磁悬浮汽车的构建和支撑技术初探

1、xxxx大学本科生毕业论文（设计） 题 目 磁悬浮汽车的构建与支撑技术初探 学 院 专业班级 学生姓名 指导教师 撰写日期：2013年 5 月 20 日2摘 要磁悬浮技术作为一种新型的技术是已经可以运用在列车上的一项技术，由常导电磁吸引式悬浮控制系统控制的磁悬浮列车是基于列车运行时底部产生的磁场和轨道产生的磁场互相排斥，从而使列车悬浮且运动。而截至目前为止，磁悬浮系统应用在汽车工程中的情况很是少见，但磁悬浮技术应用在磁悬浮列车中的同时也给我们带以启发：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，那么利用地面内的矿物质或者人工建造磁悬浮路面，我们也可以

2、将磁悬浮技术应用于汽车工业中。本文首先综合分析了磁悬浮技术在汽车工业的应用，包括飞轮电池、汽车主动悬架、汽车座椅、汽车减振器等方面，然后提出去磁悬浮支撑技术包括磁力轴承方面，为磁悬浮汽车的整车的构建支撑做出初步的分析。关键词：磁悬浮技术；飞轮电池；主动悬架；汽车减振器；支撑技术4Design of Large Self-propelled Tobacco Harvesters Drive System and CabAbstractAt present, as a kind of economic crops, tobaccos plantation and harvest gradually

3、 toward to scale and mechanization, but the tobacco harvested mechanization is still in the blank in China. The large-scale tobacco harvester that we involved in designing is the first tobacco harvest equipment in our country. This project comes from the program of the provincial department public r

4、elations. The tobacco harvester includes traveling crane, main conveyor, hydraulic, harvest, main frame, cab, collecting box and so on. The main frame is about 1.95 meters high. The harvest knife picks two ridges of tobacco each time. Speed is 1.8km/h when the tobacco harvester is working in fields.

5、 Then top speed is 22 km/h. Because tobacco is mature from the bottom, harvest is conducted stratified. The harvested tobacco falls on the rolls first, then it is brought on the bottom conveyer, finally it is sent into the collecting box that is lay up the back of the main frame by the bottom convey

6、er and the slope conveyer. I am responsible for the design of driving part and the cab of the tobacco harvester. The driving includes the calculation of vehicle driving force, the design of the wheels and the choice of the hydraulic motor. The cab design about the design of the spatial dimensions wh

7、ich the pilot in, decorate each instrument and operation mechanism, and final determining overall size of the cab.Key Words：Magnetic Levitation Technology; Flywheel Battery; Active Suspension; Automobile Shock Absorber; Support Technology 4目 录1 绪论11.1磁悬浮技术的来源11.2 磁悬浮技术的原理12 磁悬浮技术的应用12.1磁悬浮列车12.2磁悬浮汽

8、车模型23 磁悬浮技术在汽车工业的应用43.1磁悬浮技术及其分类43.1.1按悬浮方式分43.1.2 按动力来源分43.1.3按磁力产生方式分43.2磁悬浮飞轮电池53.2.1磁悬浮飞轮电池的提出53.2.2磁悬浮飞轮在汽车工业中的应用53.2.3飞轮储能系统的国内为研究现状63.2.4飞轮储能的工作原理和基本结构73.3磁悬浮技术在汽车的主动悬架上的应用93.3.1汽车主动悬架系统简介93.3.2电磁式电子控制悬架103.3.3汽车主动悬架的工作原理103.4磁悬浮技术在汽车减振器中的应用113.5磁悬浮技术应用在汽车座椅中124.磁悬浮支撑技术124.1磁悬浮支撑技术简介124.2 磁悬浮

9、磁力轴承124.2.1磁悬浮磁力轴承分类134.2.2磁悬浮磁力轴承的工作原理134.2.3磁悬浮轴承的特点155 磁悬浮汽车整车设计的探讨155.1汽车车身材料的选择155.2磁悬浮汽车安全性的设计166 关于磁悬浮汽车担忧176.1磁悬浮技术的自身成熟度176.2磁悬浮系统的成本因素176.3磁悬浮系统的磁屏蔽176.4磁悬浮系统的阻尼机理187 结语18参考文献19致 谢2051 绪论1.1磁悬浮技术的来源由德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出的电磁悬浮原理开创了磁悬浮技术的起源。在此之后物理学家Eamshanws发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮，而这个现象于1939年由Braunb

10、eck进行严格的理论证明。研究又证明，如果最少有一阶自由度受外部机械约束的话，强磁性物体可以用磁力悬浮于稳定平衡状态1。至此，磁悬浮理论已经发展的较为完善了，但是它的实际运用研究直到最近几十年才慢慢开展起来。二十世纪七十年代以后，随着经济发展的需要和人们对交通方面的需求，一些逐步走上工业化道路的国家，例如英、美、德、意、日等开始着手磁悬浮系统的研制和开发，并开始应用。磁悬浮技术得到迅速发展，高速轮轨、磁悬浮轴承、磁悬浮列车、风洞磁悬浮模型等等，这些都是很有前途的应用领域，包括以后的磁悬浮汽车也逐渐成为可能。1.2 磁悬浮技术的原理磁悬浮技术是基于电磁力来实现对磁体材料无接触悬浮的高新技术。可根

