Из чего состоит маховик: Маховик двигателя

В целях увеличения динамических характеристик в автоспорте используются облегченные маховики. Главная задача такого рода тюнинга – уменьшение вращающихся масс. Для гражданского использования намного важнее комфорт и ресурс деталей трансмиссии, поэтому все чаще производители устанавливают на авто двухмассовый маховик (Dual Mass Flywheel). Рассмотрим его устройство, принцип работы и преимущества над одномассовым типом. Нелишним будет упоминание о возможных неисправностях и технологиях ремонта.

Устройство Dual Mass Flywheel

Двухмассовый маховик состоит из двух дисков, которые соединены между собой пружинно-демпферным механизмом.

Ведущий диск (также его называют первичным диском, главным корпусом маховика) представляет собой первичную вращающуюся массу. Он жестко крепится к коленчатому валу. На наружную часть первичного диска монтируется зубчатый венец маховика, за который стартер вращает коленчатый вал в момент запуска двигателя. Со стороны трансмиссии в главном корпусе вмонтированы дуговые пружины.

Устройство ведущего диска предполагает наличие ступицы, на которую устанавливается ведомый диск (также его называют вспомогательным корпусом маховика, вторичным диском). Фланец с ведомым диском жестко фиксируются между собой. Между ними установлена крышка ведущей массы. За счет радиального подшипника (именно такового устройство показано на рисунке, но существуют и конструкции с шариковыми подшипниками) ведущий и ведомый диски подвижны относительно друг друга. Их взаимное смещение определяется усилием надавливания упоров фланца на дуговые пружины.

На поверхности ведомой части имеется плоскость для контакта с фрикционным диском сцепления. Посредством прижатия диска к ведомой части двухмассового маховика происходит передача крутящего момента от коленчатого вала к коробке передач.

Принцип работы

Вспомним назначение одномассового маховика, который представляет собой цельнометаллическую деталь.

• Выравнивание скорости вращения коленчатого вала.
• Передача крутящего момента.
• Возможность вращения коленвала стартером.

Такие же функции выполняет и двухмассовый маховик. Главная особенность его работы – более эффективное гашение крутильных колебаний. При использовании одномассового маховика и ведомого диска сцепления с вмонтированными в него демпферными пружинами крутильные колебания неминуемо передаются на узлы трансмиссии. Соударение контактных поверхностей приводит к повышенному шуму и ускоренному износу синхронизаторов, шестерен.

Второй рисунок демонстрирует значительное снижение резонансных колебаний, передающихся на детали КПП, раздаточную коробку передач. Эффективная работа двухмассового маховика позволяет избавиться от демпферных пружин в ведомом диске сцепления. В остальном устройство сцепления автомобиля, работа выжимного подшипника ничем не отличаются от силовых агрегатов с одномассовыми маховиками.

Почему возникают крутильные колебания?

Равномерность скорости вращения коленчатого вала зависит от количества тактов рабочего хода в минуту. Именно во время рабочего хода, когда происходит высвобождение энергии от сгорания ТПВС, поршень движется с наибольшим ускорением, раскручивая тем самым коленвал. Все последующие 3 такта (выпуск, впуск, сжатие) коленчатый вал будет замедляться.

В 4-х цилиндровом двигателе поджог ТПВС происходит каждые 180º вращения коленвала (1 такт рабочего хода на каждые 180º). При 3000 об./мин в ДВС смесь воспламеняется 6000 раз в минуту. В таком режиме крутильные колебания минимальные, так как длительность периода замедления КВ слишком мала. При снижении скорости вращения коленчатого вала крутильные колебания возрастают. Если при 3000 об./мин смесь поджигается 100 раз в секунду, то уже при 1200 об./мин этот показатель снизится до 40.

Варианты конструкции

Выше рассмотрено устройство простейшего двухмассового маховика с двумя дуговыми пружинами. Усовершенствованная конструкция предполагает наличие двух видов пружин.

Мягкие пружины предназначены для эффективного гашения крутильных колебаний на низких оборотах. При повышении скорости вращения первичной массы центробежные силы сжимают дуговые пружины, из-за чего теряется их эффективность. Чтобы обеспечить достаточный пружинящий эффект в зоне средних и высоких оборотов, фланец оснащается нажимными пружинами. Благодаря меньшей массе и близкому расположению к центру оси вращения, они в меньшей степени подвержены воздействию центробежных сил.

Эволюция технической мысли

Впервые распространение двухмассовые маховики получили на авто с дизельными двигателями. Необходимость в их использовании совпадает с началом стадии так называемого даунсайсинга. В равной мере тенденция к снижению объема двигателя и повышению его мощности за счет дополнительного наддува воздуха затронула и бензиновые ДВС.

