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电磁减震器结构原理简介

2009-4-14  来源:中国摩托车网 阅读次数:16039
对于现代运动型多用途摩托车而言,传统的弹簧液压式减震器无法解决舒适性和运动性之间的矛盾,存在诸多难以克服的弊端:1)螺旋弹簧受到冲击后会产生振动,持续的振动易导致骑乘者疲劳和烦躁,潜伏不安全隐患;2)减震器的阻尼力越大,振动消减得越快,但却使并联在减震器外部的螺旋弹簧不能充分发挥作用,同时过大的阻尼力,还可能导致减震器连接零件及车架损坏;3)液压阻尼力随着温度的变化而变化,长时间使用后,液压油与细小孔壁之间的摩擦以及液体分子内摩擦产生大量的热量,导致液压油温度升高,粘度迅速降低,阻尼力也随之减少,减震器的减振性能随之恶化;4)反应迟钝,无法适应复杂多变的运动型摩托车行驶工况要求,如高速行驶中突遇障碍物,往往易于导致减震器击穿,完全失去减振作用;5)调节非常有限,现有的多级可调减震器一般只能调节螺旋弹簧的预载荷,增大弹簧的刚度,无法真正满足不同路面、不同载荷的行驶工况要求;6)无法同时满足现代摩托车行驶舒适性和运动性之间对立的矛盾,前者要求悬挂系统行程要大、刚度要低;而后者则完全相反,无论怎么调节都无法使二者完美兼顾。

电磁减震器(Electromagnetic Absorber)是利用电磁反应的一种新型智能化独立悬架系统。它利用多种传感器检测路面状况和各种行驶工况,传输给电子控制器ECU,控制电磁减震器瞬间做出反应,抑制振动,保持车身稳定,特别是在车速很高,突遇障碍物时更能显出它的优势。它的反应速度高达l000 Hz,比传统减震器快5倍,彻底解决了传统减震器存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题,并能适应变化的行驶工况和任意道路激励,即使是在最颠簸的路面,也能保证摩托车平稳行驶,代表了减震器发展的方向。笔者根据收集到的资料,简述3种极具发展前景电磁减震器的结构原理,供广大渎者参考。

1 日立制作所研制的电磁减震器

日本日立制作所研制的电磁减震器是由传感器、电子控制器ECU、圆筒型线性电动机和弹簧液压减震器4大部分组成的有源悬架系统。

日立制作所研制的电磁减震器与单用弹簧液压减震器对比试验结果,红线为使用线性电动机控制时车身垂直振动加速度随振动频率的变化曲线,黑线为单独使用弹簧液压减振,即不使用线性电动机时的变化曲线。可见,使用线性电动机与不使用线性电动机相比可将振动频率在1.5Hz附近的振动减轻8dB。目前,该电磁减震器已经安装在SUV(Sports utility Vehicles)运动型多用途车上进行了实验,获得了大量的实际行驶数据。预计到2009年可小批量安装到SUV汽车和大排量运动型摩托车上。

2 美国博斯(BOSE)公司研制的动力一发电减震器PGSA

美国博斯(BOSE)公司研制成功的动力—发电减震器PGSA(Power-Generating Shock Absorber。)与日本日立制作所研制的电磁减震器的不同点是取消了弹簧液压减震器,完全由线性电动机电磁系统LMES(Linear Motion Electromagnetic System)组成电磁减震器。不仅进一步简化了系统的结构,而且可在正常行驶工况下,具有发电功能,每个PGSA可产生至少25 w的功率为电动车电池充电,这对于完全依靠电力驱动的电动车来说是非常有利的,可以较大幅度地增加蓄电池的电力,延长电动车的续驶里程。

美国博斯公司是世界上著名的立体音响制造商,线性电动机技术早已运用于硬盘机读取头(也称激光头)上,在制造线性电动机方面积累了丰富的实践经验。公司设计大师盖瑞?马歇尔(Garry Marshall)通过多年的努力,设计开发出一种全新的完全可用于电动车上的动力一发电减震器PGSA,其外形尺寸和安装方式与传统弹簧液压减震器完全相同,安装到普通电动车上不需要任务改装,使用非常方便,其结构如图6所示。

从图6中可见,高密度永久磁铁组镶嵌在运动活塞上,活塞杆通过两端尼龙滑动轴承固定在减震器缸体上,缸体与活塞之间留有适当的间隙,从而使永久磁铁活塞可以在缸体内自由往复滑动;缸体上的定子线圈通过连接导线与外界电子控制器ECU相连(图中未画)。当电动车在减振性能良好的路面上行驶时,由于减震器下端直接与车轮或摇架相连,因此带动减震器内的永久磁铁活塞上下往复运动,高密度永久磁铁形成的强大磁场不断切割定子线圈,从而使定子线圈产生感应交流电,经整流后变成直流电,输送电子控制开关。由电子控制器ECU直接控制的电子开关,将每个电磁减震器上产生的感生电动势(平均每个大干25 w)及其它电子装置上产生的感生电动势(例如制动再生电流)收集起来,输送给蓄电池,为蓄电池充电,达到增大电动车蓄电池电力的目的。

