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陈光祖:汽车磁流变液线控系统应用正热火
中国汽车报网 ·  黄霞 曹亚玲 ·  2019-05-10

佰威娱乐  在近日的一次研讨会上,我国汽车界资深专家陈光祖先生谈到了磁流变液线控系统在汽车领域的应用。随后,陈老与《中国汽车报》编辑进行了较为详细的沟通。

   

佰威娱乐  “汽车磁流变液线控系统,是目前汽车行业宣传比较少但又很实用的新兴核心科技之一。”陈老对《中国汽车报》说,此项技术已在航天、航空、建筑、电站、电车……等领域都已应用,汽车领域也在研发及试用阶段,尤其是在新能源汽车应用前景非常广泛。

  沟通后,《中国汽车报》约请陈老详细介绍一下磁流变液线控系统的前瞻性及其在新能源汽车领域的应用前景。

  于是,5月8日,陈老如约回复。

佰威娱乐  陈光祖早年参加一汽工作,担任过中国汽车零部件工业公司副总经理、中国汽车工业工程咨询公司总经理、美国华鼎汽车技术贸易公司总裁、中国汽车工业咨询委员会秘书长等。现为中国汽车工业咨询委员会委员、中国国际人才开发中心高专委名誉副总裁等。尽管他已8多岁高齡,但仍醉心于我国汽车及零部件产业的发展,研究各种新技术的应用前景,并积极呼吁。

  在陈老看来,要发展汽车强国,必须把创新技术放在第一位。只有不断创新,我国汽车产业才有未来。

   

佰威娱乐  当代,对汽车磁流变液线控系统的应用,正从多年来演化过程走向成熟化转变,成为汽车产业上一个高质量发展的热点。在汽车智能化发展年代,我们一定要和国际主流车企一样,要趁热打铁,把它推向市场化和商业化应用的路上。

佰威娱乐  汽车磁流变液作为一种智能材料,以电控系统作平台,两者很好的融合集成,在汽车的多个领域上应用,形成具有十分经典的“破坏性”创新举措,促使汽车一些结构进行革命性的变革。

   

  什么是磁流变液(MR呢?

佰威娱乐  它是当代智能材料中开发应用最为流行、最为活跃的一支新兴科技。磁流变液是应用磁流变原理而形成的一种液态材料。它在磁场的作用下,在瞬间、可逆的形成具有很好的屈服强度和磁场强度,又有相对稳定的对应力学关系。通俗些讲,在没有磁场作用时,物体处于液态状态,可视为对结构处于分离状态,而在磁场的作用下,瞬间形成可连接的,相对性的固化物体,把分离的物体连结起来,形成一种作用力,来驱动物体的运作,但当磁场消失时,瞬间又恢复液态分离的、滑动的、无摩擦的连接状态。

   

  这样,磁流变液在汽车上应用的特色是:

  一、当在零磁场时,粘度极低,就像液态物体一样,连接是滑动的,当磁场产生时,在毫秒时间内,形成固化连接,具有达到原设计的同等剪切屈服强度,而且这种连接强度可随磁场作用强度实行可调节的连接效应。

  二、它必须具有很好的纯度,杂质极少,达到高标准要求,这是实现连接强度一个重要因素;使用时,不受温度、震动和环境条件的影响,具有很好的稳定性能;具有抗沉降性,就是车使用时可达到长时间可靠性应用;具有低耗能又能产生强磁场的效应;无毒,无异味,不挥发;随着不断创新研发,磁流变液自身也在不断改进提升中,并出现各类别液体,以适应多种形态的要求。

  什么是线控工程系统呢?

  线控技术,简称X-by-Wire,也可以理解为电控方式。随着汽车电子技术的不断深化和集成发展,人们在设计汽车时,已经不再需要那么多传统复杂的机械连接和传递控制,而是通过电子结构来替代,且控制得比传统办法优良得多。

  线控系统实质是通过数字化信号,从人机接口上,即通过中央处理器的控制逻辑,发送信号,实现电信号的传输,可以使有线的,或是无线的,特别是网络化车联网连接,多种传感器装置的执行机构,达到高功能线传动性能。