Повышение давления распыления топлива, деление впрыска на фазы и эффективное использование системы турбонаддува привели к значительному увеличению мощности дизельных моторов. Характерно, что большой крутящий момент доступен уже с самых низов, поэтому проблема крутильных колебаний на холостом ходу и низких оборотах значительно усугубилась.

Желая заменить двухмассовый маховик на одномассовый, автовладельцы забывают о том, что его устройство не только повышает комфорт, но и бережет коленчатый вал.

Центробежный маятник

Описанные выше особенности малообъемных ДВС побудили конструкторов к разработке устройства двухмассового маховика с центробежным маятником. Принцип работы маятника основан на создании противоколебаний, сглаживающих неравномерность вращения коленчатого вала на низких оборотах.

Как и в случае простейшего двухмассового маховика, первичная вращающаяся масса связана с КВ, а вторичная – единое целое с трансмиссией. Вот только в DMF с центробежным маятником со стороны вторичной вращающейся массы установлены грузы, которые при снижении оборотов двигателя совершают колебательные движения. Поскольку на низких оборотах действие центробежной силы снижается, грузы маятника могут раскачиваться сильнее. По мере увеличения скорости вращения КВ и ведущего диска, действие центробежной силы увеличивается, а амплитуда колебаний грузов уменьшается.

Маятник, работая в паре с дугообразными пружинами, практически полностью исключает вибрацию двигателя на холостом ходу и в зоне низких оборотов.

На автомобилях Volkswagen в зависимости от модели двигателя и коробки передач встречаются 2 вида устройства DMF с центробежным маятником:

• производства Luk. Имеет 4 плавающих грузов, установленных непосредственно на фланце;
• DMF производства ZF. Шесть плавающих грузов, расположенных между фланцем и вторичной вращающейся шестерней.

Главные преимущества и недостатки

• Снижение уровня вибраций, передающихся на кузов и в салон.
• Избавление от воя и дребезжащих звуков элементов КПП, раздаточной коробки передач.
• Увеличение ресурса трансмиссии. Особое значение DMF имеет в работе роботизированных КПП, к которым относится DSG, гидротрансформаторных АКПП и вариаторов.
• Повышение комфорта при старте и переключении передач, снижение вибраций, передающихся на педаль сцепления.
• Уменьшение расхода топлива и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Недостаток DMF исходит из главного преимущества одномассового маховика – надежности. Автолюбители свыклись с той мысль, что этот узел требует ремонта или замены лишь в исключительных случаях издевательства над авто. Тогда как DMF имеет ресурс, ограничивающийся 100-150 тыс. км. Стоит признать, что некоторые модели не лишены конструктивных недочетов и редко доживают даже до 100 тыс. км. Замена узла стоит немалых денег, поэтому в случае неисправности владельцы чаще всего прибегают к ремонту двухмассового маховика.

Неисправности

Выделяют две наиболее характерные неисправности:

• увеличение люфтов между подвижными элементами, из-за чего происходит характерное громыхание на низких оборотах, при остановке и запуске двигателя;
• износ подшипника ступицы ведущего диска.

Тема неисправностей довольно обширная, поэтому мы обязательно посвятим статью признакам поломки и способам проверки DMF.

Выберите лучший маховик для вашего двигателя и области применения

Скорее всего, вы не слишком задумываетесь о металлическом диске, вращающемся внутри вашего колокола. Тем не менее, выбор лучшего маховика для вашего транспортного средства сильно повлияет на производительность, управляемость и безопасность вашего автомобиля.

Маховики изготавливаются из нескольких материалов, включая чугун (серый и с шаровидным графитом), стальные заготовки, алюминиевые заготовки и хромомолибден.

Материалы маховика различаются как по стоимости, так и по прочности. Ваш конкретный автомобиль и приложение должны диктовать, что вы выберете.

Маховик выполняет несколько функций.

1. Он крепится непосредственно к коленчатому валу двигателя и имеет обработанную поверхность для взаимодействия с диском сцепления, который зажат между маховиком и нажимным диском сцепления, обеспечивая критический элемент для передачи мощности на механическую коробку передач.
2. Маховик также передает инерцию на трансмиссию, что помогает сдвинуть автомобиль с места при включенном сцеплении.
3. Кроме того, маховик имеет по периметру зубчатый венец, который входит в зацепление с ведущей шестерней стартера, а на двигателях с внешней балансировкой маховик способствует балансировке вращающегося узла двигателя.

ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперты по маховикам, с которыми мы консультировались в Centerforce , рекомендуют заменить крепежные детали маховика при установке нового маховика, поскольку прочность болтов должна соответствовать прочности материала маховика или превышать ее.

Как вес маховика влияет на характеристики двигателя

Выбор лучшего маховика зависит от крутящего момента двигателя, веса автомобиля, передачи и предполагаемого назначения.

Правильный выбор веса имеет решающее значение для улучшения вашего вождения.

