电磁悬挂 :抑制振动、保持车身稳定的系统

更新时间:2024-09-21 02:26

电磁悬挂,(Magnetic Ride Control,MRC),也被称为磁流变液减震器悬架、磁流变半主动悬架等,是基于电磁学原理,利用电磁反应技术在1毫秒内对路面情况作出反应,抑制振动,保持车身稳定的一种独立悬挂系统。

电磁悬挂系统是由车载控制系统、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组成。系统具有结构简洁,功耗极低,控制应力范围大,对杂质不敏感,工作温度范围宽,普通低伏电源(一般的蓄电池)供电以及噪声低等优点。该技术可以根据不同路面情况进行调整,提高车辆的操控性和乘坐舒适度。该技术20世纪八十年代开始研究,现已经被应用于不同类型车辆中。

电磁悬挂技术还存在着电机式电磁作动器能量回收与利用率低等问题,但随着电磁材料、电机技术和电控技术的发展,电磁悬挂技术得到了进一步的研究与发展。电磁悬挂技术也是研究高速磁浮交通系统的关键技术之一。

历史沿革

基于电磁原理的电磁悬挂系统,国外率先对电磁悬挂整体技术进行研发与应用,如美国加拿大德国日本等国都致力于电磁悬挂技术的研究。

日本在电磁悬挂技术领域研发投入较多,有多家公司从事电磁悬挂技术的研究,如日产汽车公司、昭和精机株式会社和日立制作所等,且已展出电磁悬挂系统。其中,日产自动车株式会社2004年8月公布了一种电磁悬挂系统,在车体和车轮之间平行设置了电磁作动器,并采用一台电动机驱动该电磁作动器,控制器用于计算施加到该电磁作动器的位移输入并控制电动机,使得电磁作动器产生对应于位移输入的最优控制力。

美国L-3电子系统公司在2005年为美国未来战斗系统项目研制了电控主动悬挂系统(ECASS)。该系统是一种电磁悬挂系统,在每一个车轮上用高宽带电机作动器取代了常规阻尼器,其中机电作动器使车轮与地面间的载荷接近常数,以减小地面压力的波动。作动器一方面保持车辆底盘的恒定姿势,同时主动控制随路况改变车轮的垂直运动。为此,作动器即能当电动机又当发电机,并通过主动控制得到平滑响应。该系统基于蓄电池/电容器的能量存储单元能够回收常规减振器和弹簧以热量散发的能量,从而可提高整套系统的效率。该电磁悬挂系统于2005在“枪骑兵”履带式车辆底盘、M1坦克、“悍马”车、Transit公共汽车、LMTV4×卡车等陆上平台上进行了现场演示,并于2005年底至2006年在“悍马”车和FMTV卡车上进行了证试验。

在商用车上,MRC的前身,可以追溯到上世纪80年代末,凯迪拉克推出的SD2C随速减震控制系统。1991年,凯迪拉克对SD2C进行更新,加入电脑控制和多项速率传感器,实现悬挂阻尼全自动调整。1993年,CVRSS连续可变道路感应悬挂系统出现,响应速率更高、调整更精确。该系统在当时已可以实现每秒约80-100次的阻尼变化。2002年美国德尔福公司完成了电磁悬挂技术的研发工作并注册了“Magne Ride”的商标。同年,第一辆搭载MRC主动电磁感应悬挂系统的量产车型——凯迪拉克Seville STS落地。随后,除了凯迪拉克旗下多款车型搭载MRC外,众多高端品牌及高端车型也纷纷跟进,具体车型如雪佛兰Corvette C6、法拉利599GTB、奥迪TIS、别克Lucerne等。MRC4.0系统是通用汽车生产的2021款凯迪拉克CT4V和CT5-V的标配。

“十一五”期间,我国也努力探索新型悬挂技术的研发,并启动电磁悬挂技术的研究,但是我国电磁悬挂技术在研发投入与性能水平等方面与国外存在一定差距。目前在一些整车制造的国产车辆上已经推广使用。

构造原理

电磁悬挂系统是由车载控制系统、车轮位移传感器、电磁液压杆和直筒减振器组成。在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器,传感器与车载控制系统相连,控制系统与电磁液压杆和直筒减振器相连。

在减震器内采用的不是传统的空气或普通油,而是一种称作电磁液的特殊液体,它是由合成碳氢化合物以及3到10微米大小的磁性颗粒组成。磁流变液(Magnetorheologicl Fluid,简称MR Fluid)是一种新型智能材料。它可用于智能化阻尼器(即磁流变液减震器),制成阻尼力连续顺逆可调的新一代高性能、智能化减震装置。一旦控制单元发出脉冲信号,电感线圈内便产生电压,从而形成一个磁场,并改变粒子的排列方向。这些粒子马上会垂直于压力方向排列,阻碍油液在活塞通道内流动的效果,从而提高阻尼系数,调整悬架的减震效果。

