磁懸浮汽車的構(gòu)建和支撐技術(shù)初探資料

DesignofLargeSelf-propelledTobaccoHarvester’sDriveSystemandCabAbstractAtpresent,asakindofeconomiccrops,tobacco’splantationandharvestgraduallytowardtoscaleandmechanization,butthetobaccoharvestedmechanizationisstillintheblankinChina.Thelarge-scaletobaccoharvesterthatweinvolvedindesigningisthefirsttobaccoharvestequipmentinourcountry.Thisprojectcomesfromtheprogramoftheprovincialdepartmentpublicrelations.Thetobaccoharvesterincludestravelingcrane,mainconveyor,hydraulic,harvest,mainframe,cab,collectingboxandsoon.Themainframeisabout1.95metershigh.Theharvestknifepickstworidgesoftobaccoeachtime.Speedis1.8km/hwhenthetobaccoharvesterisworkinginfields.Thentopspeedis22km/h.Becausetobaccoismaturefromthebottom,harvestisconductedstratified.Theharvestedtobaccofallsontherollsfirst,thenitisbroughtonthebottomconveyer,finallyitissentintothecollectingboxthatislayupthebackofthemainframebythebottomconveyerandtheslopeconveyer.Iamresponsibleforthedesignofdrivingpartandthecabofthetobaccoharvester.Thedrivingincludesthecalculationofvehicledrivingforce,thedesignofthewheelsandthechoiceofthehydraulicmotor.Thecabdesignaboutthedesignofthespatialdimensionswhichthepilotin,decorateeachinstrumentandoperationmechanism,andfinaldeterminingoverallsizeofthecab.KeyWords：MagneticLevitationTechnology;FlywheelBattery;ActiveSuspension;AutomobileShockAbsorber;SupportTechnology5544目錄TOC\o"1-3"\h\u10871緒論 1198891.1磁懸浮技術(shù)的來源 1221361.2磁懸浮技術(shù)的原理 1306492磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用 1246762.1磁懸浮列車 19072.2磁懸浮汽車模型 2315703磁懸浮技術(shù)在汽車工業(yè)的應(yīng)用 4179753.1磁懸浮技術(shù)及其分類 433383.1.1按懸浮方式分 4182993.1.2按動力來源分 469433.1.3按磁力產(chǎn)生方式分 4184913.2磁懸浮飛輪電池 5302023.2.1磁懸浮飛輪電池的提出 515233.2.2磁懸浮飛輪在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 584713.2.3飛輪儲能系統(tǒng)的國內(nèi)為研究現(xiàn)狀 6272473.2.4飛輪儲能的工作原理和基本結(jié)構(gòu) 726323.3磁懸浮技術(shù)在汽車的主動懸架上的應(yīng)用 947503.3.1汽車主動懸架系統(tǒng)簡介 9286683.3.2電磁式電子控制懸架 10112313.3.3汽車主動懸架的工作原理 1058563.4磁懸浮技術(shù)在汽車減振器中的應(yīng)用 11267053.5磁懸浮技術(shù)應(yīng)用在汽車座椅中 12126214.磁懸浮支撐技術(shù) 12904.1磁懸浮支撐技術(shù)簡介 12121304.2磁懸浮磁力軸承 12161784.2.1磁懸浮磁力軸承分類 1394054.2.2磁懸浮磁力軸承的工作原理 13128274.2.3磁懸浮軸承的特點 1564485磁懸浮汽車整車設(shè)計的探討 1568705.1汽車車身材料的選擇 159965.2磁懸浮汽車安全性的設(shè)計 1617056關(guān)于磁懸浮汽車擔(dān)憂 17278456.1磁懸浮技術(shù)的自身成熟度 17139836.2磁懸浮系統(tǒng)的成本因素 17200196.3磁懸浮系統(tǒng)的磁屏蔽 17110036.4磁懸浮系統(tǒng)的阻尼機理 18249047結(jié)語 1829414參考文獻(xiàn) 194397致謝 20PAGEPAGE191緒論1.1磁懸浮技術(shù)的來源由德國工程師赫爾曼·肯佩爾提出的電磁懸浮原理開創(chuàng)了磁懸浮技術(shù)的起源。在此之后物理學(xué)家Eamshanws發(fā)現(xiàn)了抗磁物體可以在磁場中自由懸浮，而這個現(xiàn)象于1939年由Braunbeck進(jìn)行嚴(yán)格的理論證明。研究又證明，如果最少有一階自由度受外部機械約束的話，強磁性物體可以用磁力懸浮于穩(wěn)定平衡狀態(tài)[1]。至此，磁懸浮理論已經(jīng)發(fā)展的較為完善了，但是它的實際運用研究直到最近幾十年才慢慢開展起來。二十世紀(jì)七十年代以后，隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要和人們對交通方面的需求，一些逐步走上工業(yè)化道路的國家，例如英、美、德、意、日等開始著手磁懸浮系統(tǒng)的研制和開發(fā)，并開始應(yīng)用。磁懸浮技術(shù)得到迅速發(fā)展，高速輪軌、磁懸浮軸承、磁懸浮列車、風(fēng)洞磁懸浮模型等等，這些都是很有前途的應(yīng)用領(lǐng)域，包括以后的磁懸浮汽車也逐漸成為可能。1.2磁懸浮技術(shù)的原理磁懸浮技術(shù)是基于電磁力來實現(xiàn)對磁體材料無接觸懸浮的高新技術(shù)?？筛鶕?jù)磁鐵磁場中使用的磁材料與磁效應(yīng)不同，將磁懸浮技術(shù)分為吸力型磁懸浮和斥力型磁懸浮兩種：即一種是利用磁鐵同性相斥原理而設(shè)計的電磁運行系統(tǒng)，他利用超導(dǎo)體電磁鐵形成的磁場與線圈形成的磁場之間所產(chǎn)生的相斥力，使物體懸浮；另一種則是利用磁鐵異性相吸額原理而設(shè)計的系統(tǒng)，他利用吸引力與物體的重力平衡，從而使物體進(jìn)行懸浮。