11、据磁铁磁场中使用的磁材料与磁效应不同，将磁悬浮技术分为吸力型磁悬浮和斥力型磁悬浮两种：即一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统，他利用超导体电磁铁形成的磁场与线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使物体悬浮；另一种则是利用磁铁异性相吸额原理而设计的系统，他利用吸引力与物体的重力平衡，从而使物体进行悬浮。目前磁悬浮技术运用于列车，但是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，那么我们或许也可以将磁悬浮技术原理同样运用于汽车工业。2 磁悬浮技术的应用2.1磁悬浮列车磁悬浮列车是一种采用无接触电磁悬浮导向和驱动系统的高速列车系统，时速可达500公里2

12、以上，是一种当今世界速度最快的地面客运交通工具，具有能耗低、噪音小、安全舒适、低污染等优点。高速磁悬浮交通技术，是第一个完全不用轮子、采用非接触行进的列车系统，不是滚动而是浮动。它克服了传统的轮轨技术的羁绊，使轨道交通技术更适于环境保护，更经济、更快捷、更安全。高速磁悬浮列车系统是根据电磁悬浮原理实现支撑和导向的。在车厢的两侧装有可单独控制的电磁铁，在导轨的下面装有定子组，支撑和导向就是靠它们之间的吸引力来实现的。悬浮磁铁从下面向上把车厢吸引向导轨，同时，导向磁铁将车厢横向就位。一个带冗余的电子控制系统保证车厢与导轨的悬浮距离为10毫米。与汽车或传统的火车不同，高速磁悬浮列车系统的推进系统不在

13、车上，而是安装在轨道上。使其能够以很快的速度前进，并有良好的加速性，它可以有效地用于相对的短距离线路或停靠站较多的线路。磁悬浮高速列车的技术概念已经消除了与传统运输方式的安全风险问题。导轨推进系统的原理使得撞车成为不可能。如果在同一区间有两列或多于两列的列车同时行驶，导轨上的电机会迫使它们在同一方向上按相同的速度行驶。因为磁悬浮高速列车导轨没有交叉，所以不会与其他交通系统相撞，车厢包着导轨也不会发生“脱轨”。与其他交通系统相比，磁悬浮高速列车系统作用在导轨和车厢上的负载极低，从而降低了总体运行风险。这要归功于悬浮和导向磁铁沿列车两侧的连接车厢的负载传输。2003年年初，上海将建成中国乃至世界上

14、第一条正式商业化运营的磁悬浮交通线2。它包括：建设一条从浦东国际机场到市区龙阳路长约35公里的双线、高架磁悬浮铁路，与穿越黄浦江的地铁二号线衔接；初期引进德国高速、常导的最新磁悬浮列车3列，每列为3辆。投资来源可能采用政府、社会、海外三方合作的办法解决。这一示范运营线的启动意义深远。对上海而言，磁悬浮列车可以用78分钟时间将旅客送达目的地，而且票价远比出租车便宜，将吸引大量进出浦东的客流；同时，将改善上海的投资环境，提升上海的国际形象。更重要的是，上海将借助磁悬浮列车，推动相关高精尖技术及企业和产业的发展。它所积累的经验，将为我国城市轨道交通和干线高速交通体系带来深远的影响。2.2磁悬浮汽车模

15、型磁悬浮汽车不贴地的优势使汽车与地面的摩擦几乎为零，对于整个汽车的油耗相当有好处，至少这已经免去了克服与地面摩擦所做功，耗能大幅度减少。磁悬浮汽车的原理同样运用了简单的物理原理（同性相斥，异性相吸）做成，磁悬浮技术在汽车上运用可以减少轮胎的大批量生产。从目前的磁悬浮列车来看，列车可以带给我们很高的速度，同样如果技术如果真的能运用到汽车上，我相信它一定能带给我们更高是速度。磁悬浮汽车究竟可以做成一个什么样子，有很大的想象空间。另外磁悬浮汽车也可以安装车体感应器，在车与车相距一定距离时，同样运用同行相斥的原理，使汽车远离事故。首辆磁悬浮汽车是日本开发研制的3。这个长52厘米、宽23厘米、高14厘米

