О штатном элементе
Как бы ни ругались между собой на форуме автолюбители, маховик – это точная и идеально выверенная деталь. При разработке инженеры тщательно просчитывали нагрузки, сопротивление на кручение и на слом. Вес штатного маховика на большинстве автомобилей (за исключением автобусов и грузовиков, а также спецтехники) находится в диапазоне от семи до девяти килограммов. Точная масса зависит от конкретной модели машины и ее класса.
Из всего этого выходит, что маховик мешает двигателю работать, отбирая на себя часть мощности. Но здесь не все так однозначно. За счет своей массы маховик берет ненужную энергию, которая вырабатывается за счет детонации или других побочных процессов. Так, эти процессы не идут на кузов в виде вибраций, а поглощаются маховиком.
Конструкция
Главная цель продвижения указанных накопителей – «секрет Полишинеля»: исключение затрат кинетической энергии на трение колодок о тормозные диски, возникающее при замедлении автомобиля, и ее преобразование во вращение маховика, который в последующем участвует в приводе транспортного средства. К одной из осей транспортного средства определенным образом подключается маховик-накопитель. При торможении он раскручивается через соединенный с осью транспортного средства вращающийся вал. Продолжая вращаться после остановки автомобиля, маховик «вкладывается» в его разгон при возобновлении движения. Иными словами, при торможении и на спусках кинетическая энергия не пропадает в тормозных устройствах автомобиля, а накапливается рассматриваемым маховиком. Особенно востребованным маховичный накопитель оказывается в «городском цикле» движения, отличающемся частыми троганиями и торможениями. ДВС и маховичный накопитель могут срабатывать и по отдельности, а именно: двигатель подзаряжает маховик, который затем в одиночку разгоняет транспортное средство (но и в этом случае энергия торможения возвращается маховичному накопителю).
Маховичные накопители последнего поколения (к примеру, Torqstor) отличают композитные сплавы на основе углеродистых волокон и размещение в безвоздушной среде для уменьшения потерь мощности. Современные маховичные накопители, выполняемые, повторим, из углепластика, отличающиеся навивкой из углеволокна, являются высокопрочными (как и защитный корпус); сталь в качестве материала их изготовления ушла в прошлое. В ряде случаев композитный сплав маховичных накопителей наполняют магнитной пудрой, попутно сводя на нет возникновение вихревых токов. Кроме того, намагниченный таким образом маховик способен работать в условиях повышенных температур не в ущерб сроку службы. В новейших образцах рассматриваемых устройств механическое соединение вала, привода маховичного накопителя и главной передачи в ряде случаев уступило место магнитному, исключающему проскальзывание вращающихся валов. Согласует частоту вращения маховика и в конечном счете крутящий момент колес, плавно меняет передаточное отношение между входным и выходным валами бесступенчатый привод, сегодня известный как Compact Variator Transmission (CVT-вариатор, тот же Torotrak, ранее – планетарный дисковый вариатор). Его наличие и надлежащий уровень изготовления – одно из главных условий использования маховичного накопителя.
Накопление значительной кинетической энергии предполагает использование высоко-оборотистых маховиков. Частота вращения их современных образцов достигает 60 000 об/мин, масса составляет от 6 до 100 и выше кг, а к примеру, при мощности 100 кВт они запасают 200 кДж энергии. Современные маховичные накопители для автотехники различных классов предлагают Ricardo, Williams Hybrid Power, Flybrid Automotive (с 2014 г. – Torotrak Group).
Свою новейшую разработку Ricardo представил в 2014 г. в составе дорожно-строительной техники. Изготовленный ранее автобус среднего класса Optare (Solo Midibus), оборудованный вспомогательным маховиком Ricardo, получил название Flybus. На автобусах в Лондоне в качестве вспомогательного привода испытывались маховики от компании Williams Hybrid Power (работающей с этом направлении на гоночные автомобили «Формула-1», а также вагоностроительным отделением многопрофильного французского объединения Alstom). Уточним, что в самом известном примере использования маховика – кстати, при маршрутных перевозках пассажиров – жиробусе «Орликон» (1950-е гг., в Швейцарии, Конго, Бельгии) он выступал в качестве основного источника тяги подвижного состава. Английский FlyBrid Automotive (Torotrak Group) взаимодействует с Volvo. В открытой печати об этом сообщалось в разрезе легковушки, однако шведская фирма – всемирно известный изготовитель тяжелых грузовиков и дорожно-строительной техники. Кроме того, как и в случае с Ricardo, сотрудничество ведется с изготовителем коммерческой автотехники (Ford), а также марками Jaguar, Rover.