目前磁懸浮技術(shù)運用于列車，但是既然采用磁場作為彈性介質(zhì)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，那么我們或許也可以將磁懸浮技術(shù)原理同樣運用于汽車工業(yè)。2磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用2.1磁懸浮列車磁懸浮列車是一種采用無接觸電磁懸浮導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)的高速列車系統(tǒng)，時速可達(dá)500公里[2]以上，是一種當(dāng)今世界速度最快的地面客運交通工具，具有能耗低、噪音小、安全舒適、低污染等優(yōu)點。高速磁懸浮交通技術(shù)，是第一個完全不用輪子、采用非接觸行進(jìn)的列車系統(tǒng)，不是滾動而是浮動。它克服了傳統(tǒng)的輪軌技術(shù)的羈絆，使軌道交通技術(shù)更適于環(huán)境保護(hù)，更經(jīng)濟、更快捷、更安全。高速磁懸浮列車系統(tǒng)是根據(jù)電磁懸浮原理實現(xiàn)支撐和導(dǎo)向的。在車廂的兩側(cè)裝有可單獨控制的電磁鐵，在導(dǎo)軌的下面裝有定子組，支撐和導(dǎo)向就是靠它們之間的吸引力來實現(xiàn)的。懸浮磁鐵從下面向上把車廂吸引向?qū)к?，同時，導(dǎo)向磁鐵將車廂橫向就位。一個帶冗余的電子控制系統(tǒng)保證車廂與導(dǎo)軌的懸浮距離為10毫米。與汽車或傳統(tǒng)的火車不同，高速磁懸浮列車系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)不在車上，而是安裝在軌道上。使其能夠以很快的速度前進(jìn)，并有良好的加速性，它可以有效地用于相對的短距離線路或?？空据^多的線路。磁懸浮高速列車的技術(shù)概念已經(jīng)消除了與傳統(tǒng)運輸方式的安全風(fēng)險問題。導(dǎo)軌推進(jìn)系統(tǒng)的原理使得撞車成為不可能。如果在同一區(qū)間有兩列或多于兩列的列車同時行駛，導(dǎo)軌上的電機會迫使它們在同一方向上按相同的速度行駛。因為磁懸浮高速列車導(dǎo)軌沒有交叉，所以不會與其他交通系統(tǒng)相撞，車廂包著導(dǎo)軌也不會發(fā)生“脫軌”。與其他交通系統(tǒng)相比，磁懸浮高速列車系統(tǒng)作用在導(dǎo)軌和車廂上的負(fù)載極低，從而降低了總體運行風(fēng)險。這要歸功于懸浮和導(dǎo)向磁鐵沿列車兩側(cè)的連接車廂的負(fù)載傳輸。2003年年初，上海將建成中國乃至世界上第一條正式商業(yè)化運營的磁懸浮交通線[2]。它包括：建設(shè)一條從浦東國際機場到市區(qū)龍陽路長約35公里的雙線、高架磁懸浮鐵路，與穿越黃浦江的地鐵二號線銜接；初期引進(jìn)德國高速、常導(dǎo)的最新磁懸浮列車3列，每列為3輛。投資來源可能采用政府、社會、海外三方合作的辦法解決。這一示范運營線的啟動意義深遠(yuǎn)。對上海而言，磁懸浮列車可以用7~8分鐘時間將旅客送達(dá)目的地，而且票價遠(yuǎn)比出租車便宜，將吸引大量進(jìn)出浦東的客流；同時，將改善上海的投資環(huán)境，提升上海的國際形象。更重要的是，上海將借助磁懸浮列車，推動相關(guān)高精尖技術(shù)及企業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。它所積累的經(jīng)驗，將為我國城市軌道交通和干線高速交通體系帶來深遠(yuǎn)的影響。2.2磁懸浮汽車模型磁懸浮汽車不貼地的優(yōu)勢使汽車與地面的摩擦幾乎為零，對于整個汽車的油耗相當(dāng)有好處，至少這已經(jīng)免去了克服與地面摩擦所做功，耗能大幅度減少。磁懸浮汽車的原理同樣運用了簡單的物理原理（同性相斥，異性相吸）做成，磁懸浮技術(shù)在汽車上運用可以減少輪胎的大批量生產(chǎn)。從目前的磁懸浮列車來看，列車可以帶給我們很高的速度，同樣如果技術(shù)如果真的能運用到汽車上，我相信它一定能帶給我們更高是速度。磁懸浮汽車究竟可以做成一個什么樣子，有很大的想象空間。另外磁懸浮汽車也可以安裝車體感應(yīng)器，在車與車相距一定距離時，同樣運用同行相斥的原理，使汽車遠(yuǎn)離事故。首輛磁懸浮汽車是日本開發(fā)研制的[3]。這個長52厘米、寬23厘米、高14厘米、重4千克的微型磁懸浮汽車模型，在26米長的直線距離上成功地進(jìn)行了一次行駛試驗，時速達(dá)25千米。該汽車所有車輪的中間都安裝了旋轉(zhuǎn)發(fā)動機；在車輪的外側(cè)，安裝了兩個磁鐵。試驗在鋁板鋪成的路面上進(jìn)行。車輪旋轉(zhuǎn)時，路面鋁板上的磁場發(fā)生變化，產(chǎn)生感生電流，路面磁場與車輪上的磁鐵相互作用產(chǎn)生浮力和推動力。當(dāng)時速超過10千米時汽車模型懸浮距路面6至7毫米，異常平穩(wěn)向前行駛。圖2-1概念磁懸浮汽車圖2-1是由設(shè)計師TryiYeh為日產(chǎn)公司設(shè)計的這么一輛概念磁懸浮汽車[3]，將配備一套相當(dāng)野性的400C磁懸浮引擎系統(tǒng)。在行使的時候，其將會引起路面磁場發(fā)生變化，以致感應(yīng)電流產(chǎn)生，路面磁場與車體的磁鐵將產(chǎn)生一個相互的浮力和作用力，是汽車懸浮于路面6-7毫米，并且可保持平穩(wěn)。該車在造型上嚴(yán)格按照空氣對流學(xué)設(shè)計，使的車身的阻力和下壓力可以達(dá)到最大限度的優(yōu)化。在沒有動力的情況下穩(wěn)定平滑，這是整車空氣動力學(xué)設(shè)計和機械性能的良好結(jié)合。圖2-2大眾推出的磁懸浮氣墊概念車圖2-2是大眾推出的磁懸浮氣墊概念車，這款圓盤形氣墊車可以坐兩個人，采用的磁懸浮技術(shù)使其可以在路面移動幾英寸，和依靠空氣墊移動的傳統(tǒng)氣墊車略有不同。它的優(yōu)點是利用磁懸浮技術(shù)減少摩擦，從而提高了能源利用率，缺點是在移動時需要在軌道或地面放一個磁柵。圓盤形氣墊車使用特殊的傳感器，在磁柵上方保持適當(dāng)?shù)母叨?，同時避免和其它車輛相撞。這種車可以前后左右移動，甚至可以在大家都熟悉的一角硬幣上自動旋轉(zhuǎn)。此外，它還可以進(jìn)行編程，自主操作，駕駛者只需設(shè)置一個目的地，充分享受乘車的樂趣。3磁懸浮技術(shù)在汽車工業(yè)的應(yīng)用3.1磁懸浮技術(shù)及其分類磁懸浮技術(shù)是基于電磁力來實現(xiàn)對磁體材料無接觸懸浮的高新技術(shù)。3.1.1按懸浮方式分磁懸浮技術(shù)懸浮方式分可分為排斥式和吸引式兩種類型。排斥懸浮主要是利用相同磁極間的排斥力使物體處于一種穩(wěn)定非接觸狀態(tài)。其中它的優(yōu)點是對應(yīng)于負(fù)荷上下位置比較穩(wěn)定，但為防止其側(cè)向移動而需垂直導(dǎo)向。吸引懸浮則主要利用相反磁極間的吸引力使物體處于一種穩(wěn)定非接觸狀態(tài)，它的優(yōu)點是左右位置比較穩(wěn)定，但上下位置不能調(diào)整，左右位置需導(dǎo)向。