Маховик — это часть кривошипно-шатунного механизма, системы сцепления и системы запуска двигателя, в виде диска большой массы с зубчатым венцом. Некоторые модификации маховиков имеют свои аббревиатуры – о них читайте в разделе “виды маховиков”.
Зачем нужен и где находится маховик в современном автомобиле
Маховик в автомобилях с ДВС выполняет следующие функции:
- придает равномерность вращению коленчатого вала. Его большая масса накапливает кинетическую энергию на протяжении такта рабочего хода. Остальные три такта отведены для отдачи аккумулированной энергии коленвалу. Таким образом выравнивают и поддерживают стабильной угловую скорость коленвала. При большем количестве цилиндров достигается повышение продолжительности рабочего хода поршня, равномерность крутящего момента и возможность снижения массы самого маховика;
- передает крутящий момент от силового агрегата к механизму сцепления — и потом, к коробке передач и ведущим колесам;
- передает крутящий момент от стартера на коленвал двигателя при запуске двигателя;
- выводит поршни из ВМТ, НМТ при помощи возникающих сил инерции;
- гасит (демпфирует) крутильные колебания, вибрации.
Маховик крепят к торцу коленвала. По отношению к двигателю маховик находится снаружи, между мотором и коробкой передач.
Виды маховиков и особенности конструкции
Есть два основных его вида —
Устройство двухмассового маховика: 1 — ступица; 2 — радиальный подшипник; 3 — первичный диск; 4 — дуговая пружина; 5 — фланец; 6 — зубчатый венец; 7 — вторичный диск; 8 — вентиляционное отверстие; 9 — уплотнительная мембрана; 10 — кольцевая камера, заполненная смазкой.
Одномассовый маховик
Он устроен проще всего, поэтому надежен и наиболее распространен. В центре диска из чугуна или стали, диаметр которого составляет 300-400 мм, находится посадочное место для установки на хвостовик коленвала. Оно представляет собой расширение (ступицу). В центре — большое отверстие, а 4-12 отверстий под болты помещены на окружности для фиксации.
Одномассовый маховик
Противоположной стороне отводится роль ведущего диска сцепления. Наружную поверхность оснастили местом под установку сцепления и кольцевой контактной площадкой — под ведомый диск сцепления. По окружности внешней стороны напрессовали зубчатый венец из стали.
Простота конструкции, относительная дешевизна производства обусловили массовое распространение такого вида маховиков Существенный недочет конструкции — она не способна в достаточной степени погасить крутильные колебания, возникающие в современных более мощных, но при этом менее объемных моторах. Поэтому на таких автомобилях зачастую устанавливают двухмассовые маховики.
Двухмассовый (демпферный) маховик
Между двумя дисками конструкции (ведущим и ведомым), которые соединены подшипником, расположена особая пружинно-демпферная система. Ее применение позволило отказаться от использования в ведомом диске сцепления демпфирующего устройства. Ведущий диск двухмассового маховика непосредственно соединен с фланцем коленвала. Крутящий момент передается на ведомый диск, но благодаря пружинно-демпферной системе внутри это происходит с задержкой и с гашением вибраций и крутильных колебаний.
Двухмассовые маховики имеют ряд преимуществ:
Двухмассовый маховик
- лучше справляются с колебаниями, вибрациями, толчками;
- способствуют тому, чтобы удобнее переключались передачи;
- уменьшают износ синхронизаторов;
- защищают трансмиссию;
- помогают сэкономить топливо.
Но есть и недостатки:
- они дороже в производстве, обслуживании и при замене;
- более требовательны к условиям эксплуатации — не любят сильных вибраций, езды на низких оборотах, перегрева.
Двухмассовые маховики имеют ряд названий, которые по сути являются аббревиатурами: DMF (Dual-Mass Flywheel на английском) или ZMS (ZweiMassenSchwungrad на немецком).
Двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний
Двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний
Эта новая разновидность двухмассового маховика. Пружинно-демпферная система получила дополнение – центробежный маятник в виде грузов по окружности махового колеса. Низкие обороты двигателя вызывают раскачивание грузов ввиду незначительной центробежной силы. Вызванные колебания находятся в противофазе с теми, что частично сгладили пружины, что позволяет окончательно их погасить. При возросших оборотах амплитуда центробежного маятника уменьшается, как и значение в демпфировании.
Главное достоинство конструкции — помощь в устранении неравномерности вращения коленвала на низких оборотах. Его распространение связано с доминирующими в автомобилестроении тенденциями:
- сделать мотор меньшим по объему и легче, сохранив мощность;
- расширить диапазон крутящего момента, используя низкие обороты.
Неисправности и их признаки
Ввиду немалых нагрузок со временем маховик деформируется и разрушается.
В одномассовом маховике проблемным местом может быть зубчатый венец, который может разрушаться со временем. Его демонтируют механическим способом. При установке нового – приходится прибегать к нагреву и заменять болты. Также возможно появление трещин и поломок диска. Решается только заменой детали целиком.
Повреждение зубьев венца
Замена венца на одномассовом маховике
Чтобы своевременно выявить неисправности одномассового маховика, обращайте внимание на:
- возросший уровень вибраций, шумов;
- ухудшение работы сцепления;
- проблемы при запуске двигателя.
Что касается двухмассового маховика, то его более сложная конструкция подразумевает возникновение неисправностей, которые устранить труднее. В нем могут:
- поломаться, полностью разрушиться дуговые пружины;
- износиться подшипники, детали, подвергающиеся трению.
Поломка пружин в двухмассовом маховике
Признаки проблем с двухмассовым маховиком следующие:
- Ощущение вибрации при пуске двигателя, возможно с толчками, которые чувствуются даже в рычаге КПП.
- Мягкий стук при работе двигателя на холостых оборотах.
- Вибрация во время разгона.
- Толчки при переключениях передач.
- Вибрация, возникающая даже после глушения двигателя.
В теории двухмассовый маховик можно перебрать, но на практике его только меняют.
Подбор и покупка деталей
Маховики подбирают по VIN-коду или модели/марке автомобиля или коду двигателя. Выбирая между оригинальными деталями и аналогами от ведущих мировых производителей, учитывайте тот факт, что такие производители как LUK и Sachs изобрели конструкцию двухмассового маховика и чаще всего с завода в машинах стоят именно их детали. Поэтому при разнице в стоимости между оригиналом и продукцией LUK/Sachs выбирайте то, что будет дешевле — в коробке будет одно и то же.
Одномассовый маховик меняется только на деталь такой же конструкции. Для тюнинга автомобилей применяют облегченные маховики, но его нельзя просто установить — нужно менять или компоненты двигателя, или хотя бы настройки его работы.