  线传动在汽车上应用有:灵敏度很好的提升。给汽车各种运作更多的自由空间;可以简化汽车结构,传统传动那种笨重复杂、低精度状态被淘汰;更好提升汽车运行的安全性、可靠性、精确性。它降低运作成本,也节能又减排,关键对新能源汽车,包括轿车、卡车都要很好的应用。

   

 ■磁流变液和线传动融合应用

佰威娱乐  说到磁流变线控技术,就要追述磁流变液的发明问题。早在上世纪五十年代,美国科学家就研究微米尺寸的磁极化颗粒在强磁场作用下,使之呈现出类固体特性,但总体上仍处于实验室研发阶段。当时出现的磁悬浮性、腐蚀性等难点,还无法实际应用。到了20世纪90年代,随着电子事业的迅速发展和扩充,促使磁流变液的研发进入一个重新焕发的年代,以至于当代成为智能材料的一个重要分支。

  在汽车上出现磁流变线控技术大约是在21世纪初期。2000年美国德尔福的磁流变线控技术与意大利菲亚特签订了一个非同寻常的合作合同,成为这项技术在汽车上实例应用的事实,引起汽车界的广泛关注。当时我有机会看到了这项技术应用情景,也希望中国汽车业能开展这项技术的研发和应用工作。为此,我在论坛和报刊上发了些介绍。但说实话,对真实技术的了解还很肤浅。

  近年随着国际上科技日新月异的进展,我国对磁流变线控技术的研发工作已安排到重要日程上,即使我们工作开展较晚,但进展比较顺畅,在中科院、中国科学技术大学、复旦大学、重庆大学、中科院物理研究所等单位,都作为重大科研课题承担研发应用推行任务,并且在航空、航天、机械工程、精密仪器、自动化制造工程上,都开始试验和应用。在国际上已进行比较广泛的合作,特别还要推行新型的计算机网络系统机构的认定,如目前汽车CAN总线局域网都落后了,据说磁流变线控技术已有新的网络结构认定协议,正在落实中。特别是5G的出现该用什么新理念去实现网络物理层拓扑结构的界定、数据链传输等等功能都需要作出标定新协议。总之,当前在汽车界推行磁流变液的线控技术还处于初期阶段,但已显示出巨大的变革力和巨大的市场潜力。我们期望能把这项技术也作为一个重点课题,从各个方面都予以重视,能更好更快发挥市场作用。

   

  ■汽车磁流变液电控系统事例

  △磁流变电控避震器。这是已经在汽车较早试验和应用的典型产品。

   

佰威娱乐  在传统汽车的避震器和悬架设计时,无论是钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧还是液压弹簧,为了特别保持车辆的稳定性,则要求刚度要强,要“坚硬”,但对于汽车平顺性行驶上,则要求要有“伸张”,就是“柔软”,但这两者是矛盾的,这是很难兼容的,只要在设计时定下,就不可变动了。

  磁流变液电控减震器可以利用其可变化性能的阻尼作用和电控的传感器、车载电子控制单元(ECU)组合成一个电控的优良减震系统。如果汽车在不同的路面行驶时,利用磁流变液的不同电磁感应,能实时的对车身进行检测,并且实时的按适应性要求进行调控。这样既能保证车辆的稳定性,又能连续不断的变化其阻尼力,保证车辆平顺性的运行,充分体现出对乘员的舒适性和安全感;又如在汽车急转弯时,或是出现急刹车时,车辆会按监测汽车倾斜角要求,进行各个轮子角度的要求,可以防止汽车的侧翻调控,同时在急刹车时,也不会感到那种“前冲”和“后仰”的不适状态。在实现磁流变液电控减震应用后,对车辆的整体悬架系统的设计可以进行更好的改进和改善,使车辆的运行性能能处于最佳状态。

  △磁流变电控制动器。这种新型的制动器与原装产品有较大不同的结构方式,改变较大,多年来不少单位都在研发试验、测试之中,还未达到正式应用的程度。

佰威娱乐  当前汽车上制动器主要有鼓式和盘式的,但制动的效能不是十分满意。我们都看到在高深下坡的卡车要不断地制动,防止车辆快速下滑,但由于多次不断的刹车,使刹车片发高热,因此有不少车辆在车上自装水缸,用水管来冷却刹车片。在乘用车上多改为盘式刹车,虽然改善了刹车布局,但刹车片仍要经常更换,近年虽发明带陶瓷的刹车片,但也多用于高档车上,仅国内就有几百家刹车片企业为维护刹车片供求而忙碌。

