равномерность и надежность работы двигателя

Маховик: равномерность и надежность работы двигателя

В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания можно найти массивную деталь кривошипно-шатунного механизма и других смежных систем — маховик. Все о маховиках, их существующих типах, конструкции и принципе работы, а также о выборе, ремонте и замене данных деталей — читайте в представленной статье.

Роль и место маховика в двигателе

Маховик (маховое колесо) — узел кривошипно-шатунного механизма (КШМ), сцепления и системы запуска поршневого ДВС; расположенный на хвостовике коленчатого вала металлический диск большой массы с зубчатым венцом, обеспечивающий стабильное функционирование мотора за счет накопления и последующей отдачи кинетической энергии.

Работа поршневых ДВС неравномерна — в каждом из его цилиндров за два оборота вала совершается четыре такта, и в каждом такте скорость движения поршня различна. Для устранения неравномерности вращения коленвала одинаковые такты в разных цилиндрах разнесены во времени, также в состав КШМ вводится дополнительный узел — маховик, выполненный в виде массивного металлического колеса, зафиксированного на задней части коленвала.

Маховик решает несколько ключевых задач:

• Обеспечение равномерности угловой скорости коленчатого вала;
• Обеспечение вывода поршней из мертвых точек;
• Передача крутящего момента от коленчатого вала на механизм сцепления и далее на КП;
• Передача крутящего момента от шестерни стартера на коленвал при пуске силового агрегата;
• Некоторые типы деталей — гашение крутильных колебаний и вибраций, развязка КШМ и трансмиссии транспортного средства.

Маховик в сборе с коленчатым валом двигателя

Данная деталь за счет значительной массы накапливает кинетическую энергию, получаемую во время рабочего хода, и отдает ее коленвалу на остальных трех тактах — этим обеспечивается как выравнивание и обеспечение стабильности угловой скорости коленвала, так и вывод поршней из ВМТ и НМТ (за счет возникающих сил инерции). Также именно через маховик осуществляется связь двигателя с трансмиссией автомобиля и передача крутящего момента от шестерни электростартера на коленвал при пуске мотора. Маховик критически важен для нормальной эксплуатации транспортного средства, поэтому при его неисправности необходимо как можно скорее выполнить ремонт или полную замену. Но прежде, чем начинать ремонтные работы, следует разобраться в существующих типах, конструкции и особенностях работы маховиков современных ДВС.

Типы и устройство маховых колес

На современных моторах используются различные по конструкции маховики, но самое широкое распространение получило три типа этих деталей:

• Сплошной;
• Облегченный;
• Демпферный (или двухмассовый).

Наиболее простое устройство имеют сплошные маховики, которые находят применение на большинстве поршневых ДВС — от малолитражных, до самых мощных промышленных, тепловозных и судовых. Основу конструкции составляет чугунный или стальной диск диаметром 30-40 см и более, в центре которого выполнено посадочное место для установки на хвостовик коленчатого вала, а на периферии запрессован венец. Посадочное место для коленвала обычно выполнено в виде расширения (ступицы), в центре которого имеется отверстие большого диаметра, а по окружности располагается 4-12 или больше отверстий для болтов, посредством которых маховик фиксируется на фланце хвостовика вала. На наружной поверхности маховика выполнено место для установки сцепления и отформирована кольцевая контактная площадка для ведомого диска сцепления. На периферии маховика запрессовывается стальной зубчатый венец, посредством которого в момент пуска передается крутящий момент от шестерни стартера на коленвал.

Обычно при изготовлении маховик балансируется для предотвращения биений во время работы двигателя. При балансировке в различных местах маховика удаляются излишки металла (сверловкой), также с целью балансировки в определенном положении устанавливается сцепление и другие детали (если они предусмотрены). В дальнейшем ориентация маховика и сцепления не должна изменяться, в противном случае возникнет опасный для коленчатого вала и всего двигателя дисбаланс.

Облегеченный маховик

Аналогичную конструкцию имеют и облегченные маховики, однако в них для снижения массы выполнены окна различной формы и размеров. Выборка металла маховика с целью снижения его массы обычно выполняется в целях тюнинга и форсирования двигателя. Установка такого маховика несколько снижает стабильность работы силового агрегата на переходных режимах, но обеспечивает быстрый набор максимальных оборотов и в целом позитивно сказывается на мощностных характеристиках. Однако установка облегченного маховика может производиться только параллельно с выполнением других работ по тюнингу/форсированию двигателя.

Двухмассовые маховики имеют гораздо более сложную конструкцию — в их состав входят различные по устройству и принципу действия гасители крутильных колебаний и демпферы. В простейшем случае этот узел состоит из двух дисков (ведомого и ведущего), между которыми располагается гаситель крутильных колебаний — одна или несколько дуговых (свернутых в кольцо или изогнутых дугой) витых пружин. В более сложных конструкциях между дисками располагается ряд шестерен, которые выполняют роль планетарной передачи, а количество пружин может достигать десятка и более. Двухмассовый маховик, как и обычный, монтируется на хвостовик коленчатого вала и удерживает на себе сцепление.

Конструкция двухмассового маховика

Работает демпферный маховик довольно просто. Ведущий диск соединен непосредственно с фланцем коленчатого вала, получая от него крутящий момент, а также все колебания, вибрации и возникающие на переходных режимах толчки. Крутящий момент от ведущего диска на ведомый передается через пружины, однако они за счет своей упругости поглощают значительную часть вибраций, толчков и колебаний, то есть — выполняют функции демпфера. В результате такой развязки ведомый диск, а также соединенное с ним сцепление и трансмиссия, вращаются более равномерно, без колебаний и вибраций.

В настоящее время двухмассовые маховики, несмотря на их сложную конструкцию и относительно высокую стоимость, все чаще устанавливаются на двигатели легковых и грузовых автомобилей. Рост популярности этих деталей обусловлен их лучшим качеством работы и защитой трансмиссии от негативных воздействий со стороны силового агрегата. Однако маховики сплошной конструкции благодаря своей цене, надежности и простоте очень широко используются на бюджетных авто, большинстве тракторов, грузовиков и иной технике.

Вопросы выбора, замены и обслуживания маховика

В процессе эксплуатации двигателя маховик подвергается значительным механическим нагрузкам, поэтому со временем в нем возникают разного рода неисправности — трещины, износ поверхности контакта с ведомым диском сцепления, износ и выломы зубцов венца, деформации и даже полное разрушение (этому подвержены чугунные детали). Неисправности маховика проявляются повышением уровня вибраций и шумов во время работы двигателя, ухудшением работы сцепления, ухудшением или невозможностью запуска мотора стартером (вследствие износа зубчатого венца) и т.д. При появлении этих признаков маховик необходимо осмотреть, при необходимости демонтировать и подвергнуть дефектации, а в случае обнаружения неисправностей — выполнить замену детали в сборе.

Наиболее часто в маховиках сплошной конструкции причиной проблемы становится зубчатый венец, а также трещины и поломки самого диска. При нормальном состоянии маховика венец можно заменить, на замену следует брать деталь того же типа и модели, что стояла ранее. В случае необходимости можно использовать венец с иным числом зубов, однако такая замена не всегда возможна. Демонтаж строго венца обычно выполняется механически — ударами молотка через зубило или иной инструмент. Установка нового венца производится с его нагревом — вследствие температурного расширения деталь легко встанет на свое место, а после остывания надежно зафиксируется на маховике.

В демпферных маховиках зачастую возникают более сложные неисправности — поломка или полное разрушение дуговых пружин, износ подшипников, износ трущихся деталей дисков и т.д. В большинстве случаев двухмассовый маховик не подлежит ремонту, а заменяется в сборе. В отдельных ситуациях возможна замена венца и подшипников, но эти работы лучше доверять специалистам. Диагностика демпферного маховика проводится как на двигателе, так и на снятой детали. В первую очередь проверяется угол отклонения ведомого маховика и люфт, если угол слишком большой или, напротив, маховик заклинил, то деталь должна быть заменена.

Все диагностические работы и замена маховика должны выполняться в соответствии с инструкцией по ремонту и обслуживанию транспортного средства. Для доступа к детали в большинстве случаев приходится демонтировать коробку передач и сцепление, что связано с дополнительными затратами времени и сил. При монтаже нового маховика необходимо соблюдать ориентацию сцепления, а также использовать определенных тип крепежа и, если это нужно — типы смазочных материалов. Если маховик подобран и заменен правильно, то двигатель и трансмиссия будут надежно работать, уверенно выполняя свои функции.

Другие статьи

#Бачок ГЦС

Бачок ГЦС: надежная работа гидропривода сцепления

14.10.2020 | Статьи о запасных частях

Многие современные автомобили, особенно грузовые, оснащаются гидравлическим приводом выключения сцепления. Достаточный запас жидкости для работы главного цилиндра сцепления хранится в специальном бачке. Все о бачках ГЦС, их типах и конструкции, а также о выборе и замене этих деталей читайте в статье.

Всё про маховик двигателя

Идея использовать в простейших механизмах большое вращающееся колесо, чтобы уравновешивать рывки при движении, пришла людям еще очень давно и использовалась, например, в механизмах мельницы или гончарного круга, а затем и в паровых машинах. Изначально в автомобильных двигателях маховик использовали с этой же целью: уравновесить колебания коленвала. Однако сейчас маховик выполняет сразу несколько задач.

Функции маховика ДВС

Маховик устанавливается на коленвал двигателя и располагается с наружной части двигателя. Таким образом, он конструктивно связан и непосредственно с ДВС, со сцеплением и коробкой передач.

В конструкции двигателя маховик выполняет сразу несколько функций:

1. Демпфирование крутильных колебаний, возникающих во время работы двигателя. Чем лучше маховик гасит вибрацию, тем меньше нагрузка на трансмиссию и тем дольше ее срок службы.

