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磁悬浮技术在汽车工程中的应用分析 |
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摘要：电磁悬浮系统具有较好的可控性，永磁悬浮系统具有良好的非线性刚度特性，且具有使用寿命长、技术实施要求不高、无噪声、无污染等优点。本文综述和分析了磁悬浮技术在汽车主动悬架、汽车减振器、汽车座椅、救护车担架中的应用，提出了一些需要思考和解决的问题，并展望了磁悬浮技术在汽车工程中应用的前景。
关键词：磁悬浮 汽车 应用
1 前言
磁悬浮是在没有接触性约束的条件下，在磁力作用下，使物体在空间处于稳定的一种状态。由于它具有非接触、无摩擦、无污染等特征，使其在工程中的应用场合显示出极大的优越性，近年来倍受工程技术人员关注。
按悬浮方式分，如图1 所示，磁悬浮机构可分为排斥式和吸引式两种类型。排斥悬浮的优点是对应于负荷上下位置比较稳定，但为防止其侧向移动而需垂直导向；吸引悬浮的优点是左右位置比较稳定，但上下位置不能调整，左右位置需导向。按动力来源分，磁悬浮机构可分为电磁悬浮和永磁悬浮两种类型。电磁悬浮系统是通过控制电磁铁的电流来达到控制间隙、悬浮物体的目的。目前，磁悬浮产品的研制尚主要限于超导技术、电磁技术范畴，其在振动控制中亦主要用于主动隔振。随着超导技术的飞速发展，磁悬浮列车已步入实用化阶段，磁悬浮轴承在工业中获得了越来越广泛的应用。但因电磁悬浮系统需要较强的动力供给，控制系统较复杂，技术水平要求较高且价格昂贵，从而限制了其在工程中的应用。永磁悬浮系统是利用永磁体的磁感现象以及永磁体之间的斥力和引力来达到悬浮的目的。20 世纪70 年代以来，永磁材料的应用范围日益扩大。目前，永磁材料已进入第三代，并在磁性材料的研究上取得了重要突破。Nd-Fe-B系永磁材料被称为现代磁王，其潜在磁能积的理论值高达525.4KJ/m3，能推起相当于自身重量640 倍的重物，而一般铁氧体也能推起相当于自重120 倍的重物。由于永磁悬浮系统具有技术实施及维修保养水平要求不高、成本较低等优点，其在工程中的应用愈来愈广泛。
图1 磁悬浮机构悬浮方式原理示意图
目前，成熟的磁悬浮系统在汽车工程中的应用较少，但磁悬浮技术在磁悬浮列车中的应用给我们带来了启示：既然采用磁场作为弹性介质的磁悬浮列车比采用钢板弹簧和螺旋弹簧的旧式列车有更好的减振性能，那么将磁悬浮技术应用于汽车也应当有类似的结果。因而，一些有识之士已开始探讨将磁悬浮技术应用于汽车工程中。本文综述和分析、探讨了磁悬浮技术在汽车工程中的应用，并展望了应用前景。
2 磁悬浮技术在汽车主动悬架中的应用
通过改变电磁铁线圈中电流，不但可以改变电磁力的大小，而且可以改变电磁力的方向。因此，可基于电磁铁设计汽车主动悬架系统[1,2]。汽车磁悬浮主动悬架系统的工作原理框图如图2 所示[1]，主动悬架系统的机械部分由工作缸筒、永磁体和铸钢体等组成。控制系统由电子元件、超声波传感器、控制器、功率放大器和线圈组成。由超声波传感器检测位移激振信号，该信号转换成电信号后经过控制器处理，来调整线圈电压的大小，使作用在铸钢体上的力发生变化，达到调整系统刚度和阻尼系数的目的。为了克服主动悬架系统中电磁力控制稳定性差和电磁悬浮刚度小等缺点，可采用弹簧和电磁力共同构成悬挂系统的刚度，如图3 所示。
图2 汽车磁悬浮主动悬架系统的工作原理框图
图3 电磁力、弹簧复合刚度控制器