Энергия, возникающая при торможении, преобразуется во вращение маховика и используется для привода колес транспортного средства. Пропорционально снижается потребность использования ДВС на малоэкономичных режимах – суть рекуперация.
Преимущества облегчения
Давайте посмотрим, что может дать облегченный маховик, на ВАЗ-2107 устанавливаемый. После процесса облегчения деталь теряет в весе, а значит, двигателю придется затрачивать меньше энергии на процесс раскрутки.
Таким образом можно снизить механические потери. На раскручивание маховика нужно меньше энергии, соответственно, повысится отдача силового агрегата. Более легкий маховик имеет меньшую инерцию. Мотор будет быстрее набирать высокие и максимальные обороты. Да и в целом работа на высоких оборотах будет лучше.
Недостатки
Первым дело нужно сказать, что одного облегчения маховика будет недостаточно. Необходимо также правильно настроить и остальные детали двигателя. Потребуется облегчать и коленчатый вал, правильно настроить центровку корзины сцепления.
Среди минусов можно выделить снижение прочности конструкции, отсутствие какого-то видимого эффекта на низких оборотах двигателя. Также необходимо дополнительно выполнять балансировку с коленчатым валом и шкивом ремня генератора. Маховик, потерявший в весе, будет слабее проводить тепло – зимой трансмиссия потребует больше времени на прогрев на холостых оборотах. Ну и наконец, стоимость маховика значительно выше, особенно если учитывать, что это заводской облегченный маховик для «Приоры» от известного производителя, а не изготовленный в гаражных условиях кустарным способом.
Как уменьшить вес маховика своими руками?
Необходимо найти токаря, но предварительно распечатать чертеж Сингуринди. Снижение веса по данной технологии является самым безопасным. Это подтверждает опыт – такой технологией пользовались многие.
Для крепежного болта, который применяется для установки корзины сцепления, диаметром в 8 миллиметров, необходимо тело с равным диаметром. Если стенка маховика будет иметь меньшую толщину, это может стать причиной его разрыва на высоких оборотах. Лучше не рисковать и сразу приобрести готовый облегченный маховик. Цена его зависит от модели автомобиля. Так, маховики на ВАЗ стоят от 2,5 тысячи рублей. Они уже отбалансированы.
В конце процедуры обязательно проводят балансировку нового маховика вместе с корзиной сцепления. Диски при этом устанавливать не нужно. Балансировку можно выполнять даже статически. Далее выполняют балансировку с коленчатым валом. Это нужно для обеспечения стабильности работы двигателя.
Желательно провести и динамическую балансировку. Но для этого необходимо специализированное оборудование, которое есть не на каждом автосервисе и даже машиностроительном предприятии.
Как выполнить статическую балансировку?
Процесс несложный, но и точность его низкая. Однако это лучше, чем установка детали без каких-либо балансировок. Эту операцию выполняют, установив облегченный маховик ВАЗа-2110 на две подставки. В качестве подставок вполне подойдут уголки, имеющие ровные края. Их выставляют строго горизонтально и тщательно выверяют положение.
В центр маховика устанавливают ровный вал, который лучше заказать у токаря. Далее конструкцию кладут на выставленные уголки. Маховик вращают и замечают, какая часть его находится внизу. Если это одно и то же место, то на противоположной стороне к маховику крепят грузик.
Дровокол из маховика и двигателя от стиралки
Разум человеку дан для того, чтобы делать физический труд более легким или вовсе избавиться от него. Эта статья посвящена дровоколу, который вы можете сделать своими руками из доступных материалов. Такой дровокол обойдется вам гораздо дешевле покупного. Собрана машина на базе двигателя от стиральной машины, а нужную мощность для раскола дров в самоделке накапливает маховик от автомобиля ГАЗ-53.
Дровокол очень простой и удобный в использовании, легко справляется с расколом даже сучковатых пеньков, а если поставить двигатель мощнее, либо просто два двигателя от стиральных машин, колоть он будет практически любые пеньки. Если самоделка вас заинтересовала, предлагаю изучить проект более детально.