16、、重4千克的微型磁悬浮汽车模型，在26米长的直线距离上成功地进行了一次行驶试验，时速达25千米。该汽车所有车轮的中间都安装了旋转发动机；在车轮的外侧，安装了两个磁铁。试验在铝板铺成的路面上进行。车轮旋转时，路面铝板上的磁场发生变化，产生感生电流，路面磁场与车轮上的磁铁相互作用产生浮力和推动力。当时速超过10千米时汽车模型悬浮距路面6至7毫米，异常平稳向前行驶。图2-1 概念磁悬浮汽车图2-1是由设计师Tryi Yeh为日产公司设计的这么一辆概念磁悬浮汽车3，将配备一套相当野性的400C磁悬浮引擎系统。在行使的时候，其将会引起路面磁场发生变化，以致感应电流产生，路面磁场与车体的磁铁将产生一个相互

17、的浮力和作用力，是汽车悬浮于路面6-7毫米，并且可保持平稳。该车在造型上严格按照空气对流学设计，使的车身的阻力和下压力可以达到最大限度的优化。在没有动力的情况下稳定平滑，这是整车空气动力学设计和机械性能的良好结合。图2-2 大众推出的磁悬浮气垫概念车图2-2是大众推出的磁悬浮气垫概念车，这款圆盘形气垫车可以坐两个人，采用的磁悬浮技术使其可以在路面移动几英寸，和依靠空气垫移动的传统气垫车略有不同。它的优点是利用磁悬浮技术减少摩擦，从而提高了能源利用率，缺点是在移动时需要在轨道或地面放一个磁栅。圆盘形气垫车使用特殊的传感器，在磁栅上方保持适当的高度，同时避免和其它车辆相撞。这种车可以前后左右移动，

18、甚至可以在大家都熟悉的一角硬币上自动旋转。此外，它还可以进行编程，自主操作，驾驶者只需设置一个目的地，充分享受乘车的乐趣。3 磁悬浮技术在汽车工业的应用3.1磁悬浮技术及其分类磁悬浮技术是基于电磁力来实现对磁体材料无接触悬浮的高新技术。3.1.1按悬浮方式分磁悬浮技术悬浮方式分可分为排斥式和吸引式两种类型。排斥悬浮主要是利用相同磁极间的排斥力使物体处于一种稳定非接触状态。其中它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。吸引悬浮则主要利用相反磁极间的吸引力使物体处于一种稳定非接触状态，它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。3.1.2 按动力来源

19、分磁悬浮技术按动力来源分，磁悬浮机构可分为电磁悬浮和永磁悬浮两种类型4。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。磁体之间的斥力和引力来达到悬浮的目的。七十年代以来，永磁材料的应用范围日益扩大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。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

20、突破。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。3.1.3按磁力产生方式分磁悬浮技术按磁力产生方式可以分为电磁吸引控制悬浮方式、永久磁铁斥力悬浮方式、感应斥力悬浮方式三种。（1）电磁吸引控制悬浮方式电磁吸引控制悬浮方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸引力，几乎绝大部分磁悬浮技术都采用该方式。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小，可以将悬浮气隙保持在一定得数值上。随着现代控制理论的发展和驱动元器件的高性能、低价格化，该方式已经得到了广泛的应用。在此基础上，也有众多研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分换成可控性永

21、久磁铁的方案，并深入地进行了研究和开发工作。该方案可以大幅度地降低励磁损耗，甚至在额定悬浮高度时几乎不需要能量，是一种非常值得注目的一项新技术。（2） 永久磁铁斥力悬浮方式永久磁铁斥力悬浮方式是一种利用永久磁铁同极间的斥力，一般产生的斥力为1kg/cm，所以被称为永久磁铁斥力悬浮方式。当然，根据所用的磁性材料的不同，其产生的斥力相应变化。但是，由于横向位移的不稳定因素，需要从力学角度安排磁铁的位置。近年来，开始出现了一些采用这种方式的产品，例如日本1999年4月公开专利中，就有关于这种方式的配置方案的内容。随着稀土材料的普及，这种方式将会被更多的应用于各个领域。（3）感应斥力悬浮方式感应斥力悬

22、浮方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间产生的斥力，简称感应斥力方式。为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对运动。这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是，在低速时由于得不到足够的悬浮力，因而需要与车轮来支撑停止或低速时的车身。从原理上而言，这种方式很少被应用于低速传动机构。3.2磁悬浮飞轮电池3.2.1磁悬浮飞轮电池的提出当今世界汽车的废气排放和噪声污染已经形成严重公害，而电动车则以蓄电池为动力电源，实现零排放和低噪声，适应环境保护的要求，成为未来汽车的发展方向。然而，目前可用于电动汽车的太阳能电池由于其昂贵的造价而难以进入实用。铅酸蓄电池则储能密度太低，充能一夜只能续航

23、75-150km，降低了汽车的使用性能。寻找新型高能电池作为电动车的动力源，一直是人们关注的热点。飞轮电池就在这样的背景下产生了。3.2.2磁悬浮飞轮在汽车工业中的应用飞轮电池的开发和研究最初就是为了解决电动汽车的动力问题而开始的5，20世纪50年代，瑞士Oerlikon Energy公司生产了第一辆仅由飞轮提供的旅客车，飞轮直径64英寸，中113300磅，转速3000r/min，载客70人，正常行驶0.5km，为电动汽车的发展提供了实践上依据。美国飞轮系统公司采用Kevlar纤维复合材料制作飞轮，研制出转速数值是1.5-2.0*105r/min的飞轮电池，已成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成

