Особенности и преимущества магнитной подвески

Любой современный, даже самый бюджетный, автомобиль будет оснащен подвеской. Эта система, которая способна обеспечивать комфортную езду по дорогам с разным типом покрытия. Однако помимо комфорта цель этой части машины также содействовать безопасному управлению транспортным средством. Подробно о том, что такое подвеска, читайте в отдельном обзоре.

Как и любая другая система авто, подвеска подвергается модернизации. Благодаря усилиям инженеров разных автоконцернов помимо классических механических модификаций уже существует пневматическая конструкция (о ней подробно читайте здесь), гидравлическая, а также магнитная подвеска и их разновидности.

Рассмотрим, как работает магнитный вид подвесок, их модификации, а также преимущества перед классическими механическими конструкциями.

Что такое магнитная подвеска

Несмотря на то, что система амортизации автомобиля постоянно совершенствуется, и в ее конструкции появляются новые элементы или меняется геометрия разных деталей, ее работа в основном остается идентичной. Амортизатор смягчает удары, которые передаются от дороги через колесо на кузов (подробно об устройстве, модификациях и неисправностях амортизаторов рассказывается отдельно). Пружина обеспечивает возврат колеса в исходное положение. Благодаря такой схеме работы движение автомобиля сопровождается постоянным сцеплением колес с дорожным покрытием.

Кардинальным образом можно изменить режим работы подвески, установив на платформе машины адаптивное устройство, которое подстраивалось бы под дорожную обстановку, и улучшало управление транспортного средства, независимо от того, насколько качественная или плохая дорога. Примером таких конструкций – адаптивная подвеска, которая в разных вариантах уже устанавливается на серийных моделях (подробно об этой разновидности устройств читайте здесь).

Как один из вариантов адаптивных механизмов, был разработан электромагнитный тип подвески. Если сравнивать данную разработку с гидравлическим аналогом, то во второй модификации в исполнительных механизмах находится специальная жидкость. Электроника меняет давление в резервуарах, благодаря чему каждый амортизационный элемент меняет свою жесткость. Похожий принцип и у пневматического типа. Недостаток таких систем в том, что рабочий контур не способен быстро адаптироваться к дорожной обстановке, так как его нужно заполнять дополнительным количеством рабочей среды, на что в лучшем случае уходит пару секунд.

Быстрее всего с этой работой смогут справиться механизмы, которые функционируют на основании электромагнитного взаимодействия исполнительных элементов. Они острее реагируют на команду, так как для изменения режима демпфирования не требуется накачивать или спускать рабочую среду из резервуара. Электроника в магнитной подвеске отдает команду, а устройство моментально реагирует на эти сигналы.

Повышение комфорта во время поездки, безопасности на высоких скоростях и нестабильном дорожном покрытии, а также удобство в управлении – вот основные причины, по которым разработчики стараются внедрить магнитную подвеску в серийные автомобили, так как классические конструкции не способны достичь идеальных параметров в этом отношении.

Сама идея создать «парящее» транспортное средство не нова. Она нередко встречается на страницах фантастических произведений с эффектными полетами гравикаров. До первых лет 80-х прошлого столетия данная идея оставалась на стадии фантастики, и лишь некоторыми исследователями рассматривалась, как возможная, но в далеком будущем.

Однако в 1982-м году появился первая в мире разработка поезда, движущегося на магнитной подвеске. Это транспортное средство назвали магнитопланом. По сравнению с классическими аналогами этот поезд развил небывалую на те времена скорость – более 500км/ч., а в отношении его мягкости «полета» и бесшумности работы настоящую конкуренцию могли составить разве что птицы. Единственный недостаток, из-за которого внедрение данной разработки происходит медленно, это не только дороговизна самого поезда. Чтобы он смог передвигаться, ему нужна специальная трасса, обеспечивающая должное магнитное поле.

Хотя эта разработка до сих пор еще не применяется в автомобилестроении, ученые не оставляют этот проект «пылиться на полке». Причина заключается в том, что электромагнитный принцип работы полностью исключает трение ведущих колес о дорожное покрытие, оставляя только сопротивление воздуха. Так как невозможно весь колесный транспорт полностью перевести на похожий тип ходовой (нужно будет по всему миру построить соответствующие дороги), инженеры сосредоточились на внедрении данной разработки в подвеску автомобилей.

