汽車工程分析論文

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磁懸浮是在沒有接觸性約束的條件下，在磁力作用下，使物體在空間處于穩定的一種狀態。由于它具有非接觸、無摩擦、無污染等特征，使其在工程中的應用場合顯示出極大的優越性，近年來倍受工程技術人員關注。

按懸浮方式分，磁懸浮機構可分為排斥式和吸引式兩種類型。排斥懸浮的優點是對應于負荷上下位置比較穩定，但為防止其側向移動而需垂直導向；吸引懸浮的優點是左右位置比較穩定，但上下位置不能調整，左右位置需導向。按動力來源分，磁懸浮機構可分為電磁懸浮和永磁懸浮兩種類型。電磁懸浮系統是通過控制電磁鐵的電流來達到控制間隙、懸浮物體的目的。目前，磁懸浮產品的研制尚主要限于超導技術、電磁技術范疇，其在振動控制中亦主要用于主動隔振。隨著超導技術的飛速發展，磁懸浮列車已步入實用化階段，磁懸浮軸承在工業中獲得了越來越廣泛的應用。但因電磁懸浮系統需要較強的動力供給，控制系統較復雜，技術水平要求較高且價格昂貴，從而限制了其在工程中的應用。永磁懸浮系統是利用永磁體的磁感現象以及永磁體之間的斥力和引力來達到懸浮的目的。20世紀70年代以來，永磁材料的應用范圍日益擴大。目前，永磁材料已進入第三代，并在磁性材料的研究上取得了重要突破。Nd-Fe-B系永磁材料被稱為現代磁王，其潛在磁能積的理論值高達525.4KJ/m3，能推起相當于自身重量640倍的重物，而一般鐵氧體也能推起相當于自重120倍的重物。由于永磁懸浮系統具有技術實施及維修保養水平要求不高、成本較低等優點，其在工程中的應用愈來愈廣泛。

目前，成熟的磁懸浮系統在汽車工程中的應用較少，但磁懸浮技術在磁懸浮列車中的應用給我們帶來了啟示：既然采用磁場作為彈性介質的磁懸浮列車比采用鋼板彈簧和螺旋彈簧的舊式列車有更好的減振性能，那么將磁懸浮技術應用于汽車也應當有類似的結果。因而，一些有識之士已開始探討將磁懸浮技術應用于汽車工程中。本文綜述和分析、探討了磁懸浮技術在汽車工程中的應用，并展望了應用前景。

2磁懸浮技術在汽車主動懸架中的應用

通過改變電磁鐵線圈中電流，不但可以改變電磁力的大小，而且可以改變電磁力的方向。因此，可基于電磁鐵設計汽車主動懸架系統[1,2>。汽車磁懸浮主動懸架系統的工作原理框圖如圖2所示[1>，主動懸架系統的機械部分由工作缸筒、永磁體和鑄鋼體等組成。控制系統由電子元件、超聲波傳感器、控制器、功率放大器和線圈組成。由超聲波傳感器檢測位移激振信號，該信號轉換成電信號后經過控制器處理，來調整線圈電壓的大小，使作用在鑄鋼體上的力發生變化，達到調整系統剛度和阻尼系數的目的。為了克服主動懸架系統中電磁力控制穩定性差和電磁懸浮剛度小等缺點，可采用彈簧和電磁力共同構成懸掛系統的剛度，仿真結果表明，由于電磁懸浮主動懸架系統的控制器參數可調，使得該系統具有很好的動力可調特性，其剛度和阻尼在線可調。但電磁懸浮技術在汽車主動懸架中的應用還有許多問題需要進一步研究，如系統參數優化，控制策略和算法，電磁懸浮系統的工程實現等。

3磁懸浮技術在汽車減振器中的應用

如采用由兩塊同極相對的高強度永久磁鐵產生的磁場作為汽車減振器的彈性介質，兩磁鐵同極間的斥力隨著兩磁級間距離的減小而變大，因此具有良好的非線性剛度特性，而且可根據負載自動調整剛度及車身高度，可以很好地滿足汽車行駛平順性的要求。