Двухмассовый маховик следует менять на аналогичную деталь. Но некоторыми производителями предлагается замена двухмассовых маховиков на более надежную конструкцию одномассового маховика с определенными доработками. Такие conversion kits (комплекты для переоборудования) предлагает компания Valeo — еще один крупнейший мировой производитель автозапчастей и двухмассовых маховиков. Такая замена до сих пор остается спорным вопросом — такие производители как LUK и Sachs утверждают, что так делать нельзя — никакой одномассовый маховик не справится с задачами двухмассового (в первую очередь вибрациями и крутильными колебаниями), поэтому вы снижаете ресурс коробки передач и других смежных деталей. Valeo, который и предлагает подобную замену, утверждает, что его инженеры все продумали и такая замена допускается только для определенных моделей двигателей (VAG 1,9, 1,8 турбо, Passat B5, Caddy, Audi A3, Audi TT, Golf5, Golf6, Skoda Octavia в первом кузове, практически все модели группы VAG с 2000-х по 2009 год с двигателями 1,8).
Связанные термины
Маховик — Википедия. Что такое Маховик
Маховик со сферическими грузами, построенный по чертежам Леонардо да Винчи. Кадр из видео.Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента как это используется на космических аппаратах.
Использование
Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.
Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.
Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса, с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.
Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).
Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд.
Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика — велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.
Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.
В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется на автомобилях: любой поршневой двигатель снабжён маховиком, часто совмещающим функции как часть сцепления и системы пуска (маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента от стартера). Кроме вывода кривошипного механизма из мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурс трансмиссии (оставшаяся часть неравномерности гасится пружинами диска сцепления или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).
Физика
Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:
Маховик фабричной стационарной паровой машины- E = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}
где:
Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции
Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость ω {\displaystyle \omega } на частоту вращения f {\displaystyle f} по формуле
- ω = 2 π f {\displaystyle \omega =2\pi f}
получим
- E = m ( π f ) 2 ( r 2 + r o 2 ) {\displaystyle E=m(\pi f)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})}
История
Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.[1]
Маховик со старой фабрикиСогласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.[2]
Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня[3], и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное[4].
В 20-30-х годах XX века советский изобретатель А. Г. Уфимцев впервые в мире[5] применил инерционный аккумулятор на первой в России ветроэлектростанции, построенной им в г. Курске.
Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.
Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.
Пример
Предельное значение угловой скорости маховика ω {\displaystyle \omega } определяется прочностью материала маховика на разрыв. Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска 1 2 I ω 2 = V 4 S m a x {\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}} , где S m a x {\displaystyle S_{max}} — предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади), V {\displaystyle V} — объём диска. Для плавленого кварца S m a x = 3 × 10 9 {\displaystyle S_{max}=3\times 10^{9}} Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом 0 , 1 {\displaystyle 0,1} м3 и весом 200 {\displaystyle 200} кг будет равна энергоемкости 13 {\displaystyle 13} л бензина[6].
Супермаховик
В мае 1964 года Н. В. Гулия подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты, проволоки или синтетических волокон, которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.
См. также
Примечания
- ↑ Родионов В. Г. Оптимизация структуры генерирующих мощностей. Аккумуляторы – накопители энергии // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. — М.: ЭНАС, 2010. — С. 65. — 352 с. — ISBN 978-5-4248-0002-3.
- ↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233)
- ↑ Элла Цыганкова У истоков дизайна
- ↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750—2007: Steam Engine Архивная копия от 6 октября 2008 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Ветроэлектрическая станция — статья из Большой советской энциклопедии.
- ↑ Орир Дж Физика. Том 1. — М., Мир, 1981. — c. 167
Ссылки
двухмассовый, устройство и принцип работы
Внешне маховик двигателя представляет собой довольно простое устройство – обычный тяжелый диск. Но в то же время он играет очень важную роль в работе двигателя и всего автомобиля в целом. В статье разберем его основное назначение, разновидности маховиков и их устройство.
Назначение и функции
Обычный маховик представляет собой литой, хорошо отбалансированный чугунный диск, на котором напрессованы стальные зубья для зацепления со стартером двигателя, так называемый зубчатый венец. Маховик передает крутящий момент от двигателя на коробку передач. Соответственно, он располагается между двигателем и трансмиссией. В случае использования механической коробки передач на маховике крепится корзина сцепления, а в АКПП – гидротрансформатор.
Сплошной маховикСам по себе маховик – это довольно массивная деталь по весу и его масса будет зависеть от мощности двигателя и количества цилиндров. Объясняется это тем, что основное назначение маховика – аккумулировать кинетическую энергию от коленчатого вала и создавать необходимую инерцию. Дело в том, что у ДВС из четырех тактов только один совершает полезную работу – рабочий ход. Остальные три такта КШМ и поршневая группа должны совершить по инерции. Именно для этого и нужен маховик, закрепленный на конце коленвала.
Резюмируя описанное выше, назначение маховика и основные функции у него следующие:
- обеспечение плавной работы двигателя;
- передача от двигателя крутящего момента на КПП и обеспечение работы сцепления;
- передача крутящего момента от стартера на венец маховика для запуска двигателя.
Разновидности маховиков
На текущий момент можно выделить три разновидности маховиков:
Сплошной
Наиболее распространенная и простая конструкция. Представляет собой чугунный литой диск, устройство которого было описано выше. Маховик для АКПП гораздо легче обычного, поскольку рассчитан на использование совместно с гидротрансформатором.
Облегченный
При тюнинге автомобиля, трансмиссии и двигателя часто устанавливают облегченный маховик. Его небольшой вес уменьшает инерцию и повышает производительность двигателя на 4-5%. Автомобиль быстрее откликается на педаль газа, становится более динамичным. Однако, установку облегченного маховика нужно делать только в комплексе с другими работами по улучшению характеристик двигателя и трансмиссии.
Использование облегченных маховиков без доработки поршневой и КШМ приведет к нестабильной работе двигателя на холостых оборотах.
Двухмассовый
Двухмассовый или демпферный маховик более сложен по конструкции и устанавливается на современные модели автомобилей. Он может применяться на автомобилях с механической и автоматической трансмиссиях без гидротрансформатора. В случае с МКПП используется ведомый диск сцепления без демпфера крутильных колебаний.
Двухмассовые маховики получили широкое распространение благодаря улучшенным характеристикам подавления вибраций, шума, защите трансмиссии и синхронизаторов. Именно этот вид стоит рассмотреть более подробно.