佰威娱乐  多年来国内外不少大学、企业在研制磁流变液电控制动系统,但由于结构、性能改变很大,至今仍处于试验测试之中,不过有个别小型家用车上已试用。

  通过计算机模型设计,认为这种新的刹车系统要比传统的刹片结构的性能,会有较好的改善,从力矩仿真软件应用公式、动态模型试验和实验室的配合测试,都认为比较合适,而且对原有的电子制动系统安全产品,如ABS、ESP等的匹配也可以达到协调作用,显示出更好的综合性制动效果。

  我们期望这种新产品能进一步做好研发工作的试验测试,加快产业化、商业化进程。

   

  △磁流变液电控离合器。佰威娱乐现在汽车上有几类离合器,如风扇离合器、发动机连接变速箱离合器、自动变速箱档次离合器等,主要利用摩擦片动力切换装置进行功能传输。但由于在连接时产生摩擦和冲击,离合器的顺畅运行和寿命和刹车片一样,要常更换摩擦片装置。

  同样,磁流变液电控离合器和刹车片一样,与原有结构要进行很大改革,所以也多处于研发探索应用之中。

   

佰威娱乐  新型磁流变电控离合器主要有主动片、被动片、密封圈和磁流体组成。磁流体是介质,充满在主动片与被动片空腔中,当充电流时,主动片原有的滑动状态改变为固态接触,从而使主动片产生剪切力带动被动片的转动,就是说当接入磁场,是磁流液固化,原有的三种物件被连接在一起,产生同步驱动,而当切断磁场时,磁流体有恢复原态,即使之处于分离状态。

  当前,应用计算机对磁流变液电控制离合器工作原理进行系统分析探索,并利用有限元分析软件对磁路进行优化,使之要避免像传统离合器那样摩擦片间摩擦滑动而带来的磨损和损耗,使之驱动更为快捷、可靠、安全。可以在毫秒之间达到连接和分离的响应性能,并且降低功耗,传递更大扭矩。

  据了解,当前不少国内外正研发在自动变速箱各档位之间应用磁流变电控离合器技术,这样如果高达9AT那样高档的自动变速箱就有9个多片的摩擦纸基离合器,使之换上磁流变电控离合器,不仅可以很大缩短自动变速器的长度,而且这种新离合器的连接传递更快更大的动力,结构大量简化,平稳性很好,而且使电控技术融入智能化控制系统,是自动变速箱汽车会更加方便运行和走向自动化,省心,省力。同时也要对自动变速箱前面的变扭器进行电磁化改革,同样加入磁流变技术,这样使现在的自动变速箱的油耗比普通变速箱高出15%-18%,会有很好改进。  在汽车无极变速器上,利用双粘度模型,传递转矩输出输入原理,在磁场与屈服度力中得到输出角速度良好的作用关系,可达到控制磁流变液车无级变速器上良好的应用的目的。

  △磁流变线控转向系统。汽车上传统的转向系统机械结构相当复杂,效果不是十分理想,经过几代的改革,特别是磁流变线控转向系统的诞生,给汽车转向系统带来了相当大的好处。

  这种新型转向系统的好处表现为:它成为汽车转向系统一个重要的模块,很好的提升整车设计的自由度;减少了不少机械性的东西,转向柱都可取消,方向盘像飞机一样只有半圆形,连接车前车架上;转向系统效率提高,响应时间短,控制单元接受各类数据信息,可自动协助转向盘提供转向动力,转向车轮;改善驾驶特性,可以做到按不同车速和转向角度要求,获取更合理的形式条件;有利于转向系统与整车技能匹配,越来越多底盘新技术结合起来,提高汽车操纵的稳定性和安全性。

佰威娱乐  这种新型转向系统,包括电控单元、传感器、执行器、数据总线和各种磁流变阻尼器。大家对线控技术比较熟识,这里着重谈谈磁流变阻尼器。大家知道,使自由震动衰减的各种机械摩擦和其他阻力作用,我们叫阻尼。安置在结构系统上的“特殊”构成可提供运动的阻力,耗减运动能量的装置就叫阻尼器。阻尼器有多种结构,弹簧的、空气的、液压的、脉冲的,但磁流变阻尼器却是独具特色的。