24、电动轿车AFS20，由20节飞轮电池驱动，每节电池直径230mm，质量13.64kg。电池用市电充电需6个小时，快速充电只需15min，一次充电可行驶600km，而原型LHS汽车位520km。其加速性能从零到96km/h只需6.5秒。这种飞轮电池能量密度至少为铅酸电池的5-6倍，寿命为321万km左右。日本石油公司和雪谷控制研究所共同研制一种电动汽车用飞轮电池，飞轮呈圆柱体型，半径230nun，质量65kg，由轻质碳纤维复合材料制成。充电后高转速为3.6万r/min，飞轮动能的85可转化为电能。这种飞轮电池具有与锂离子电池相同或更大的能量密度，并至少16年不需要更换。1987年德国首次开发出车

25、载内燃机-飞轮电池混合动力电动汽车6，飞轮吸收汽车制动时的90的能量，并在需要短时加速时释放出来以补充内燃机的功率要求，可以使内燃机工作在最佳的工况下，既节能又提高了机器寿命。据估计，合理地配置飞轮电池，能够提高燃油效率的30并能减少废气排放量75。3.2.3飞轮储能系统的国内为研究现状美国是研究飞轮技术最早的国家之一，其拥有多家研究机构，资金雄厚，技术先进，在飞轮技术的研究与应用方面颇有建树。美国NASA Glenn研究中心从80年代就开始起卫星航天飞轮的研究7，90年代末期在低轨道卫星能源及姿态控制集成系统、转子制造工艺、飞轮磁悬浮多输入多输出等方面取得很大的进展。NASA的主要研究项目“

26、国际空间站飞轮系统模型工程样机”，其飞轮设计指标如下：储能量500wh，储能密度为44wh/kg，采样双向飞轮结构。今后几年他们的目标致力于提高飞轮转速和储能密度等方面，目前他们的一个研究小组期望十年后能使复合材料飞轮速度提高到50万r/min，实际储能密度能够达到250wh/kg。英国和德国自1987年开始致力于电动汽车用的复合材料飞轮储能器的研究7。只是当时未采用磁悬浮技术，飞轮的转速并不高。美国AFS公司于1994年研制了磁悬浮支承的复合材料飞轮电池，可以用110V电源给她充电，使其转速达到20万rpm，其能量足以使普通轿车行驶450km以上，目前该产品正在跑车实验。AFS公司正在进行新

27、的研究，以期使飞轮转速得到进一步提高。日本对飞轮装置的研究主要集中在电力系统中的用途，如平整电力波动等。日本超导技术研究所和精工公司在80年代末就共同研制了储能为0.2wh的实验装置，飞轮在空气中以1200rpm的转速旋转，其支撑体为熔融法制造的YBCO高温超导块材料。日本四国电力公司、四国综合研究所以及三菱电机公司共同制造的超导磁悬浮储能装置，直径25cm，重量27.5kg的飞轮在真空中以17000rpm的转速旋转，储能为198KJ。日本新能源开发机构还支持了由国际超导研究中心、日本超导技术研究所、日本精工、三菱、日本钢铁公司以及多家电力公司参加的较大型的超导磁悬浮储能研究计划，该计划将开发

28、储能为100Wh，功率为10KW的实验装置。国外其他研究飞轮的机构也很多，如Urenco集团公司利用其成熟的离心技术8，发展了PQ系列的飞轮，设计寿命20年，转子可以免修长期运行；美国阿贡国家实验室设计和发展采用超导轴承9，设计储能量为20KWh的高效飞轮储能系统装置，用于工业领域10；德国Forschungszenturm karlsruhe Gm bH公司于1996年就开始研究超导磁悬浮储能飞轮电站，用以对电力进行调峰。我国在飞轮储能技术方面起步较晚。目前清华大学工程物理系飞轮储能实验室、北京飞轮储能柔性研究生、上海大学、西安交通大学、中国航天局和郑州大学等单位进行飞轮技术以及与之相关的研

29、究并取得了可喜的成绩。清华大学飞轮储能实验室于1997年设计出第一套碳纤维复合材料飞轮系统，转子重9kg，直径230mm，1998年成功运转到48000rpm，线速度为580m/s，实现充放电。目前该实验室正在进行第二代飞轮的设计和测试11。清华大学与北京航空航天大学宇航学院合作，积极发展采用电磁轴承的航天飞轮储能系统。中国科学院电工所自1979年成立了第九研究室12，开展太阳能综合发电的研究，1994年开展飞轮储能机组的研究工作，到1995年3月已完成原理性实验，可以点亮60W白炽灯半小时，大体与美国1994年实验结果相近。目前正在进行2KW-10KW固定式原型机的研制。其中复合材料飞轮转子