Благодаря установке на тестовых образцах электромагнитных элементов ученые смогли обеспечить концепт-карам лучшую динамичность и управляемость. Конструкция магнитной подвески достаточно сложная. Она представляет собой стойки, которые устанавливаются на всех колесах по тому же принципу, что и стойка типа МакФерсон (о ней подробно читайте в другой статье). Эти элементы не нуждаются ни в демпферном механизме (амортизаторе), ни в пружине.

Корректировка работы данной системы осуществляется через электронный блок управления (отдельный, так как микропроцессору нужно обрабатывать много данных и активировать большое количество алгоритмов). Еще особенность этой подвески в том, что в отличие от классических вариантов она не нуждается ни в торсионах, ни в стабилизаторах и других деталях, обеспечивающих стабильность транспорта на виражах и высоких скоростях. Вместо них может использоваться специальная магнитная жидкость, которая сочетает в себе свойства жидкости и намагничиваемого материала, или электромагнитные клапаны.

В некоторых современных авто используются амортизаторы с подобным веществом вместо масла. Так как есть большая вероятность выхода из строя системы (все-таки это еще новая разработка, которая еще до конца не продумана), в ее устройстве могут присутствовать пружины.

Принцип работы

За основу функционирования магнитной подвески взят принцип взаимодействия электромагнитов (в гидравлике это жидкость, в пневме – воздух, а в механике – упругие детали или пружины). Работа этой системы имеет следующий принцип.

Из школьного курса всем известно, что одинаковые полюса магнитов взаимно отталкиваются. Чтобы соединить намагниченные элементы, потребуется приложить достаточно усилий (этот параметр зависит от размеров соединяемых элементов и силы магнитного поля). Постоянные магниты с настолько сильным полем, чтобы выдержать вес автомобиля, сложно найти, да и габариты таких элементов не позволят использовать их в машинах, не говоря уже об адаптации к дорожной обстановке.

При помощи электричества тоже можно создать магнит. В этом случае он будет работать только при подаче тока на исполнительный элемент. Сила магнитного поля в этом случае может регулироваться за счет увеличения тока на взаимодействующих деталях. Благодаря такому процессу можно увеличивать или уменьшать силу отталкивания, а вместе с этим и жесткость подвески.

Такие характеристики электромагнитов позволяет использовать их в качестве пружин и демпферов. Для этого конструкция обязательно должна насчитывать минимум два электромагнита. Невозможность сжать детали имеет то же действие, что и у классического амортизатора, а отталкивающая сила магнитов сравнима с действием пружины или рессоры. Благодаря совокупности этих свойств электромагнитная пружина срабатывает гораздо быстрее по сравнению с механическими аналогами, а также время реакции на управляющие сигналы намного меньше, как в случае гидравлики или пневматики.

В арсенале разработчиков уже имеется достаточное количество рабочих электромагнитов разных модификаций. Осталось только создать эффективный ЭБУ подвески, который будет получать сигналы от датчиков ходовой части и положения кузова, и подстраивать работу подвески. В теории эту идею вполне реально воплотить в жизнь, но практика показывает, что у данной разработки имеется несколько «подводных камней».

Во-первых, стоимость такой установки будет слишком высока для автомобилиста со средним материальным достатком. Да и не каждый богатый смог бы позволить себе приобрести автомобиль с полноценной магнитной подвеской. Во-вторых, обслуживание такой системы было бы связано с дополнительными трудностями, например, сложность ремонта и малым количеством специалистов, разбирающихся в тонкостях работы системы.

Полноценную магнитную подвеску можно разработать, но она не сможет создать достойную конкуренцию, так как мало кто захочет выложить состояние только ради скорости срабатывания адаптивной подвески. Гораздо дешевле, и с неплохим успехом можно внедрить электрически управляемые магнитные элементы в конструкцию классических амортизаторов.

