Громадная красная кнопка: Маховики-накопители

Маховиковая KERS компании Flybrid, целый сезон отъездившая в экстремальных условиях «Формулы-1», легла в базу несложной и недорогой совокупности для серийных машин

«Формула-1» всегда была колыбелью разработок для гражданского автотранспорта. Как раз в королевских гонках оттачивались разработке применения композитных панелей кузова, керамических тормозных дисков, роботизированных коробок передач и многих вторых узлов, разрешающих автомобилю ехать по-настоящему скоро.

Кто бы имел возможность поразмыслить, что именно «Формула» даст толчок формированию нового поколения гибридных машин, цель которых — быть не только и не столько динамичными, сколько энергетически действенными, экономичными и экологически чистыми. Речь заходит об машинах с маховиковой совокупностью рекуперации энергии торможения.

Все началось в 2007 году, в то время, когда президент FIA Mакс Мосли и Ассоциация команд-участниц F1 FOTA начали диалог об трансформации технического регламента соревнований с целью «озеленения» гонок. В следствии поправок, внесенных в технический регламент гонок, с 2009 года команды взяли возможность устанавливать на собственные болиды совокупности KERS любой конфигурации.

Сокращение KERS расшифровывается как Kinetic Energy Recovery System, либо совокупность рекуперации кинетической энергии. KERS разрешает накапливать энергию торможения болида, вместо того дабы расходовать ее на ненужный нагрев тормозных дисков, а после этого снова передавать эту энергию на вал трансмиссии.

Большой количество накапливаемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность совокупности — 60 кВт, а период работы в режиме запасного двигателя — 6,7с на каждом круге автострады. В режиме аккумулятора KERS имела возможность трудиться непрерывно, а активация ее вызывалась нажатием особой кнопки на штурвале болида на скорости более чем 100 км/ч. Дополнительная тяга имела возможность употребляться пилотами для быстрого набора и совершения обгонов скорости по окончании прохождения поворотов.

Предварительные расчеты продемонстрировали, что KERS дает преимущество до 0,4 с на круге в сравнении со стандартной машиной. Это примерно тридцать метров отличия на финише. Не так уж и большое количество, но обычно как раз мгновения решают судьбу команд.

Более того, техкомиссия наметила траекторию развития KERS. Предполагалось, что неспешно ее показатели будут расти — до 100 кВт мощности и 800 кДж в 2011 году и до 200 кВт и 1600 кДж в 2013-м. А это уже не жалкие тридцать метров форы.

Карусель в Громадном цирке

В классических гибридных совокупностях кинетическая энергия тормозящего автомобиля преобразуется в электрическую посредством генератора. Генератор не только заряжает аккумуляторную батарею, которая потом отдает энергию электромотору, но и формирует дополнительное тормозное упрочнение, облегчая жизнь тормозам.

Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была создана компанией Zytek. Тогда же, в 2007 году, ведущие технологические партнеры формульных команд — Torotrak, X-Trac, Ricardo и Flybrid — создали концепцию маховиковой KERS. В ней кинетическая энергия болида преобразуется в кинетическую же энергию вращающегося маховика.

Макс Мосли назвал интеграцию KERS в F1 вызовом компетентности конструкторам команд. По словам Мосли, «Формула» сейчас превратилась в застоявшееся технологическое болото.

Инновации и храбрые инженерные ответы остались в прошлом, в то время, когда со сцены ушли легендарные конструкторы Колин Чепмен, Джон Кит и Купер Дакуорт. «на данный момент личностей для того чтобы масштаба в F1 уже не осталось, за исключением Патрика Хеда из Williams», — досадует Мосли. Управление команд предпочитает нескончаемую модернизацию уже имеющегося технического арсенала, игнорируя все новое.

По окончании того как FIA ограничила обороты моторов до 19 000, а снаряженную массу автомобилей до 605 кг, инженеры принялись за улучшение трансмиссий — критически ответственного компонента силовых установок. Многие команды тратят на это до ?25 млн каждый год, делая коробки все более стремительными, легкими и прочными.

Применение стандартных узлов обошлось бы всего в миллион. Макс Мосли уверен, что большая стандартизация болидов F1 не только на порядок снизит затраты команд, но и высвободит ресурсы и время для разработки по-настоящему прорывных разработок, к каким он относит KERS.

Команды приняли вызов Мосли со скепсисом и скрипом. Ветеран гонок, трехкратный мировой чемпион Ники Лауда предрек KERS провал, а вице-президент Ferrari Пьеро Феррари без обиняков назвал совокупность безлюдной тратой времени и денег.

Команда BMW, располагавшая достаточным бюджетом, и ее глава Марио Тайссен иногда рапортовали об очередном успехе. Нелепые случаи наподобие попавшего под высокое напряжение и чудесным образом оставшегося в живых механика BMW лишь подогревали интерес публики.