Гашение колебаний двухмассовым маховиком

2. Передача момента вращения от коленвала на сцепление. Ведомый диск сцепления соединяется с фрикционной поверхностью маховика.

Маховик с корзиной сцепления

3. Передача момента вращения на коленвал от стартера. При запуске двигателя стартер входит в зацепление с зубчатым колесом маховика для раскрутки коленвала.

4. Маховик аккумулирует часть энергии вращения и создает инерцию, препятствующую остановке двигателя. Без такой инерционной «подпитки» мотор просто остановился бы в тот момент, когда поршни доходят до мертвых точек.

Вибрация маховика зависит от работы двигателя

Таким образом нехитрый, в принципе, механизм оказался незаменимым в супер-современных автомобилях. Единственное, что менялось на протяжении лет, это конструкция самого маховика.

Конструкция маховика

Конструкция двухмассового маховика

Различают сплошные (обычные), двухмассовые и облегченные маховики. У каждого из видов есть свои плюсы и минусы.

• Сплошной или обычный маховик – конструкция предыдущего поколения, представляющая собой диск из чугунного сплава, на который по окружности напрессован стальной зубчатый венец. Такие маховики использовались, когда двигатели были еще «медленными» и не развивали такой мощности, как сейчас. Их основной плюс – элементарная конструкция, в которой практически нечему ломаться. Да и цена ниже, чем на более современные модели. Но на мощном двигателе простой маховик неэффективен и дает чрезмерную нагрузку на трансмиссию. Даже диски сцепления с демпфирующими пружинами не гасят колебания коленвала на старте и холостом ходу так эффективно, как это требуется. Тем не менее, многие автолюбители специально устанавливают сплошные маховики вместо двухмассовых, считая это более экономным вариантом.

Сплошной маховик

• Двухмассовый маховик (он же демпферный, ZMS, DMF, Dual Mass Flywheel) – современная разработка, направленная на максимальное гашение всех нежелательных колебаний коленвала на мощных двигателях с МКПП, облегчение переключения передач и уменьшение шума двигателя. Он состоит из двух дисков, соединенных через радиальный и упорный подшипники скольжения. Один диск является частью коленвала, а второй – частью сцепления. Между дисками расположен пружинно-демпферный механизм, гасящий колебания и защищающий коробку передач от вибрационных нагрузок. В двухмассовых маховиках используются пружины двух типов: менее жесткие поглощают энергию при умеренных колебаниях, а более жесткие задействуются при больших нагрузках. В отличие от пружин в диске сцепления, дуговые пружины маховика имеют большую длину и энергоемкость, что позволяет фрикционному диску маховика отклоняться (поворачиваться) в обе стороны на угол до 100 градусов относительно состояния покоя.

Варианты размещения пружин

Последняя модель – двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний. Внутри маховика устанавливается центробежный маятник, который убирает остаточные колебания после дуговых пружин.

Виды двухмассовых маховиков:

1. Двухрядный с дополнительным внутренним контуром.

2. С маятниковым адаптивным демпфером.

3. С адаптивным увеличением трения, для небольших и средних ДВС.

4. С непосредственным отбором мощности, для двухдискового сцепления, гибридного привода и вариаторов.

• Облегченный маховик – идея, пришедшая из автоспорта. Как понятно из названия, он имеет меньший вес по сравнению с обычным маховиком (примерно на 1,5 кг), а значит, отбирает чуть меньше мощности двигателя. Конструкция облегченного маховика представляет собой один диск с отверстиями ближе к наружному краю. Исследования показали, что облегчать внутреннюю часть маховика бессмысленно: вырезы ближе к оси вращения не влияют на экономию энергии, зато ослабляют всю конструкцию. И наоборот, уменьшение веса и толщины наружной части мало сказывается на прочности, но заметно повышает отдачу мощности мотора (на 5% и выше). Такие маховики используются в профессиональном автоспорте и любительском тюнинге, когда переделываются практически все узлы автомобиля.

Эксплуатация маховика и возможные неисправности

Любой маховик, будь то простой или двухмассовый, элемент достаточно надежный и при правильной эксплуатации служит столько же, сколько сам двигатель. Производители заявляют ресурс 350 тыс. км и более.

Основное слабое место всех маховиков – зубчатый венец, который со временем изнашивается. Зубцы могут стираться или обламываться, в результате чего при старте слышен характерный скрежет. Зубчатый венец – деталь съемная, и в случае необходимости можно купить новый и установить на место изношенного. Ресурс этой детали составляет примерно 200 тыс. км, но может сократиться из-за неисправности стартера. При замене зубчатого венца маховик демонтируют и для установки на место после ремонта используют новые крепежные болты.

Сам маховик повреждается чаще всего при неправильной эксплуатации автомобиля. В частности, основными проблемами, вынуждающими автовладельца менять маховик, является критический перегрев, появление трещин и износ фрикционной поверхности, перегрев и утечка консистентной смазки внутри двухмассового маховика, поломка дуговых пружин. Подшипники оси маховика выходят из строя крайне редко и могут считаться достаточно надежным элементом.

Перегревается маховик из-за неисправного сцепления, при пробуксовке ведомого диска, и от многократных циклов нагрева-охлаждения металл ослабевает и растрескивается. Перегрев может привести и к деформации диска, что проявляется сильной вибрацией и «биением» сцепления на определенных оборотах. Однократный перегрев (например, прижог ведомым диском, после чего сцепление заменили) без трещин и деформаций не влияет на работоспособность маховика.

Износ поверхности маховика тоже связан с работой сцепления: изношенный диск трет заклепками маховик, и отремонтировать это уже никак нельзя, нужна только замена.

Помимо проблем со смежными узлами, частой причиной выхода из строя маховика является манера вождения: длительная езда на низких оборотах двигателя (чем ниже обороты, тем сильней вибрация коленвала), особенно с грузом или прицепом, частые остановки с глушением двигателя. Специалисты рекомендуют стартовать и глушить двигатель с выжатой педалью сцепления.

Техобслуживание маховика как такового не проводится. Его осматривают при замене диска сцепления, обращая внимание на состояние зубчатого венца и фрикционной поверхности. Если видимых повреждений и признаков некорректной работы нет, маховик можно использовать дальше. Основные правила эксплуатации – нормальное использование сцепления и коробки передач без ненужных нагрузок, а также своевременное обслуживание смежных узлов. Тогда маховик, цена которого далеко не низкая, будет служить верой и правдой в течение длительного времени.

Можно ли ремонтировать и восстанавливать маховик?

Заманчивая перспектива: вместо дорогостоящей замены – в разы более дешевый ремонт, «полностью восстанавливающий» характеристики маховика. Речь обычно идет о двухмассовых конструкциях, которые достаточно дорого стоят. Однако, к сожалению, ремонт не всегда дает тот результат, на который рассчитывает покупатель. Например, после проточки изношенной фрикционной поверхности маховик теряет заводскую прочность и может в любой момент просто лопнуть от нагрузки. Подшипники, пружины и прочие запчасти ни один производитель не продает отдельно, так что остается только догадываться, чем именно «восстанавливали» эти детали. Такое восстановление могут сделать перед продажей автомобиля, чтобы в первое время новый владелец не имел проблем со сцеплением. А что будет дальше – продавца не беспокоит.

Напоследок нужно отметить, что двухмассовые маховики имеют достаточно большой ресурс, но, в отличие от обычных, не выдерживают постоянных больших нагрузок. Если автомобиль используется для поездок на работу и дачу, двухмассовый маховик будет оптимальным вариантом, обеспечивающим комфорт и сохранность коробки передач.

О том, как выбрать новый маховик и на что обращать внимание, читайте наш «Гид покупателя».

Что такое маховик двигателя, для чего он используется в автомобиле?

Маховик представляет собой деталь двигателя, которая служит для регулировки поступления энергии. Он накапливает энергию, когда ее поступает больше, нежели используется машиной, и отдает, когда ее потребление превышает поступление.

Маховик двигателя в автомобиле – что это

Для чего в машине нужен маховик:

• Запускает двигатель;

• Соединяет двигатель с трансмиссией;

• Передает крутящий момент от двигателя к коробке передач;

• Стабилизирует вращение коленвала двигателя.

По внешним признакам маховик представляет собой большой металлический диск с зубчатым венцом по краю. После поворота ключа зажигания стартер входит в зацеп с венцом маховика, поворачивая его, а тот, в свою очередь, вращает коленчатый вал, который приводит в движение сам автомобиль.

Виды маховиков, и где они используются

По своей конструкции маховики бывают трех видов: сплошные, двухмассовые и облегченные.

Сплошной или обычный

Сплошной маховик является самым простым в конструкции и состоит из чугунного диска, покрытого по краю стальным венцом. Его простота говорит о первоначальности использования в автомобилях. Преимущество данного вида маховика – в цене и количестве возможных поломок, что напрямую зависит от простоты конструкции.

Двухмассовый

Двухмассовый или демпферный маховик имеет более сложную конструкцию и используется в современных автомобилях. Он служит не только для борьбы с вибрацией, но и для гашения крутильных колебаний коленвала.

Облегченный

Облегченный маховик – диск с неоднородным распределением массы, что облегчает его на 1,5 кг. Масса маховика перераспределяется от центра к краям, что дает возможность уменьшить инерцию. Данный маховик используется на дорогих автомобилях с автоматической коробкой переключения передач. Его использование повышает отдачу двигателя примерно на 5%. Облегчение маховика компенсируется весом вращающихся деталей, которые прикреплены к нему.

