают целый ряд преимуществ данной подвески:

• Надежность. В конструкции нет лишних элементов – гашение колебаний производится за счет электромагнитной индукции, без каких-либо пружин и гидравлических амортизаторов.
• Безопасность. «Лексус ЛС», который был взят в качестве опытного образца, практически не кренился в поворотах. Более того, при резком торможении передние подушки автоматически выравнивали кузов в горизонтальном положении. Это исключает возможность заноса и аварийной ситуации.
• Комфорт. За счет применения умного компьютера машина могла заранее предугадывать неровности. Таким образом, ход подвески был максимальным, а кузов оставался в горизонтальном положении. Машина не раскачивалась на ямах и сохраняла свою траекторию движения.
• Экономичность. В любой момент водитель может перевести подвеску в механический режим работы. Таким образом, при обратном ходе электромагнита будет вырабатываться электроэнергия.

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.

Реакция рынка

В качестве потребителей своей продукции в компании Bose рассматривали крупных автопроизводителей спортивных и представительских машин класса люкс. Подвеску тестировали компании Honda, Ferrari и другие, и каждый из этих известных производителей отметил существенное преимущество разработки перед ныне существующими конструкциями. Однако когда дело доходило до расчётов затрат, руководство компаний брало паузу на обдумывание, и в итоге никто так и не решился на реализацию проекта.

Внедрение новой подвески требовало разработки и реализации сложной системы электропитания авто, что в конечном счёте влияло на значительное повышение стоимости конечного продукта. К примеру, помимо процессора, для работы требовалась магнитная система с применением неодимовых магнитов большой мощности, цена которых высока. Впрочем, Боуз, уверенный, что в недалеком будущем стоимость необходимых для создания конструкции компонентов снизится до приемлемой, видел главное препятствие не в этом.

Куда более серьезными ему казались две другие проблемы:

1. Большая масса конструкции подвески (разработка Bose весила на 90 кг больше обычной). Это напрямую влияло на ухудшение динамических показателей и увеличение расхода топлива, что на фоне ужесточаемых экологических требований превращалось в абсолютно нерешаемый вопрос.
2. Необходимость обширных дорогостоящих испытаний и, как следствие, инвестиций. В случае успеха это могло принести огромную прибыль, но при провале исследований столь серьезные финансовые вложения сделали бы Боуза банкротом.

Основные элементы магнитной подвески.

Каждая электромагнитная подвеска состоит из определенного набора компонентов, обеспечивающих выполнение главной ее задачи:

• Упругие конструкции, обладающие возможностью приема и передачи приложенных по вертикали сил.
• Направляющие конструкции, формирующие схему движения колес транспорта, а также обеспечивающие связь колесного ряда между собой. Направляющие также отвечают за прием и передачу сил, приложенных по горизонтали.
• Амортизирующие элементы, основная задача которых заключается в понижении силы колебаний кузова при перемещении на плоскости дороги.

Обычные представители современных подвесок состоят из множества элементов, каждый из которых может выполнять широкий ряд задач. Но в то же время это поразительно сложные механизмы, каждая составляющая которого обладает уникальными свойствами. Такой подход к технологиям производства подвесок обеспечивает хороший прирост в показателях управляемости, комфортабельности и устойчивости транспортного средства.

ЭМ-подвески также обладают всеми вышеперечисленными компонентами, только в более совершенном, технологически улучшенном их варианте. Магнитная подвеска – это особый механизм, основой которого является электрический двигатель. Двигатель обладает двумя режимами хода, обеспечивающихся наличием упругого и демпфирующего элемента. За переключение между ними отвечает особый микроконтроллер. За счет подобной конструкции ЭМ-подвеска способна исполнять роль обычного автомобильного амортизатора.

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 нравится1Не нравится

Из каких элементов состоит?

На сегодняшний день, на рынке главенствуют три компании:

• Delphi;
• SKF;
• Bose.

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: Тормозные диски для тойота ленд крузер 200

В роли электромагнита выступает поршневая головка, управляемая компьютеризированной системой бортового типа.

Электромагнитнаяподвеска 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.

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.

Демонстрация работы подвески

Прототипом для тестирования разработки стала модель Lexus LS400: один автомобиль был оснащен традиционной подвеской, другой получил Bose Suspension, которая управлялась процессором Pentium III с частотой 750 МГц.