И у этой технологии уже есть два варианта применения:

1. Установить в амортизаторе электромеханический клапан, меняющий сечение канала, по которому масло перемещается из одной полости в другую. В этом случае можно быстро менять жесткость подвески: чем шире перепускное отверстие, тем мягче работает амортизатор и наоборот.
2. Закачать в полость амортизатора магнитно-реологическую жидкость, которая меняет свои свойства за счет воздействия на нее магнитного поля. Суть такой модификации идентичная прежней – рабочее вещество быстрее или медленней перетекает из одной камеры в другую.

Оба варианта уже применяются в некоторых серийных автомобилях. Первая разработка не так быстро работает, но по сравнению с амортизаторами, заполненными магнитной жидкостью, она дешевле.

Виды магнитных подвесок

Так как полноценная магнитная подвеска до сих пор находится на стадии разработки, автопроизводители частично внедряют эту схему в свои модели авто, идя одним из двух путей, упомянутых выше.

В мире среди всех разработок магнитных подвесок существует три разновидности, заслуживающие внимания. Несмотря на разницу в принципе работы, конструкции и использованию разных исполнительных элементов, у всех этих модификаций есть несколько сходств. В список входят:

• Рычаги и другие элементы ходовки авто, определяющие направление движения колес в процессе работы подвески;
• Датчики положения колес относительно кузова, их скорости вращения и состояния дороги перед автомобилем. К этому перечню также можно отнести датчики общего назначения – силы нажатия на педаль газа/тормоза, нагрузки на мотор, оборотов ДВС и т.д.;
• Отдельный блок управления, в котором собираются и обрабатываются сигналы от всех датчиков системы. Микропроцессор генерирует управляющие импульсы в соответствии с алгоритмами, прошитыми во время производства;
• Электромагниты, в которых под воздействием электричества образуется магнитное поле с соответствующей полярностью;
• Силовая установка, которая генерирует ток, способный активировать мощные магниты.

Рассмотрим, в чем особенность каждой из них, а затем обсудим достоинства и недостатки магнитного варианта демпферной системы автомобиля. Прежде чем приступим, стоит уточнить, что ни одна из систем не является плодом корпоративного шпионажа. Каждая из разработок это индивидуально разработанный концепт, который имеет право на существование в мире автомобилестроения.

Магнитная подвеска SKF

SKF – шведский производитель автозапчастей, предназначенных для проведения профессионального ремонта транспорта. Конструкция магнитных амортизаторов данного бренда максимально проста. В устройство этих пружинящих и демпфирующих деталей входят следующие элементы:

• Капсула;
• Два электромагнита;
• Шток демпфера;
• Пружина.

Принцип работы такой системы следующий. При запуске электросистемы автомобиля активируются электромагниты, расположенные в капсуле. За счет одинаковых полюсов магнитного поля эти элементы отталкиваются друг от друга. В этом режиме устройство работает, как пружина – не дает кузову авто лечь на колеса.

Когда автомобиль едет по дороге, датчики, установленные на каждом колесе, посылают сигналы на ЭБУ. На основании этих данных блок управления меняет силу магнитного поля, благодаря чему увеличивается ход стойки, и подвеска со спортивной становится классической мягкой. Блок управления также контролирует вертикальные перемещения штока стойки, благодаря чему не создается впечатление, будто машина едет на одних пружинах.

Пружинящий эффект обеспечивается не только отталкивающими свойствами магнитов, а пружиной, которая устанавливается на стойке на случай обесточивания транспорта. Плюс этот элемент позволяет выключать магниты во время стоянки автомобиля с неактивной бортовой системой.

Минус такой разновидности подвески в том, что она потребляет много энергии, так как ЭБУ постоянно меняет напряжение в обмотках магнитов, чтобы система быстро адаптировалась к ситуации на дороге. Но если сравнивать «прожорливость» данной подвески с некоторым навесным оборудованием (например, с климатической установкой и работающим отоплением салона), то она не расходует критически большое количество электричества. Главное, чтобы в машине был установлен генератор с подходящей мощностью (о том, какую функцию выполняет этот механизм, рассказывается здесь).

Подвеска Delphi

Новые демпферные характеристики предлагает подвеска, разработанная американской компанией Delphi. Внешне она напоминает классическую стойку МакФерсон. Воздействие электромагнитов осуществляется только на свойства магнитно-реологической жидкости, находящейся в полостях амортизатора. Несмотря на это простое устройство, данный тип подвесок демонстрирует великолепную адаптацию жесткости демпферов в зависимости от сигналов блока управления.