3.1.2按動力來源分磁懸浮技術(shù)按動力來源分，磁懸浮機構(gòu)可分為電磁懸浮和永磁懸浮兩種類型[4]。電磁懸浮系統(tǒng)是通過控制電磁鐵的電流來達(dá)到控制間隙、懸浮物體的目的。目前，磁懸浮產(chǎn)品的研制主要限于超導(dǎo)技術(shù)、電磁技術(shù)范疇，其在振動控制中亦主要用于主動隔振。隨著超導(dǎo)技術(shù)的飛速發(fā)展，磁懸浮列車已步入實用化階段，磁懸浮軸承在工業(yè)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。磁體之間的斥力和引力來達(dá)到懸浮的目的。七十年代以來，永磁材料的應(yīng)用范圍日益擴大但因電磁懸浮系統(tǒng)需要較強的動力供給，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，技術(shù)水平要求較高且價格昂貴，從而限制了其在工程中的應(yīng)用。永磁懸浮系統(tǒng)是利用永磁體的磁感現(xiàn)象。目前，永磁材料已進(jìn)入第三代，并在磁性材料的研究上取得了重要突破。由于永磁懸浮系統(tǒng)具有技術(shù)實施及維修保養(yǎng)水平要求不高、成本較低等優(yōu)點，其在工程中的應(yīng)用愈來愈廣泛。3.1.3按磁力產(chǎn)生方式分磁懸浮技術(shù)按磁力產(chǎn)生方式可以分為電磁吸引控制懸浮方式、永久磁鐵斥力懸浮方式、感應(yīng)斥力懸浮方式三種。（1）電磁吸引控制懸浮方式電磁吸引控制懸浮方式利用了導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸引力，幾乎絕大部分磁懸浮技術(shù)都采用該方式。雖然原理上這種吸引力是一種不穩(wěn)定的力，但通過控制電磁鐵電流的大小，可以將懸浮氣隙保持在一定得數(shù)值上。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和驅(qū)動元器件的高性能、低價格化，該方式已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，也有眾多研究人員提出了把需要大電流勵磁的電磁鐵部分換成可控性永久磁鐵的方案，并深入地進(jìn)行了研究和開發(fā)工作。該方案可以大幅度地降低勵磁損耗，甚至在額定懸浮高度時幾乎不需要能量，是一種非常值得注目的一項新技術(shù)。永久磁鐵斥力懸浮方式永久磁鐵斥力懸浮方式是一種利用永久磁鐵同極間的斥力，一般產(chǎn)生的斥力為1kg/cm，所以被稱為永久磁鐵斥力懸浮方式。當(dāng)然，根據(jù)所用的磁性材料的不同，其產(chǎn)生的斥力相應(yīng)變化。但是，由于橫向位移的不穩(wěn)定因素，需要從力學(xué)角度安排磁鐵的位置。近年來，開始出現(xiàn)了一些采用這種方式的產(chǎn)品，例如日本1999年4月公開專利中，就有關(guān)于這種方式的配置方案的內(nèi)容。隨著稀土材料的普及，這種方式將會被更多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。（3）感應(yīng)斥力懸浮方式感應(yīng)斥力懸浮方式利用了磁鐵或勵磁線圈和短路線圈之間產(chǎn)生的斥力，簡稱感應(yīng)斥力方式。為了得到斥力，勵磁線圈和短路線圈之間必須有相對運動。這種方式主要被應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。但是，在低速時由于得不到足夠的懸浮力，因而需要與車輪來支撐停止或低速時的車身。從原理上而言，這種方式很少被應(yīng)用于低速傳動機構(gòu)。3.2磁懸浮飛輪電池3.2.1磁懸浮飛輪電池的提出當(dāng)今世界汽車的廢氣排放和噪聲污染已經(jīng)形成嚴(yán)重公害，而電動車則以蓄電池為動力電源，實現(xiàn)零排放和低噪聲，適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求，成為未來汽車的發(fā)展方向。然而，目前可用于電動汽車的太陽能電池由于其昂貴的造價而難以進(jìn)入實用。鉛酸蓄電池則儲能密度太低，充能一夜只能續(xù)航75-150km，降低了汽車的使用性能。尋找新型高能電池作為電動車的動力源，一直是人們關(guān)注的熱點。飛輪電池就在這樣的背景下產(chǎn)生了。3.2.2磁懸浮飛輪在汽車工業(yè)中的應(yīng)用飛輪電池的開發(fā)和研究最初就是為了解決電動汽車的動力問題而開始的[5]，20世紀(jì)50年代，瑞士OerlikonEnergy公司生產(chǎn)了第一輛僅由飛輪提供的旅客車，飛輪直徑64英寸，中113300磅，轉(zhuǎn)速3000r/min，載客70人，正常行駛0.5km，為電動汽車的發(fā)展提供了實踐上依據(jù)。美國飛輪系統(tǒng)公司采用Kevlar纖維復(fù)合材料制作飛輪，研制出轉(zhuǎn)速數(shù)值是1.5-2.0*105r/min的飛輪電池，已成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車AFS20，由20節(jié)飛輪電池驅(qū)動，每節(jié)電池直徑230mm，質(zhì)量13.64kg。電池用市電充電需6個小時，快速充電只需15min，一次充電可行駛600km，而原型LHS汽車位520km。其加速性能從零到96km/h只需6.5秒。這種飛輪電池能量密度至少為鉛酸電池的5-6倍，壽命為321萬km左右。日本石油公司和雪谷控制研究所共同研制一種電動汽車用飛輪電池，飛輪呈圓柱體型，半徑230nun，質(zhì)量65kg，由輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料制成。充電后高轉(zhuǎn)速為3.6萬r/min，飛輪動能的85％可轉(zhuǎn)化為電能。這種飛輪電池具有與鋰離子電池相同或更大的能量密度，并至少16年不需要更換。1987年德國首次開發(fā)出車載內(nèi)燃機-飛輪電池混合動力電動汽車[6]，飛輪吸收汽車制動時的90％的能量，并在需要短時加速時釋放出來以補充內(nèi)燃機的功率要求，可以使內(nèi)燃機工作在最佳的工況下，既節(jié)能又提高了機器壽命。據(jù)估計，合理地配置飛輪電池，能夠提高燃油效率的30％并能減少廢氣排放量75％。3.2.3飛輪儲能系統(tǒng)的國內(nèi)為研究現(xiàn)狀美國是研究飛輪技術(shù)最早的國家之一，其擁有多家研究機構(gòu)，資金雄厚，技術(shù)先進(jìn)，在飛輪技術(shù)的研究與應(yīng)用方面頗有建樹。美國NASAGlenn研究中心從80年代就開始起衛(wèi)星航天飛輪的研究[7]，90年代末期在低軌道衛(wèi)星能源及姿態(tài)控制集成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子制造工藝、飛輪磁懸浮多輸入多輸出等方面取得很大的進(jìn)展。NASA的主要研究項目“國際空間站飛輪系統(tǒng)模型工程樣機”，其飛輪設(shè)計指標(biāo)如下：儲能量500wh，儲能密度為44wh/kg，采樣雙向飛輪結(jié)構(gòu)。