Устройство и особенности двухмассового маховика
Двухмассовый маховикВ конструкции двухмассового варианта не один, а два диска. Один диск соединён с двигателем, а второй с трансмиссией. Оба они могут работать независимо друг от друга. На первичном диске также имеется венец маховика с зубцами для зацепления со стартером. Два подшипника (осевой и радиальный) обеспечивают соединение двух корпусов.
Внутри дисков находится усовершенствованная пружинно-демпферная система. Она состоит из мягких и жестких пружин. Мягкие пружины обеспечивают плавность работы на низких оборотах при запуске и остановке двигателя. Жесткие пружины гасят колебания на высоких оборотах. Внутри находится специальная смазка.
Принцип работы
Одними из первых двухмассовые маховики получили автомобили с автоматической КПП. Для роботизированной коробки характерна быстрая и частая смена передач. С этим он хорошо справляется. Затем в силу своих преимуществ их стали устанавливать на автомобили с механикой.
Принцип работы довольно прост. Крутящий момент от коленвала передается на первичный диск, который отклоняет пружинную конструкцию внутри. Достигнув определенно уровня сжатия, крутящий момент затем передается на второй диск. Такая система гасит высокие колебания от двигателя, позволяя значительно снизить нагрузку на КПП.
Преимущества и недостатки
Плюсы такой системы очевидны:
- мягкая и плавная работа двигателя и КПП;
- низкий уровень вибрации и шума.
Но есть и свои недостатки. Срок службы двухмассового маховика в среднем составляет около трех лет. Конструкция постоянно подвергается сильным перегрузкам. Внутренняя смазка также приходит в негодность. Стоимость замены довольно высока. Пожалуй, это главный его недостаток.
Симптомы неисправности
Маховик испытывает сильные перегрузки, поэтому, рано или поздно, он выходит из строя. Признаком его поломки может быть скрип и посторонние звуки при запуске и остановке мотора.
Ощущение сильной вибрации также может указывать на неисправность. Многие списывают это на «троение» двигателя. При переключении на более высокие передачи вибрации обычно исчезают. Щелчки при старте и разгоне также могут указывать на неполадки.
Но не стоит сразу торопиться с заменой маховика, ведь эти симптомы могут указывать и на другие проблемы. Например, с опорами двигателя, КПП, навесным оборудованием, выхлопной системой и другим.
Более точный диагноз может поставить непосредственный осмотр детали. Но чтобы до неё добраться, нужно будет демонтировать коробку передач, а это потребует специальных навыков и средств.
Ремонт двухмассового маховика
Неисправный двухмассовый маховикВвиду высокой стоимости оригинальной запчасти многие водители задумываются о возможности ремонта маховика. Стоит сказать сразу, что производители не подразумевают ремонт этой детали. Она неразборная и лучше ставить новую.
Но все же есть умельцы, которые берутся за работу. Все зависит от уровня поломки. Если вышли из строя пружины, то в сервисе их могут заменить. Они первыми подвержены износу. Но если разрушился корпус или один из подшипников, то лучше приобрести новый. В любом случае мало кто даст гарантию стабильной работы двигателя и трансмиссии после ремонта.
Замена на одномассовый
Теоретически заменить можно. Хороший мастер в сервисе сделает это без проблем. Но стоит ли? Никто не сможет спрогнозировать, сколько после этого продержится КПП и двигатель, поэтому со своей стороны мы не рекомендуем!
Если у вас мощный мотор и механическая КПП, то не избежать сильных вибраций и тряски при запуске и остановке. Ездить возможность будет, но с большим дискомфортом. Роботизированная коробка не выдержит тандема со сплошным маховиком и быстро выйдет из строя. А вместе с коробкой ремонт обойдется уже гораздо дороже.
Маховик — это… Что такое Маховик?
массивное колесо, прикрепляемое к одному из вращающихся валов машины для регулирования ее движения. Каждый вращающийся вал машины (напр. приводимый в движение кривошипом и шатуном, соединенным с поршневым штоком паровой машины) совершает периодическое движение. Работа, расходуемая за один полный период двигателем, равна работе всех сопротивлений. Но в течение периода такого равенства может и не быть. Когда работа двигателя превосходит работу сопротивлений, то движение ускоряется; в противном случае оно замедляется. Если на вал насажен М., то когда работа двигателя берет перевес над работой сопротивлений, часть этого избытка работы идет на ускорение вращения массивного махового колеса, и потому движение всей машины ускоряется менее сравнительно с тем, на сколько бы оно ускорилось без М. Наоборот, когда работа двигателя становится менее работы сопротивлений, то без М. получилось бы довольно значительное замедление хода машины, с маховиком же оно будет не так значительно, потому что накопившаяся живая сила М. перейдет частью в работу, подгоняя ход машины. Таким образом, М. магазинирует в себе избыток работы двигателя в виде живой силы и отдает ее машине, когда работа сопротивлений берет перевес. Представим себе вал, вращающийся с периодической скоростью, и пусть период совпадает с полным оборотом вала, так что угловая скорость w изменяется в течение периода, но к концу его приобретает прежнюю величину. Пусть М работа двигателя, R работа сопротивлений, считаемые за полный период; тогда М=R. Пусть w» есть наибольшее и w’ наименьшее значение скорости w. Теорема живых сил дает: 1/2J'(w»2-w’2)=M’-R’, где J — момент инерции, М’ и R’ — работа двигателя и сопротивлений за время, в течение которого вал переходит из положения, соответствующего w’ в положение соответствующее w». Заменив в этой формуле разность квадратов произведением суммы на разность, получим 1/2(w»+w’)(w»-w’)=M’-R’ или приблизительно:
, где 
есть средняя арифметическая (w»-w’)/2, мало отличающаяся от средней скорости. Размеры М. определяются требованием, чтобы разность w»—w’ не превосходила некоторой n-й части , вследствие чего размеры должны быть таковы, чтобы 
. Величина n называется коэффициентом равномерности. Устройство М. колеса — см. Колесо маховое.Н. Д.
Маховик — Википедия. Что такое Маховик
Маховик со сферическими грузами, построенный по чертежам Леонардо да Винчи. Кадр из видео.Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента как это используется на космических аппаратах.
Использование
Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.
Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.
Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса, с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.
Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).
Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд.
Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика — велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.
Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.
В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется на автомобилях: любой поршневой двигатель снабжён маховиком, часто совмещающим функции как часть сцепления и системы пуска (маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента от стартера). Кроме вывода кривошипного механизма из мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурс трансмиссии (оставшаяся часть неравномерности гасится пружинами диска сцепления или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).