Материалы и инструменты, которые использовал автор:
Список инструментов:
— услуги токаря; — дрель; — болгарка; — плазменный резак; — сварочный аппарат; — гаечные ключи, инструмент для разметки и пр.
Процесс изготовления дровокола:
Шаг первый. Рабочая ось
Первым делом изготовим рабочую ось, точнее заготовку для нее. Делается она из кругляка, к которому привариваются две стальные пластины. Отрезать кругляк не проблема, сложнее всего будет вырезать эти две «шайбы» из толстой листовой стали. Их автор вырезал плазменным резаком, а потом доводил до ума напильниками да болгаркой.
Что дает облегченный маховик и как сделать это своими руками
Если уж начался процесс улучшения характеристик авто, то его невозможно закончить, можно лишь прекратить. Постоянно находятся все новые и новые устройства, нуждающиеся в усовершенствовании. Обычно при этом стараются выжать от машины все возможное и немного больше. Одним из способов получения «больше» будет вариант, когда выполняется замена штатного на облегченный маховик.
Общие рассуждения про маховик
Если просто вспомнить, для чего нужен маховик, то сразу приходит на память четырехтактный цикл работы ДВС, поршни в мертвых точках и вывод их из этого положения. Ну и обеспечение выполнения вспомогательных тактов при работе мотора. Есть и другие задачи, в которых задействован маховик, но на улучшение динамики движения они не влияют, поэтому касаться их сейчас не будем. Стоит только иметь в виду, что они должны быть сохранены. Масса диска, повешенного на коленчатый вал, составляет шесть-семь килограммов в зависимости от модели машины. За счет этого, используя накопленную кинетическую энергию, маховик демпфирует неравномерности вращения коленвала, но и сам отбирает некоторую часть мощности мотора на свое вращение. Вот уменьшение энергии, затрачиваемой на его раскручивание, и имеется в виду, когда говорят про облегчение маховика.
Маховичные двигатели
Если возьметесь за разработку маховичного двигателя, не думайте, что это свеженькая задача. В раскопках, проводившихся в Месопотамии, был найден маховик—примитивный диск из необожженной глины. Он служил гончарным кругом мастеру, жившему еще 5 тысяч лет назад. На краю диска есть отверстие, в которое, надо полагать, вставлялась рукоятка. Дергая за нее, древний мастер заставлял на некоторое время крутиться гончарный круг, не подозревая, что тем самым передает энергию диску, а тот аккумулирует ее и затем медленно расходует при вращении. В этом физический смысл маховика.
В последующие тысячелетия человечество обходилось без оригинального изобретения, предпочитая живую силу, заключенную в рабах и домашних животных.
В средние века о маховике вспомнили вновь и применяли его, так сказать, на подсобных работах, например, для выравнивания хода различных машин.
1860 году русский инженер В. И. Шуберский впервые попытался использовать маховик в качестве самостоятельного аккумулятора — двигателя. этом не все помнят, а за рубежом начинают новейшую историю этого механизма с маховичной торпеды, построенной в 1883 году английским адмиралом Хауэллом. Его соотечественники братья Ланчестеры в 1905 году сконструировали первый маховичный экипаж.
Решающее, даже победное на долгие годы слово сказал русский инженер-самоучка из города Курска А. Г. Уфимцев. О нем тоже почему-то не знают за рубежом. А жаль. До него изобретатели старались отодвинуть основную массу маховика как можно дальше от центра, не понимая, что при этом центробежным силам тем легче разорвать маховик, чем обороты больше. Уфимцев поступил иначе. Он сделал диск массивным в центре и утончающимся к периферии. На больших скоростях вращения такой маховик становился равнопрочным и не разрывался. Соответственно, удельная энергоемкость его, то есть количество энергии, которую он может запасти, приходящееся на единицу веса, была очень высокой. Пределом служила лишь прочность материала, из которого изготовлялся диск.
Все остальные конструкции, появившиеся позднее, например, инерционный аккумулятор «Электрогиро», построенный в 1947 году швейцарской , или появившиеся после 1960 года рекуператоры «Гиректа», «Гидректа» английской не могли превзойти конструкцию Уфимцева. Его инерционный аккумулятор для ветроэлектростанции в городе Курске образцово выдержал проверку времени и сохранил работоспособность по сей день.