今后幾年他們的目標(biāo)致力于提高飛輪轉(zhuǎn)速和儲能密度等方面，目前他們的一個研究小組期望十年后能使復(fù)合材料飛輪速度提高到50萬r/min，實際儲能密度能夠達(dá)到250wh/kg。英國和德國自1987年開始致力于電動汽車用的復(fù)合材料飛輪儲能器的研究[7]。只是當(dāng)時未采用磁懸浮技術(shù)，飛輪的轉(zhuǎn)速并不高。美國AFS公司于1994年研制了磁懸浮支承的復(fù)合材料飛輪電池，可以用110V電源給她充電，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到20萬rpm，其能量足以使普通轎車行駛450km以上，目前該產(chǎn)品正在跑車實驗。AFS公司正在進(jìn)行新的研究，以期使飛輪轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步提高。日本對飛輪裝置的研究主要集中在電力系統(tǒng)中的用途，如平整電力波動等。日本超導(dǎo)技術(shù)研究所和精工公司在80年代末就共同研制了儲能為0.2wh的實驗裝置，飛輪在空氣中以1200rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，其支撐體為熔融法制造的YBCO高溫超導(dǎo)塊材料。日本四國電力公司、四國綜合研究所以及三菱電機公司共同制造的超導(dǎo)磁懸浮儲能裝置，直徑25cm，重量27.5kg的飛輪在真空中以17000rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，儲能為198KJ。日本新能源開發(fā)機構(gòu)還支持了由國際超導(dǎo)研究中心、日本超導(dǎo)技術(shù)研究所、日本精工、三菱、日本鋼鐵公司以及多家電力公司參加的較大型的超導(dǎo)磁懸浮儲能研究計劃，該計劃將開發(fā)儲能為100Wh，功率為10KW的實驗裝置。國外其他研究飛輪的機構(gòu)也很多，如Urenco集團(tuán)公司利用其成熟的離心技術(shù)[8]，發(fā)展了PQ系列的飛輪，設(shè)計壽命20年，轉(zhuǎn)子可以免修長期運行；美國阿貢國家實驗室設(shè)計和發(fā)展采用超導(dǎo)軸承[9]，設(shè)計儲能量為20KWh的高效飛輪儲能系統(tǒng)裝置，用于工業(yè)領(lǐng)域[10]；德國ForschungszenturmkarlsruheGmbH公司于1996年就開始研究超導(dǎo)磁懸浮儲能飛輪電站，用以對電力進(jìn)行調(diào)峰。我國在飛輪儲能技術(shù)方面起步較晚。目前清華大學(xué)工程物理系飛輪儲能實驗室、北京飛輪儲能柔性研究生、上海大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國航天局和鄭州大學(xué)等單位進(jìn)行飛輪技術(shù)以及與之相關(guān)的研究并取得了可喜的成績。清華大學(xué)飛輪儲能實驗室于1997年設(shè)計出第一套碳纖維復(fù)合材料飛輪系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子重9kg，直徑230mm，1998年成功運轉(zhuǎn)到48000rpm，線速度為580m/s，實現(xiàn)充放電。目前該實驗室正在進(jìn)行第二代飛輪的設(shè)計和測試[11]。清華大學(xué)與北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院合作，積極發(fā)展采用電磁軸承的航天飛輪儲能系統(tǒng)。中國科學(xué)院電工所自1979年成立了第九研究室[12]，開展太陽能綜合發(fā)電的研究，1994年開展飛輪儲能機組的研究工作，到1995年3月已完成原理性實驗，可以點亮60W白熾燈半小時，大體與美國1994年實驗結(jié)果相近。目前正在進(jìn)行2KW-10KW固定式原型機的研制。其中復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子由S-2增強環(huán)氧樹脂圓環(huán)過渡到S-2增強環(huán)氧樹脂內(nèi)環(huán)和碳纖維增強環(huán)氧樹脂外環(huán)配合的FRP復(fù)合轉(zhuǎn)子。3.2.4飛輪儲能的工作原理和基本結(jié)構(gòu)飛輪儲能系統(tǒng)是目前比較先進(jìn)的儲能技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的化學(xué)儲能相比具有功率大、效率高、壽命長、無污染、適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點。飛輪儲能的基本原理是通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，實現(xiàn)電能與高速運轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存，并通過調(diào)頻、整流、恒壓與不同類型的負(fù)載接口。電能充裕時，利用電能驅(qū)動飛輪到高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能儲存；當(dāng)需要電能時，飛輪減速，電動機作發(fā)電機運行，將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能。飛輪的升速和降速，實現(xiàn)了電能的存入和釋放。超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)主要包括3個部分：儲存能量用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；支撐轉(zhuǎn)子的磁懸浮軸承系統(tǒng)；轉(zhuǎn)換能量和功率的電動機以及電力電子裝置；另外還有一些支持系統(tǒng)，如真空、冷卻、外殼和控制系統(tǒng)。其工作原理圖如3-1所示圖3-1超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理飛輪系統(tǒng)工作過程可劃分為三種工作模式：a.充電模式：電網(wǎng)電源通過電力電子裝置給飛輪系統(tǒng)供電，電能輸入，電機作電動機用，驅(qū)動飛輪達(dá)到額定最高工作轉(zhuǎn)速。b.能量保持模式：飛輪系統(tǒng)依靠最小的電能輸入，保持飛輪運行在額定最高工作轉(zhuǎn)速。c.放電模式：電網(wǎng)電能不足，電機作發(fā)電機用，飛輪轉(zhuǎn)速下降，能量通過電力電子裝置提供電能給用戶負(fù)載。飛輪轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)子式飛輪儲能系統(tǒng)中的核心部件之一。飛輪轉(zhuǎn)子材料一般選用強度很高的玻璃纖維或碳纖維等符合材料。但在低轉(zhuǎn)速時也可選用高強度鋼和鋁合金作為飛輪爪子材料。