Физика
Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:
Маховик фабричной стационарной паровой машины- E = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}
где:
Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции
Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость ω {\displaystyle \omega } на частоту вращения f {\displaystyle f} по формуле
- ω = 2 π f {\displaystyle \omega =2\pi f}
получим
- E = m ( π f ) 2 ( r 2 + r o 2 ) {\displaystyle E=m(\pi f)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})}
История
Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.[1]
Маховик со старой фабрикиСогласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.[2]
Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня[3], и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное[4].
В 20-30-х годах XX века советский изобретатель А. Г. Уфимцев впервые в мире[5] применил инерционный аккумулятор на первой в России ветроэлектростанции, построенной им в г. Курске.
Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.
Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.
Пример
Предельное значение угловой скорости маховика ω {\displaystyle \omega } определяется прочностью материала маховика на разрыв. Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска 1 2 I ω 2 = V 4 S m a x {\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}} , где S m a x {\displaystyle S_{max}} — предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади), V {\displaystyle V} — объём диска. Для плавленого кварца S m a x = 3 × 10 9 {\displaystyle S_{max}=3\times 10^{9}} Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом 0 , 1 {\displaystyle 0,1} м3 и весом 200 {\displaystyle 200} кг будет равна энергоемкости 13 {\displaystyle 13} л бензина[6].
Супермаховик
В мае 1964 года Н. В. Гулия подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты, проволоки или синтетических волокон, которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.
См. также
Примечания
- ↑ Родионов В. Г. Оптимизация структуры генерирующих мощностей. Аккумуляторы – накопители энергии // Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. — М.: ЭНАС, 2010. — С. 65. — 352 с. — ISBN 978-5-4248-0002-3.
- ↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233)
- ↑ Элла Цыганкова У истоков дизайна
- ↑ Encyclopedia of the Industrial Revolution, 1750—2007: Steam Engine Архивная копия от 6 октября 2008 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ Ветроэлектрическая станция — статья из Большой советской энциклопедии.
- ↑ Орир Дж Физика. Том 1. — М., Мир, 1981. — c. 167
Ссылки
Разговорный маховик
Маховик — это тяжелый диск или колесо, прикрепленное к вращающемуся валу. Маховики используются для хранения кинетической энергии. Импульс маховика не позволяет ему легко изменять скорость вращения. Благодаря этому маховики помогают вращать вал с одинаковой скоростью. Это помогает, когда крутящий момент, приложенный к валу, часто изменяется. Неравномерный крутящий момент может изменить скорость вращения.Поскольку маховик противостоит изменениям скорости, он уменьшает влияние неравномерного крутящего момента. Двигатели, использующие поршни для обеспечения мощности, обычно имеют неравномерный крутящий момент и используют маховики для решения этой проблемы.
Требуется энергия, чтобы заставить колесо (любое колесо) вращаться. Если есть небольшое трение (хорошие подшипники), то оно продолжит вращаться долгое время. Когда требуется энергия, ее можно снова извлечь из колеса. Так что это простое механическое средство хранения энергии. Количество накопленной энергии зависит от веса и скорости вращения — для ускорения вращения более тяжелого колеса требуется больше энергии.Другим фактором является радиус (размер), поскольку чем дальше от оси находится часть колеса, тем больше энергии требуется для вращения. Эти три фактора могут быть представлены М (массой), ω {\ displaystyle \ omega} (угловая скорость) и R (радиус). Объединение двух приведенных ниже уравнений дает ω {\ displaystyle \ omega} 2 MR 2 /4. Маховое колесо — это не просто колесо, а специально разработанное для хранения энергии.Так что он должен быть тяжелым и / или быстро вращаться. Например, у некоторых автобусов есть маховое колесо, которое используется для остановки и запуска. Когда автобус останавливается (например, на светофоре), маховое колесо соединяется с колесами, поэтому энергия вращения передается на него, поэтому автобус замедляется, пока маховое колесо ускоряется. Затем, когда автобус снова начинает движение, он снова подключается, и энергия передается обратно. Конечно, вам не захочется тащить в автобусе тяжелое колесо, поэтому оно изготовлено из более легкого материала, способного выдерживать очень быстрое вращение.{2}}
где я {\ displaystyle I} момент инерции массы относительно центра вращения и ω {\ displaystyle \ omega} (омега) — угловая скорость в радианах.
Маховик использовался с древних времен, наиболее распространенным традиционным примером является гончарный круг. Во время промышленной революции Джеймс Уотт внес свой вклад в разработку маховика в паровом двигателе, а его современник Джеймс Пикард использовал маховик.
В мире венчурного капитала термин «маховик» используется для обозначения периодического, приносящего прибыль центра бизнеса.
,Маховик — это машина, которая резервирует энергию вращения, сопротивляясь изменениям скорости вращения. Накопленная энергия пропорциональна квадрату скорости вращения. Вы можете изменить сохраненную мощность машины, применяя крутящий момент для увеличения или уменьшения скорости вращения. Машина или транспортное средство теряет импульс каждый раз, когда замедляется или останавливается. Маховик восполняет этот потерянный импульс, питаясь зарезервированной мощностью.В этом кратком руководстве мы обсудим , как работает маховик и что он делает.
Что такое маховик на автомобиле?
Маховик — это тяжелое колесо, для вращения которого требуется большое усилие. Когда колесо движется с высокой скоростью, оно будет вращаться, пока вы не остановите его, приложив много силы. Когда он вращается, он сохраняет большое количество кинетической энергии, которую он позже использует для включения транспортного средства или машины во время запуска двигателя или ускорения.
Что такое маховик на автомобиле? Технически объяснено, маховик (если ручной) или гибкий диск (если автоматическая коробка передач) определяется как диск, который прикреплен болтами к коленчатому валу в задней части двигателя. Он служит многим целям:
- На автомобиле с механической коробкой передач он дает одну из поверхностей трения сцепления. Нажимной диск сцепления прикручен к нему, и диск сцепления зажат между ними.
- На автомобиле с автоматической коробкой передач он фактически известен как гибкий диск и гидротрансформатор болтов коробки передач к нему.
На его внешней кромке имеется зубчатое кольцо, которое стартер поворачивает для запуска двигателя. Из-за большого диска (относительно коленчатого вала) это позволяет стартеру иметь больше рычагов против двигателя.
Он также служит для выполнения определенных задач работы двигателя. Хотя более массивные маховики требуют большего количества энергии для вращения, после вращения они набирают больше оборотов и помогают двигателю работать плавнее и плавнее переключаться на более высоких оборотах.
Как работает маховик?
Как маховик работает для накопления энергии? Ну, вы можете сравнить это с механизмом механической батареи.В то время как батарея хранит энергию в химической форме, маховик сохраняет мощность в форме движения или кинетической энергии, чтобы быть точным.