По сравнению с гидравлическими аналогами с изменяемой жесткостью, данная модификация срабатывает намного быстрее. Работа магнитов только изменяет вязкость рабочего вещества. Что касается пружинящего элемента, то его жесткость нет необходимости менять. Его задача – максимально быстро возвращать колесо на дорогу при быстрой езде по неровному покрытию. В зависимости от реализации работы электроники система способна мгновенно делать жидкость в амортизаторах более текучей, чтобы шток демпфера быстрее перемещался.

Эти свойства подвески имеют небольшую практичность для гражданского транспорта. Доли секунды играют важную роль в автоспорте. Сама система требует не так много энергии, как это в случае предыдущего типа демпферов. Управляется такая система также на основе данных, поступающих с разных датчиков, расположенных на колесах и элементах конструкции подвески.

Эта разработка уже активно применяется в адаптивных подвесках таких брендов, как Audi и GM (некоторые модели Cadillac и Chevrolet).

Электромагнитная подвеска Bose

Бренд Bose известен многим автомобилистам по акустическим системам премиального качества. Но помимо качественной аудиоподготовки компания также работает над разработкой одной из самых эффектных разновидностей магнитных подвесок. К концу ХХ века профессор, создающий эффектную акустику, тоже «заразился» идеей создания полноценной магнитной подвески.

Конструкция его разработки напоминает тот же штоковый амортизатор, а электромагниты в устройстве установлены по принципу, как в модификации SKF. Только они не отталкиваются друг от друга, как в первом варианте. Сами электромагниты расположены по всей длине штока и корпуса, внутри которого он перемещается, а магнитное поле максимально усилено и увеличено число плюсов.

Особенность такой установки в том, что она требует не намного больше энергии. Также она одновременно выполняет функцию и демпфера, и пружины, а работает она как в статическом (машина стоит), так и в динамическом (авто передвигается по бугристой дороге) режиме.

Сама система обеспечивает контроль большего числа процессов, происходящих во время езды машины. Гашение колебаний происходит за счет резкой смены полюсов магнитного поля. Из всех разработок подобных подвесок система Bose считается эталоном. Она способна обеспечить эффективный ход штока на целых двадцать сантиметров, великолепно стабилизировать кузов, устраняя даже малейший крен при скоростном прохождении поворотов, а также «клевки» во время торможения.

Тестировалась эта магнитная подвеска на флагманской модели японского автопроизводителя Lexus LS, который, кстати, недавно подвергся рестайлингу (тест-драйв одной из предыдущих версий премиального седана был представлен в другой статье). Несмотря на то, что эта модель и без того получила качественную подвеску, которая отличается плавностью работы, во время презентации магнитной системы нельзя было не заметить восхищение автожурналистов.

Производитель оснастил данную систему несколькими режимами работы и большим количеством разных настроек. Например, когда автомобиль проходит вираж на большой скорости, ЭБУ подвески фиксирует скорость движения транспорта, начало крена кузова. В зависимости от сигналов с датчиков электричество в большей степени поступает на стойку одного из более нагруженных колес (чаще это переднее, находящееся на внешней траектории полукруга поворота). Благодаря этому наружное заднее колесо тоже становится опорным, и автомобиль сохраняет сцепление с дорожным покрытием.

Еще одна особенность магнитной подвески, разработанной Боузом, в том, что она также может выступать в роли дополнительного генератора. Когда шток амортизатора перемещается, соответствующая система рекуперации собирает высвобождающуюся энергию в аккумулятор. Не исключено, что эта разработка будет и дальше модернизироваться. Несмотря на то, что этот тип подвески в теории самый эффективный, на сегодняшний день самым сложным является программирование блока управления, чтобы механизм смог реализовать весь потенциал системы, описанной в чертежах.

Перспективы появления магнитных подвесок

Несмотря на явную эффективность, полноценная магнитная подвеска еще не вышла в серийное производство. На данный момент ключевое препятствие этого – ценовой аспект и сложность в программировании. Революционная магнитная подвеска стоит слишком дорого, и до конца она еще не доработана (сложно создать адекватное ПО, так как для реализации всего потенциала в микропроцессоре должно активироваться большое количество алгоритмов). Но уже сейчас наблюдается положительная тенденция в сторону применения идеи в современных транспортных средствах.