Маховичный экипаж Ланчестера
Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механической передачей: 1 — маховик, 4—корпус, 5—6—зубчатая пара, 8—уплотнение
Значит, дело за материалом одновременно легким и прочным, чтобы маховик можно было бы разогнать до больших скоростей, не боясь аварии.
В качестве таковых можно использовать сравнительно недавно появившиеся высокопрочные стеклянные, кварцевые волокна, сверхпрочные монокристаллы — «усы». Причем маховик не надо делать сплошным, а навивать волокна на ось. Об этом я говорил еще в 1965 году (см. ИР, 12, 65). Тогда выдвигалась скорее идея, хотя и обоснованная расчетами и эскизами. Сегодня уже есть реальная конструкция. В качестве исходного материала была выбрана тонкая стальная лента. Из такой делают лезвия бритв. В крохотной еще и сугубо теоретической по профилю лаборатории, где я тогда работал, развернуться было негде. Пришлось срочно переоборудовать под мастерскую собственную квартиру.
Станок для навивки сочинили из дисков моей спортивной штанги и стульев. Работал он на живой силе (не путать его с кинетической энергией, которую по старинке называют так же) — крутили его моя жена и двоюродный брат. Я был распорядителем работ и склейщиком. Задача была такова: на десятиметровую стальную ленту надо было нанести ровным слоем (с помощью фитиля из старой фетровой шляпы) клей БФ-2 и одновременно крутить диск из стеклопластика, позднее из дюраля с такой скоростью, чтоб успеть намотать на него злосчастную упругую полосу, пока клей не засох. Не каждый раз это удавалось. Лента хлопала полу и потолку, оставляя неистребимые следы, резала руки. Тогда-то я убедился в живительных антисептических и коагуляционных свойствах БФ-2, Попадая в порезы, он вызывал жгучую боль, но зато я сейчас здоров и бодр. Чтобы сталь лучше склеивалась, ее надо было протирать спиртом. С большим трудом удалось добыть целый литр. Но стоило мне отлучиться, как брат случайно разбил бутылку. Он сам показывал осколки, но почему-то от них не пахло спиртом, а весь запах впитался в дорогого братца.
Наконец, три маховика диаметром в полметра и весом около 10 килограммов были сделаны и прошли термообработку (нагрев до 150 градусов на кухонной плите).
Маховик выдержал 28 тысяч оборотов в минуту. Таким образом, его энергоемкость оказалась равной 8 тысячам килограммометров на килограмм веса. Почти в шесть раз больше, чем у маховика швейцарского гиробуса! Такого запаса энергии вполне хватит, чтобы автобусу проехать 20—30 километров с одной зарядки.
Мои зарубежные коллеги тоже использовали новые материалы и создали многообещающие конструкции. Кстати, по удачному предложению доктора Рабенхорста их теперь называют супермаховиками. В 1965 году я не знал, что проектирую супер, а не оскандалившийся маховик.
Сейчас можно выделить три типа этих механизмов; ободковые, разработанные нами, стержневые — , и клиновые — доктором Рабенхорстом.
Супермаховик Рабенхорста
Маховичный автомобиль Рабенхорста
Диаграмма удельной энергоемкости аккумуляторов
Второй тип назван так из-за своей формы, напоминающей толстый стержень, равнопрочный при вращении. Это обстоятельство позволяет полнее использовать свойство анизотропности стеклопластиков, из которых выполнен супермаховик, хорошо работающих при одноосном нагружении. Фирма провела тщательные и всесторонние испытания своей конструкции и собирается устанавливать их на автобусах, собранных по гибридной схеме (маховик плюс двигатель), а также, видимо, будет использовать по прямому своему профилю — в авиации. В прессе эти материалы еще не освещались. О них сообщила мне фирма, прислав свой новейший технический отчет, датированный 30 апреля 1971 года.
Разработанная конструкция теоретически имеет, пожалуй, самую высокую удельную энергоемкость, относительно безопасна при разрыве, так как не образуется при этом крупных и твердых осколков, легко уравновешивается. Такие положительные качества несколько блекнут, однако, из-за недостатков. Маховик все-таки громоздкий. В камере необходим высокий вакуум, чтобы стержень мог легко вращаться, а не терять энергию из-за плохих аэродинамических качеств.