30、由S-2增强环氧树脂圆环过渡到S-2增强环氧树脂内环和碳纤维增强环氧树脂外环配合的FRP复合转子。3.2.4飞轮储能的工作原理和基本结构飞轮储能系统是目前比较先进的储能技术之一，与传统的化学储能相比具有功率大、效率高、寿命长、无污染、适应性强、应用范围广等诸多优点。飞轮储能的基本原理是通过电动/发电互逆式双向电机，实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。电能充裕时，利用电能驱动飞轮到高速旋转，电能转变为机械能储存；当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能。飞轮的升速和降速，实现了电能的存入和释放。超导磁悬浮飞轮储

31、能系统主要包括3个部分：l 储存能量用的转子系统；l 支撑转子的磁悬浮轴承系统；l 转换能量和功率的电动机以及电力电子装置；另外还有一些支持系统，如真空、冷却、外壳和控制系统。其工作原理图如3-1所示 图3-1 超导磁悬浮飞轮储能系统的工作原理飞轮系统工作过程可划分为三种工作模式：a.充电模式：电网电源通过电力电子装置给飞轮系统供电，电能输入，电机作电动机用，驱动飞轮达到额定最高工作转速。b.能量保持模式：飞轮系统依靠最小的电能输入，保持飞轮运行在额定最高工作转速。c.放电模式：电网电能不足，电机作发电机用，飞轮转速下降，能量通过电力电子装置提供电能给用户负载。（1） 飞轮转子 飞轮转子式飞轮

32、储能系统中的核心部件之一。飞轮转子材料一般选用强度很高的玻璃纤维或碳纤维等符合材料。但在低转速时也可选用高强度钢和铝合金作为飞轮爪子材料。转子形状大多采用多层空心圆柱体状和环状，此外还有纺锤状、伞状、带式变惯量等。飞轮转子的设计力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，增加储能量。（2）轴承 轴承系统是用来支撑飞轮转子的，是制约飞轮还俗的关键因素之一，轴承系统的摩擦力和稳定性直接影响着整个飞轮储能系统的寿命和正常运行。飞轮的支撑方式主要有超导磁悬浮、电磁悬浮力、永磁悬浮、机械轴承四种。由于飞轮转速非常高，而过去使用的机械轴承因为摩擦力大且在高速运转下寿命短，因而对飞轮储能是不适应的。目前，轴承技

33、术主要集中于磁悬浮和超导磁悬浮轴承系统的研究和开发，同时采用辅助机械轴承系统。超导磁悬浮轴承系统，它是利用永久磁铁的磁通被超导体阻挡产生排斥力使飞轮处于悬浮状态。目前，从实验室条件出发，比较可行的飞轮支撑方案是采用超导磁悬浮轴承系统，并铺以机械轴承系统。它无需供电，不需要复杂的位置系统，切转速高，摩擦力小，还可以使轴承结构紧凑和小型化。通常，称这种方式为准此悬浮轴承系统。（3）电机电机是飞轮储能系统的核心动力部件，飞轮储能的机械能与电能之间转换是以电机及其控制为核心来实现的，储能时，电机作为电动机运行为，有外界电能 驱动电机，从而带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速，飞轮储存能量；释放能量时，

34、电机有作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降，释放能量。显然，低损耗、高效率的电动是能量高效传递的关键。（4） 电力电子变换装置电力电子变换装置是飞轮储能系统的重要组成部分，是飞轮储能系统的能量转换控制部分，其能量转换效率对飞轮储能系统的整体效率有直接的影响。电力电子变换装置通过控制电机。实现电能与机械能的相互转换。电网的输入电能经过电力电子变换装置变换后供给电机，而电机的输出电能也是经过电力电子变换装置逆变后反馈回电网。3.3磁悬浮技术在汽车的主动悬架上的应用汽车悬架作为汽车底盘当中，是不可缺少的重要组成部分，悬架刚度和悬架弹簧支撑的质量所决定的车身固有频率和悬架中的弹簧元件的弹

35、性和减振器的阻尼系数直接影响到汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。也可以借鉴磁悬浮技术的基础之上产生的一种想法。使该悬架能够减少原有电控悬架结构得到进一步简化。3.3.1汽车主动悬架系统简介汽车主动悬架又称电子控制悬架，能够根据汽车的行驶状况主动地对悬架的刚度和阻尼系数进行调整，使悬架时时处于最佳的工作状况，从根本上解决了汽车行驶平顺性和操纵稳定性之间的矛盾，提高了汽车的使用性能。目前汽车的主动悬架基本上是由电子控制悬架装置和可调式悬架组成，其中电子控制装置由输入信号的传感器、进行电子控制的控制器和进行悬架调节的执行机构三部分组成。电子控制悬架中的车身调节执行机构能够实现悬架系统刚度、阻尼及车身高度