Устройство и принцип работы маховиков

Устройство обычного маховика очень простое. Это диск диаметром приблизительно 30-40 см с зубчатым краем. С помощью зубьев он входит в зацепление с валом стартера и раскручивает коленвал двигателя при запуске автомобиля. Маховик находится между коленвалом двигателя и корзиной сцепления, к которой он прикреплен болтами.

Что такое маховик и как он работает, рассмотрим на принципе работы игрушечной юлы. Юлу раскручивают рукой, а маховик раскручивается коленчатым валом автомобиля. Раскрутив волчок, мы видим, что без дополнительного вмешательства он вращается еще длительное время – это и есть тот запас энергии. Но если у юлы она растрачивается впустую, то маховик отдает ее обратно и помогает раскручивать коленчатый вал.

Рассмотрим, что такое двухмассовый маховик и каково его назначение. Этот вид маховика состоит из двух дисков, которые соединены с помощью пружинно-демпферной системы. В основу его работы положен ступенчатый принцип. С помощью мягких пружин первой ступени осуществляется запуск и включение двигателя. Благодаря демпфированию крутильных колебаний обеспечивается движение автомобиля. Данный процесс осуществляется с помощью жёстких пружин второй ступени. Дополнительными функциями двухмассового маховика являются поглощение вибраций и шумов, плавное переключение передач, уменьшение износа синхронизаторов, уменьшение нагрузок на трансмиссию, экономия топлива.

Ремонт маховика

Ремонт венца маховика

Во время вращения шестерня бендикса зацепляется с зубьями венца маховика. Поэтому вся нагрузка во время работы накрадывается на шестерни. Со временем они стираются. В результате происходит поломка автомобиля, которая проявляется такими симптомами: автомобиль плохо заводится, стартер щелкает, но не крутится. Такие симптомы не постоянны. Автомобиль то заводится, то снова стартер щелкает или трещит. Это свидетельствует о плохом зацеплении шестерней бендикса и маховика. Если стерты зубья маховика в определенном месте, то стартер крутится и не запускает двигатель до тех пор, пока маховик не прокрутит дефектное место. Через некоторое время шестерни попадают в зацеп, и двигатель запускается.

Необходимо осмотреть венец маховика и шестерню бендикса, и в случае износа произвести замену. Ремонт можно сделать своими руками. Для этого необходимо достать маховик из автомобиля и с помощью молотка и зубила выбить венец. Если новый венец не надевается, его необходимо нагреть с помощью горелки или, даже лучше, электроплитки и, постукивая молотком, равномерно надеть на диск.

Обратите внимание! Венец необходимо разогревать по всей поверхности и не очень сильно. Если разогреть докрасна, то это будет способствовать быстрому износу зубьев в местах разогрева.

Иногда, если зубья не очень износились, венец с маховика снимают и одевают другой стороной. Для этого необходимо пометить несколькими метками диск и венец, чтобы, перевернув его, поставить на то же место. Это максимально сохранит балансировку маховика.

Ремонт двухмассового маховика

Симптомов поломки демпферного маховика может быть много, в зависимости от того, что повреждено. Если при запуске или остановке двигателя вы слышите посторонние звуки, это может быть поломкой демпферного маховика. Особенно это заметно на небольших оборотах двигателя, а при увеличении оборотов посторонние вибрации и звуки пропадают. Разбалансировка маховика сопровождается громким гудением, которое увеличивается с увеличением оборотов двигателя. Если во время разгона автомобиля чувствуются вибрации, то это говорит об износе демпфера маховика. Аналогичные симптомы могут быть и при других поломках.

Как же проверить демпферный маховик? Для этого необходимо провести несложный тест. На высокой передаче замедлиться до 1300-1500 оборотов в минуту, а затем педаль газа нажать максимально возможно в крайнее положение. Если вы не услышали странных звуков и вибраций, то ваш маховик работает, скорее всего, нормально. Данный тест очень перегружает маховик, поэтому не проводите его часто.

Но если вы уверены в поломке демпферного маховика, то приготовьтесь к большим расходам. Правда, некоторые сервисы предлагают разборку и восстановление двухмассового маховика. Но тут необходимо хорошо подумать. Заводы-производители не предусматривают ремонт демпферного маховика, поэтому не поставляют в продажу необходимые детали.
Чтобы демпферный маховик служил долго, рекомендуется:

• Не перегружать автомобиль;

• Не бросать педаль сцепления;

• Не начинать движение с повышенной передачи;

• Не пробуксовывать;

• Не водить автомобиль агрессивно.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как,
Facebook,
Вконтакте,
Instagram,
Pinterest,
Yandex Zen,
Twitter и
Telegram:
все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Маховик двигателя внутреннего сгорания: устройство, назначение, принцип действия

Маховик является важной деталью автомобильного двигателя, которая предназначена для выполнения таких сложных задач, как:

• Осуществления своевременного запуска двигателя автомобиля, путем передачи вращательных движений от стартера на коленчатый вал.
• Обеспечения крутящего момента от двигателя автомобиля к коробке передач (КПП).
• Снижение вибрационных шумов двигателя (уменьшение неравномерных движений вала).

Принцип действия маховика двигателя

Маховик закреплен с торцевой части коленвала, непосредственно у заднего подшипника коренного типа. Коренной подшипник не только удерживает маховик в одном положении, но и снижает его рабочие нагрузки.

Принцип действия самого маховика заключается в снижении вибрации при вращательном моменте коленчатого вала. При интенсивной работе двигателя на такте движения идет накопление энергии, которая передается коленвалу. В других рабочих тактах происходит обратный процесс – сброс энергии.

Маховик позволяет аккумулировать энергию, обеспечивая равномерное движение коленчатого вала от одного такта к другому.

Как устроен маховик и основные его виды

Как уже было сказано ранее, маховик – важная деталь автомобильного двигателя, относительно небольшой, но весьма увесистый диск, диаметр которого может составить 30-40 см. Торец маховика имеет зубчатые края, что позволяет ему соединяться со стартерным валом для передачи вращательной энергии коленвалу двигателя.

Виды маховиков

По типу конструкции маховики двигателя могут быть двухмассовыми, сплошными и облегченными. Наиболее распространенным и широко используемым является сплошной маховик. Мы рассмотрим каждый из этих видов.

Двухмассовый маховик (демпферный)

Это часто используемый вид маховика в современном автомобильном двигателе. Двухмассовый маховик – устройство, состоящее из двух дисков, соединенных специальным пружинно-демпферным устройством. Основными элементами двухмассового маховика являются: маховик, подшипник, пружина-дуга с наружными демпфером, нажимная пружина с внутренним демпфером и приводная пластина.

Подобное устройство выполняет ряд важных функций и задач:

• принимает на себя все избыточные вибрации коленвала;
• защищает трансмиссию от лишних вращательных движений и перегруза;
• уменьшает возможный износ синхронизирующих элементов;
• обеспечивает плавное переключение передач;
• позволяет экономить расход топлива в двигателе.

Однако чрезмерно интенсивна работа такого вида маховика в конечном итоге может привести к быстрому износу пружинно-демпферного механизма или выходу из строя отдельных его элементов, например, пружины.

Сплошной маховик

Такой вид маховика является более эффективным для использования в автомобильных двигателях современного образца. Сплошной маховик – тяжеловесный чугунный диск, диаметр которого составляет 35-40 см. На внешней поверхности маховика находится стальной венец с зубьями, который обеспечивает движение коленчатого вала при запуске стартера. Одна сторона маховика оснащена ступицей, при помощи которой маховик соединяется с фланцем коленвала, противоположная сторона работает как диск сцепления.

Облегченный маховик

Данный вид маховика часто используют для проведения тюнинга двигателя автомобиля. Облегченный маховик — диск, на который надевается предварительно разогретое зубчатое колесо, после остывания которого, маховик приобретает вид шестерни.

Облегченный маховик имеет небольшую массу, в среднем в полтора раза меньше, чем у обычного маховика. Облегченный маховик позволяет автомобильному двигателю достигать максимальных рабочих оборотов, увеличивать мощность на 5-7 %, улучшать разгонную динамику автомобиля.

Маховик облегченного типа изготавливается из износостойкого металла, который способен выдерживать чрезмерные нагрузки при работе двигателя, при этом работать быстро, бесшумно и эффективно.

Маховик двигателя видео:

Что такое маховик?

Посмотреть маховик в каталоге «АВТОмаркет Интерком»

Итак, маховик – это это колесо, которое вращается, и накапливает кинетическую энергию. Спешим заметить, что маховики используются не только в изготовлении автомобиля, но и во многих других отраслях промышленного производства. К примеру, был использован ранее принцип работы в изготовлении ветряной мельницы и гончарного круга.

 Строение маховика в машине можно найти на той же стороне, где находится коленвал (коленчатого вала) в моторе, укреплен он весьма прочно, несколькими болтами. Внешне это большой металлический круг с «венцом» сверху. «Венец маховика» — это особое зубчатое колесо, которое устанавливается на маховик в спеуиально разогретом для этого состоянии. Затем, маховик должен остыть после и в результате у нас будут 2 детали почти неотделяемые. Своими словами, маховик становится схож на одну большую металлическую шестерню.

 Изготавливают маховик из весьма прочного, но не ломкого металла, который способен выдержать значительные нагрузки. Существует две цели, которые выполняет маховик:

Первое. После того как вы завели машину, стартер начнет своей малой шестерней раскручивать большую шестерню маховика. Маховик соединен к коленчатому валу, который приводит в движение поршни двигателя. Поршни будут сдавливать топливо, будет подаваться искра и ваша машина заведется. Таким образом, маховик — это важнейшая часть при запуске двигателя. Без него пришлось бы прокручивать двигатель вручную как в далекие былые времена, «кривым стартером», как называли его водители прошлого века, загнутый ключ который вставлялся в двигатель и выполнял функцию маховика. Но существует еще одна функция маховика.