Ниже приведены средние веса материалов маховика, обычно используемых в двигателях V8:

Стандартный вес Материалы маховика

• Железные маховики (чугун, серое литье, шаровидный) – 25-40 фунтов

3 Заготовка из стали

3 маховики – 25-40 фунтов.

Легкие материалы маховика

• Хроммолибденовые маховики – 14-21 фунт.
• Заготовка алюминиевых маховиков – 10-18 фунтов.

Маховики для четырехцилиндровых и малолитражных шестицилиндровых двигателей могут быть легче, поскольку вес зависит от диаметра маховика.

Маховики стандартного веса накапливают больше энергии, и эти маховики являются хорошим выбором для облегчения движения автомобилей со стандартной трансмиссией и более тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, драгкары, гусеничные машины и т. д. Кроме того, более тяжелые маховики замедляют реакцию дроссельной заслонки и поддерживают работу двигателя больше оборотов при замедлении, что иногда называют «временем зависания».

Легкий маховик обеспечивает более быструю реакцию двигателя как при ускорении, так и при торможении. Они предпочтительнее для шоссейных гонок и кольцевых трасс, потому что они позволяют водителю глубже входить в повороты с более резким падением оборотов, когда водитель отпускает газ, а затем помогают двигателю быстрее восстанавливаться в своем диапазоне мощности, направляясь к прямой.

Гонщики с турбонаддувом также могут предпочесть более легкий маховик. Легкие маховики помогают раскрутить турбо и могут смягчить запуск двигателя с высоким крутящим моментом.

Более легкие маховики могут обеспечить инерцию более тяжелого маховика, но при повышенных оборотах, что требует слегка измененного стиля вождения, чтобы включить больше проскальзывания сцепления, чтобы заставить автомобиль двигаться.

Общее практическое правило заключается в том, что чем легче маховик, тем тяжелее будет ощущаться автомобиль. Есть исключения, в зависимости от приложения.

…

Рекомендации по материалам маховика по применению

…

Чугунные маховики

Чугунные маховики экономичны и используются во многих серийных автомобилях.

Они отлиты из запатентованного железа, легированного специальной смесью материалов. После охлаждения отливки все поверхности и отверстия под болты обрабатываются в соответствии со спецификацией, после чего маховик балансируется. Литые маховики доступны в серый чугун или чугун с шаровидным графитом .

(Изображение/Willman Industries)

1. Маховики из серого чугуна : Литой серый чугун (также называемый серым чугуном) содержит чешуйки графита, образующиеся в процессе охлаждения. Эти чешуйки придают серому чугуну характерный серый цвет при изломе, а также являются частью физических свойств сплава. Маховики из серого чугуна можно использовать в качестве замены штатных и в легких конструкциях, но никогда не следует ассоциировать с гоночными, мощными, радиальными шинами с липким сопротивлением или двигателями, работающими со скоростью выше 6000 об/мин.
2. Маховики из чугуна с шаровидным графитом : Чугун с шаровидным графитом (также называемый ковким чугуном) создается в процессе легирования, при котором графитовые чешуйки, способствующие растрескиванию, превращаются в сферы или узелки. Благодаря этому микроструктурному преобразованию металл приобретает превосходные характеристики пластичности с явным преимуществом перед серым чугуном в пределе текучести, относительном удлинении и ударопрочности. Маховики из чугуна с шаровидным графитом используются в качестве оригинального оборудования во все большем числе применений, учитывая увеличение мощности современного двигателя и рабочих оборотов. Узловой маховик — отличный и экономичный выбор для высокопроизводительного уличного двигателя, использование которого ограничено.

…

Маховики из стальных заготовок

На этой фотографии показаны трещины от напряжения, которые могут образоваться в железном маховике. Маховики из стальных заготовок устойчивы к этим типам трещин под напряжением из-за содержания в них сплава. (Изображение/Ford-Trucks.com)

Термин «заготовка» не указывает на процесс производства конечного продукта, а относится к материалу, из которого он изготовлен.

Стальная заготовка представляет собой сплошной отрезок материала, который формуется в доменной печи для удаления примесей, а затем экструдируется путем непрерывного литья или горячей прокатки. Заготовка значительно прочнее железа и не будет иметь трещин от напряжения.

Заготовки маховиков изготавливаются из заготовок, отрезанных от частей большего стержня (аналогично отрезанию куска хлеба), обработанных в соответствии со спецификацией, а затем отбалансированных. Окончательный процесс обработки удаляет области напряжения из металла, создавая дополнительную прочность.

Необработанная заготовка. (Centerforce) Частично обработанный маховик из заготовки. (Изображение/Centerforce)

Маховики из стальной заготовки обычно по весу аналогичны чугуну, а малоинерционные версии сопоставимы по весу с хромомолибденом (описано ниже).