佰威娱乐  磁流变阻尼器是通过改变传统控制装置的参数来实现对结构的可调控制,它所需外加能量很少,不易失衡,摒弃了被动控制和主动控制的缺点,可以通过调整磁场强度来调节对器件的阻尼系数,这样汽车在行驶时方向盘不会摆动、震动,建立起新型的汽车转向系统的动力学方程,利用仿真计算设计平台,已经可以达到减少车辆横摆角的超量的角速度。在这新的阻尼器理论又有新的运动学模型,这不断的给新型的转向系统提供优化能力。

  这样磁流变阻尼器的应用有利于汽车合理化转向策略的实施和具有高的容错性,更符合当前各种车辆的人们驾驶的舒适性和习惯。

  当前这种新型转向系统已经为国际跨国公司作为原型车,从研发走向个别车型装用中。

   

  △磁流变汽车保险杠。佰威娱乐汽车为人们带来巨大好处和方便,但汽车的劫难却被称为“第三次世界大战是汽车打的”。据联合国卫生署近年统计,每年由汽车交通事故造成死亡人数在120-130万人,受伤人数在5000-6000万人。但即使这样,全世界各个国家都拼命的在发展汽车产销工作。

  在汽车事故中,行人受伤的约占25%-30%,这样多年来汽车界提出研制汽车保险杠和前窗安全气囊,也不断在试验,但技术和成本原因无法投放。当前一种以磁流变的汽车保险杠已经可以达到实用水平,并且将作为标准投放市场。

  当前,为了减轻车辆对行人的损害,想出不少办法,如用聚合物、塑料、液压、气动等保险杠,以便在车辆冲撞时减少能量吸收,降低受损伤程度。但这种效果不是太明显,可以做,但也要想更合适的可行办法来。

  当前一种磁流变胶泥缓冲装置正在研发中,因为用一般的磁流体阻尼力和防撞效果还不是太理想,而且沉降性容易消失,于是一种胶泥缓冲装置工作模式开始出现,其优势:总的讲缓冲力比较好,理论上设计的可压溃元件,对比吸能、峰值力、平均载荷、制造方法进行有效分析,认为较为可行;对胶泥性能利用测试实验数据和力学进行分析,并改正;针对具有多级径向流动模式的磁流变胶泥缓冲装置提出总体设计要求,以求得出最佳尺寸、磁路分布,进行优化。从多年理论、计算机和实验试验中认为实施磁流变胶泥缓冲装置的效果是实用的,有效的。

   

  ■在新能源汽车上的应用

  21世纪是一个多元化汽车产业共享运作的世纪,主要两大特点:一是传统汽车,即内燃机汽车仍居主导地位,特别是中国是煤炭和石油生产消费大国,不会在短期内,即二、三十年退出生产,但在中世纪内燃机汽车产销可能逐步的下滑;二是新能源汽车,主要是电动汽车,包括燃料电池汽车将成为汽车产业发展的热点,产销量极具增长,但在2020年进入“后补贴社会”,预测产销量会受到一定影响,但在国家重视和新政策鼓励下,新能源汽车仍是风景独好的一个新兴产业;三是无论内燃机汽车、新能源汽车,都要积极拓展智能化工作,逐步提升智能化水平,而终端实现全自动驾驶和智能化汽车社会的目标。

佰威娱乐  新能源汽车成为磁流变线控传动技术创新的重要推动力,在新能源汽车体系中,电动汽车、燃料电池汽车可能成为主导产品,磁流变线传动技术作为一项高端核心科技,在新能源汽车上的应用,要会比内燃机汽车更广泛、更深透、更有效,成为新时代汽车产业实施供给侧结构性改革,实现高质量发展的一个表现。

  磁流变线传动技术作为一种新型智能材料和电控的融合体,也在不断的在改革创新中提升应用质量和效果问题。特别是这种高端科技已经在航空、航天、高铁、电站等重大制造业项目上应用。要把这些重大项目的应用成果,尽可能好的转化到汽车产业应用上,实现军民融合的效应。

  中国是拥有磁流变液知识产权最多的一个国家,也是在研发应用最为广泛领域的一个国家,我们期望这看似十分细微一种科技,却是汽车产业很有益处的一个核心科技,期望得到更好应用。

  编辑:黄霞

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