 Второе. Маховик, должен бороться с сторонней энергией двигателя, то есть он гасит колебания двигателя, которые пошли бы в кузов. В результате, наш с вами двигатель функционирует нормально, без излишних детонации (колебаний двигателя). Вообще то колебания двигателя существуют, но они не такие значительные. А если это современный импортный автомобиль, то его может быть вовсе не слышно. О его работе можно судить только по некоторым приборам, что говорит о сбалансированной работе деталей.

 Маховик можно купить в сети магазинов «АВТОмаркет Интерком» или заказать через интернет-магазин на нашем сайте. Также у нас функционируют в некоторых городах пункты выдачи товара.

Маховик — что это, как устроен, где находится — Словарь автомеханика

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 — одномассовый и двухмассовый. Их главное отличие в том, из скольких компонентов состоит сам маховик. Одномассовый — это цельнолитая деталь (одна масса), которая выполняет свои функции. А в двухмассовом массы две — это два диска в корпусе, которые приходят в зацепление друг с другом с использованием сложной демпфирующей системы между ними.

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:

1. Ощущение вибрации при пуске двигателя, возможно с толчками, которые чувствуются даже в рычаге КПП.
2. Мягкий стук при работе двигателя на холостых оборотах.
3. Вибрация во время разгона.
4. Толчки при переключениях передач.
5. 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 двигателя

Функции маховика ДВС

Маховик устанавливается на коленчатый вал и располагается с наружной части двигателя. Таким образом, он конструктивно связан и непосредственно с ДВС, со сцеплением и коробкой передач.

В конструкции двигателя маховик выполняет сразу несколько функций:

1. Демпфирование крутильных колебаний, возникающих во время работы двигателя. Чем лучше маховик гасит вибрацию, тем меньше нагрузка на трансмиссию и тем дольше ее срок службы.
2. Передача момента вращения от коленвала на сцепление. Ведомый диск сцепления соединяется с фрикционной поверхностью маховика.
3. Передача момента вращения на коленвал от стартера. При запуске двигателя стартер входит в зацепление с зубчатым колесом маховика для раскрутки коленвала.
4. Маховик аккумулирует часть энергии вращения и создает инерцию, препятствующую остановке двигателя. Без такой инерционной «подпитки» мотор просто остановился бы в тот момент, когда поршни доходят до мертвых точек.

Конструкция маховика:

1) Сторона двигателя

2) Зубчатый венец маховика

3) Сторона сцепления

4) Монтажный фланец

Одномассовый маховик:

Конструкция предыдущего поколения, представляющая собой диск из чугунного сплава, на который по окружности напрессован стальной зубчатый венец. Такие маховики использовались, когда двигатели были еще «медленными» и не развивали такой мощности, как сейчас. Их основной плюс – очень простая конструкция, в которой практически нечему ломаться. Да и цена ниже, чем на более современные модели. Но на современном мощном двигателе простой маховик неэффективен и дает чрезмерную нагрузку на трансмиссию. Даже диски сцепления с демпфирующими пружинами не гасят колебания коленвала на старте и холостом ходу так эффективно, как это требуется.

Двухмассовый маховик:

Он же демпферный, (ZMS, DMF, Dual Mass Flywheel) это современная разработка, направленная на максимальное гашение всех нежелательных колебаний коленвала на мощных двигателях с МКПП, облегчение переключения передач и уменьшение шума двигателя. Он состоит из двух дисков, соединенных через радиальный и упорный подшипники скольжения. Один диск является частью коленвала, а второй диск – частью сцепления. Между дисками расположен пружинно-демпферный механизм, гасящий колебания и защищающий коробку передач от вибрационных нагрузок. В двухмассовых маховиках используются пружины двух типов: менее жесткие поглощают энергию при умеренных колебаниях, а более жесткие задействуются при больших нагрузках. В отличие от пружин в диске сцепления, дуговые пружины маховика имеют большую длину и энергоемкость, что позволяет фрикционному диску маховика отклоняться (поворачиваться) в обе стороны на угол до 100 градусов относительно состояния покоя.

Зубчатый венец маховика:

Зубчатый венец передает усилие стартера через маховик на коленчатый вал. За счет этого начинается процесс запуска двигателя. У двигателей более старых типов зубчатый венец дополнительно передает в блок управления двигателем сигнал о положении ВМТ с помощью датчика положения коленвала.

Двигатель

— Что делает маховик и с чем он связан? Двигатель

— Что делает маховик и с чем он связан? — Обмен стеков по обслуживанию и ремонту автомобилей

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0

3. +0

6. Авторизоваться
   Зарегистрироваться

Motor Vehicle Maintenance & Repair Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для механиков и энтузиастов-любителей автомобилей, грузовиков и мотоциклов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил
5 лет, 6 месяцев назад

Просмотрено
114к раз

Я примерно понимаю, как работает двигатель, и что есть коленчатый вал, который может вращать маховик за счет внутреннего сгорания.

Я только что понял, что совершенно не понимаю, как кинетическая энергия (энергия движения) коленчатого вала может заставлять колеса вращаться, а также изменять скорость колес в зависимости от действий водителей. Я знаю, что где-то есть сцепление, коробка передач и «дифференциал», который позволяет колесам поворачиваться с разной скоростью (например, при повороте).

• Все это слетает с маховика?

• Что именно делает маховик и с чем он связан, кроме коленчатого вала?

• Как это связано с другими вещами?

Создан 11 янв.

Макс Гудридж

7,8471717 золотых знаков4545 серебряных знаков102102 бронзовых знака

0

Маховик служит для четырех основных целей (в большинстве автомобилей):

• Обеспечивает массу для инерции вращения, чтобы двигатель оставался в движении.
• Специально утяжелен для обеспечения балансировки коленчатого вала
• Обеспечивает запуск двигателя (стартерное кольцо)
• Он обеспечивает соединение для передачи мощности между двигателем и трансмиссией (вместе со сцеплением он также обеспечивает средство для прерывания потока мощности)

Еще один такой элемент, как маховик, — это гибкая пластина.Это тонкая пластина, которая соединяет двигатель с преобразователем крутящего момента в автоматических трансмиссиях. Хотя он обеспечивает запуск, соединение и балансировку маховика, он сам по себе не обладает достаточной массой, чтобы обеспечить инерцию вращения. В этом случае гидротрансформатор обеспечивает это двигателю.

Создан 11 янв.

Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 ♦ Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

1k2727 золотых знаков223223 серебряных знака434434 бронзовых знака

10

Это дополнение к ответу Полстера.Вот анимация

Диск в сером маховик

Википедия дает хорошее общее описание —

Маховик — это вращающееся механическое устройство, которое используется для хранения энергии вращения. …
— Обеспечение непрерывной энергии, когда источник энергии прерывается. Например, маховики используются в поршневых двигателях, поскольку источник энергии — крутящий момент двигателя — непостоянен.
— Подача энергии со скоростью, превышающей возможности непрерывного источника энергии.Это достигается за счет накопления энергии в маховике с течением времени, а затем быстрого высвобождения энергии со скоростью, превышающей возможности источника энергии.
— Контроль ориентации механической системы. В таких приложениях угловой момент маховика преднамеренно передается в виде крутящего момента на механическую систему крепления, когда энергия передается на маховик или от него, тем самым заставляя систему крепления вращаться в желаемое положение.

В нашем случае точка 1 служит больше для обеспечения плавности работы двигателя за счет минимизации ускорений / замедлений коленчатого вала между запусками цилиндров в НЕЙТРАЛЬНОМ состоянии.
Пункт 2. Используется в системах рекуперации механической кинетической энергии

Последствия высокого MI

1. Более медленная реакция двигателя — при отключении от коробки передач. (медленнее для переключения передач для профессиональных случаев)
2. Является дополнительной массой вращения для ускорения при подключении к трансмиссии.
   Технические характеристики маховика зависят от множества факторов, таких как конструкция двигателя, количество цилиндров (при большем количестве цилиндров рабочий ход распределяется более равномерно), число оборотов в минуту и ​​т. Д.
   Это также зависит от сценариев использования, например, как в гонках, с этим можно практически покончить, тратя минимальное время на неподвижное транспортное средство и между передачами.

Создан 14 янв.

Chilljeetchilljeet

2,18622 золотых знака1313 серебряных знаков2626 бронзовых знаков

Маховик — это вращающееся механическое устройство, которое используется для хранения энергии вращения…. — Обеспечение непрерывной энергии, когда источник энергии прерывается. Например, маховики используются в поршневых двигателях, поскольку источник энергии — крутящий момент двигателя — непостоянен.

Создан 28 мар.

Очень активный вопрос .Заработайте 10 репутации (не считая бонуса ассоциации), чтобы ответить на этот вопрос. Требование репутации помогает защитить этот вопрос от спама и отсутствия ответов.

Обмен стеков по обслуживанию и ремонту автомобилей лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie

Настроить параметры

Что такое маховик и для чего он нужен?

Механическая коробка передач может показаться базовой механической конструкцией.

Вы делаете всю работу по переключению передач, не так ли?

Но вы не видите всех частей, которые постоянно находятся в движении, чтобы держать вашу машину под вашим контролем.

Одна из таких частей — маховик. В автомобиле с механической коробкой передач маховик выполняет решающую функцию.

Давайте подробнее рассмотрим, что такое маховик, для чего он нужен и что может пойти не так.

КОНСТРУКЦИЯ МАХОВИКА

В механической коробке передач маховик представляет собой толстый металлический диск.

Обычно он изготавливается из чугуна, стали или, в некоторых случаях, алюминия.

Он чрезвычайно жесткий, чтобы предотвратить изгиб или коробление во время использования.