Это пример маховика из стальной заготовки стандартного веса. (Изображение/Centerforce) Это пример малоинерционного маховика из стальной заготовки. (Изображение/Centerforce)

Если у вас есть мощный автомобиль, вы буксируете тяжелые грузы на своем грузовике, регулярно участвуете в высокопроизводительном вождении или дрэг-рейсинге, маховик из заготовок может быть вашим лучшим вариантом.

Большинство цельных маховиков также имеют сертификат SFI-1.1 для использования в гонках. Если ваш автомобиль проехал 1/4 мили по восточному времени. быстрее на 11,5 секунды, требуется маховик спецификации SFI-1.1, а также соответствующий колокол с рейтингом SFI.

…

Маховики из алюминиевых заготовок

Как и стальные заготовки, алюминиевые заготовки изготавливаются путем непрерывного литья или горячей прокатки, маховики из алюминиевых заготовок также изготавливаются из заготовок.

Алюминий недостаточно тверд, чтобы выдерживать трение диска сцепления.

Для решения этой проблемы фрикционная вставка из термообработанной стали крепится к маховику винтами или заклепками. Эти вставки заменяемы, но клепаные иногда приходится отправлять обратно производителю для шлифовки.

Кроме того, многие маховики из алюминиевых заготовок имеют механически удерживаемые стальные зубчатые венцы стартера из-за разницы в скорости расширения между металлами.

На этом изображении показаны заклепки, крепящие фрикционную вставку. (Изображение/Centerforce)

Как упоминалось выше, маховики из алюминиевых заготовок являются отличным выбором для шоссейных гонок, кольцевых гонок, дрэг-каров и, при определенных обстоятельствах, даже для уличных автомобилей. Большинство алюминиевых маховиков из заготовок имеют сертификат SFI-1.1 для использования в гонках.

…

Хроммолибден Маховики

Хроммолибден — это разновидность легированной стали, название которой происходит от слов «хром» и «молибден», двух основных легирующих элементов хромомолибдена.

Эти элементы (вместе с другими материалами) соединяются в жидком виде, затем охлаждаются. После завершения процесса отжига сталь снова плавится, чтобы ее можно было разлить в форму и обработать валками для достижения желаемой толщины.

Хроммолибден лишь незначительно тяжелее алюминия, и из-за его повышенной прочности конечный продукт может быть обработан тоньше без ущерба для его общей прочности.

Зубчатый венец является неотъемлемой частью хромомолибденового маховика, что делает его таким же прочным, как и маховик.

Эти маховики очень похожи на маховики из алюминиевых заготовок или облегченных стальных маховиков, обеспечивая улучшенную реакцию двигателя благодаря уменьшенной инерции.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 апреля 2021 г.

Стоп… старт… стоп… старт — это не способ
водить машину! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете транспортное средство или машину, вы
тратит впустую импульс, который он создал заранее, превращая его кинетическую энергию
(энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.
Не было бы лучше, если бы вы могли каким-то образом сохранить эту энергию, когда вы
остановлен и получить его снова при следующем запуске? Это один
работ, которые маховик может сделать для вас. Впервые использован в
гончарные круги, которые в то время пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах.
во время промышленной революции маховики в настоящее время делают
возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и
растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя в Музее науки и промышленности Think Tank в Бирмингеме, Англия. Маховик представляет собой колесо со спицами сзади. Обратите внимание, что это в основном пустое пространство с длинными спицами и большим тяжелым ободом.

Содержание

1. Зачем нужны маховики
2. Что такое маховик?
3. Физика маховиков
4. Что делает маховик?
5. Краткая история маховиков
6. Преимущества и недостатки маховиков
7. Узнать больше

Зачем нужны маховики

Фото: Типовой маховик на газоперекачивающий двигатель. Маховик — большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих захватывающих двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Двигатели счастливы и наиболее эффективны
когда они производят энергию с постоянной, относительно высокой скоростью.
Единственная проблема в том, что транспортные средства и машины, которыми они управляют, должны
работают на самых разных скоростях и иногда должны полностью остановиться.
Муфты и шестерни частично решают эту проблему. (Сцепление – это
механический «переключатель», который может отключить двигатель от машины
это движение, а шестерня — это пара сблокированных
колеса с зубьями
который изменяет скорость и крутящий момент (крутящую силу) машины, поэтому он
может двигаться быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с той же скоростью.)
Но чего не могут муфты и шестерни, так это экономить энергию, которую вы тратите впустую.
когда вы тормозите и дать его снова позже. Это работа для маховика!

Что такое маховик?