电磁线圈位于直筒减震器的活塞中,它们产生的可变磁流将穿过磁流变液并使其产生形态变化,电磁线圈分为通电与不通电两种情况:

常见分类

电磁悬挂属于汽车的可调式悬挂控制类型之一。把电磁铁作为悬挂的作动器,通过控制电磁线圈电流的变化改变电磁铁的作用力,实现振动的主动控制,称之为“电磁主动悬架”;强调电磁感应产生感应电动势的被动阻尼效果称之为“电磁阻尼悬架”;强调电磁阻尼的能量回收效果,称之为“电磁馈能式悬架”;强调通过电流改变磁场进而改变阻尼器阻尼特性称之为“磁流变半主动悬架”。但都是基于电磁学原理的悬挂系统都是电磁悬挂。

优点

电磁悬挂装置结构简洁,功耗极低,控制应力范围大,并可实现对阻尼力的瞬间精确控制。且对杂质不敏感,工作温度范围宽,可在-50℃~140℃内工作。电磁悬架可以直接通过普通低伏电源(一般的蓄电池)供电,避免高伏电压带来的危险和不便。与传统的汽车减震器相比,其运动部件大为减少,几乎无碰撞,故噪声低。

作用

装有电磁悬架的汽车,即使在最崎岖的路面上,也可以增加轮胎与地面的接触,减少轮胎反弹,控制车辆的重心转移和前倾后仰程度,来维护车辆的稳定,还可以在车辆急转弯或做出闪躲动作时很好地控制车身摇摆。

应用领域

自从2002年第一辆搭载MRC主动电磁感应悬挂系统的量产车型落地后,电磁悬挂系统在不同类型的车辆中应用更加广泛。电磁悬挂技术也是高速磁浮交通系统的关键核心技术之一。

发展趋势

电磁悬挂技术还存在着电机式电磁作动器能量回收与利用率低等问题,但随着电磁材料、电机技术和电控技术的发展,电磁悬挂技术得到了进一步的研究与发展。首先,采用电动与发电为一体的电磁作动器,既能实现振动能量的回收又能通过主动控制衰减车体的振动,是电磁悬挂的发展趋势。其次,基于路面激励和车辆状态的多工况自动切换控制策略,可以实现车辆的主被动和半主动控制,调节车辆行驶的乘坐舒适性和操纵稳定性,进而提高车辆的机动性。再次,将具有 Fail-safe 特性的磁流变阻尼器与电机作动器相结合的电磁减振器,既能宽范围的调节悬挂阻尼,又能通过能量回收进行自供电,且在振动控制时能主动出力,还能在电力失效时保持最佳被动悬挂特性,也是电磁悬挂发展的趋势,特别适用于军用车辆的高可靠性需求。最后,采用先进小巧的嵌入式智能传感器、高速高带宽总线和高指令运算的核心处理器和快速响应的执行机构进行综合集成设计,搭建整车电磁悬挂控制系统,也将是未来电磁悬挂的发展趋势。

随着新型电磁执行机构的研究与设计,伴随先进的传感器、电控单元、功率器件、车载总线和新型供电电源等技术的出现,将使电磁悬挂在车辆上的普及应用提供技术支持和保障。

电磁悬挂技术也是研究高速磁浮交通系统的关键技术之一。研究电磁阻尼电磁、结构及控制设计技术,设计与悬挂系统相匹配的电磁阻尼系统;搭建主被动电磁悬挂系统,研究车辆动态响应与电磁阻尼系统之间的影响关系,优化电磁阻尼机械、电磁结构及控制参数,实现车辆动力学性能与电磁悬挂系统的良好匹配,进一步提高车辆舒适度:研究动生感应供电耦合及能量回馈技术,开展电磁阻尼电感线圈与感应供电线圈一体化设计,探索车辆振动特性与输出感应电压特性关系,研究感应电压升压、整流及储存技术,设计容量与之匹配的供电系统,实现车辆振动能力的回馈再利用。

参考资料

要舒适还是要操控随心调节 7款可变悬挂车型-青岛新闻网.青岛新闻网.2023-10-21

通用汽车推出第四代电磁感应悬挂,反应最快的悬架系统变得更快了.今日头条.2023-10-21

配备CDC电磁悬挂系统,星途瑶光12月27日首发亮相_中安新闻_中安新闻客户端_中安在线.中安在线.2023-10-21

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