Кромка маховика имеет ряд зубцов шестерни, которые входят в зацепление со стартером двигателя.

Маховик прочно прикреплен болтами к фланцу коленчатого вала со стороны трансмиссии внутри раструба.

На стороне, обращенной к механической коробке передач, поверхность обработана ровно, чтобы диск сцепления мог зацепиться за него.

ЧТО ДЕЛАТЬ МАХОВИК

Но что делает маховик? На самом деле у него несколько разных целей:

• Маховик обеспечивает массу для инерции вращения, чтобы двигатель вашего автомобиля работал. В противном случае двигатель заглохнет, когда вы отпустите педаль газа.
• Уравновешивает двигатель. Маховик специально прижимается к коленчатому валу автомобиля, чтобы сгладить неровности, вызванные даже небольшим дисбалансом.
• Позволяет использовать электростартер.Стартер входит в зацепление со стартовым кольцом на краю маховика, чтобы начать вращение двигателя.
• Что наиболее важно для водителей, маховик соединяет двигатель с трансмиссией через муфту для передачи мощности на колеса.

Когда ваша нога находится на педали сцепления, диск сцепления отсоединяется от маховика.

Это то, как автомобиль может стоять на холостом ходу с включенным переключателем передач или как автомобиль может остановиться накатом.

Но когда педаль отпускается, диск сцепления плотно прижимается к маховику.

Когда это происходит, входной вал трансмиссии вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал двигателя.

КАКИЕ ПРОБЛЕМЫ МОГУТ ВОЗНИКНОВИТЬСЯ С МАХОВИКОМ?

Маховик чрезвычайно прочен благодаря своей прочной конструкции.

Это не означает, что проблем не может быть, просто они встречаются реже.

Среди наиболее распространенных проблем с маховиком, которые могут возникнуть, — это загрязнение.

Негерметичное заднее главное уплотнение коленчатого вала или переднее уплотнение первичного вала коробки передач может привести к утечке масла на маховик.

Это вызывает пробуксовку сцепления и чрезмерное трение и нагрев.

Это может привести к короблению или горячим точкам, вызывая вибрацию при зацеплении и ускорении.

В очень редких случаях маховик может треснуть из-за интенсивной эксплуатации в высокопроизводительных или тяжелых транспортных средствах.

РАСХОДЫ НА РЕМОНТ МАХОВИКА

Иногда маховик может быть отремонтирован, чтобы восстановить плоскую ровную поверхность, с которой сцепление будет сопрягаться, если проблема заключается в короблении или горячих точках.

Если шлифовка маховика невозможна, замена является единственным другим ремонтом.

Ремонт маховика стоит в среднем от 500 до 650 долларов за труд.

Если требуется замена маховика, средняя стоимость ремонта составляет от 700 до 1200 долларов в зависимости от марки и модели.

Это также прекрасное время для замены сцепления, если приближается время его замены.

Если вам нужна замена маховика, вы можете найти качественных местных механиков на AutoGuru.

Самый лучший бит? Вы можете быстро получить расценки и забронировать все это онлайн!

Как работает маховик? Объясняется простыми словами

]]]]>]]>

Маховик — это машина, которая резервирует энергию вращения, сопротивляясь изменениям скорости вращения.Запасенная энергия пропорциональна квадрату скорости вращения. Вы можете изменить сохраненную мощность машины, приложив крутящий момент для увеличения или уменьшения ее скорости вращения. Машина или транспортное средство теряет импульс каждый раз, когда замедляется или останавливается. Маховик восполняет потерянный импульс за счет зарезервированной мощности. В этом кратком руководстве мы обсудим , как работает маховик и для чего он нужен.

Что такое маховик на автомобиле?

Маховик — это тяжелое колесо, которое требует большого усилия для вращения вокруг своей оси.Когда колесо движется с высокой скоростью, оно будет продолжать вращаться, если вы не остановите его, приложив много усилий. Когда он вращается, он сохраняет большое количество кинетической энергии, которую позже использует для включения транспортного средства или машины во время запуска двигателя или увеличения скорости.

Что такое маховик на автомобиле? Технически объяснение, маховик (если ручной) или гибкий диск (если автоматическая коробка передач) определяется как диск, который прикручивается к коленчатому валу в задней части двигателя.Он служит многим целям:

• На автомобиле с механической коробкой передач дает одну из поверхностей трения для сцепления. К нему прикручен нажимной диск сцепления, и диск сцепления зажат между ними.
• На автомобилях с автоматической коробкой передач он на самом деле известен как гибкая пластина, а гидротрансформатор болтов трансмиссии.

На его внешнем крае есть зубчатое кольцо, которое стартер поворачивает для запуска двигателя. Из-за большого диска (относительно коленчатого вала) это позволяет стартеру иметь больше рычагов воздействия на двигатель.

Он также служит для выполнения определенных задач работы двигателя. Хотя более массивные маховики требуют больше энергии для вращения, при вращении они набирают больше оборотов и помогают двигателю работать более плавно и плавнее переключаться на более высоких оборотах.

Как работает маховик?

Как работает маховик для хранения энергии? Что ж, вы можете сравнить это с механизмом механической батареи. В то время как батарея хранит энергию в химической форме, маховик сохраняет энергию в форме движения или, если быть точным, кинетической энергии.

Маховик сможет накапливать больше энергии, если он вращается с более высокой скоростью или имеет больший момент инерции, что означает более громоздкий. Тем не менее, он всегда работает лучше, когда вы вращаете его быстрее, а не увеличиваете его массу. Например, колесо будет производить вдвое больше энергии, чем то, которое весит половину его, при условии, что оба они вращаются с одинаковой скоростью. С другой стороны, вращение колеса зажигалки вдвое быстрее увеличит количество запасенной энергии в четыре раза.

Чем легче маховик, тем больше энергии сохраняется

СМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ

По этой причине всегда лучше использовать более легкие, быстроходные колеса, чем устройства, имеющие большой вес.Кроме того, компактные маховики имеют практический смысл в гоночных автомобилях, потому что они должны быть как можно более легкими для движения на высоких скоростях.

Как работает маховик , когда вы постоянно увеличиваете скорость? Это невозможно, потому что есть момент, когда материал колеса не сможет справиться с силой 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. Раньше они были большого диаметра со спицами и громоздким металлическим ободом. Однако современные блоки более компактны, так как сделаны из композитных материалов или углеродного волокна. Вы должны сильно толкать колесо, чтобы оно пришло в движение. В основном он выполняет эти функции в большинстве автомобилей:

1. Запуск двигателя

Зубья шестерни врезаются в опору маховика по окружности, запускающую двигатель. В стартере двигателя небольшая шестерня (называемая шестерней Бендикса) соединяется с маховиком, когда вы поворачиваете ключ.Комбинация редуктора Bendix / стартера вращает маховик, поворачивая коленчатый вал и начиная цикл сжатия, необходимый для запуска двигателя. После запуска двигателя шестерня Bendix снимается, позволяя маховику свободно вращаться.

2. Сглаживание оборотов двигателя

После запуска двигателя коленчатый вал преобразует движение поршней вверх и вниз во вращательное движение. Тем не менее, это движение прерывистое, поскольку мощность вырабатывается только дважды (для четырехцилиндрового двигателя) или четыре раза (для восьмицилиндрового) за один оборот двигателя.Масса маховика обеспечивает инерцию, чтобы коленчатый вал двигателя вращался между каждым из этих срабатываний поршня, поэтому скорость вращения коленчатого вала остается постоянной, а двигатель работает плавно.

Маховик выполняет в автомобиле определенные функции. Источник: Youtube

3. Балансировка двигателя

Поскольку поршни смещены относительно центра коленчатого вала, двигатель, следовательно, вибрирует и раскачивается, поскольку каждый поршень срабатывает под разным углом. Большой вес маховика подавляет это движение из стороны в сторону, помогая стабилизировать и уравновесить двигатель на его опорах и снизить вибрацию по всему автомобилю.

4. Снижение напряжения трансмиссии

Стабилизируя движение двигателя и выравнивая его скорость, маховик ограничивает износ других компонентов трансмиссии. Хотя валы двигателя и трансмиссии параллельны друг другу, крепления между осью и трансмиссией — нет; карданный вал использует универсальные шарниры, которые постоянно меняют угол поворота при повороте. Маховики помогают снизить износ таких шарниров.

5. Манипуляции с весом

Вес маховика — это одна из регулировок, которую производители двигателей используют для настройки характеристик своего двигателя для конкретных целей.

• Более тяжелые маховики позволяют двигателям работать при нагрузках, которые могут вызвать его застревание; таким образом, автомобили, постоянно везущие тяжелые прицепы, должны иметь больший маховик.
• Двигатели, работающие на высоких скоростях, такие как двигатели гоночных автомобилей, имеют более легкий маховик для лучшего ускорения на скорости; что может затруднить плавную работу двигателя на холостом ходу и затруднить ускорение после полной остановки. Из-за этого гонщикам нужны пит-бригады, чтобы подтолкнуть их к запуску машин.

Топ-5 симптомов неисправного маховика

1. Обжигающий запах

Этот запах возникает при неправильном использовании сцепления из-за неисправного маховика или неопытного водителя. Облицовка муфты изготовлена ​​из материалов, снижающих уровень шума, производимого муфтой во время работы. Облицовка муфты выделяет много тепла из-за трения из-за неправильного использования, что, по сути, приводит к глянцеванию поверхности от тепла. Следствием этого является сильный резкий, едкий запах, который может стать довольно заметным.