Маховик представляет собой очень тяжелое колесо,
требуется много сил, чтобы вращаться вокруг. может быть большого диаметра
колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть
цилиндр меньшего диаметра, сделанный из чего-то вроде углеродного волокна
составной. В любом случае, это колесо, которое нужно крутить.
очень трудно заставить его крутиться. Так же, как маховику нужно много
сила, чтобы запустить его, поэтому требуется много силы, чтобы заставить его остановиться. В качестве
в результате, когда он вращается на высокой скорости, он, как правило, хочет
продолжайте вращаться (мы говорим, что у него большой угловой момент),
что означает, что он может хранить большое количество кинетической энергии. Вы можете думать об этом как о своего рода
«механическая батарея», но она хранит энергию в форме движения
(кинетическую энергию, другими словами), а не энергию, запасенную в
химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясняемые в
поле ниже, но вы можете пропустить их, если вам это неинтересно или вы знаете
про них уже) расскажите что колеса большого диаметра и тяжелые
хранят больше энергии, чем меньшие и легкие колеса, в то время как маховики
которые быстрее вращаются, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые
вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что
были популярны во время промышленной революции. Вместо широких и тяжелых
стальные колеса с еще более тяжелыми стальными ободами, маховики 21-го века, как правило,
более компактный и изготавливается из углеродного волокна или композитных материалов, иногда со стальными ободами,
которые работают, возможно, на четверть тяжелее.

Физика маховиков

Вещи, движущиеся по прямой линии, имеют импульс
(своего рода «сила» движения) и кинетическая энергия (энергия движения)
потому что у них есть масса (сколько «материала» они содержат) и скорость (насколько быстро они движутся). в
Точно так же вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что они
то, что называется моментом инерции (сколько они «вещи»
из и как она распределяется) и угловая скорость (как
быстро они вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость подобна обычной
скорость только при движении по кругу.

Подобно тому, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется следующим уравнением:
энергия вращающегося объекта определяется следующим образом:

E = ½Iω2

(где I — момент инерции, а ω — угловая скорость).

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и запутанно, но его гораздо легче понять, чем вы могли бы
считать. На самом деле это означает, что с точки зрения кинетической энергии и импульса эффективная масса вращающегося объекта зависит не только от того, сколько у него фактической массы, но и от того, где эта масса расположена по отношению к
точка он крутится вокруг. Чем дальше от центра масса,
тем большее влияние она оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта, и мы определяем это количественно, говоря, что масса имеет
более высокий момент инерции. Итак, большого диаметра, легкие, со спицами
маховик с очень тяжелым стальным ободом может иметь более высокую
момент инерции, чем у цельного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше
его масса находится дальше от точки вращения.

Законы сохранения

Законы сохранения энергии и
Закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам точно так же, как они
применяются к объектам, движущимся по прямой линии. Итак, что-то, что вращается с
определенное количество энергии и углового момента (вращающийся
эквивалент обычного, прямолинейного, линейного импульса) сохраняет свою
угловой момент, если только сила (например, трение или сопротивление воздуха)
крадет его. Этот закон называется сохранением углового
импульс.

Когда фигурист вытягивает руки, часть их
масса находится дальше от центра их тела (точки вращения)
поэтому они имеют более высокий момент инерции. Если они быстро вращаются
раскинув руки, но затем внезапно свести их к
центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но
закон сохранения углового момента говорит об их полном угловом моменте
должны оставаться прежними, и это может произойти только в том случае, если они ускорят
вверх. Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он
прижать руки к телу (и замедлить темп, когда они кладут свои
снова руки вверх).

Художественное произведение: Если вы вращаетесь медленно (стоя на проигрывателе без привода или сидя на офисном стуле) и быстро сводите руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставить его неизменным).

Какая конструкция маховика лучше всего?

Из этих основных законов физики следует, что
маховик будет накапливать больше энергии, если он имеет более высокий момент
инерция (большая масса или масса расположена дальше от ее центра) или если
он вращается с большей скоростью. А так как кинетическая энергия
вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости
(ω2), вы
можно увидеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции.
Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на
обода, который в два раза тяжелее (в два раза больше его момента инерции), он будет
хранить в два раза больше энергии при вращении с той же скоростью. Но если
вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (в два раза быстрее, чем
угловая скорость), вы в четыре раза увеличите количество хранящейся в нем энергии.
Вот почему разработчики маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса.
а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики также
более практичным в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию
добавить слишком много веса.)

Сила, действующая на маховик, увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накопить колесо, равна
ограничено прочностью материала, из которого он сделан: раскрутить маховик
слишком быстро, и вы, в конце концов, достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.
Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут вращаться быстрее всего без
разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как
сплавы, углеродные композиты,
керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния.
Некоторые из них специально разработаны для безопасного разбивания на мелкие осколки, если они вращаются слишком быстро.