一種磁懸浮汽車減振器的結構如圖4所示[3>。此磁懸浮減振器的彈性力主要由上、下主磁鐵29、18的N極間的排斥力產生。行程開關觸點11通過連桿2與活塞柱1相連接，塑料套筒19、26和橡膠隔塊32、33起限定聚磁磁鐵16、31、34位置的作用，密封圈4起防塵、密封的作用。當活塞柱1相對壓蓋5向上運動時，彈簧7起緩沖的作用，當活塞柱1相對基筒6向下運動時，橡膠墊片17、20、30起緩沖的作用。固定片27與橡膠墊片17間的空腔內充有油液，導管15分別與套筒8及一儲液罐（上部空腔內充有氣體）相連。當該減振器被壓縮時，套筒8內的油液通過導管15進入一儲液罐，由于此時儲液罐內的阻尼片可隨油液上升，所以油液阻力很小。當該減振器被壓縮后復原時，活塞柱1向上運動，儲液罐內的氣體壓力較大，把油液下壓，經阻尼片上的阻尼孔壓回套筒8內，油液經阻尼片上的阻尼孔時發熱，振動能量轉化為熱能。另外，通過控制電路液力左右移動活塞柱24，可運用聚磁原理調整減振器的剛度特性，并可改變減振器的長度，從而調整車高。

由以上可以看出，此磁懸浮減振器原理正確，具有很好的可行性，但其減振性能仍需做深入細致的仿真分析和實際試驗驗證。值得一提的是，通過上、下主磁鐵間充有油液的方式緩沖振動一方面會增加減振器的加工技術要求（如密封技術），另一方面會使減振器發熱，而溫度對磁性材料的性能有一定的影響，如采用加裝散熱片散熱，將使結構更趨復雜。如采用將此減振器與一阻尼器并聯的工作方式，可能會具有更好的可行性。

為克服排斥型磁懸浮系統剛度大、難于控制的缺陷，可采用線性彈簧和非線性磁浮裝置組合的方法設計汽車座椅[5>，使該座椅具有小變形時較“軟”的線性特性，大變形時較“硬”的非線性特性。試驗結果表明，該種座椅隔振性能良好，基本相當于半主動隔振系統，抗沖擊性能良好，可克服常規座椅在大載荷下“撞底（bottoming）”的現象，同時該種座椅還具有行程小的優點。

5磁懸浮技術在救護車擔架隔振中的應用

一種救護車磁懸浮擔架的結構如圖6所示[6>，該磁懸浮擔架由支架、安裝在支架下方及地板上方磁極相對的上磁體和下磁體、支架與地板之間的四邊形連桿機構組成。在上述兩塊磁體的作用下，擔架支架通過四邊形連桿機構懸浮在地板上，從而可有效吸收擔架支架的振動。

6.1磁屏蔽問題

磁場是否損壞人體健康、能否有效屏蔽是磁懸浮技術在汽車工程中應用最值得注意的主要問題之一。在現有磁懸浮技術在汽車工程中應用方面的文獻中，對磁屏蔽問題都沒有述及，但該問題已在磁懸浮列車中得到有效解決。根據日本的報告，磁懸浮系統形成的電磁回路所產生的磁場，僅相當于地磁，對人體絲毫不會產生危害。而德國的測量結果更明確：坐在他們的磁懸浮列車上所感受到的磁場影響，小于坐在4米遠的地方看一臺21英寸的黑白電視機。因此，根據磁懸浮列車的研究成果，磁屏蔽問題能夠在汽車工程中應用的磁懸浮機構中得到有效解決。

6.2磁懸浮系統阻尼問題

在現有的磁懸浮機構中，有些系統采用磁懸浮與阻尼器并聯使用的方式[2,3,5>，有些系統僅采用了磁懸浮方式，未加阻尼[1,6,7>。有的研究者認為，磁懸浮自身可產生阻尼，且阻尼因子d=0.23[7>，有的研究者認為，磁懸浮自身產生阻尼是因相位變化而引起的[5>。磁懸浮系統的阻尼是自身產生還是因導向機構的摩檫力造成，其產生阻尼的機理如何，尚需進一步研究。

6.3正負剛度不對稱問題

磁懸浮系統正負剛度不對稱，即向下壓縮時的剛度大于向上運動時的剛度，從而造成了磁懸浮系統時域振動曲線的非對稱性，這一問題在磁懸浮系統設計中值得注意。

7結語

電磁懸浮系統具有較好的可控性，可將其應用于汽車主動懸架設計中。永磁懸浮系統具有良好的非線性剛度特性，且具有使用壽命長、技術實施要求不高、非接觸、無噪聲、無污染等優點，可將其應用于汽車減振器、座椅、救護車擔架中。隨著磁懸浮技術的完善，還可進一步開發出磁懸浮式發動機支架、磁懸浮式防撞保險杠等產品。因此，磁懸浮技術在汽車工程中具有良好的應用前景，但有些問題諸如磁屏蔽、工程實施、磁懸浮阻尼等尚需做進一步做深入細致的研究。