36、的调节。可调式悬架目前有空气式悬架、油气式悬架和液压式主动悬架三种。它们都是通过调节悬架中的气体压力或是液体压力的方法来进行悬架刚度和阻尼力的大小。3.3.2电磁式电子控制悬架电磁式悬架属于汽车电子控制悬架即主动悬架，它是把原有的在汽空气式悬架、油气式悬架或液压式悬架用以磁性为工作远离的悬架所代替。它的基本组成是电磁式悬架调节装置由固定在汽车车架或车身上的磁极线圈和安装在汽车车桥或车轮上的磁棒两部分组成，其中磁棒放入磁极线圈中，N、S极交替固定在汽车车架或车身上，磁性铜线圈的两头分别接入电源，这样便可以在线圈上产生磁极N或者S；而安装在车桥或车轮上的磁棒，放入固定在汽车悬架上的磁极的中间，这样

37、磁棒上的N、S极与固定在汽车悬架上的磁极就会产生相互排斥的力。3.3.3汽车主动悬架的工作原理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13-14。汽车磁悬浮主动悬架系统的工作原理框图如图3-2所示13，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

38、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3-3所示。 图3-2 汽车磁悬浮主动悬架系统的工作原理图3-3 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。3.4磁悬浮技术在汽车减振器中的应用采用磁悬浮技术实现汽车振动的主动控制。讨论了汽车磁悬浮减振系统的工作原理，对其结构进行了分析具有很好的动态特性，能满足汽车平顺性与安全性要求。 更多还原如采用由相同磁极相对的高

39、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。 图3-4 磁悬浮汽车减震器结构示意图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-橡胶隔块一种磁悬浮汽车减振器的

40、结构如图3-4所示15。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11通过连杆2与活塞柱1相连结，塑料套筒19、26和橡胶块32、33起限定聚磁铁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

41、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。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阻尼器并联的工作

42、方式，可能会具有更好的可行性。3.5磁悬浮技术应用在汽车座椅中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16-17。将永久磁铁置换成等价的电流磁铁，电流回路中与悬浮力相关的只是磁铁长度方向的电流，把面电流看成是微小线电流的集合。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，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。4.磁悬浮

43、支撑技术4.1磁悬浮支撑技术简介所谓磁悬浮的支撑技术，简而言之，即是起支撑作用的主体与被支撑的客体之间处于非接触状态，在主客体之间不存在介质或者仅存在内摩擦阻力极小的气体介质，这种支撑形态极为悬浮支撑。实现轴承对轴系悬浮支撑的传统方式主要有磁悬浮和气体静压悬浮技术。这两类悬浮支撑技术都能够实现转子与轴承的非接触工作状态，达到提高轴系转速的目的。4.2 磁悬浮磁力轴承磁悬浮轴承技术是目前世界上公认的高新技术之一，磁悬浮轴承又称为电磁轴承或磁力轴承，是利用磁场力将轴系悬浮在空间的一种新型高性能轴承。磁悬浮轴承是近几年发展比较成熟的得非接触式轴承，磁悬浮轴承作为一种新型的轴承形式，与现有的滚珠轴承等

44、传统支撑形式相比，实现了轴与轴承的非接触支撑、消除了机械摩擦与磨损。由于磁悬浮轴承具有无摩擦、高转速、低噪声以及不需要润滑和蜜蜂等一系列优良品质，因而从根本上改变了传统的轴支撑方式。4.2.1磁悬浮磁力轴承分类a.按磁场力是否可以人为控制分为主动磁力轴承、被动磁力轴承和合磁力混轴承；b.按磁场力的来源分永久磁铁型、电磁铁和永久磁铁混合型以及纯电磁铁性三种；c.按受控的自由度数可以分为单自由度型、二自由度型、和五自由度型；d.按利用磁场力的类型分为吸力型和斥力型；永久磁铁型刚度小，但悬浮功耗小；主动型磁力轴承的刚度大，可精密控制；纯电磁铁只能是无自由度控制，体积、重量及功耗都比较大；斥力型由于磁

45、力利用率低，结构较吸力型复杂。地面应用较多的是主动控制混合型或者纯点磁铁型。空间应用多为被动控制混合型，以降低能量的损耗。4.2.2磁悬浮磁力轴承的工作原理磁悬浮轴承是一个复杂的机电耦合系统，其基本工作原理是：利用磁场力将轴悬浮起来，使转子在空间无机械接触、无磨损旋转，通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，再将信号送入到控制器，通过功率放大器控制电磁铁中的电流量，从而产生电磁力的变化使转子悬浮于规定的位置。（1）单自由度-推力磁轴承的工作原理图4-1 推力磁轴承的工作图如图4-1所示，推力盘由两边的一对推力磁轴承电磁铁感应器用来测量推力盘的位置变化，测量信号被送入控制器，经数字运算后送入功率放大