当电动车在凹凸不平的恶劣路面上行驶或由单人驾驶改为双人骑乘,车轮剧烈地跳动时,电子控制器ECU通过加速度传感器和其它传感器立即感知到这一变化,于是控制电子开关切断动力—发电减震器的输出回路,接通定子线圈的输入回路,为定子线圈输入外加电流,动力-发电减震器瞬间便变成线性电动机,产生反方向阻力和减振力,缓和路面的冲击与振动。输入的外加电流越大,定子线圈产生的磁场越强,直线电机产生的反方向阻力和减振力也就越大,系统对电流的控制完全与行驶加速度及路面颠簸状况相适应。这就意味着可以根据各种路况和载荷选择最佳的减振力,使电动车的行驶舒适性和运动性完美统一,使电磁减震器的发电功能和减振性能完美统一。

3 电流变与磁流变减震器

电流变与磁流变减震器主要包括电磁减震器、电磁液、传感器及控制器4大部分,这种电磁减震器内采用的不是普通的减振油,而是使用一种黏性连续可控的新型功能材料——电流变或磁流变特殊减振液。

电流变减振液是由合成碳氢化合物以及3~l 0μm大小的磁性颗粒组成,在外加电场作用下,其流变材料的性能,如剪切强度,外观黏度等会发生显著的变化。将这种特殊减振液装入电流变减震器内,通过改变电场强度使电流液的黏度改变,从而改变减震器的阻尼力,使阻尼力大小随电场强度的改变而连续变化,实现阻尼力无级调节,达到在舒适模式下,减振液较为粘稠,吸振效果较显著;而在运动模式下,减震器会直率地传递道路表面的状况。这2种模式会带给驾驶者截然不同的全新感受。

电流变液体也存在较多问题,如屈服强度小,工作温度范围较窄,零电场黏度偏高,悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大、容易分离,沉降稳定性差,对杂质敏感等难以适应电流变减震器长期稳定工作的需要。要使电流变减震器响应迅速、工作可靠,必须解决5大问题:1)要设计一个体积小、质量小,能任意调节的高压电源;2)为保证电流变液体的正常工作温度必须要设计一个散热系统;3)充装电流变液体时,要保证无污染;4)要有性能优良的电流变液体;5)要解决高压电源的绝缘与封装等。电流变减震器正处于研究发展阶段,目前国外已有一些产品问世,如德国的电流变减震器及美国的相关产品等。

挤压模式减震器具有小位移大阻尼力的特点,主要用于精密仪器减振。目前,应用较多的一般是基于流动模式或是基于流动模式和剪切模式的混合模式。

图8是显示剪切阀式磁流变减震器的工作原理图。当活塞与缸体发生相对运动时,则会挤压缸体内的磁流变液体,迫使其通过活塞与缸体之间的间隙从一端流向另一端;当间隙加上由线圈所产生的磁场后,则其中的磁流变液体固化,变为粘塑性体,使活塞与缸体相对运动的阻尼力增大,通过调节线圈的电流大小调节磁场的强度,从而可以调节减震器的阻尼力大小。磁流变减震器具有电流变减震器同样的特点,但是磁流变液体的磁化和退磁需要时间,因此响应速度比电流变减震器稍许慢些。

总之,无论是电流变或磁流变电磁减震器,都无须移动任何机械部件,实现阻尼力的连续、无级调节,响应非常及时。减震力仅取决于电磁流变液体的电流大小或磁场强度,调节频率可达l000 Hz。

图9是奥迪TT跑车上应用的磁流变减震器,从图中可见,该减震器活塞上绕有电磁线圈,当电磁线圈中无电流通过时,活塞内4个微型通道中的电磁液未被磁化,不规则排列的磁性颗粒呈均匀分布状态,产生的阻尼力与普通减振油相同;一旦控制单元发出脉冲信号,线圈内便会产生电压,从而形成一个磁场,并改变粒子的排列方式。这些粒子马上会按垂直于活塞运动的方向排列,阻碍油在活塞微型通道内流动,提高阻尼效果。活塞线圈中输入的电流强度越大,形成的磁场强度越强,磁性颗粒被磁化的程度越好,产生的阻尼力就越大。由此可见,磁流变液体产生阻尼力的大小随输入电流强度的大小而变化,电子控制器ECU完全可以根据道路状况和载荷情况,通过适时准确地控制输入活塞线圈的电流强度,精确地控制减震器的减振性能,达到舒适性和运动性完美统一的最佳效果,即使是在最颠簸的路面,也能保证车辆平稳行驶。


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