Какие технические проблемы препятствуют внедрению исключительно активных подвесов?

В дополнение к тому, что сказал Хари Ганти, можно сказать, что дело не столько в том, что такой технологии не существует, сколько в том, что она недостаточно эффективна (на данный момент), чтобы оправдать такие инвестиции.

По сути, я бы сказал, что единственный технический аспект, который мешает созданию таких систем, — это совершенствование существующих технологий.

Хари упоминает:

Я не считаю это техническим препятствием, потому что энергию всегда можно обеспечить, но активным системам требуется невероятное количество энергии.

Пока у нас не будет мини-генераторов термоядерного синтеза на борту или пока не произойдёт серьёзный прорыв в законах термодинамики, у нас не будет способа генерировать или накапливать огромное количество энергии, которое потребовалось бы для полностью активной системы, такой как электромагнитные системы. На мой взгляд, электромагнитные системы идеальны, поскольку вы можете мгновенно (почти) регулировать выходные значения, а магнитное поле также обеспечивает постоянный буфер. Но нагрузка, о которой вы говорите, для такой системы огромна. Возможно, в ближайшие годы мы увидим, как это начнёт применяться в высших гоночных классах, но только представьте себе питание 16 или около того электромагнитов для управления 3000 фунтами при ускорении более 4 g... Я имею в виду, что мы говорим о внезапном усилии в 12 000 фунтов и стабильном управлении им для изменения направления в течение нескольких миллисекунд с точностью менее дюйма... это потребует большой мощности.

Тем не менее на потребительском рынке пассивные системы также выполняют функцию отказоустойчивости. Если у вас одна из дорогих машин с активными магнитными системами помощи водителю, что произойдёт, если что-то пойдёт не так в середине поворота? Система переключится на пассивную и поможет вам пройти поворот, поскольку она лишь помогает выполнять задачу. С другой стороны, при полностью активной системе вы окажетесь в затруднительном положении. Даже при повороте на полосу, граничащую с полосой встречного движения. Если ваша подвеска внезапно выйдет из строя, вы обнаружите, что поворачиваете и двигаетесь быстрее или медленнее, чем ожидали. Если вам повезёт, вы просто заденете ограждение или транспортное средство, движущееся в том же направлении. Если вам не повезёт, вы упадёте с обрыва или врежетесь в переднюю часть грузовика. Это те кошмары, которые случаются с производителями. Как и в случае с Toyota, у которой возникли проблемы с полностью электронным управлением дроссельной заслонкой, — надейтесь на лучшее, готовьтесь к худшему.

И последнее: я не верю, что это будет рентабельно. Когда речь идёт о массивных гидравлических системах, мы имеем дело с огромными весами и силами, но всем им не хватает скорости. Как и в большинстве случаев в наше время, чем больше объект, тем ниже его максимальная производительность. Возьмём, к примеру, поезда. Одному локомотиву разрешено двигаться со скоростью (придуманное число) 75 миль в час, но если добавить 2 миллиона тонн груза, скорость не должна превышать 15 миль в час. Так что на самом деле невероятно высокая стоимость связана с исследованиями и разработками. У нас уже есть пассивные и гибридные системы, которые работают очень, очень, ну... так что, если Benz вложит 40 миллионов долларов в полностью активную систему, окупится ли она на рынке? Сомнительно. Лично я не стал бы платить 500 000 долларов за C-класс.

Отвечая на ваш конкретный вопрос: нет, технических препятствий нет.

Тем не менее есть причины, по которым пассивные компоненты всё ещё используются.

Стоимость

Как вы могли догадаться, стоимость — это, пожалуй, главная причина, по которой активные подвески до сих пор не получили широкого распространения. Вы упомянули некоторые области применения, где стоимость менее важна (но она никогда не бывает незначительной), но подумайте о соотношении стоимости и производительности. Хорошо спроектированная пассивная подвеска справится с большинством ситуаций на дороге, будет иметь только одну резонансную частоту (без учёта гармоник, которые сложно активировать в автомобиле) и в целом будет хорошо справляться с минимизацией NVH. Внедрение таких систем обходится очень дёшево, потому что мы используем их уже довольно давно. Таким образом, постепенное улучшение существующих пассивных подвесов не требует значительных вложений и всегда обеспечивает повышение производительности. Таким образом, затраты на повышение производительности минимальны.

С другой стороны, активная подвеска обеспечивает идеальный контроль над кузовом. Вы можете полностью изолировать салон от любых движений колёс. Конечно, для этого требуется множество датчиков и исполнительных механизмов, которых обычно нет в автомобиле и которые стоят значительно дороже своих пассивных аналогов. Кроме того, нужно разработать систему управления (нельзя просто установить ПИД-регулятор) и надёжные исполнительные механизмы в достаточно компактном корпусе, соответствующем требованиям к пространству в автомобиле. Всё это осуществимо, но дорого. За все эти вложения вы получите (возможно) снижение уровня шума на порядок сверх любых пассивных систем? 10 дБ — не такой уж впечатляющий результат в большинстве сценариев вождения, поэтому, если вы не меняете кардинально стиль вождения или тип покрытия, оно того не стоит.

Распараллеливание

За неимением лучшего термина, нет смысла делать подвеску полностью активной, если можно дополнить пассивную подвеску активной (например, ClearMotion). Это значительно снижает стоимость разработки, обеспечивая при этом те же (или даже лучшие, как мы вскоре увидим) преимущества, что и чисто активная система. Если провести аналогию, вы, по сути, говорите: «Мы можем смоделировать резистор с помощью набора транзисторов, поэтому нам следует заменить каждый резистор этим набором транзисторов». Да, мы можем. Нет, нам не следует.

Потребляемая мощность

Я не считаю это техническим препятствием, потому что питание всегда можно обеспечить, но активным системам требуется абсурдное количество энергии. Представьте, как бы вы заменили пружину активными компонентами. Электромагнитная левитация? Ходовой винт с тензодатчиками? Любой способ замены пассивной подвески на активную потребует огромного количества энергии для выполнения той же работы.

К сожалению, у меня нет источника, но системы ClearMotion (ранее Levant) могли выдерживать поворот с ускорением 1 g только в течение примерно 10 секунд, после чего система отключалась, чтобы не перегружать электрическую систему автомобиля. Конечно, это довольно высокая нагрузка в течение длительного времени, но представьте себе особенно извилистую дорогу. В руководстве по эксплуатации моего электромобиля Focus EV говорится, что рулевая рейка с усилителем (разумеется, электронным) будет снижать эффективность рулевого управления, если вы будете слишком сильно поворачивать из-за требований к мощности (и перегрева). Это система рулевого управления с усилителем, которой требуется гораздо меньше мощности, чем полуактивной подвеске. Вы всегда можете увеличить мощность системы, но в какой-то момент вам придётся задуматься, стоит ли это делать.

Вес

Вы упомянули о снижении веса. Лучший способ сделать это — использовать новые композитные пружины с лёгкими амортизаторами. Это практически всё, что есть в системе, так что это и есть весь дополнительный вес. С другой стороны, для активной системы нужны большие проводники для питания, возможно, воздушные компрессоры для пневматических пружин, электромагниты для магнитореологических жидкостей в амортизаторах, датчики хода и т. д. Некоторые из них увеличивают неподрессоренную массу. Некоторые — нет. В любом случае вы можете получить больше веса, особенно если учесть выработку энергии в виде более крупной батареи, суперконденсатора или генератора большей мощности.

Таким образом, хотя мы можем решить технические проблемы, на самом деле их не стоит решать.