46、器产生控制电流，来驱动推力轴承以获得维持推力盘稳定悬浮的电磁力，当推力盘在外力作用下向右移动时，传感器将这一信号告诉控制器，控制器增大控制电流使得左边吸力大于右边吸力，推力盘向左移动，平衡时推力盘悬浮在这对推力轴承之间。（2）二自由度-径向磁轴承的工作原理如右图4-2所示，转子分别由和方向的两对电磁铁来吸引，传感器用来测量转子的位置变化，测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算后送入功率放大器产生控制电流，来驱动径向磁轴承电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力，当转子在外力的作用下向左下方移动时，传感器将这一信号传递给控制器，控制器增大控制电流，使得上面和釉面的吸力大于下面和左面吸力，转子向右上方

47、移动，平衡时转子悬浮在径向磁悬浮中间。 图4-2 径向磁轴承的工作图（3）五自由度磁轴承-转子系统一根转子在空间有六个自由度，除了旋转自由度由电机控制外，其余五个自由度由磁轴承控制，称为五自由度磁轴承-转子系统，其中转子所受的径向载荷由两个径向磁轴承来支撑，轴向载荷由一对推力磁轴承来承受，在水平、垂直和轴向分别安装有五个传感器来测量转子空间五个自由度上的位置变化，测量信号被送入控制器，经模拟或数字运算后送入功率放大器产生控制电流来驱动电磁铁以获得维持转子稳定悬浮的电磁力。在五自由度磁轴承-转子系统中装上内置电机和外壳就成为磁悬浮支撑电主轴，如图4-3所示。 图4-3 转自系统的内部结构图4.2

48、.3磁悬浮轴承的特点磁悬浮轴承具有如下特点：实现超精密运转，具有良好的动力学性能；支撑刚度大、极限转速高；承载能力大、能耗小、环境适应性强。当然，磁悬浮轴承也存在其不足之处，如若磁悬浮轴承处于长时间的运转工作，磁极很有可能会出现退磁现象；而在高速运转时会存在低频率的震动。5 磁悬浮汽车整车设计的探讨5.1汽车车身材料的选择车身的材料轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。据统计客车、轿车和多数专用汽车车身质量约占整车自身质量的40-60；货车车身质量约占整车自身质量的16-30；其他各种车型的车身占整车制造成本的百分比甚至还略超过以上给出的上限值。因此车身轻量化研究是现代车身设计的一大主流。

49、实现汽车的轻量化常采用两种途径：一是结构设计优化，二是应用新型材料。前者经过几十年的不断研究开发，日趋完善，空间已经相对狭窄。后者随着科学技术的发展和新材料的不断涌现，为汽车轻量化开辟了广阔的发展空间。轻量化材料是可用来减轻汽车自重的材料，它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金、塑料和复合材料等；另一类是高强度材料，如高强度钢等。轻量化材料对汽车工业的可持续发展具有重要意义，它不仅关系到车辆的节能、减排、安全、成本等诸多方面，而且汽车轻量化材料的应用对世界能源、自然资源和环境具有深刻的影响，它已成为汽车材料技术发展的主导方向。综合考虑车身轻量化材料类型及其发展现状，根据轻

50、量化材料的新工艺新技术及其发展趋势，车身轻量化材料的选择趋向三个方向：a.车身覆盖件零件中已经开始采用普遍钢板以外的新型材料，如高强度钢板、不等厚钢板、夹层钢板等，达到了减重和提高强度的双重效果。b.铝及铝合金、镁及镁合金等轻质材料在车身结构中的应用比例逐年增加，是未来汽车轻量化的重要方向。c.塑料及其复合材料在汽车上的用量持续增长，成为车身轻量化的又一新领域。目前，增加钢板强度，减小钢板厚度或者截面尺寸是减轻汽车自重的最有效手段。高强度钢和超高强度钢在汽车制造中的比例不断增大，从车身高强度钢的应用情况来看，汽车外板如发动机罩、车门、行李箱和侧围外板等已经应用了340MPa级烘烤硬化钢板和44

51、0MPa级高强度材料；车身骨架部件目前流行使用440Mpa和590MPa级高强度材料。虽然磁悬浮汽车要求车身越轻越好，但是也要参考目前应用在汽车上最好的材料。因此，选用高强度钢板代替普通的低碳钢板应用在磁悬浮汽车上。5.2磁悬浮汽车安全性的设计汽车安全性主要一大部分在于汽车碰撞过程中安全性，在汽车设计领域中，有众多的方法可以建立精确程度不同的几何和物理模型，要使汽车碰撞安全的情况下实现车体重量最小，必须选择合适的方法。由于整车碰撞属于大变形，大位移且伴随着强烈的几何非线性和物理非线性的动态过程，对优化面临着诸多困难；首先，优化依赖建立较为精确的物理模型且在分析过程中也较为依赖工程师的经验18。