Произведения искусства: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, и фиксированный момент инерции — или нет? Эта оригинальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запаса энергии. Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в действие нагрузку (оранжевый, слева) через ось (желтый) и систему шкивов (серый). При изменении скорости оси центробежный регулятор (темно-синий) и электрическая цепь (вверху справа) включают или выключают небольшой электродвигатель (розовый), перемещая рычаг (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычаг ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2,914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликована 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять свою энергию?

Фото: Маховики со временем перестают вращаться из-за трения и сопротивления воздуха, но если мы установим их на подшипниках с очень низким коэффициентом трения, они сохранят свою энергию в течение нескольких дней. Этот экспериментальный маховик использует сверхпроводящий подшипник без трения и вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото предоставлено Министерством энергетики США/Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект
будет стремиться продолжать движение, если на него не действует сила. Поэтому вы можете подумать, что маховик будет вращаться вечно.
Единственная проблема в том, что маховики крутятся на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть и другая проблема: когда маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или лобовое сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы за счет установки на
подшипники и запечатаны внутри металлических цилиндров, чтобы они не теряли столько
энергия на трение и сопротивление воздуха, как это сделали бы традиционные маховики. Самые сложные маховики
плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они вращаются почти полностью без
трение) и герметизированы внутри вакуумных камер (чтобы не было потерь на сопротивление воздуха).

Что делает маховик?

Фото: Типичный современный маховик даже не похож на колесо! Он состоит из вращающегося цилиндра из углеродного волокна, установленного внутри очень прочного контейнера, который предназначен для остановки любых высокоскоростных осколков, если ротор сломается. К таким маховикам прикреплен электродвигатель и/или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Рассмотрим что-то вроде старомодного парового
тяговый двигатель — по сути, тяжелый старый трактор с
паровой двигатель, работающий не по рельсам, а по дороге. Допустим, у нас есть
тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателем
производство мощности и колеса, которые принимают эту мощность и
перемещение двигателя по дороге. Далее, допустим, маховик
имеет муфты, поэтому его можно подключать или отключать от
паровой двигатель, ведущие колеса или и то, и другое. Маховик может сделать три
очень полезные работы для нас.

Во-первых, если паровой двигатель периодически вырабатывает мощность (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик
помогает сгладить мощность, которую получают колеса. Таким образом, в то время как
цилиндр двигателя может увеличивать мощность маховика каждые тридцать
секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра),
колеса могли получать мощность от маховика при устойчивом, постоянном
скорости — и двигатель будет катиться плавно, а не дергаться в
подходит и запускается (как это могло бы быть, если бы он приводился в действие непосредственно поршнем
и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления
транспортное средство, как тормоз, но тормоз, который поглощает энергию транспортного средства
вместо того, чтобы тратить его, как обычный тормоз. Предположим, вы за рулем
тяговый двигатель по улице, и вы вдруг хотите остановиться. Ты
мог отключить паровую машину с помощью сцепления, так что транспортное средство
начал бы тормозить. При этом энергия будет передаваться
от автомобиля к маховику, который бы набирал скорость и сохранял
спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль
полностью остановиться. В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы будете использовать сцепление, чтобы
снова соедините маховик с ведущими колесами, чтобы маховик
отдавать большую часть мощности двигателя, которую он поглощал во время торможения.

В-третьих, маховик можно использовать для обеспечения временного
дополнительная мощность, когда двигатель не может произвести достаточно. Предположим, вы хотите
обогнать медлительную лошадь и телегу. Допустим, маховик
вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному
двигатель или колеса. Когда вы снова подключите его к колесам, это
как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность. Это работает только
временно, однако, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна
оторваться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Можно утверждать, что маховики — одно из древнейших изобретений:
самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они имели высокий момент инерции, работали как маховики, независимо от того, были ли они предназначены для этого или нет.
Гончарный круг (возможно, самая древняя из существующих форм колеса — даже старше, чем колеса
используемый в транспортировке) зависит от того, что его поворотный стол является прочным и тяжелым (или имеет тяжелый обод), поэтому он
имеет высокий момент инерции, благодаря которому он вращается сам по себе
в то время как вы формируете глину сверху руками. Водяные колеса, которые
вырабатывают энергию из рек и ручьев, также сконструированы как маховики,
с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и
приводит в движение мельницы с постоянной скоростью. Такие водяные колеса стали популярными
начиная с римских времен.

Фото: Водяные колеса используют простой принцип маховика, чтобы поддерживать вращение с постоянной скоростью. Это модель водяного колеса с недоливом (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики датируются промышленной революцией.
революции и используются в таких вещах, как фабричные паровые двигатели и
тяговые двигатели. Посмотрите внимательно почти на любой заводской станок из
18-го или 19-го века, и вы увидите огромный маховик где-то в
механизм. Поскольку маховики часто бывают очень большими и крутятся на высоких
скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже
должны быть изготовлены с высокой точностью, так как, если они даже немного неуравновешены,
они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено
к. Широкая доступность железа и стали во времена
Промышленная революция позволила создавать качественные, высокопроизводительные
прецизионные маховики, которые играли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин
плавно и эффективно.