轉(zhuǎn)子形狀大多采用多層空心圓柱體狀和環(huán)狀，此外還有紡錘狀、傘狀、帶式變慣量等。飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計力求提高轉(zhuǎn)子的極限角速度，減輕轉(zhuǎn)子重量，增加儲能量。（2）軸承軸承系統(tǒng)是用來支撐飛輪轉(zhuǎn)子的，是制約飛輪還俗的關(guān)鍵因素之一，軸承系統(tǒng)的摩擦力和穩(wěn)定性直接影響著整個飛輪儲能系統(tǒng)的壽命和正常運行。飛輪的支撐方式主要有超導(dǎo)磁懸浮、電磁懸浮力、永磁懸浮、機械軸承四種。由于飛輪轉(zhuǎn)速非常高，而過去使用的機械軸承因為摩擦力大且在高速運轉(zhuǎn)下壽命短，因而對飛輪儲能是不適應(yīng)的。目前，軸承技術(shù)主要集中于磁懸浮和超導(dǎo)磁懸浮軸承系統(tǒng)的研究和開發(fā)，同時采用輔助機械軸承系統(tǒng)。超導(dǎo)磁懸浮軸承系統(tǒng)，它是利用永久磁鐵的磁通被超導(dǎo)體阻擋產(chǎn)生排斥力使飛輪處于懸浮狀態(tài)。目前，從實驗室條件出發(fā)，比較可行的飛輪支撐方案是采用超導(dǎo)磁懸浮軸承系統(tǒng)，并鋪以機械軸承系統(tǒng)。它無需供電，不需要復(fù)雜的位置系統(tǒng)，切轉(zhuǎn)速高，摩擦力小，還可以使軸承結(jié)構(gòu)緊湊和小型化。通常，稱這種方式為準(zhǔn)此懸浮軸承系統(tǒng)。（3）電機電機是飛輪儲能系統(tǒng)的核心動力部件，飛輪儲能的機械能與電能之間轉(zhuǎn)換是以電機及其控制為核心來實現(xiàn)的，儲能時，電機作為電動機運行為，有外界電能驅(qū)動電機，從而帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的某一轉(zhuǎn)速，飛輪儲存能量；釋放能量時，電機有作為發(fā)電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉(zhuǎn)速不斷下降，釋放能量。顯然，低損耗、高效率的電動是能量高效傳遞的關(guān)鍵。電力電子變換裝置電力電子變換裝置是飛輪儲能系統(tǒng)的重要組成部分，是飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換控制部分，其能量轉(zhuǎn)換效率對飛輪儲能系統(tǒng)的整體效率有直接的影響。電力電子變換裝置通過控制電機。實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。電網(wǎng)的輸入電能經(jīng)過電力電子變換裝置變換后供給電機，而電機的輸出電能也是經(jīng)過電力電子變換裝置逆變后反饋回電網(wǎng)。3.3磁懸浮技術(shù)在汽車的主動懸架上的應(yīng)用汽車懸架作為汽車底盤當(dāng)中，是不可缺少的重要組成部分，懸架剛度和懸架彈簧支撐的質(zhì)量所決定的車身固有頻率和懸架中的彈簧元件的彈性和減振器的阻尼系數(shù)直接影響到汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。也可以借鑒磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的一種想法。使該懸架能夠減少原有電控懸架結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步簡化。3.3.1汽車主動懸架系統(tǒng)簡介汽車主動懸架又稱電子控制懸架，能夠根據(jù)汽車的行駛狀況主動地對懸架的剛度和阻尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使懸架時時處于最佳的工作狀況，從根本上解決了汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾，提高了汽車的使用性能。目前汽車的主動懸架基本上是由電子控制懸架裝置和可調(diào)式懸架組成，其中電子控制裝置由輸入信號的傳感器、進(jìn)行電子控制的控制器和進(jìn)行懸架調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。電子控制懸架中的車身調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)懸架系統(tǒng)剛度、阻尼及車身高度的調(diào)節(jié)?？烧{(diào)式懸架目前有空氣式懸架、油氣式懸架和液壓式主動懸架三種。它們都是通過調(diào)節(jié)懸架中的氣體壓力或是液體壓力的方法來進(jìn)行懸架剛度和阻尼力的大小。3.3.2電磁式電子控制懸架電磁式懸架屬于汽車電子控制懸架即主動懸架，它是把原有的在汽空氣式懸架、油氣式懸架或液壓式懸架用以磁性為工作遠(yuǎn)離的懸架所代替。它的基本組成是電磁式懸架調(diào)節(jié)裝置由固定在汽車車架或車身上的磁極線圈和安裝在汽車車橋或車輪上的磁棒兩部分組成，其中磁棒放入磁極線圈中，N、S極交替固定在汽車車架或車身上，磁性銅線圈的兩頭分別接入電源，這樣便可以在線圈上產(chǎn)生磁極N或者S；而安裝在車橋或車輪上的磁棒，放入固定在汽車懸架上的磁極的中間，這樣磁棒上的N、S極與固定在汽車懸架上的磁極就會產(chǎn)生相互排斥的力。3.3.3汽車主動懸架的工作原理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(shè)計汽車主動懸架系統(tǒng)[13]-[14]。汽車磁懸浮主動懸架系統(tǒng)的工作原理框圖如圖3-2所示[13]，主動懸架系統(tǒng)的機械部分由工作缸筒、永磁體和鑄鋼體等組成?？刂葡到y(tǒng)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(zhuǎn)換成電信號后經(jīng)過控制器處理，來調(diào)整線圈電壓的大小，使作用在鑄鋼體上的力發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)整系統(tǒng)剛度和阻尼系數(shù)的目的。為了克服主動懸架系統(tǒng)中電磁力控制穩(wěn)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(gòu)成懸掛系統(tǒng)的剛度，如圖3-3所示。圖3-2汽車磁懸浮主動懸架系統(tǒng)的工作原理圖3-3電磁力、彈簧復(fù)合剛度控制器仿真結(jié)果表明，由于電磁懸浮主動懸架系統(tǒng)的控制器參數(shù)可調(diào)，使得該系統(tǒng)具有很好的動力可調(diào)特性，其剛度和阻尼在線可調(diào)。但電磁懸浮技術(shù)在汽車主動懸架中的應(yīng)用還有許多問題需要進(jìn)一步研究，如系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，控制策略和算法，電磁懸浮系統(tǒng)的工程實現(xiàn)等。3.4磁懸浮技術(shù)在汽車減振器中的應(yīng)用采用磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)汽車振動的主動控制。