52、第二，优化过程经常需要一系列的迭代运算，然而整车碰撞过程分析一次就需要较多的计算时间，这样势必造成须要耗费大量的计算资源。第三，由于设计空间不规则性及随机误差的干扰，目标和约束响应的形态往往不光滑连续，同时响应函数对设计变量的敏感度往往也是不光滑连续的，使用差分法将无法获得准确的敏感度信息，故常常须要借助全局近似的方法，对响应局部的噪声信息进行平顺处理。因此对于具体的工程问题，通常是在满足精度要求的同时找到一个合适的替代模型来进行优化研究19。在以往的研究中，人们常常采用的替代模型是用传统的最小二乘拟合的多项式近似模型。由于此种替代模型形式简单，在利用它进行后续优化设计时所需的计算量相对较小，

53、可惜的是它的拟合精度并不高。首先利用拉丁方实验设计得到样本数据，再通过移动最小二乘方法对实验设计数据进行拟合，得到具有较好预测精度的整车碰撞的近似模型，最后采用序列响应面优化方法对近似模型进行优化，即通过改变车身前部几个主要吸能部件的板料厚度，寻找一组合适的板料厚度参数，使它在维持车身功能和正撞安全法规的痛死使车身的质量最小，这对汽车的前期设计阶段有较好的指导作用。6 关于磁悬浮汽车担忧6.1磁悬浮技术的自身成熟度虽说，目前为止磁悬浮技术运用于列车已算成熟。但是，任何一项新技术在发展和成熟的过程中总是会存在这样或者那样的问题，需要不断的完善。如：1994年的奔腾一代芯片的浮点错误事件，又如微软

54、windows系统几乎每天都在更新的补丁，在不断地改造后我们得到了更好、更成熟、更有价值的产品。带着“世界第一”光环的磁悬浮在建成之初也有过这样的经历，面对随时可能发生问题，如何能够快速地解决，并且吸取教训，不断改进，提高产品的性能和使用寿命，甚至做到防患于未然，把隐患消灭在萌芽中，是关系到投资方是否选择该产品的关键因素。在上海这条示范线的运营过程中，如果能够抓住机会，积累经验，在实际运行中完善技术，使之成为一种成熟产品。6.2磁悬浮系统的成本因素几百亿的投资对于任何一个国家或者投资人来说都不是一个小数目，在与其他高速运输产品的竞争中，价格始终是磁悬浮的一个劣势。而对于磁悬浮汽车而言，路面磁悬

55、浮的设施也尤为重要，它要求路面一方面要能够让一般的汽车行驶，另一方面又要能够满足磁悬浮汽车的低速和悬浮行驶。这个可以利用磁悬浮列车采用的悬浮设施，但路面要和平常的路面无异，也可以采用在道路中加入某种材料或者利用天然磁矿，然而天然磁矿的磁极不稳定20，也许这一块是N级朝上，那一块又是S极朝上，也有可能是N极与S极处在同一水平面上，如果车底要悬浮，车底的磁极必须与地底的磁极一致，如果要行驶，悬浮汽车必须能自动切换车底的磁极，那么车底下的磁体如果要实现切换磁极就必需使用超导体电磁。而这个的成本又会在磁悬浮系统的基础上提高。因此在保证质量的基础上降低成本将是一个不能回避的任务。6.3磁悬浮系统的磁屏蔽

56、在磁悬浮系统刚刚得到起步的时候，有人质疑磁悬浮系统对人身体上的影响，包括对心脏起搏器等的影响，然而研究结果表明心脏起搏器和ICD在内的多个品牌的脉冲发生器在不同的三个时间段、不同起搏器高度及起搏极性下的人机对话过程和起搏参数无任何影响。磁悬浮列车对植入心脏起搏器患者未造成不适，全程监护的Holter记录未发现任何干扰现象，也未发现起搏参数设置的任何变化。但也并不能说明磁悬浮的辐射对人体没有任何伤害，所以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。根据日本的报告，磁悬浮系统形成的电磁

57、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。而德国的测量结果显示：坐在他们的磁悬浮列车上所感受到的磁场影响远远小于坐在四米远的地方看一台21英寸的黑白电视机。这些文献和数据对磁屏蔽问题能够在汽车工程中应用的磁悬浮机构提供一些依据，但仍需进一步的探讨。6.4磁悬浮系统的阻尼机理 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18，29，20，有些系统仅采用了磁悬浮方式，未加阻尼20。有的研究者认为，磁悬浮自身可产生阻尼，且阻尼因子=0.2320，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19,20。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。7 结语 根据我国的国情及道路交通情况、技术方面的限制以及磁悬浮需克服的问题等等，离磁悬浮汽车的实现还有很长一段距离。本文主要就磁悬浮技术在汽车工程方面的成功应用和汽车实验模型的应用为例，引发一系列的探讨，从对磁悬浮技术在汽