Доктор Рабенхорст создал клиновой тип маховика. К сожалению, в своем письме он не останавливается на технических подробностях, сосредоточив все внимание на теоретической стороне дела, но приложенные чертежи дают представление о конструкции. Маховик представляет собой двухлопастный винт с углом подъема 7—8 градусов. Вид его настолько необычен даже для специалиста, что я его вначале принял за насос. Ну это курьезная деталь. А серьезно, конструкция более компактна по сравнению с предложенной . Однако изготовить ее и сбалансировать гораздо сложнее.
Сравнивая два зарубежных супермаховика с нашим, можно удовлетворенно отметить, что отечественный, ободковый тип имеет больше положительного. Он самый маленький, при разрыве его легко починить и запустить снова, внутри обода можно разместить некоторые важные детали — вал генератора, редуктор, муфты, магнитную подвеску и прочее, кому как удастся. А круг, согласитесь, легко уравновесить.
Сначала я думал, что удельная энергоемкость меньше, чем американских маховиков, но когда уже заканчивал эту статью (писал, конечно, не один день), детальные математические расчеты показали, что разница незначительна.
Но, в общем, основные показатели супермаховиков близки друг к другу и, самое главное, они заставляют иначе посмотреть на перспективность маховиков как конкурентов двигателей и электроаккумуляторов.
По мнению доктора . В. Рабекхорста, супермаховики найдут себе применение не только на автотранспорте, но и на подводном и воздушном флоте, метро, планетоходах, ручном инструменте, сельскохозяйственных машинах и пр. всяком случае, легковой автомобиль, сделанный в университете имени Дж. Гопкинса (США), с маховиком весом около 40 кг уже способен пройти с одной подзарядки 180 километров со средней скоростью 90 километров в час. (Появление маховика после долгих лет забвения оказалось сенсационно неожиданным. Первая конструкция маховичного автомобиля превзошла электромобили.)
По нашему, более осторожному, мнению, сегодня наиболее эффективная и актуальная область применения супермаховиков, в частности ободкового типа из стальной ленты,— городские автобусы с пробегом 25—30 км между конечными станциями. Подзарядка будет осуществляться на этих станциях мощными стационарными электродвигателями за 3—5 минут. Правда, эти работы пока не предусматривают полную замену двигателя на маховик. Разработана лишь система маховичной рекуперации энергии торможения автобуса, но это первый и необходимый шаг в создании маховичных автобусов.
Что дает облегченный маховик?
Чем же так интересен облегченный маховик, что вызывает множество споров и разговоров о вреде и пользе подобного тюнинга? Слово облегченный само по себе определяет те достоинства, которые приобретает маховик – он легче штатного, а значит, его проще раскрутить, на это потребуется меньшая мощность, забираемая от двигателя. Таким образом, появляется дополнительная энергия, которая может быть использована для улучшения динамики машины.
Однако рассматривая облегчение маховика, следует иметь в виду:
Однако надо учитывать, что облегченный маховик дает не только положительный эффект от своего использования, но с ним связаны и определенные отрицательные явления:
Маховик в роли энергетического аккумулятора
Устанавливают тяжелые маховики на обычные, пользовательские автомобили с серийными моторами еще по одной причине – они выполняют функцию энергетического аккумулятора.
Дело в том, что на низах передача мощности у таких автомобилей от поршня на коленвал происходит в очень узком диапазоне – 50 0 .
При этом четыре такта в двигателе происходит за 720 0 (2 оборота), из них теоретический рабочий ход только 180 0 .
По причине того, что у стандартного мотора обороты небольшие, а передача мощности происходит в очень узком диапазоне, даже вращение его на холостом ходу затруднено.
Эту ситуацию исправляет тяжелый маховик, который за 50 0 поворота колен вала вбирает в себя достаточно энергии чтобы потом по инерции дальше раскручиваться и помогать двигателю.
Это же свойственно и для работы агрегата на низах. Т.е. тяжелое устройство на моторах, у которых рабочие обороты в пределах 2,5 – 4 тыс., а холостые – от 0,8 до 1 тыс. играет положительную роль и облегчать его не стоит если параллельно не вносить конструкторские изменения в другие элементы мотора.