Маховик сможет накапливать больше энергии, если он вращается с более высокой скоростью или имеет более высокий момент инерции, что означает его большую массу. Тем не менее, он всегда работает лучше, когда вы вращаете его быстрее, чем увеличиваете его массу. Например, колесо будет производить вдвое больше энергии, чем то, которое весит половину его, учитывая, что оба вращаются с одинаковой скоростью.С другой стороны, вращение колеса зажигалки в два раза быстрее приведет к увеличению количества накопленной энергии в четыре раза.
Чем легче маховик, тем больше будет запасаться энергии
СМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ
По этой причине всегда лучше использовать более легкие, высокоскоростные колеса, чем устройства, имеющие большой вес. Кроме того, компактные маховики имеют практический смысл в гоночных автомобилях, потому что они должны быть максимально легкими для движения на высоких скоростях.
Как работает маховик , когда вы продолжаете увеличивать скорость? Это невозможно, потому что есть момент, когда материал колеса не сможет выдержать усилие и разбиться на фрагменты.
Каковы функции маховика?
Прежде чем углубляться в принцип работы маховиков для автомобилей , важно знать их функции. Он используется практически во всех типах автомобилей, включая гоночные автомобили, поезда и автобусы. В прошлом они имели большой диаметр со спицами и объемным металлическим ободом. Тем не менее, современные устройства более компактны из-за того, что они сделаны из композитных или углеродных материалов. Вы должны нажать на колесо, чтобы привести его в движение.Он в основном выполняет эти функции в большинстве транспортных средств:
1. Запуск двигателя
Зубья шестерни врезаются в опору по окружности маховика при запуске двигателя. В пусковом двигателе двигателя маленькая шестеренка (называемая шестерней Бендикс) сцепляется с маховиком, когда вы поворачиваете ключ. Комбинация редуктор / стартер Bendix вращает маховик, поворачивая коленчатый вал и начиная цикл сжатия, необходимый для запуска двигателя. После запуска двигателя механизм Бендикс снимается, чтобы маховик свободно вращался.
2. Обороты двигателя сглаживания
После запуска двигателя коленчатый вал преобразует движение поршней вверх и вниз во вращательное движение. Тем не менее, это движение прерывистое, так как мощность вырабатывается только дважды (для четырехцилиндрового двигателя) или четыре раза (для восьмицилиндрового) за один оборот двигателя. Масса маховика прикладывает инерцию, чтобы коленчатый вал двигателя вращался между каждым из этих поршневых оборотов, поэтому скорость вращения коленчатого вала поддерживается постоянной, и двигатель работает плавно.
Маховик выполняет в автомобиле определенные функции3. Балансировка двигателя
Поскольку поршни смещены относительно центра коленчатого вала, двигатель, следовательно, вибрирует и качается, когда каждый поршень срабатывает под разным углом. Тяжелый вес маховика подавляет это движение из стороны в сторону, помогая стабилизировать и сбалансировать двигатель на его опорах и снизить вибрацию во всем автомобиле.
4. Снижение напряжения трансмиссии
Стабилизируя движение двигателя и сглаживая его скорость, маховик ограничивает износ других компонентов трансмиссии.Хотя двигатель и валы трансмиссии параллельны друг другу, крепления между осью и трансмиссией не являются; карданный вал использует универсальные шарниры, которые постоянно меняют углы поворота. Маховики помогают уменьшить износ таких соединений.
5. Манипуляции с весом
Масса маховика — это одна из регулировок, которую изготовители двигателей используют для настройки производительности своего двигателя для конкретных целей.
- Более тяжелые маховики позволяют двигателям работать под нагрузкой, которая может привести к зависанию двигателя; таким образом, автомобили, постоянно тянущие тяжелые прицепы, должны выиграть от большего маховика.
- Двигатели, работающие на высоких скоростях, например двигатели гоночных автомобилей, имеют более легкий маховик для лучшего ускорения на скорости; что может усложнить плавную работу двигателя на холостом ходу и затруднить ускорение от полной остановки. Из-за этого гонщикам нужны свои пит-команды, чтобы подтолкнуть их к запуску своих автомобилей.
Топ-5 плохих симптомов маховика
1. Запах горения
Этот запах возникает при ненадлежащем использовании сцепления, будь то плохой маховик или неопытный водитель.Облицовка сцепления имеет материалы, предназначенные для уменьшения шума, производимого сцеплением во время работы. Облицовки муфты производят много тепла из-за трения от неправильного использования, что по существу заставляет поверхность застекляться от тепла. Следствием этого является сильный едкий, едкий запах, который может стать довольно заметным.
2. Chatter Chatter
Вместо плавного включения муфта «пропускает» вдоль маховика. Сцепление неоднократно захватывает и отпускает, который чувствует себя как заикание или вибрация, когда сцепление выпущено.Хотя это может произойти на любой передаче, оно наиболее популярно при запуске с полной остановки. В то время как причиной может быть искривленный маховик, вибрацию сцепления может быть трудно диагностировать, поскольку нажимной диск, диск сцепления или выжимной подшипник часто имеют ошибку, изношены ли детали, сломаны, деформированы или загрязнены маслом из-за двигателя или утечка передачи.
3. Муфта сцепления
Часто, когда вы пытаетесь переключать передачи во время движения, они могут проскальзывать.Обычно это происходит, когда вы можете сказать, что на колеса не передается мощность. Это часто является прямым результатом изношенного сцепления. Из-за проскальзывания сцепления маховик тоже изнашивается. Вы можете начать слышать шумы от прижимного диска, и, в конечном итоге, другие части маховика в сборке сцепления будут перегреваться и вызывать их деформацию или даже трещину.
4. Перетаскивание сцепления
Это противоположно проскальзыванию сцепления. Вместо расцепляющего сцепления сцепление просто не будет полностью освобождаться.Вы будете испытывать различные уровни заточки зубчатых колес при переключении передач или даже при полном отказе при включении автомобиля на первой передаче при запуске из состояния покоя.
Сопротивление сцепления на самом деле не является неисправностью самого маховика. Это подшипник или втулка маховика или коленчатого вала в сборе.
5. Педаль сцепления вибрирует
Наряду с этим при работе сцепления могут возникать вибрации от педали сцепления или от пола вашего автомобиля. Эти вибрации показывают, что пружинные опоры маховика испортились.Как вы, возможно, знаете, пружинный механизм обычно уменьшает вибрации, создаваемые муфтой, которая используется.