Любая новая технология нуждается в финансировании. Невозможно разработать новинку и сразу пустить ее в серию без предварительных тестов, а помимо работы инженеров и программистов этот процесс тоже требует огромных вложений. Но как только разработка будет поставлена на конвейер, постепенно ее конструкция будет упрощаться, благодаря чему вполне реально увидеть подобное устройство не только в премиальных автомобилях, но и в моделях среднего ценового сегмента.

Не исключено, что со временем системы будут улучшаться, что сделает колесный транспорт более комфортным и безопасным. Механизмы, основанные на взаимодействии электромагнитов, могут также применяться и в других конструкциях автомобиля. Например, для повышения комфорта во время вождения грузовика водительское кресло может базироваться не на пневматической, а на магнитной подушке.

Что касается разработки электромагнитных подвесок, то на сегодняшний день в усовершенствовании нуждаются такие смежные системы:

• Система навигации. Электроника должна заблаговременно определять состояние дорожного покрытия. Лучше всего это сделать на основании данных GPS-навигатора (об особенностях работы устройства читайте здесь). Адаптивная подвеска заранее подготавливается к сложному дорожному покрытию (некоторые навигационные системы предоставляют информацию о состоянии дорожного покрытия) или к большому количеству поворотов.
• Система обзора впереди автомобиля. На основании инфракрасных датчиков и анализа графического изображения, которое поступает от передней видеокамеры, система должна заблаговременно определять характер изменений дорожного покрытия, и подстраиваться под полученную информацию.

Некоторые компании уже внедряют подобные системы в свои модели, поэтому есть уверенность в скором развитии и магнитных подвесок для автомобилей.

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого нового механизма, который планируют внедрить в конструкцию машин (или уже используется в механических транспортных средствах), у всех разновидностей электромагнитной подвески есть и достоинства, и недостатки.

Вначале поговорим о плюсах. В этот список входят такие факторы:

• Амортизационные свойства системы не имеет аналогов в отношении плавности работы;
• За счет тонкой подстройки режимов демпфирования управление автомобилем становится практически идеальным без кренов, характерных для более простых конструкций. Этот же эффект обеспечивает максимальное сцепление с дорогой, каким бы ни было ее качество;
• При разгоне и резком торможении машина не «клюет» носом и не садится на заднюю ось, что в обычных авто серьезно сказывается на сцеплении с дорогой;
• Износ покрышек происходит более равномерно. Конечно, если должным образом настроена геометрия рычагов и других элементов подвески и ходовой части (подробно о развал-схождении читайте отдельно);
• Улучшается аэродинамика авто, так как его кузов всегда находится параллельно дорожному полотну;
• Устраняется неравномерный износ элементов конструкции за счет распределения усилий между нагруженными/ненагруженными колесами.

В принципе, все положительные моменты касаются основного назначения любой подвески. Каждый автопроизводитель стремится усовершенствовать уже имеющиеся типы амортизационных систем, чтобы максимально приблизить свою продукцию к упомянутому идеалу.

Что касается минусов, то у магнитной подвески он один. Это ее стоимость. Если установить полноценную разработку от Bose, то даже при низком качестве исполнения салона и минимальной комплектации электронной системы авто все равно будет стоить слишком дорого. Ни один автопроизводитель пока не готов пустить в серию (пусть даже лимитированную) такие модели, надеясь, что богачи сразу раскупят новинку, а вкладывать состояние в машину, которая будет стоять на складах, нет смысла. Единственный вариант – изготовление подобных авто по индивидуальному заказу, но и в данном случае мало компаний, которые готовы предоставить подобную услугу.

В завершение предлагаем посмотреть небольшое видео о том, как работает магнитная подвеска Bose по сравнению с классическими аналогами:

Изобретение НЕ ДЛЯ ПРОСТЫХ СМЕРТНЫХ. Эту технологию ХОТЕЛ БЫ видеть в своём автомобиле КАЖДЫЙ