После работы пионеров электротехники 19-го века, таких как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре
широко доступны для вождения заводских машин, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости,
паровые машины, работающие на угле. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания, работающие от
бензин, дизель и керосин. Маховики, как правило, были большими и тяжелыми.
не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на
на обочину по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам
снова набрал обороты, в основном потому, что люди стали более
обеспокоены ценами на топливо и воздействием на окружающую среду
используя их; имеет смысл экономить энергию — и маховики
очень хорошо умеют это делать. Примерно с 1950-х годов европейские производители автобусов
такие как М. А.Н. и Mercedes-Benz экспериментировали с
технология маховика в транспортных средствах, известных как автожиры.
Основная идея состоит в том, чтобы установить тяжелый стальной маховик (около 60 см или пару футов в диаметре, вращающийся со скоростью около 10 000 об/мин).
между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем
и колеса. Всякий раз, когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз,
поглощая кинетическую энергию и замедляя транспортное средство. Когда автобус снова заводится, маховик возвращается
свою энергию к трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае
были потрачены впустую. Современная железная дорога и
в поездах метро также широко используются рекуперативные, маховиковые тормоза,
что может дать общую экономию энергии, возможно, на треть или больше.
Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстро вращающиеся маховики.
в качестве накопителей энергии вместо аккумуляторов. Одним из больших преимуществ этого было бы то, что маховики
может потенциально длиться в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые, вероятно,
нужна очень дорогая замена, возможно, через десять лет или около того.

Фото: Современный маховик, разработанный НАСА для использования в космосе. Обратите внимание, как серебристый центр колеса
это в основном пустое пространство и спицы, а масса колеса сосредоточена вокруг обода. Это дает колесу то, что
известен как высокий момент инерции (более подробно объяснено ниже) и позволяет ему накапливать больше энергии. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

За последние несколько лет гоночные автомобили Формулы 1
также использовал маховики, хотя больше для увеличения мощности, чем
для экономии энергии. Технология называется KERS (Кинетическая энергия).
Recovery System) и состоит из очень компактного, очень высокоскоростного маховика.
(вращается со скоростью 64 000 об/мин), который поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла во время торможения. Водитель может
щелкнуть переключателем на рулевом колесе, чтобы маховик временно
взаимодействует с трансмиссией автомобиля, давая кратковременный прирост скорости, когда
для ускорения нужна дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком,
соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен
внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил
водителя, если он взорвется. (В некоторых формах KERS используются электродвигатели,
генераторы,
и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, как в гибридных автомобилях.)

Фото: Передовой маховик G6, разработанный НАСА, может накапливать и высвобождать кинетическую энергию в течение
трехчасовой период.
Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Так же, как и маховики — в виде
водяные колеса — сыграли важную роль в попытках человека использовать
энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии. Один
сложностей с силовыми установками (и уж тем более с
виды возобновляемой энергии, такие как
энергия ветра и солнца) заключается в том, что они не
обязательно производить электричество постоянно или таким образом, чтобы
точно соответствует росту и падению спроса в течение
день. Связанная с этим проблема заключается в том, что производить электричество гораздо проще, чем его
заключается в том, чтобы хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение
это. Временами, когда предложение электроэнергии больше, чем спрос
(например, ночью или в выходные дни) электростанции могут кормить
свою избыточную энергию в огромные маховики, которые будут запасать ее
периоды от минут до часов и время от времени выпускать его снова
пиковой потребности. На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании
Компания Beacon Power впервые применила маховики для обеспечения накопления энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиковых нагрузок.
требование. Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, для
обеспечить аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Преимущества и недостатки маховиков

Маховики представляют собой относительно простую технологию с
много плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторы: с точки зрения начальной стоимости и текущих
обслуживание, обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше
(до сих пор в эксплуатации находится много рабочих маховиков, датируемых
промышленная революция), экологичны (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химических веществ, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают скорость
(в отличие, например, от батарей, для зарядки которых может потребоваться много часов). Они
также чрезвычайно эффективны (возможно, 80 процентов или более) и занимают меньше
пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например,
водохранилища).