討論了汽車磁懸浮減振系統(tǒng)的工作原理，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析具有很好的動態(tài)特性，能滿足汽車平順性與安全性要求。更多還原如采用由相同磁極相對的高強度永久磁鐵產(chǎn)生的磁場作為汽車減振器的彈性介質(zhì)，兩磁鐵同極間的斥力隨著兩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(jù)負(fù)載自動調(diào)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。圖3-4磁懸浮汽車減震器結(jié)構(gòu)示意圖1、24-活塞柱2-連桿3、22-壓環(huán)4、23、28-密封圈5-壓蓋6-基筒7-螺旋彈簧8-套筒9、10、12、13、14-行程開關(guān)11-行程開關(guān)觸點15-導(dǎo)管16、21、31、34-聚磁鐵17、20、30-橡膠墊片18-下主磁鐵19、26-塑料套筒25-基座27-固定片29-上主磁鐵32、33-橡膠隔塊一種磁懸浮汽車減振器的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示[15]。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(chǎn)生。行程開關(guān)觸11通過連桿2與活塞柱1相連結(jié)，塑料套筒19、26和橡膠塊32、33起限定聚磁鐵16、31、34位置的作用，密封圈4起防塵、密封的作用。當(dāng)活塞柱1相對壓蓋5向上運動時，彈簧7起緩沖的作用，當(dāng)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(nèi)充有油液，導(dǎo)管15分別與套筒8及儲液罐（上部空腔內(nèi)充有氣體）相連。當(dāng)該減振器被壓縮時，套筒8內(nèi)的油液通過導(dǎo)管15進(jìn)入儲液罐，由于此時儲液罐內(nèi)的阻尼片可隨油液上升，所以油液阻力很小。當(dāng)該減振器被壓縮后復(fù)原時，活塞柱1向上運動，儲液罐內(nèi)的氣體壓力較大，把油液下壓，經(jīng)阻尼片上的阻尼孔壓回套筒8內(nèi)，油液經(jīng)阻尼片上的阻尼孔時發(fā)熱，振動能量轉(zhuǎn)化為熱能。另外，通過控制電路液力左右移動活塞柱24，可運用磁原理調(diào)整減振器的剛度特性，并可改變減振器的長度，從而調(diào)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(xì)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(shù)要求（如密封技術(shù)），另一方面會使減振器發(fā)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(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜。如采用將此減振器與阻尼器并聯(lián)的工作方式，可能會具有更好的可行性。3.5磁懸浮技術(shù)應(yīng)用在汽車座椅中為提高汽車乘坐舒適性和操縱性能，可將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于汽車座椅上[16]-[17]。將永久磁鐵置換成等價的電流磁鐵，電流回路中與懸浮力相關(guān)的只是磁鐵長度方向的電流，把面電流看成是微小線電流的集合。為克服排斥型磁懸浮系統(tǒng)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(shè)計汽車座椅，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(jié)果表明，該種座椅隔振性能良好，基本相當(dāng)于半主動隔振系統(tǒng)，抗沖擊性能良好，可克服常規(guī)座椅在大載荷下“撞底（bottoming）”的現(xiàn)象，同時該種座椅還具有行程小的優(yōu)點。4.磁懸浮支撐技術(shù)4.1磁懸浮支撐技術(shù)簡介所謂磁懸浮的支撐技術(shù)，簡而言之，即是起支撐作用的主體與被支撐的客體之間處于非接觸狀態(tài)，在主客體之間不存在介質(zhì)或者僅存在內(nèi)摩擦阻力極小的氣體介質(zhì)，這種支撐形態(tài)極為懸浮支撐。實現(xiàn)軸承對軸系懸浮支撐的傳統(tǒng)方式主要有磁懸浮和氣體靜壓懸浮技術(shù)。這兩類懸浮支撐技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子與軸承的非接觸工作狀態(tài)，達(dá)到提高軸系轉(zhuǎn)速的目的。4.2磁懸浮磁力軸承磁懸浮軸承技術(shù)是目前世界上公認(rèn)的高新技術(shù)之一，磁懸浮軸承又稱為電磁軸承或磁力軸承，是利用磁場力將軸系懸浮在空間的一種新型高性能軸承。磁懸浮軸承是近幾年發(fā)展比較成熟的得非接觸式軸承，磁懸浮軸承作為一種新型的軸承形式，與現(xiàn)有的滾珠軸承等傳統(tǒng)支撐形式相比，實現(xiàn)了軸與軸承的非接觸支撐、消除了機械摩擦與磨損。由于磁懸浮軸承具有無摩擦、高轉(zhuǎn)速、低噪聲以及不需要潤滑和蜜蜂等一系列優(yōu)良品質(zhì)，因而從根本上改變了傳統(tǒng)的軸支撐方式。4.2.1磁懸浮磁力軸承分類a.按磁場力是否可以人為控制分為主動磁力軸承、被動磁力軸承和合磁力混軸承；b.按磁場力的來源分永久磁鐵型、電磁鐵和永久磁鐵混合型以及純電磁鐵性三種；c.按受控的自由度數(shù)可以分為單自由度型、二自由度型、和五自由度型；d.按利用磁場力的類型分為吸力型和斥力型；永久磁鐵型剛度小，但懸浮功耗?。恢鲃有痛帕S承的剛度大，可精密控制；純電磁鐵只能是無自由度控制，體積、重量及功耗都比較大；斥力型由于磁力利用率低，結(jié)構(gòu)較吸力型復(fù)雜。地面應(yīng)用較多的是主動控制混合型或者純點磁鐵型。空間應(yīng)用多為被動控制混合型，以降低能量的損耗。4.2.2磁懸浮磁力軸承的工作原理磁懸浮軸承是一個復(fù)雜的機電耦合系統(tǒng)，其基本工作原理是：利用磁場力將軸懸浮起來，使轉(zhuǎn)子在空間無機械接觸、無磨損旋轉(zhuǎn)，通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的軸偏差信號，再將信號送入到控制器，通過功率放大器控制電磁鐵中的電流量，從而產(chǎn)生電磁力的變化使轉(zhuǎn)子懸浮于規(guī)定的位置。（1）單自由度-推力磁軸承的工作原理圖4-1推力磁軸承的工作圖如圖4-1所示，推力盤由兩邊的一對推力磁軸承電磁鐵感應(yīng)器用來測量推力盤的位置變化，測量信號被送入控制器，經(jīng)數(shù)字運算后送入功率放大器產(chǎn)生控制電流，來驅(qū)動推力軸承以獲得維持推力盤穩(wěn)定懸浮的電磁力，當(dāng)推力盤在外力作用下向右移動時，傳感器將這一信號告訴控制器，控制器增大控制電流使得左邊吸力大于右邊吸力，推力盤向左移動，平衡時推力盤懸浮在這對推力軸承之間。