仿真结果表明，由于电磁悬浮主动悬架系统的控制器参数可调，使得该系统具有很好的动力可调特性，其刚度和阻尼在线可调。但电磁悬浮技术在汽车主动悬架中的应用还有许多问题需要进一步研究，如系统参数优化，控制策略和算法，电磁悬浮系统的工程实现等。
3 磁悬浮技术在汽车减振器中的应用
如采用由两块同极相对的高强度永久磁铁产生的磁场作为汽车减振器的弹性介质，两磁铁同极间的斥力随着两磁级间距离的减小而变大，因此具有良好的非线性刚度特性，而且可根据负载自动调整刚度及车身高度，可以很好地满足汽车行驶平顺性的要求。
一种磁悬浮汽车减振器的结构如图4 所示[3]。此磁悬浮减振器的弹性力主要由上、下主磁铁29、18的N 极间的排斥力产生。行程开关触点11 通过连杆2 与活塞柱1 相连接，塑料套筒19、26 和橡胶隔块32、33 起限定聚磁磁铁16、31、34 位置的作用，密封圈4 起防尘、密封的作用。当活塞柱1 相对压盖5向上运动时，弹簧7 起缓冲的作用，当活塞柱1 相对基筒6 向下运动时，橡胶垫片17、20、30 起缓冲的作用。固定片27 与橡胶垫片17 间的空腔内充有油液，导管15 分别与套筒8 及一储液罐（上部空腔内充有气体）相连。当该减振器被压缩时，套筒8 内的油液通过导管15 进入一储液罐，由于此时储液罐内的阻尼片可随油液上升，所以油液阻力很小。当该减振器被压缩后复原时，活塞柱1 向上运动，储液罐内的气体压力较大，把油液下压，经阻尼片上的阻尼孔压回套筒8 内，油液经阻尼片上的阻尼孔时发热，振动能量转化为热能。另外，通过控制电路液力左右移动活塞柱24，可运用聚磁原理调整减振器的刚度特性，并可改变减振器的长度，从而调整车高。
1、24–活塞柱 2–连杆 3、22–压环 4、23、28–密封圈 5–压盖 6–基筒 7–螺旋弹簧
8–套筒 9、10、12、13、14–行程开关 11–行程开关触点 15–导管 16、21、31、34–聚磁磁铁
17、20、30–橡胶垫片 18–下主磁铁 19、26–塑料套筒 25–基座 27–固定片 29–上主磁铁
32、33–橡胶隔块
图4 磁悬浮汽车减振器结构示意图
由以上可以看出，此磁悬浮减振器原理正确，具有很好的可行性，但其减振性能仍需做深入细致的仿真分析和实际试验验证。值得一提的是，通过上、下主磁铁间充有油液的方式缓冲振动一方面会增加减振器的加工技术要求（如密封技术），另一方面会使减振器发热，而温度对磁性材料的性能有一定的影响，如采用加装散热片散热，将使结构更趋复杂。如采用将此减振器与一阻尼器并联的工作方式，可能会具有更好的可行性。
4 磁悬浮技术在汽车座椅中的应用
为提高汽车乘坐舒适性和操纵性能，可将磁悬浮技术应用于汽车座椅上[4,5]。
图5 所示为按照吸引悬浮的原理设计的汽车磁悬浮座椅[4]。该座椅所采用的磁铁为断面尺寸为30mm(H)×24mm(W)(W/H 比为0.8)的钕-铁-硼磁铁，磁铁间距在1～5mm 内可调。上导槽的上下升程为10mm，为了使悬浮磁铁不接触下导轨，上下导轨间安装了树脂衬垫，当产生冲击时，为了不使座椅脱开，采用了上导槽夹住下导轨的结构。为了使左右方向磁铁间隔一定，外侧安装轴承来定位。左右上导槽间以刚性结合来限制向外的偏移。试验结果表明，试制的座椅前后滑动时，与常规座椅相比，滑动阻力减小到1/5～1/10。
图5 汽车磁悬浮座椅的可调轨道机构
为克服排斥型磁悬浮系统刚度大、难于控制的缺陷，可采用线性弹簧和非线性磁浮装置组合的方法设计汽车座椅[5]，使该座椅具有小变形时较“软”的线性特性，大变形时较“硬”的非线性特性。试验结果表明，该种座椅隔振性能良好，基本相当于半主动隔振系统，抗冲击性能良好，可克服常规座椅在大载荷下“撞底（bottoming）”的现象，同时该种座椅还具有行程小的优点。