Фото: Маховики — отличная альтернатива батареям. Здесь маховик (справа) используется для хранения электроэнергии, вырабатываемой солнечной панелью. Электричество от панели приводит в действие электродвигатель/генератор, который раскручивает маховик до нужной скорости. Когда электричество необходимо, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество. Фото Уоррена Гретца с разрешения Министерства энергетики США/NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно,
если речь идет о транспортных средствах) — это дополнительный вес. Полный KERS Формулы 1
система маховика (включая необходимый контейнер, гидравлику и электронные системы управления)
около 25 кг к весу автомобиля, что является значительной дополнительной нагрузкой. Другая проблема
(особенно для гонщиков Формулы-1) заключается в том, что большое тяжелое колесо
вращение внутри движущейся машины будет вести себя как гироскоп,
сопротивляться изменениям в его направлении и потенциально воздействовать на
управления транспортным средством (хотя есть различные решения,
включая установку маховиков на шарнирах, таких как корабельный компас). А
еще одна трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики
опыт, когда они вращаются на очень высоких скоростях, что может вызвать
чтобы они разбились и разлетелись на осколки. Это действует как предел
с какой скоростью могут вращаться маховики и, следовательно, какую энергию они
может хранить. В то время как традиционные колеса были сделаны из стали и вращались
вокруг на открытом воздухе, современные скорее используют
высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатаны внутри контейнеров, что делает
возможны более высокие скорости и энергии без ущерба для безопасности.

Узнайте больше

На этом сайте

• Тормоза
• Энергия
• Законы движения
• Рекуперативные тормоза
• Возобновляемая энергия

Статьи

Популярные

• Маховики возвращаются в нормальное вращение с помощью Rebound Power Beacon от Peter Fairley. IEEE спектр,
  24 декабря 2014 г. Взлет и падение компании Beacon Power и ее конкурентов в области передовых маховиковых накопителей энергии.
• Продвижение маховика для хранения энергии и регулирования сети, Мэтью Л. Уолд. The New York Times (Зеленый блог), 25 января 2010 г. Еще один краткий обзор маховиковой системы хранения электроэнергии Beacon Power в Стивентауне, штат Нью-Йорк.
• Батареи маховика снова появляются, Роберт Хебнер и Джозеф Бено. IEEE Spectrum, 1 апреля 2002 г. Электронные компоненты, как и механические, ограничивают возможности маховиков.
• Обещания и опасности маховиков Мариетт ДиКристина. Popular Science, июнь 1994 г., стр. 99. Интересная штучная фишка в статье про будущие автомобильные технологии.
• Маховики: новое повышение мощности двигателя Ричарда Ф. Демпевольфа. Popular Mechanics, февраль 1978 г. Исследуется, как маховики повышают эффективность двигателя в обычных автомобилях.
• Давайте изучим физику вращательного движения с помощью спиннера, Ретт Аллен. Wired, 23 марта 2017 г. Изучение момента инерции популярных вращающихся игрушек.
• Вращение к контролю: высокотехнологичные реинкарнации древнего способа хранения энергии Давиде Кастельвекки, Science News, Vol. 171, № 20, 19 мая 2007 г., стр. 312–313.
  Краткий обзор последних работ NASA, Beacon Power и LaunchPoint.

Технический

• Технология маховика: прошлое,
  Настоящее и прогнозы на 21 век Дж. Биттерли. Журнал IEEE Aerospace and Electronics Systems, 1998;13:13–6. Общий обзор технологии маховика.
• Системы аккумулирования энергии и мощности с маховиком, разработанные Бьорном Болундом, Хансом Бернхоффом и Матсом Лейоном. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии, 11 (2007 г.), 235–258. Рассматривает, как можно использовать маховики для хранения электроэнергии.

Исторический интерес

• Маховики в гибридных транспортных средствах Гарольда А. Розена и Деборы Р. Каслман, Scientific American, Scientific American, Vol. 277, № 4, октябрь 1977 г., стр. 75–77.
  Неплохой рисунок маховика цилиндра из углеродного волокна в разрезе.
• Тормоза маховика накапливают энергию нового поезда для энергосберегающих стартов. Олден П. Арманьяк, Ekistics, июнь 1974 г., том. 37, № 223. Краткий обзор маховиков поездов метро.
  с 1970-х годов.

Патенты

Существуют десятки патентов на маховики того или иного типа, от ранних гироскопов до современных систем KERS; вот лишь несколько, чтобы дать толчок вашему исследованию. Попробуйте поискать в Google Patents дополнительную информацию или перейдите по ссылкам «известный уровень техники» в одном патенте, чтобы вернуться к более ранним изобретениям, на которые он опирается.

• Патент США 4 821 599: Маховик для накопления энергии, автор Philip A.C. Medlicott, British Petroleum Company PLC, 18 апреля 1989 г. Здесь подробно описаны конструкция, производство и материалы, используемые в маховике.
• Патент США 4,244,240: Эластичный карданный подвес с внутренним маховиком Дэвида В. Рабенхорста, Университет Джона Хопкинса, 13 января 1981 г. Маховик, установленный на карданном подвесе, для снижения вибрации.
• Патент США 5,614,777: Система накопления энергии на основе маховика Джека Биттерли и др.