（2）二自由度-徑向磁軸承的工作原理如右圖4-2所示，轉(zhuǎn)子分別由和方向的兩對電磁鐵來吸引，傳感器用來測量轉(zhuǎn)子的位置變化，測量信號被送入控制器，經(jīng)模擬或數(shù)字運算后送入功率放大器產(chǎn)生控制電流，來驅(qū)動徑向磁軸承電磁鐵以獲得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的電磁力，當(dāng)轉(zhuǎn)子在外力的作用下向左下方移動時，傳感器將這一信號傳遞給控制器，控制器增大控制電流，使得上面和釉面的吸力大于下面和左面吸力，轉(zhuǎn)子向右上方移動，平衡時轉(zhuǎn)子懸浮在徑向磁懸浮中間。圖4-2徑向磁軸承的工作圖（3）五自由度磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一根轉(zhuǎn)子在空間有六個自由度，除了旋轉(zhuǎn)自由度由電機控制外，其余五個自由度由磁軸承控制，稱為五自由度磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)子所受的徑向載荷由兩個徑向磁軸承來支撐，軸向載荷由一對推力磁軸承來承受，在水平、垂直和軸向分別安裝有五個傳感器來測量轉(zhuǎn)子空間五個自由度上的位置變化，測量信號被送入控制器，經(jīng)模擬或數(shù)字運算后送入功率放大器產(chǎn)生控制電流來驅(qū)動電磁鐵以獲得維持轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的電磁力。在五自由度磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中裝上內(nèi)置電機和外殼就成為磁懸浮支撐電主軸，如圖4-3所示。圖4-3轉(zhuǎn)自系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.2.3磁懸浮軸承的特點磁懸浮軸承具有如下特點：實現(xiàn)超精密運轉(zhuǎn)，具有良好的動力學(xué)性能；支撐剛度大、極限轉(zhuǎn)速高；承載能力大、能耗小、環(huán)境適應(yīng)性強。當(dāng)然，磁懸浮軸承也存在其不足之處，如若磁懸浮軸承處于長時間的運轉(zhuǎn)工作，磁極很有可能會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象；而在高速運轉(zhuǎn)時會存在低頻率的震動。5磁懸浮汽車整車設(shè)計的探討5.1汽車車身材料的選擇車身的材料輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。據(jù)統(tǒng)計客車、轎車和多數(shù)專用汽車車身質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的40％-60％；貨車車身質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的16％-30％；其他各種車型的車身占整車制造成本的百分比甚至還略超過以上給出的上限值。因此車身輕量化研究是現(xiàn)代車身設(shè)計的一大主流。實現(xiàn)汽車的輕量化常采用兩種途徑：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，二是應(yīng)用新型材料。前者經(jīng)過幾十年的不斷研究開發(fā)，日趨完善，空間已經(jīng)相對狹窄。后者隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和新材料的不斷涌現(xiàn)，為汽車輕量化開辟了廣闊的發(fā)展空間。輕量化材料是可用來減輕汽車自重的材料，它有兩大類：一類是低密度的輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等；另一類是高強度材料，如高強度鋼等。輕量化材料對汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，它不僅關(guān)系到車輛的節(jié)能、減排、安全、成本等諸多方面，而且汽車輕量化材料的應(yīng)用對世界能源、自然資源和環(huán)境具有深刻的影響，它已成為汽車材料技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。綜合考慮車身輕量化材料類型及其發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)輕量化材料的新工藝新技術(shù)及其發(fā)展趨勢，車身輕量化材料的選擇趨向三個方向：a.車身覆蓋件零件中已經(jīng)開始采用普遍鋼板以外的新型材料，如高強度鋼板、不等厚鋼板、夾層鋼板等，達(dá)到了減重和提高強度的雙重效果。b.鋁及鋁合金、鎂及鎂合金等輕質(zhì)材料在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例逐年增加，是未來汽車輕量化的重要方向。c.塑料及其復(fù)合材料在汽車上的用量持續(xù)增長，成為車身輕量化的又一新領(lǐng)域。目前，增加鋼板強度，減小鋼板厚度或者截面尺寸是減輕汽車自重的最有效手段。高強度鋼和超高強度鋼在汽車制造中的比例不斷增大，從車身高強度鋼的應(yīng)用情況來看，汽車外板如發(fā)動機罩、車門、行李箱和側(cè)圍外板等已經(jīng)應(yīng)用了340MPa級烘烤硬化鋼板和440MPa級高強度材料；車身骨架部件目前流行使用440Mpa和590MPa級高強度材料。雖然磁懸浮汽車要求車身越輕越好，但是也要參考目前應(yīng)用在汽車上最好的材料。因此，選用高強度鋼板代替普通的低碳鋼板應(yīng)用在磁懸浮汽車上。5.2磁懸浮汽車安全性的設(shè)計汽車安全性主要一大部分在于汽車碰撞過程中安全性，在汽車設(shè)計領(lǐng)域中，有眾多的方法可以建立精確程度不同的幾何和物理模型，要使汽車碰撞安全的情況下實現(xiàn)車體重量最小，必須選擇合適的方法。由于整車碰撞屬于大變形，大位移且伴隨著強烈的幾何非線性和物理非線性的動態(tài)過程，對優(yōu)化面臨著諸多困難；首先，優(yōu)化依賴建立較為精確的物理模型且在分析過程中也較為依賴工程師的經(jīng)驗[18]。第二，優(yōu)化過程經(jīng)常需要一系列的迭代運算，然而整車碰撞過程分析一次就需要較多的計算時間，這樣勢必造成須要耗費大量的計算資源。第三，由于設(shè)計空間不規(guī)則性及隨機誤差的干擾，目標(biāo)和約束響應(yīng)的形態(tài)往往不光滑連續(xù)，同時響應(yīng)函數(shù)對設(shè)計變量的敏感度往往也是不光滑連續(xù)的，使用差分法將無法獲得準(zhǔn)確的敏感度信息，故常常須要借助全局近似的方法，對響應(yīng)局部的噪聲信息進(jìn)行平順處理。因此對于具體的工程問題，通常是在滿足精度要求的同時找到一個合適的替代模型來進(jìn)行優(yōu)化研究[19]。在以往的研究中，人們常常采用的替代模型是用傳統(tǒng)的最小二乘擬合的多項式近似模型。