2. Дрожание сцепления

Вместо плавного включения сцепление «проскальзывает» по маховику. Сцепление многократно захватывает и отпускает, что ощущается как заикание или вибрация при отпускании сцепления. Это может происходить на любой передаче, но наиболее популярно при трогании с полной остановки. Хотя иногда причиной является деформированный маховик, вибрацию сцепления трудно диагностировать, поскольку прижимной диск, диск сцепления или выжимной подшипник часто являются неисправностью, независимо от того, изношены ли детали, сломаны, деформированы или загрязнены маслом из-за двигателя или утечка трансмиссии.

3. Пробуксовка сцепления

Часто, когда вы пытаетесь переключить передачи во время движения, передачи могут проскальзывать. Обычно это происходит, когда вы можете сказать, что на колеса не передается мощность. Часто это прямой результат износа сцепления. Проскальзывающая муфта в конечном итоге приведет к износу и маховика. Вы можете начать слышать скрежет прижимного диска, и в конечном итоге другие детали маховика в узле сцепления перегреются, что приведет к их деформации или даже потрескиванию.

4. Перемещение сцепления

Противоположно пробуксовке сцепления. Вместо выключения сцепления сцепление просто не выключается полностью. Вы столкнетесь с различными уровнями шлифования шестерен при переключении передач или даже с полным отказом от включения первой передачи при трогании с места.

Торможение сцепления на самом деле не является неисправностью самого маховика. Это подшипник или втулка маховика или коленчатого вала в сборе.

5. Вибрация педали сцепления

Наряду с этим каждый раз, когда вы нажимаете на сцепление, могут возникать вибрации от педали сцепления или пола вашего автомобиля.Эти вибрации указывают на то, что опоры рессоры маховика вышли из строя. Как вы, возможно, знаете, пружинный механизм обычно снижает вибрации, создаваемые используемым сцеплением.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 4 апреля 2021 г.

Стоп … старт … стоп … старт — это не способ
привод! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы
тратить наработанный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию
(энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.Разве 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
работ, которые маховик может сделать за вас. Впервые использован в
гончарные круги, которые в то время пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах.
во время промышленной революции маховики теперь
возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности
растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя 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 нужны маховики

Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик — это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Двигатели самые счастливые и самые эффективные
когда они производят мощность 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 необходимо полностью остановиться.
Отчасти эту проблему решают муфты и шестерни. (Клатч — это
механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины
это вождение, в то время как шестерня — это пара заблокированных
колеса с зубьями
который изменяет скорость и крутящий момент (усилие поворота) машины, поэтому он
может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.)
Но чего не могут сделать муфты и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите
когда вы тормозите и отдаете его позже.Это работа маховика!

Что такое маховик?

Маховик — это очень тяжелое колесо, которое
требуется много силы, чтобы вращаться. Это может быть большой диаметр
колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть
цилиндр меньшего диаметра из чего-то вроде углеродного волокна
композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать
действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много
силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы.В виде
в результате, когда он вращается на высокой скорости, он имеет тенденцию
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 чем-то вроде
«механический аккумулятор», но он накапливает энергию в виде движения
(другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в
химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в
поле ниже — но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете
про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес
хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и лёгкости, а маховики
которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые
вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что
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
(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
таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть
то, что называется моментом инерции (сколько «хлама» они
из чего и как он распределяется) и угловой скорости (как
они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной.
скорость только ходит по кругу.

Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:

E = ½mv2

(где m — масса, а v — скорость), поэтому эквивалентный кинетический
энергия вращающегося объекта дается этим:

E = ½Iω2

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

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его намного проще, чем вы могли бы подумать.
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 вращается вокруг. Чем дальше от центра находится масса,
тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта — и мы количественно оцениваем 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 высокий
момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше
его масса дальше от точки вращения.

Законы о сохранении

Законы сохранения энергии и
закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они
применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что крутится с
определенное количество энергии и углового момента (вращение
эквивалент обычного, прямолинейного, линейного количества движения) сохраняет свое
угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха)
крадет это.Этот закон называется сохранением угловой
импульс.

Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их
масса находится дальше от центра их тела (точки вращения)
значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся
с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к
центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но
закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент
должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они увеличат скорость
вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он
прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они
снова руки).

Artwork: если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).

Какая лучшая конструкция для маховика?

Из этих основных законов физики следует, что
маховик будет накапливать 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.А поскольку кинетическая энергия
вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости
(ω2), вы
Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции.
Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на
обод, который вдвое тяжелее (вдвое больше его момента инерции), он будет
накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если
вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше
угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса.
а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики тоже
более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию
добавить слишком много веса.)

Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна
ограничено прочностью материала, из которого он сделан: вращать маховик
слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без
разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как
сплавы, композиты из углеродного волокна,
керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния.
Некоторые из них специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.

Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции — или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в движение груз (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 рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять 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 сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект
будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно.
Единственная проблема в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на низкофрикционные
подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько
энергии на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики
плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без
трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет 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. Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Считайте что-то вроде старомодного пара
тяговый двигатель — по сути, тяжелый старый трактор с приводом от
паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть
тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями
производит мощность 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 полезная работа для нас.

Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик
помогает сгладить мощность, получаемую колесами. Так что пока
цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать
секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра),
колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной
скорость — и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в
уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно от поршня
и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления
автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля
вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете
тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Ты
может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство
начал бы замедляться. При этом энергия будет передаваться
от транспортного средства к маховику, который будет набирать скорость и удерживать
спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль
полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы воспользуетесь сцеплением, чтобы
повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик
отдайте большую часть двигателя, которую он поглотил при торможении.

В-третьих, маховик может использоваться для временного
дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите
догнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик
вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному из них
двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он
как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает
однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна
потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Вы можете утверждать, что маховики — одно из старейших изобретений:
самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики независимо от того, предназначались они для этого или нет.
Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга — даже старше, чем круги
используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он
имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе
пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые
производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков,
с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и
питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными
со времен Римской империи.

Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики времен Промышленного
Revolution 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 с большой скоростью
скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже
должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы,
они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено
к.Широкая доступность чугуна и стали во время
Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких
прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин
плавно и качественно.

После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала
широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости,
угольные паровые машины. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания с приводом от
бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и
не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на
на обочине по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам
снова поднялась, в основном потому, что людей стало больше
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 M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с
технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы.
Основная идея — установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10 000 об / мин).
между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем
и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз,
поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается
передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае
были потрачены впустую. Современная железная дорога и
в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком,
что может дать общую экономию энергии примерно на треть или больше.
Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики.
в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики
потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут
потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.

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

За последние несколько лет болиды Формулы-1
также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем
для экономии энергии.Технология называется KERS (Kinetic Energy
Система восстановления) и состоит из очень компактного маховика с очень высокой скоростью вращения.
(вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может
нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно
взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при
для разгона требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком,
соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен
внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил
драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели,
генераторы,
и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)

Фото: ультрасовременный маховик G6, разработанный НАСА, может накапливать и выделять кинетическую энергию в течение
трехчасовой период.

Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Так же, как маховики — в виде
водяные колеса — играли важную роль в попытках человека использовать
энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии.Один
трудностей с силовыми установками (а тем более с
формы 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 намного проще, чем его производить.
стоит хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение
это. Иногда, когда предложения электроэнергии больше, чем спроса
(например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить
их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение
периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова
пиковой потребности.На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании.
Компания Beacon Power первой использовала маховики для накопления энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиков потребления энергии.
потребность. Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы
обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Преимущества и недостатки маховиков

Маховики — это относительно простая технология с
множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения начальной стоимости и текущих
обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше
(Есть еще много работающих маховиков, начиная с
Industrial Revolution), экологически чистые (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты.
(в отличие, например, от аккумуляторов, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они
также чрезвычайно эффективен (может быть, 80 процентов или более) и занимает меньше
пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные
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 требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно
что касается транспортных средств) — это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS
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) в том, что большое тяжелое колесо
вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп,
сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на
управляемость автомобиля (хотя есть разные решения,
включая установку маховиков на карданы, как корабельный компас).А
дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики
опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать
их разбить и взорвать на осколки. Это действует как ограничение на
насколько быстро могут вращаться маховики и, следовательно, сколько энергии они
можно хранить. В то время как традиционные колеса делались из стали и вращались
на открытом воздухе современные чаще используют
высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает
возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 4 апреля 2021 г.

Стоп … старт … стоп … старт — это не способ
привод! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы
тратить наработанный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию
(энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.
Разве 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
работ, которые маховик может сделать за вас.Впервые использован в
гончарные круги, которые в то время пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах.
во время промышленной революции маховики теперь
возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности
растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя 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 нужны маховики

Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик — это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Двигатели самые счастливые и самые эффективные
когда они производят мощность 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 необходимо полностью остановиться.Отчасти эту проблему решают муфты и шестерни. (Клатч — это
механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины
это вождение, в то время как шестерня — это пара заблокированных
колеса с зубьями
который изменяет скорость и крутящий момент (усилие поворота) машины, поэтому он
может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.)
Но чего не могут сделать муфты и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите
когда вы тормозите и отдаете его позже. Это работа маховика!

Что такое маховик?

Маховик — это очень тяжелое колесо, которое
требуется много силы, чтобы вращаться.Это может быть большой диаметр
колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть
цилиндр меньшего диаметра из чего-то вроде углеродного волокна
композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать
действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много
силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы. В виде
в результате, когда он вращается на высокой скорости, он имеет тенденцию
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 чем-то вроде
«механический аккумулятор», но он накапливает энергию в виде движения
(другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в
химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в
поле ниже — но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете
про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес
хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и лёгкости, а маховики
которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые
вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что
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
(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
таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть
то, что называется моментом инерции (сколько «хлама» они
из чего и как он распределяется) и угловой скорости (как
они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной.
скорость только ходит по кругу.

Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:

E = ½mv2

(где m — масса, а v — скорость), поэтому эквивалентный кинетический
энергия вращающегося объекта дается этим:

E = ½Iω2

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

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его намного проще, чем вы могли бы подумать.
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 вращается вокруг. Чем дальше от центра находится масса,
тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта — и мы количественно оцениваем 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 высокий
момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше
его масса дальше от точки вращения.

Законы о сохранении

Законы сохранения энергии и
закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они
применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что крутится с
определенное количество энергии и углового момента (вращение
эквивалент обычного, прямолинейного, линейного количества движения) сохраняет свое
угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха)
крадет это.Этот закон называется сохранением угловой
импульс.

Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их
масса находится дальше от центра их тела (точки вращения)
значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся
с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к
центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но
закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент
должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они увеличат скорость
вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он
прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они
снова руки).

Artwork: если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).

Какая лучшая конструкция для маховика?

Из этих основных законов физики следует, что
маховик будет накапливать 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.А поскольку кинетическая энергия
вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости
(ω2), вы
Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции.
Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на
обод, который вдвое тяжелее (вдвое больше его момента инерции), он будет
накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если
вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше
угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса.
а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики тоже
более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию
добавить слишком много веса.)

Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна
ограничено прочностью материала, из которого он сделан: вращать маховик
слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без
разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как
сплавы, композиты из углеродного волокна,
керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния.
Некоторые из них специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.

Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции — или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в движение груз (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 рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять 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 сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект
будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно.
Единственная проблема в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на низкофрикционные
подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько
энергии на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики
плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без
трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет 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. Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Считайте что-то вроде старомодного пара
тяговый двигатель — по сути, тяжелый старый трактор с приводом от
паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть
тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями
производит мощность 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 полезная работа для нас.

Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик
помогает сгладить мощность, получаемую колесами. Так что пока
цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать
секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра),
колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной
скорость — и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в
уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно от поршня
и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления
автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля
вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете
тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Ты
может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство
начал бы замедляться. При этом энергия будет передаваться
от транспортного средства к маховику, который будет набирать скорость и удерживать
спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль
полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы воспользуетесь сцеплением, чтобы
повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик
отдайте большую часть двигателя, которую он поглотил при торможении.

В-третьих, маховик может использоваться для временного
дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите
догнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик
вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному из них
двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он
как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает
однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна
потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Вы можете утверждать, что маховики — одно из старейших изобретений:
самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики независимо от того, предназначались они для этого или нет.
Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга — даже старше, чем круги
используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он
имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе
пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые
производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков,
с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и
питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными
со времен Римской империи.

Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики времен Промышленного
Revolution 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 с большой скоростью
скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже
должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы,
они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено
к.Широкая доступность чугуна и стали во время
Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких
прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин
плавно и качественно.

После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала
широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости,
угольные паровые машины. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания с приводом от
бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и
не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на
на обочине по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам
снова поднялась, в основном потому, что людей стало больше
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 M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с
технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы.
Основная идея — установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10 000 об / мин).
между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем
и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз,
поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается
передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае
были потрачены впустую. Современная железная дорога и
в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком,
что может дать общую экономию энергии примерно на треть или больше.
Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики.
в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики
потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут
потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.

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

За последние несколько лет болиды Формулы-1
также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем
для экономии энергии.Технология называется KERS (Kinetic Energy
Система восстановления) и состоит из очень компактного маховика с очень высокой скоростью вращения.
(вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может
нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно
взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при
для разгона требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком,
соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен
внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил
драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели,
генераторы,
и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)

Фото: ультрасовременный маховик G6, разработанный НАСА, может накапливать и выделять кинетическую энергию в течение
трехчасовой период.

Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Так же, как маховики — в виде
водяные колеса — играли важную роль в попытках человека использовать
энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии.Один
трудностей с силовыми установками (а тем более с
формы 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 намного проще, чем его производить.
стоит хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение
это. Иногда, когда предложения электроэнергии больше, чем спроса
(например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить
их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение
периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова
пиковой потребности.На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании.
Компания Beacon Power первой использовала маховики для накопления энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиков потребления энергии.
потребность. Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы
обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Преимущества и недостатки маховиков

Маховики — это относительно простая технология с
множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения начальной стоимости и текущих
обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше
(Есть еще много работающих маховиков, начиная с
Industrial Revolution), экологически чистые (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты.
(в отличие, например, от аккумуляторов, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они
также чрезвычайно эффективен (может быть, 80 процентов или более) и занимает меньше
пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные
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 требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно
что касается транспортных средств) — это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS
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) в том, что большое тяжелое колесо
вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп,
сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на
управляемость автомобиля (хотя есть разные решения,
включая установку маховиков на карданы, как корабельный компас).А
дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики
опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать
их разбить и взорвать на осколки. Это действует как ограничение на
насколько быстро могут вращаться маховики и, следовательно, сколько энергии они
можно хранить. В то время как традиционные колеса делались из стали и вращались
на открытом воздухе современные чаще используют
высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает
возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 4 апреля 2021 г.

Стоп … старт … стоп … старт — это не способ
привод! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы
тратить наработанный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию
(энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.
Разве 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
работ, которые маховик может сделать за вас.Впервые использован в
гончарные круги, которые в то время пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах.
во время промышленной революции маховики теперь
возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности
растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя 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 нужны маховики

Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик — это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Двигатели самые счастливые и самые эффективные
когда они производят мощность 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 необходимо полностью остановиться.Отчасти эту проблему решают муфты и шестерни. (Клатч — это
механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины
это вождение, в то время как шестерня — это пара заблокированных
колеса с зубьями
который изменяет скорость и крутящий момент (усилие поворота) машины, поэтому он
может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.)
Но чего не могут сделать муфты и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите
когда вы тормозите и отдаете его позже. Это работа маховика!

Что такое маховик?

Маховик — это очень тяжелое колесо, которое
требуется много силы, чтобы вращаться.Это может быть большой диаметр
колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть
цилиндр меньшего диаметра из чего-то вроде углеродного волокна
композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать
действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много
силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы. В виде
в результате, когда он вращается на высокой скорости, он имеет тенденцию
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 чем-то вроде
«механический аккумулятор», но он накапливает энергию в виде движения
(другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в
химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в
поле ниже — но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете
про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес
хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и лёгкости, а маховики
которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые
вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что
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
(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
таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть
то, что называется моментом инерции (сколько «хлама» они
из чего и как он распределяется) и угловой скорости (как
они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной.
скорость только ходит по кругу.

Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:

E = ½mv2

(где m — масса, а v — скорость), поэтому эквивалентный кинетический
энергия вращающегося объекта дается этим:

E = ½Iω2

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

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его намного проще, чем вы могли бы подумать.
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 вращается вокруг. Чем дальше от центра находится масса,
тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта — и мы количественно оцениваем 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 высокий
момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше
его масса дальше от точки вращения.

Законы о сохранении

Законы сохранения энергии и
закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они
применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что крутится с
определенное количество энергии и углового момента (вращение
эквивалент обычного, прямолинейного, линейного количества движения) сохраняет свое
угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха)
крадет это.Этот закон называется сохранением угловой
импульс.

Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их
масса находится дальше от центра их тела (точки вращения)
значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся
с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к
центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но
закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент
должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они увеличат скорость
вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он
прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они
снова руки).

Artwork: если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).

Какая лучшая конструкция для маховика?

Из этих основных законов физики следует, что
маховик будет накапливать 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.А поскольку кинетическая энергия
вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости
(ω2), вы
Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции.
Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на
обод, который вдвое тяжелее (вдвое больше его момента инерции), он будет
накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если
вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше
угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса.
а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики тоже
более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию
добавить слишком много веса.)

Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна
ограничено прочностью материала, из которого он сделан: вращать маховик
слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без
разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как
сплавы, композиты из углеродного волокна,
керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния.
Некоторые из них специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.

Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции — или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в движение груз (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 рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять 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 сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект
будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно.
Единственная проблема в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на низкофрикционные
подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько
энергии на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики
плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без
трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет 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. Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Считайте что-то вроде старомодного пара
тяговый двигатель — по сути, тяжелый старый трактор с приводом от
паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть
тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями
производит мощность 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 полезная работа для нас.

Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик
помогает сгладить мощность, получаемую колесами. Так что пока
цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать
секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра),
колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной
скорость — и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в
уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно от поршня
и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления
автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля
вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете
тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Ты
может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство
начал бы замедляться. При этом энергия будет передаваться
от транспортного средства к маховику, который будет набирать скорость и удерживать
спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль
полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы воспользуетесь сцеплением, чтобы
повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик
отдайте большую часть двигателя, которую он поглотил при торможении.

В-третьих, маховик может использоваться для временного
дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите
догнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик
вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному из них
двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он
как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает
однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна
потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Вы можете утверждать, что маховики — одно из старейших изобретений:
самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики независимо от того, предназначались они для этого или нет.
Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга — даже старше, чем круги
используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он
имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе
пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые
производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков,
с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и
питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными
со времен Римской империи.

Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики времен Промышленного
Revolution 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 с большой скоростью
скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже
должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы,
они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено
к.Широкая доступность чугуна и стали во время
Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких
прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин
плавно и качественно.

После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала
широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости,
угольные паровые машины. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания с приводом от
бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и
не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на
на обочине по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам
снова поднялась, в основном потому, что людей стало больше
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 M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с
технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы.
Основная идея — установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10 000 об / мин).
между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем
и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз,
поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается
передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае
были потрачены впустую. Современная железная дорога и
в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком,
что может дать общую экономию энергии примерно на треть или больше.
Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики.
в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики
потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут
потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.

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

За последние несколько лет болиды Формулы-1
также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем
для экономии энергии.Технология называется KERS (Kinetic Energy
Система восстановления) и состоит из очень компактного маховика с очень высокой скоростью вращения.
(вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может
нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно
взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при
для разгона требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком,
соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен
внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил
драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели,
генераторы,
и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)

Фото: ультрасовременный маховик G6, разработанный НАСА, может накапливать и выделять кинетическую энергию в течение
трехчасовой период.

Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Так же, как маховики — в виде
водяные колеса — играли важную роль в попытках человека использовать
энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии.Один
трудностей с силовыми установками (а тем более с
формы 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 намного проще, чем его производить.
стоит хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение
это. Иногда, когда предложения электроэнергии больше, чем спроса
(например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить
их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение
периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова
пиковой потребности.На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании.
Компания Beacon Power первой использовала маховики для накопления энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиков потребления энергии.
потребность. Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы
обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Преимущества и недостатки маховиков

Маховики — это относительно простая технология с
множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения начальной стоимости и текущих
обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше
(Есть еще много работающих маховиков, начиная с
Industrial Revolution), экологически чистые (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты.
(в отличие, например, от аккумуляторов, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они
также чрезвычайно эффективен (может быть, 80 процентов или более) и занимает меньше
пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные
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 требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно
что касается транспортных средств) — это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS
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) в том, что большое тяжелое колесо
вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп,
сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на
управляемость автомобиля (хотя есть разные решения,
включая установку маховиков на карданы, как корабельный компас).А
дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики
опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать
их разбить и взорвать на осколки. Это действует как ограничение на
насколько быстро могут вращаться маховики и, следовательно, сколько энергии они
можно хранить. В то время как традиционные колеса делались из стали и вращались
на открытом воздухе современные чаще используют
высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает
возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.

Как маховики накапливают энергию?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 4 апреля 2021 г.

Стоп … старт … стоп … старт — это не способ
привод! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы
тратить наработанный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию
(энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.
Разве 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
работ, которые маховик может сделать за вас.Впервые использован в
гончарные круги, которые в то время пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах.
во время промышленной революции маховики теперь
возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности
растения. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Старый маховик парового двигателя 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 нужны маховики

Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик — это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Двигатели самые счастливые и самые эффективные
когда они производят мощность 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 необходимо полностью остановиться.Отчасти эту проблему решают муфты и шестерни. (Клатч — это
механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины
это вождение, в то время как шестерня — это пара заблокированных
колеса с зубьями
который изменяет скорость и крутящий момент (усилие поворота) машины, поэтому он
может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.)
Но чего не могут сделать муфты и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите
когда вы тормозите и отдаете его позже. Это работа маховика!

Что такое маховик?

Маховик — это очень тяжелое колесо, которое
требуется много силы, чтобы вращаться.Это может быть большой диаметр
колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть
цилиндр меньшего диаметра из чего-то вроде углеродного волокна
композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать
действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много
силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы. В виде
в результате, когда он вращается на высокой скорости, он имеет тенденцию
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 чем-то вроде
«механический аккумулятор», но он накапливает энергию в виде движения
(другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в
химическая форма внутри традиционной электрической батареи.

Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в
поле ниже — но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете
про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес
хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и лёгкости, а маховики
которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые
вращаться медленнее.

Современные маховики немного отличаются от тех, что
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
(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
таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть
то, что называется моментом инерции (сколько «хлама» они
из чего и как он распределяется) и угловой скорости (как
они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной.
скорость только ходит по кругу.

Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:

E = ½mv2

(где m — масса, а v — скорость), поэтому эквивалентный кинетический
энергия вращающегося объекта дается этим:

E = ½Iω2

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

«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его намного проще, чем вы могли бы подумать.
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 вращается вокруг. Чем дальше от центра находится масса,
тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта — и мы количественно оцениваем 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 высокий
момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше
его масса дальше от точки вращения.

Законы о сохранении

Законы сохранения энергии и
закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они
применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что крутится с
определенное количество энергии и углового момента (вращение
эквивалент обычного, прямолинейного, линейного количества движения) сохраняет свое
угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха)
крадет это.Этот закон называется сохранением угловой
импульс.

Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их
масса находится дальше от центра их тела (точки вращения)
значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся
с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к
центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но
закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент
должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они увеличат скорость
вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он
прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они
снова руки).

Artwork: если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).

Какая лучшая конструкция для маховика?

Из этих основных законов физики следует, что
маховик будет накапливать 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.А поскольку кинетическая энергия
вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости
(ω2), вы
Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции.
Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на
обод, который вдвое тяжелее (вдвое больше его момента инерции), он будет
накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если
вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше
угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса.
а не массивные. (Компактные, высокоскоростные маховики тоже
более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию
добавить слишком много веса.)

Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна
ограничено прочностью материала, из которого он сделан: вращать маховик
слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, где сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без
разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как
сплавы, композиты из углеродного волокна,
керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния.
Некоторые из них специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.

Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции — или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в движение груз (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 рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Как маховик может сохранять 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 сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.

Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект
будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно.
Единственная проблема в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на низкофрикционные
подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько
энергии на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики
плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без
трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет 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. Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Считайте что-то вроде старомодного пара
тяговый двигатель — по сути, тяжелый старый трактор с приводом от
паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть
тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями
производит мощность 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 полезная работа для нас.

Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик
помогает сгладить мощность, получаемую колесами. Так что пока
цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать
секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра),
колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной
скорость — и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в
уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно от поршня
и цилиндр).

Во-вторых, маховик можно использовать для замедления
автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля
вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете
тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Ты
может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство
начал бы замедляться. При этом энергия будет передаваться
от транспортного средства к маховику, который будет набирать скорость и удерживать
спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль
полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы воспользуетесь сцеплением, чтобы
повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик
отдайте большую часть двигателя, которую он поглотил при торможении.

В-третьих, маховик может использоваться для временного
дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите
догнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик
вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен ни к одному из них
двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он
как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает
однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна
потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.

Краткая история маховиков

Древние маховики

Вы можете утверждать, что маховики — одно из старейших изобретений:
самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики независимо от того, предназначались они для этого или нет.
Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга — даже старше, чем круги
используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он
имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе
пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые
производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков,
с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и
питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными
со времен Римской империи.

Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).

Маховики промышленной революции

Самые известные маховики времен Промышленного
Revolution 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 с большой скоростью
скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они тоже
должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы,
они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено
к.Широкая доступность чугуна и стали во время
Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких
прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин
плавно и качественно.

После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала
широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости,
угольные паровые машины. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания с приводом от
бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и
не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на
на обочине по мере развития 20-го века.

Современные маховики

С середины 20 века интерес к маховикам
снова поднялась, в основном потому, что людей стало больше
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 M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с
технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы.
Основная идея — установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10 000 об / мин).
между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем
и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз,
поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается
передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае
были потрачены впустую. Современная железная дорога и
в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком,
что может дать общую экономию энергии примерно на треть или больше.
Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики.
в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики
потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут
потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.

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

За последние несколько лет болиды Формулы-1
также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем
для экономии энергии.Технология называется KERS (Kinetic Energy
Система восстановления) и состоит из очень компактного маховика с очень высокой скоростью вращения.
(вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может
нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно
взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при
для разгона требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком,
соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен
внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил
драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели,
генераторы,
и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)

Фото: ультрасовременный маховик G6, разработанный НАСА, может накапливать и выделять кинетическую энергию в течение
трехчасовой период.

Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Так же, как маховики — в виде
водяные колеса — играли важную роль в попытках человека использовать
энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии.Один
трудностей с силовыми установками (а тем более с
формы 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 намного проще, чем его производить.
стоит хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение
это. Иногда, когда предложения электроэнергии больше, чем спроса
(например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить
их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение
периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова
пиковой потребности.На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании.
Компания Beacon Power первой использовала маховики для накопления энергии до 20 мегаватт для удовлетворения временных пиков потребления энергии.
потребность. Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы
обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.

Преимущества и недостатки маховиков

Маховики — это относительно простая технология с
множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения начальной стоимости и текущих
обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше
(Есть еще много работающих маховиков, начиная с
Industrial Revolution), экологически чистые (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты.
(в отличие, например, от аккумуляторов, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они
также чрезвычайно эффективен (может быть, 80 процентов или более) и занимает меньше
пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные
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 требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL

Самый большой недостаток маховиков (конечно
что касается транспортных средств) — это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS
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) в том, что большое тяжелое колесо
вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп,
сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на
управляемость автомобиля (хотя есть разные решения,
включая установку маховиков на карданы, как корабельный компас).А
дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики
опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать
их разбить и взорвать на осколки.