5 磁悬浮技术在救护车担架隔振中的应用
一种救护车磁悬浮担架的结构如图6 所示[6]，该磁悬浮担架由支架、安装在支架下方及地板上方磁极相对的上磁体和下磁体、支架与地板之间的四边形连杆机构组成。在上述两块磁体的作用下，担架支架通过四边形连杆机构悬浮在地板上，从而可有效吸收担架支架的振动。
图6 救护车磁悬浮担架结构示意图
6 几点探讨
6.1 磁屏蔽问题
磁场是否损坏人体健康、能否有效屏蔽是磁悬浮技术在汽车工程中应用最值得注意的主要问题之一。在现有磁悬浮技术在汽车工程中应用方面的文献中，对磁屏蔽问题都没有述及，但该问题已在磁悬浮列车中得到有效解决。根据日本的报告，磁悬浮系统形成的电磁回路所产生的磁场，仅相当于地磁，对人体丝毫不会产生危害。而德国的测量结果更明确：坐在他们的磁悬浮列车上所感受到的磁场影响，小于坐在4米远的地方看一台21 英寸的黑白电视机。因此，根据磁悬浮列车的研究成果，磁屏蔽问题能够在汽车工程中应用的磁悬浮机构中得到有效解决。
6.2 磁悬浮系统阻尼问题
在现有的磁悬浮机构中，有些系统采用磁悬浮与阻尼器并联使用的方式[2,3,5]，有些系统仅采用了磁悬浮方式，未加阻尼[1,6,7]。有的研究者认为，磁悬浮自身可产生阻尼，且阻尼因子d=0.23[7]，有的研究者认为，磁悬浮自身产生阻尼是因相位变化而引起的[5]。磁悬浮系统的阻尼是自身产生还是因导向机构的摩檫力造成，其产生阻尼的机理如何，尚需进一步研究。
6.3 正负刚度不对称问题
磁悬浮系统正负刚度不对称，即向下压缩时的刚度大于向上运动时的刚度，从而造成了磁悬浮系统时域振动曲线的非对称性，这一问题在磁悬浮系统设计中值得注意。
7 结语
电磁悬浮系统具有较好的可控性，可将其应用于汽车主动悬架设计中。永磁悬浮系统具有良好的非线性刚度特性，且具有使用寿命长、技术实施要求不高、非接触、无噪声、无污染等优点，可将其应用于汽车减振器、座椅、救护车担架中。随着磁悬浮技术的完善，还可进一步开发出磁悬浮式发动机支架、磁悬浮式防撞保险杠等产品。因此，磁悬浮技术在汽车工程中具有良好的应用前景，但有些问题诸如磁屏蔽、工程实施、磁悬浮阻尼等尚需做进一步做深入细致的研究。
参考文献
1 刘小英，王凌，赵淑英等. 汽车磁悬浮减振系统的结构分析与模型研究. 武汉汽车工业大学学报，2000（3）：14~17
2 陈渝光，李太福，肖蕙蕙等. 基于磁悬浮刚度控制器与可调阻尼器的智能减振器研究. 重庆工学院学报，2001（2）：62~64
3 李辉，何锃. 磁悬浮减振器的研究. 汽车工艺与材料，1999(5)：34~37
4 刘继承. 磁悬浮技术在汽车座椅上的应用，国外汽车，1992(1)：25~28
5 Etsunori Fujita, Noritoshi Nakagawa etc.Vibration Characteristics of Vertical Suspension Using Magneto-Spring. 1999 Society of Automotive Engineers,
1999-01-1781,2893~2908
6 坂本丰.防振担架架，专利号：JP10277095
7 崔瑞意，申仲翰，刘玉标.磁悬浮隔振装置的研制及基本机理研究. 力学与实践，1999(4)：54~56(end)
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(5/18/2005) |
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