,Что такое маховик? (с изображением)
Маховик — это простое вращающееся колесо, используемое для накопления энергии или стабилизации чего-либо. Энергия, которую он хранит, равна его моменту инерции — физический термин, который в основном означает массу объекта, умноженную на квадрат его расстояния от оси вращения, — умноженную на квадрат его угловой скорости, деленный на 2. Маховики помогают стабилизировать приводные валы в зависимости от переменных давлений, таких как поршневые двигатели или поршневые насосы.Стабилизирующий эффект обусловлен сопротивлением изменениям скорости вращения маховика.
Маховики помогают стабилизировать ведущие валы двигателя, подверженные переменному давлению, например, поршневые двигатели или поршневые насосы.
Маховикииспользуются в качестве накопителей энергии для научных экспериментов с высокой мощностью, которые могут привести к недопустимому скачку мощности при отключении питания от электрической сети.Такие батареи маховика могут работать в вакууме, чтобы предотвратить потерю энергии из-за трения воздуха, и будут периодически снова ускоряться, чтобы компенсировать потерю скорости вращения из-за рассеивания энергии от тепла и вибрации. Хорошие конструкции маховика будут рассеивать как можно меньше тепла и вибрации, сохраняя энергию для целевого применения.
Маховик хранит различные количества энергии в зависимости от его массы и скорости вращения.Например, велосипедное колесо имеет массу около 1 кг (2,2 фунта), диаметр около 70 см (28 дюймов) и скорость вращения около 150 об / мин (оборотов в минуту). Это составляет до 15 Дж (джоулей). Далее рассмотрим колесо в поезде, движущемся со скоростью 60 км / ч (37 миль в час), с массой 942 кг (2076 фунтов), диаметром 1 м (3,3 фута) и скоростью вращения 318 об / мин. Этот маховик имел бы энергию вращения около 64 кДж (килоджоулей), что примерно в 43 000 раз больше, чем у велосипедного колеса.
Аккумуляторы маховика, предназначенные для накопления энергии, имеют энергию, значительно превышающую оба предыдущих примера, в основном из-за экстремальных скоростей вращения.Один пример, сделанный компанией по производству маховиков в Оттаве, имеет массу 100 кг (220 фунтов), диаметр 60 см (27 дюймов) и скорость вращения 20000 об / мин. Эта батарея маховика может хранить около 10 МДж (мегаджоулей), что достаточно для освещения 100 лампочек мощностью 100 Вт в течение 1000 секунд. Эта конструкция батареи маховика не намного больше, чем холодильник. Еще больший маховик, используемый в качестве резервного источника электроэнергии, может удерживать мощность 100 МДж. Эти типы маховиков могут использоваться казино, больницами, центрами обработки данных или в промышленности для поддержания питания в случае сбоя или колебаний входных данных.
,Как маховики накапливают энергию?
Крис Вудфорд. Последнее обновление: 10 марта 2020 г.
Стоп … Старт … Стоп … Старт — это никак водить машину! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете транспортное средство или машину, вы тратить импульс, который он накопил заранее, превращая его кинетическую энергию (энергия движения) в тепловую энергию в тормозах. Не было бы лучше, если бы вы могли как-то хранить эту энергию, когда вы остановился и вернуть его снова при следующем запуске? Это один из работ, которые маховик может сделать для вас.Впервые используется в колеса гончаров, тогда чрезвычайно популярные в гигантских двигателях и машинах во время промышленной революции маховики сейчас делают возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности растения. Давайте внимательнее посмотрим, как они работают!
Фото: старый маховик на паровом двигателе в Think Tank, музее науки и промышленности в Бирмингеме, Англия. Маховик — это колесо со спицами сзади. Обратите внимание, что это в основном пустое пространство с длинными спицами и большим тяжелым ободом.
Зачем нам нужны маховики
Фото: типичный маховик на газоперекачивающем двигателе. Маховик является более крупным из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных движков, которые вы можете увидеть в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.
Двигатели самые счастливые и самые эффективные когда они вырабатывают энергию с постоянной, относительно высокой скоростью. Единственная проблема в том, что машины и машины, на которых они ездят, должны работать на всех видах разных скоростей и иногда нужно вообще остановиться.Муфты и шестерни частично решают эту проблему. (Сцепление механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины это вождение, в то время как передача является парой сцепленных колеса с зубами который изменяет скорость и крутящий момент (силу поворота) машины, поэтому он может двигаться быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с той же скоростью.) Но то, что не могут сделать сцепления и механизмы, — это экономия энергии, которую вы тратите когда вы тормозите и отдаете его снова позже. Это работа для маховика!
Что такое маховик?
Маховик — это очень тяжелое колесо, которое требуется много сил, чтобы вращаться.Это может быть большой диаметр колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть цилиндр меньшего диаметра, изготовленный из углеродного волокна композит. В любом случае, это колесо, которое вы должны нажать очень трудно установить его вращение. Так же, как маховику нужно много заставить его начать, так что ему нужно много силы, чтобы остановить его. Так как В результате, когда он вращается на высокой скорости, он стремится продолжайте вращаться (мы говорим, что у него много угловых моментов), Это означает, что он может хранить много кинетической энергии.Вы можете думать об этом как о «механическая батарея», но она накапливает энергию в форме движения (кинетическая энергия, другими словами), а не энергия, запасенная в химическая форма внутри традиционной электрической батареи.
Маховикибывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объяснены в поле ниже — но вы можете пропустить их, если вы не заинтересованы или вы знаете, про них уже) расскажи что большой диаметр и тяжелые диски хранить больше энергии, чем меньшие и легкие колеса, в то время как маховики которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые вращаться медленнее.
Современные маховики немного отличаются от тех, которые были популярны во время промышленной революции. Вместо широкого и тяжелого стальные колеса с еще более тяжелыми стальными ободами, маховики 21-го века, как правило, более компактные и изготовленные 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 (некая «сила» движения) и кинетическая энергия (энергия движения) потому что у них есть масса (сколько «вещей» они содержат) и скорость (как быстро они движутся).в Точно так же вращающиеся объекты имеют кинетическую энергию, потому что они имеют что называется моментом инерции (сколько «вещей» они из и как он распределяется) и угловая скорость (как быстро они вращаются). Момент инерции является эквивалентом массы для вращающихся объектов, тогда как угловая скорость подобна обычной скорость только вращается по кругу.
Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:
E = ½mv2
(где m — масса, а v — скорость), то есть эквивалент, кинетический энергия вращающегося объекта дается этим:
E = ½Iω2
(где I — момент инерции, а ω — угловая скорость).