Программное управление активной подвеской давало возможность корректировать её функционирование, а также создавать алгоритмы работы для разных дорожных условий. Боуз отказался от подвески, используемой в настоящее время компанией Mercedes-Benz, когда при прохождении поворотов кузов авто наклоняется, что, во-первых, оказывается неожиданным для пассажиров, а во-вторых, провоцирует водителя на создание опасных ситуаций ввиду переоценки возможностей транспортного средства.

В ходе презентации было продемонстрировано сравнение двух подвесок – традиционной, используемой автомобилестроительными компаниями, и новой, придуманной Боузом (для большей наглядности на автомобиле с подвеской Bose была предусмотрена кнопка, при нажатии которой происходило переключение между ними). Журналисты, находясь в салоне, могли прокатиться по дороге с ямами и неровностями: при включении режима заводской подвески в зеркала заднего вида чётко было видно, как кузов раскачивается, при активации подвески Bose кузов оставался неподвижным.

Финальным аккордом, окончательно поразившим присутствующих, стало преодоление деревянной планки, когда кузов, невзирая на значительную высоту препятствия, продолжал оставаться в неподвижности (серийная реализация опции не предполагалась, но её демонстрация была необходимой для привлечения внимания к технологии как представителей прессы, так и возможных будущих партнеров).

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.

Недостатки системы и сложности серийного производства

Электромагнитная подвеска имеет ряд серьезных недостатков, которые ограничивают ее применение в массовом автомобилестроении. Установка подвесной системы Bose увеличивает массу машины примерно на 100 кг. Усложнение конструкции приводит к повышенному расходу бензина и росту стоимости автомобиля с электромагнитной подвеской. Для управления электродвигателями необходимо нестандартное ПО, разработка и поддержка которого требует значительных капиталовложений. В конце 2021 года корпорация Bose продала технологии производства электромагнитной подвески фирме ClearMotion. Новый владелец технических патентов значительно модифицировал конструкцию подвески и снабдил ее привычными упругими пружинами и амортизаторами. Единственным отличием от классической подвесной системы стал электрогидравлический элемент Activalve, который ускоряет отклик амортизатора на неровности дороги.

Подвеска ClearMotion

В настоящий момент технические разработки компании Амара Боуза применяются при серийном производстве кресел для грузовых автомобилей. Сиденья, оснащенные амортизационной системой Bose Ride, пользуются большой популярностью у профессиональных водителей. Некоторые идеи корпорации Боуза применяются американской компанией Cadillac, разработавшей подвесную систему Magnetic Ride Control. Устройства адаптивной подвески снабжаются двойными электромагнитными катушками, которые способны быстро изменять вязкость магнитореологического состава.

«Боуз»

Разработана в 80 году американским профессором Амаром Боузом. Именно он производил расчеты и определял наилучшие параметры для инновационной автомобильной подвески. Корпорация «Боуз» стала лидером в разработке электромагнитных подвесок. Система в ходе испытаний показала наилучшие результаты, которые не сравнить с конкурентами. Так, линейный электродвигатель мог работать не только как упругий, но и как демпфирующий элемент. Постоянные магниты закреплены на штоке. Они производят возвратно-поступательные движения по всей длине статора. Это позволяет не только мягко поглощать неровности, но и улучшить управление автомобилем. Именно подвеска «Боуз» могла программироваться так, чтобы на момент выполнения маневра задействовалось соответствующее колесо.

Среди недостатков стоит отметить высокую сложность системы. Для ее качественной работы нужно специальное программное обеспечение. Оно до сих пор находится в стадии разработки.

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.

Перспективы появления магнитных подвесок в будущем

Любое развитие технологий ведёт к снижению себестоимости систем в производстве. Поэтому применение активных подвесок будет расширяться, причём параллельно они обзаведутся и новыми функциями.

Например, уже сейчас ведутся работы по нескольким направлениям:

• активные электромагниты встраиваются в подвески рабочих кресел водителей на грузовых автомобилях, что ещё более повысит комфорт;
• системы технического зрения всё более тщательно изучают состояние дороги впереди автомобиля для максимально правильного реагирования;
• предсказание состояние покрытия может быть связано с системами навигации, в этом случае подвеска будет настраиваться в соответствии с разметкой дорожных карт и получать дополнительную информацию по спутниковой связи.

Ведущие фирмы мира понимают всю важность и перспективность новых разработок в этой области. Так труды покойного профессора Bose не задержались в рамках основанной им компании, а были выкуплены и стали основой для новой специализированной фирмы, в которую делаются значительные инвестиции

Результаты в виде серийного внедрения должны появиться достаточно быстро.

Источник