由于此種替代模型形式簡單，在利用它進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計時所需的計算量相對較小，可惜的是它的擬合精度并不高。首先利用拉丁方實驗設(shè)計得到樣本數(shù)據(jù)，再通過移動最小二乘方法對實驗設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到具有較好預(yù)測精度的整車碰撞的近似模型，最后采用序列響應(yīng)面優(yōu)化方法對近似模型進(jìn)行優(yōu)化，即通過改變車身前部幾個主要吸能部件的板料厚度，尋找一組合適的板料厚度參數(shù)，使它在維持車身功能和正撞安全法規(guī)的痛死使車身的質(zhì)量最小，這對汽車的前期設(shè)計階段有較好的指導(dǎo)作用。6關(guān)于磁懸浮汽車擔(dān)憂6.1磁懸浮技術(shù)的自身成熟度雖說，目前為止磁懸浮技術(shù)運用于列車已算成熟。但是，任何一項新技術(shù)在發(fā)展和成熟的過程中總是會存在這樣或者那樣的問題，需要不斷的完善。如：1994年的奔騰一代芯片的浮點錯誤事件，又如微軟windows系統(tǒng)幾乎每天都在更新的補丁，在不斷地改造后我們得到了更好、更成熟、更有價值的產(chǎn)品。帶著“世界第一”光環(huán)的磁懸浮在建成之初也有過這樣的經(jīng)歷，面對隨時可能發(fā)生問題，如何能夠快速地解決，并且吸取教訓(xùn)，不斷改進(jìn)，提高產(chǎn)品的性能和使用壽命，甚至做到防患于未然，把隱患消滅在萌芽中，是關(guān)系到投資方是否選擇該產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。在上海這條示范線的運營過程中，如果能夠抓住機會，積累經(jīng)驗，在實際運行中完善技術(shù)，使之成為一種成熟產(chǎn)品。6.2磁懸浮系統(tǒng)的成本因素幾百億的投資對于任何一個國家或者投資人來說都不是一個小數(shù)目，在與其他高速運輸產(chǎn)品的競爭中，價格始終是磁懸浮的一個劣勢。而對于磁懸浮汽車而言，路面磁懸浮的設(shè)施也尤為重要，它要求路面一方面要能夠讓一般的汽車行駛，另一方面又要能夠滿足磁懸浮汽車的低速和懸浮行駛。這個可以利用磁懸浮列車采用的懸浮設(shè)施，但路面要和平常的路面無異，也可以采用在道路中加入某種材料或者利用天然磁礦，然而天然磁礦的磁極不穩(wěn)定[20]，也許這一塊是N級朝上，那一塊又是S極朝上，也有可能是N極與S極處在同一水平面上，如果車底要懸浮，車底的磁極必須與地底的磁極一致，如果要行駛，懸浮汽車必須能自動切換車底的磁極，那么車底下的磁體如果要實現(xiàn)切換磁極就必需使用超導(dǎo)體電磁。而這個的成本又會在磁懸浮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提高。因此在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低成本將是一個不能回避的任務(wù)。6.3磁懸浮系統(tǒng)的磁屏蔽在磁懸浮系統(tǒng)剛剛得到起步的時候，有人質(zhì)疑磁懸浮系統(tǒng)對人身體上的影響，包括對心臟起搏器等的影響，然而研究結(jié)果表明心臟起搏器和ICD在內(nèi)的多個品牌的脈沖發(fā)生器在不同的三個時間段、不同起搏器高度及起搏極性下的人機對話過程和起搏參數(shù)無任何影響。磁懸浮列車對植入心臟起搏器患者未造成不適，全程監(jiān)護(hù)的Holter記錄未發(fā)現(xiàn)任何干擾現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)起搏參數(shù)設(shè)置的任何變化。但也并不能說明磁懸浮的輻射對人體沒有任何傷害，所以磁場是否損壞人體健康、能否有效屏蔽是磁懸浮技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最值得注意的主要問題之一。在現(xiàn)有磁懸浮技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用方面的文獻(xiàn)中，對磁屏蔽問題都沒有述及。根據(jù)日本的報告，磁懸浮系統(tǒng)形成的電磁回路所產(chǎn)生的磁場，僅相當(dāng)于地磁，對人體絲毫不會產(chǎn)生危害。而德國的測量結(jié)果顯示：坐在他們的磁懸浮列車上所感受到的磁場影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于坐在四米遠(yuǎn)的地方看一臺21英寸的黑白電視機。這些文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)對磁屏蔽問題能夠在汽車工程中應(yīng)用的磁懸浮機構(gòu)提供一些依據(jù)，但仍需進(jìn)一步的探討。6.4磁懸浮系統(tǒng)的阻尼機理在現(xiàn)有的磁懸浮機構(gòu)中，有些系統(tǒng)采用磁懸浮與阻尼器并聯(lián)使用的方式[18，29，20]，有些系統(tǒng)僅采用了磁懸浮方式，未加阻尼[20]。有的研究者認(rèn)為，磁懸浮自身可產(chǎn)生阻尼，且阻尼因子δ=0.23[20]，有的研究者認(rèn)為，磁懸浮自身產(chǎn)生阻尼是因相位變化而引起的[19,20]。磁懸浮系統(tǒng)的阻尼是自身產(chǎn)生還是因?qū)驒C構(gòu)的摩檫力造成，其產(chǎn)生阻尼的機理如何，尚需進(jìn)一步研究。7結(jié)語根據(jù)我國的國情及道路交通情況、技術(shù)方面的限制以及磁懸浮需克服的問題等等，離磁懸浮汽車的實現(xiàn)還有很長一段距離。本文主要就磁懸浮技術(shù)在汽車工程方面的成功應(yīng)用和汽車實驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用為例，引發(fā)一系列的探討，從對磁懸浮技術(shù)在汽車相關(guān)部件上的應(yīng)用探究，確定了磁懸浮技術(shù)在汽車工程方面的應(yīng)用可行性，但電磁懸浮技術(shù)在汽車各個部件的應(yīng)用比如：永磁懸浮系具有良好的非線性剛度特性，且具有使用壽命長，可將其應(yīng)用于汽車減振器、座椅、救護(hù)車擔(dān)架中等。隨著磁懸浮技術(shù)的完善，還可進(jìn)一步開發(fā)出磁懸浮式發(fā)動機支架、磁懸浮式防撞保險杠等產(chǎn)品。因此，磁懸浮技術(shù)在汽車工程中具有良好的應(yīng)用前景，但有些問題諸如磁懸浮技術(shù)成熟度、成本因素、磁屏蔽、磁懸浮阻尼等尚需做進(jìn)一步做深入細(xì)致的研究。參考文獻(xiàn)[1]蔣金周.磁懸浮技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展分析[J].機電一體化,2004,10(1):25-27.[2]王江潮,歐陽華,杜朝輝等.德國磁懸浮列車的懸浮與驅(qū)動系統(tǒng)[M].國外鐵道車輛,2004,41(3):1-5.[3]嚴(yán)陸光,徐善綱,孫廣生等.