«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и запутанно, но понять его гораздо проще, 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 фактической массы он имеет, но и от того, где эта масса расположена относительно Точка это вращается вокруг. Чем дальше от центра масса, тем большее влияние оно оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта — и мы количественно определяем это, говоря, что масса имеет более высокий момент инерции.Так что большой диаметр, легкий, со спицами маховик с очень тяжелым стальным ободом может иметь более высокую момент инерции, чем гораздо меньший, твердый маховик, потому что больше его масса дальше от точки вращения.
Законы о сохранении
Законы сохранения энергии и сохранение импульса распространяется на вращающиеся объекты так же, как они применять к объектам, ускоряющимся по прямым линиям. Так что то, что вращается с определенное количество энергии и угловой момент (вращение эквивалент обычного, прямолинейного, линейного импульса) сохраняет свои угловой момент, за исключением силы (например, трения или сопротивления воздуха) украл это.Этот закон называется сохранением угловых импульс.
Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их масса дальше от центра их тела (точка вращения) поэтому они имеют более высокий момент инерции. Если они вращаются быстро с вытянутыми руками, но затем вдруг принести свои руки к центр, они мгновенно уменьшают момент инерции. Но сохранение момента импульса говорит их полный момент импульса должны остаться прежними — и единственный способ, который может произойти, это если они вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда они поднести руки к телу (и замедлить, когда они руки снова)
Artwork: Если вы медленно вращаетесь (стоя на проигрывателе без питания или сидите на офисном стуле), и вы быстро подносите руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его таким же).
Каков лучший дизайн для маховика?
Из этих основных законов физики следует, что маховик будет хранить больше энергии, если он имеет более высокий момент инерция (больше массы или массы, расположенной дальше от ее центра) или если он вращается с большей скоростью.И так как кинетическая энергия вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости (ω2), ты Можно увидеть, что скорость имеет гораздо больший эффект, чем момент инерции. Если вы возьмете маховик с ободком из тяжелого металла и замените его Обод, который в два раза тяжелее (удвоит момент инерции), запасать вдвое больше энергии, когда он вращается с одинаковой скоростью. Но если Вы берете оригинальный маховик и вращаете его вдвое быстрее угловая скорость), вы будете в четыре раза больше, сколько энергии он хранит.Вот почему дизайнеры маховиков обычно стараются использовать скоростные колеса а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики также очень более практичным в гоночных автомобилях, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию добавьте слишком много веса.)
Усилие на маховике увеличивается со скоростью, и энергия, которую может накапливать колесо, равна ограничено прочностью материала, из которого он изготовлен: вращать маховик слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, в которой сила будет настолько велика, что колесо будет разбито на части.Прочные, легкие материалы лучше всего подходят для маховиков, поскольку они могут вращаться быстрее без разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как сплавы, углеродно-волокнистые композиты, керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния. Некоторые специально разработаны для того, чтобы безопасно разбиться на мелкие фрагменты, если они вращаются слишком быстро.
Произведения искусства: маховики имеют фиксированный диаметр и массу и, следовательно, фиксированный момент инерции — или они? Эта изобретательная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и складываться, увеличивая или уменьшая запас энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) подает нагрузку (оранжевый, слева) через ось (желтый) и систему шкивов (серый). По мере изменения скорости оси центробежный регулятор (темно-синий) и электрическая цепь (вверху справа) включают или выключают небольшой электродвигатель (розовый), перемещая рычаг (коричневый) влево или вправо, перемещая другое соединение ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или снимается при необходимости. Из патента США 2 914 962: система маховика Бертрама Шмидта, опубликована 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.
Как маховик может сохранить свою энергию?
Фото: маховики в конечном итоге перестают вращаться из-за трения и сопротивления воздуха, но если мы установим их на подшипники с очень низким коэффициентом трения, они будут сохранять свою энергию в течение нескольких дней. Этот экспериментальный маховик использует сверхпроводящий подшипник без трения и вращается внутри вакуумной камеры, чтобы предотвратить замедление сопротивления воздуха. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.
Законы физики (первый закон движения Ньютона, если быть точным) говорят нам, что движущийся объект будет стремиться продолжать двигаться, если на него не действует сила.Так что вы можете подумать, что маховик будет вращаться вечно. Единственная проблема заключается в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть и другая проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики позволяют обойти эти проблемы, устанавливая их на малое трение. подшипники и герметичные внутри металлические цилиндры, чтобы они не теряли так много энергия на трение и сопротивление воздуха, как это сделали бы традиционные маховики.Самые совершенные маховики плавать на сверхпроводящих магнитах (поэтому они вращаются почти полностью без трения) 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 в случае поломки ротора. К таким маховикам прикреплен электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Рассмотрим что-то вроде старомодного пара тяговый двигатель — по сути тяжелый старый трактор, приводимый в действие паровой двигатель, который работает на дороге, а не на рельсах. Допустим, у нас есть тяговый двигатель с большим маховиком, который сидит между двигателем производя мощность и колеса, которые принимают эту мощность и двигая двигатель вниз по дороге. Далее предположим маховик имеет сцепления, так что он может быть подключен или отключен от паровой двигатель, ведущие колеса или оба.Маховик может сделать три очень полезная работа для нас.
Во-первых, если паровой двигатель периодически генерирует мощность (возможно, потому что у него только один цилиндр), маховик помогает сгладить мощность, которую получают колеса. Так что пока цилиндр двигателя может добавлять мощность к маховику каждые тридцать секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра), Колеса могут брать мощность от маховика на постоянной, постоянной скорость — и двигатель будет вращаться плавно, а не дергаться в подходит и запускается (как если бы он был приведен в действие непосредственно от поршня и цилиндр).
Во-вторых, маховик можно использовать для замедления автомобиль, как тормоз — но тормоз, который поглощает энергию автомобиля вместо того, чтобы тратить его, как обычный тормоз. Предположим, вы ведете тяговый двигатель вниз по улице, и вы вдруг захотите остановиться. Вы может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, чтобы автомобиль начал бы замедляться. При этом энергия будет передаваться от транспортного средства до маховика, который будет набирать скорость и удерживать спиннинг. Затем вы можете отсоединить маховик, чтобы сделать автомобиль остановись полностью.В следующий раз, когда вы отправитесь снова, вы бы использовали сцепление для подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик вернуть большую часть двигателя, который он поглотил во время торможения.
В-третьих, маховик может быть использован для обеспечения временного дополнительная мощность, когда двигатель не может произвести достаточно. Предположим, вы хотите обогнать медленного коня и телегу. Допустим, маховик имеет вращался в течение некоторого времени, но в настоящее время не связан ни с двигатель или колеса. Когда вы подключите его к колесам, это как второй двигатель, который обеспечивает дополнительную мощность.Работает только временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна быть потерянным от маховика, заставляя это замедляться.
Краткая история маховиков
Древние маховики
Можно утверждать, что маховики являются одним из старейших изобретений: самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельной древесины и, поскольку имели высокий момент инерции, работали как маховики, независимо от того, были они предназначены или нет. Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих колес — даже старше колес используется при транспортировке), поскольку его поворотный стол твердый и тяжелый (или имеет тяжелый обод), поэтому имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе пока вы лепите глину сверху руками.Водяные колеса, которые сделать власть из рек и ручьев, также разработаны как маховики, с сильными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и питание мельниц с постоянной скоростью. Водяные колеса, как это стало популярным с римских времен.
Фото: водяные колеса используют простой принцип маховика, чтобы вращаться с постоянной скоростью. Это модель перекус водяного колеса (один питается от реки течет внизу).
Маховики промышленной революции
Самые известные даты маховиков от промышленного Революции и используются в таких вещах, как заводские паровые двигатели и тяговые двигатели. Присмотритесь практически к любой заводской машине из 18-го или 19-го века, и вы увидите огромный маховик где-то в механизм. Поскольку маховики часто бывают очень большими и вращаются на большой скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже должны быть сделаны с точностью, так как, если они даже немного разбалансированы, они будут слишком сильно колебаться и дестабилизировать то, что они прикреплены к.Распространенность железа и стали во время Промышленная революция позволила создать хорошо, высоко прецизионные маховики, которые сыграли важную роль в обеспечении работоспособности двигателей и машин гладко и качественно.
После работы таких первооткрывателей электричества 19-го века, как Томас Эдисон, электричество скоро широко доступны для привода заводских машин, которым больше не нужны маховики для сглаживания паровые двигатели на угле. Между тем, дорожные машины, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания, приводимые в действие бензин, дизель и керосин.Маховики были в основном большие и тяжелые и не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на обочине 20-го века.
Современные маховики
С середины 20 века интерес к маховикам снова поднялся, 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 хороши в этом.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 гиробусы. Основная идея заключается в установке тяжелого стального маховика (около 60 см или пара футов в диаметре, вращающегося со скоростью около 10000 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, поглощение кинетической энергии и замедление автомобиля.Когда автобус запускается снова, маховик возвращается его энергия для передачи, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае были потрачены впустую. Современная железная дорога и В поездах метро также широко используются регенеративные, маховичные тормоза, что может дать общую экономию энергии, возможно, на треть или более. Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые маховики в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого было бы то, что маховики потенциально может длиться в течение всей жизни автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут нужна очень дорогая замена после десятилетия или около того.
Фото: современный маховик, разработанный НАСА для использования в космосе. Обратите внимание, как серебристый центр колеса В основном это пустое пространство и спицы, в то время как масса колеса сосредоточена вокруг обода. Это дает колесу то, что известен как высокий момент инерции (объясненный более подробно ниже) и позволяет ему хранить больше энергии. Фото любезно предоставлено НАСА Исследовательский центр Гленна (NASA-GRC).
В последние несколько лет, гоночные автомобили формулы 1 имеют также использовал маховики, хотя больше, чтобы обеспечить повышение мощности, чем экономить энергию.Технология называется KERS (Kinetic Energy Система восстановления) и состоит из очень компактного, очень высокоскоростного маховика (вращается со скоростью 64 000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может щелкнуть выключателем на руле, чтобы маховик временно сцепляется с трансмиссией автомобиля, давая краткий прирост скорости, когда дополнительная мощность необходима для ускорения. С таким высокоскоростным маховиком, соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен внутри супер прочного контейнера из углеродного волокна, чтобы предотвратить его повреждение водитель, если он взрывается.(Некоторые формы KERS используют электродвигатели, генераторы, и батареи для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)
Так же, как маховики — в форме водяные колеса — сыграли важную роль в усилиях человека по использованию энергии, поэтому они возвращаются в современном производстве электроэнергии. Один трудностей с электростанциями (и тем более с формы возобновляемой энергии, такие как ветер и солнечная энергия), что они не обязательно производить электричество постоянно или таким образом, чтобы точно соответствует росту и падению спроса в течение день.С этим связана проблема, заключающаяся в том, что производить электричество гораздо легче, чем это хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение для этот. В периоды, когда предложение электроэнергии превышает спрос (например, ночью или на выходных) электростанции могут кормить их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить его для периоды от минут до часов и время от времени пика необходимости. На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании, Beacon Power впервые применила маховики для обеспечения до 20 мегаватт накопителя энергии для удовлетворения временных пиков в спрос.Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы обеспечить аварийное, резервное питание на случай отключений.
Преимущества и недостатки маховиков
Маховики — это относительно простая технология с много плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторы: с точки зрения первоначальной стоимости и текущих обслуживание, они работают дешевле, длятся примерно в 10 раз дольше (есть еще много работающих маховиков в эксплуатации, начиная с Промышленная революция), безопасны для окружающей среды (не выделяют углекислого газа и не содержат опасных химических веществ, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают скорость (в отличие от батарей, например, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они также чрезвычайно эффективен (возможно, 80 процентов или более) и занимает меньше пространство, чем батареи или другие виды хранения энергии (например, накачкой водохранилища).
Фото: маховики делают отличные альтернативы аккумуляторам. Здесь маховик (справа) используется для хранения электроэнергии, произведенной солнечной панелью. Электричество от панели приводит в движение электродвигатель / генератор, который вращает маховик до скорости. Когда необходимо электричество, маховик приводит в движение генератор и снова вырабатывает электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL
Самый большой недостаток маховиков (конечно же что касается транспортных средств) это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS система маховика (включая контейнер, гидравлику и электронные системы управления, в которых она нуждается) около 25 кг веса автомобиля, что является значительной дополнительной нагрузкой. Другая проблема (особенно для гонщиков Формулы 1) это то, что большое, тяжелое колесо вращение внутри движущейся машины будет вести себя как гироскоп, противостоять изменениям в его направлении и потенциально влияет на управление транспортным средством (хотя существуют различные решения, включая крепление маховиков на карданных подвесах, например, на корабельном компасе). Еще одна сложность заключается в огромных напряжениях и напряжениях, которые маховики опыт, когда они вращаются на очень высоких скоростях, что может привести к их разбить и взорвать на куски. Это действует как ограничение на как быстро вращаются маховики и, следовательно, сколько энергии они можно хранить. В то время как традиционные колеса были сделаны из стали и закручены вокруг под открытым небом, современные чаще используют высокопроизводительные композиты или керамика и запечатаны внутри контейнеров, делая возможны более высокие скорости и энергии без ущерба для безопасности.