McLaren ангажировал для работы над KERS специалистов из Zytec, а несколько инженеров из Flybrid, Torotrak, Ricardo и X-Trac пришла на помощь Williams. Забавно смотрелась перепалка Тайссена и Ferrari.

По окончании того как в конце 2008 года итальянцы испытали аж три варианта KERS и остались очень обиженны, Тайссен объявил, что неприятность содержится не в технологии, а в квалификации техперсонала Scuderia. Мосли как мог отстаивал идею KERS в прессе, а Лауда шутил, что к каждому болиду F1 нужно будет приладить трейлер с батарейками.

BMW первой отказалась от применения громадной красной кнопки уже по окончании четвертого этапа сезона, а Ferrari гонялась с батареями и электромотором продолжительнее всех остальных. Все, чем отличились KERS в F1, — это пара броских эпизодов с участием Кими Райконена и блестящая победа в Венгрии Льюиса Хэмилтона. В августе члены FOTA решили отказаться от применения KERS в сезоне 2010 года.

Две скорости звука

Эксперты компании Flybrid вычисляют работу в F1 забавным, но очень полезным опытом. Главное использование собственной механической KERS англичане видят в массовом гражданском автомобилестроении — в частности, в скоростных моделях премиум-класса. Для этого ветхий хороший маховик нужно будет сделать мелким, легким и энергоемким.

В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании неповторимого компактного маховика массой около пяти килограмм, талантливого вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Металлическая болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубаху из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус.

Вал маховика установлен на особых керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная совокупность вращающихся центробежных уплотнений, снабжающих герметичность узла. Для чего тут вакуум?

Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях ведет к постепенному разрушению и нагреванию маховика. Постепенное торможение болванки происходит по большей части из-за трения в системе прокладок и опорных подшипниках.

Раскрученный маховик за 60 секунд теряет только 2% сохраненной энергии. Полная разрядка данной механической батареи наступает приблизительно через полчаса.

«Отечественный маховик как минимум в три раза стремительнее любого аналога, когда-либо установленного в машинах, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что вдвое превосходит скорость звука в воздухе при обычных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это разрешило сделать его девятикратно меньше и легче. По габаритам он сопоставим с простыми дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная совокупность размером со штатный аккумулятор».

Само собой разумеется, вряд ли на рулевом колесе автомобиля покажется красная кнопка Boost — совокупность будет трудиться в автоматическом режиме. Классические гибриды не могут обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых совокупностях накопленная энергия возможно использована практически мгновенно. Наряду с этим обладатель приобретает еще и 30%-ную экономию горючего за счет возросшего КПД.

Помимо этого, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея употребляется только на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя.

Маховик же возможно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубаха не дает кускам стали разорвать корпус кроме того на самых высоких оборотах.

Вакуум взаперти

не сильный звено KERS Кросса и Хилтона — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них появляется микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком управления и контроля.

Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали всецело герметичный модуль с воистину неповторимой разработкой передачи потока мощности называющиеся Kinergy. Базисный элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта.

Для Kinergy не нужно вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а после этого обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому либо ременному зацеплению. Причем магниты тут — постоянные.

Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из керамики и стали, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации вероятного проникновения паров воды вовнутрь постепенного разрушения и корпуса подшипников инженеры Ricardo используют адсорбирующий элемент с громадной удельной емкостью, что поглощает все жидкости и газы, не считая водорода.

По словам специалиста компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на базе разработки Kinergy выдерживает не меньше 10 млн циклов разряда, владеет удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Цена гибридной совокупности Kinergy для автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может использоваться кроме этого в качестве совершенной трансмиссии для машин — в сравнении с популярной сейчас преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

Маховик, господин!

дешевизна и Эффективность Kinergy понравились автокомпаниям. На данный момент уже начались опробования данной совокупности на прототипе Jaguar XJ нового поколения и на известных английских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход горючего двухэтажных автобусов понижается наряду с этим практически на 30%. Утрата энергии на маховике в этом случае не есть критическим причиной — средняя длительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с.

Как вычисляет Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен — каждые нагруженные механические совокупности, трудящиеся в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20−30% более действенны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и другое — для Kinergy везде найдется хорошее использование.

Гоночные машины F1 — не исключение. Как знать — возможно, скоро на штурвалах стремительных болидов снова покажется Громадная Красная Кнопка?

Крученый апперкот

Опасность разрушения маховиков принято вычислять одним из проблемных факторов механических KERS. Но, согласно точки зрения его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid совершила серию успешных тестов в известном краш-центре F1 Кранфилд.

Инженеры Центра смоделировали настоящую аварийную обстановку на автостраде. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в 60 секунд в макета гоночного болида, что после этого разбили о неподвижное препятствие.

Замедление составило более 20 g. Осмотр узла продемонстрировал, что сам маховик и вакуумный корпус по окончании удара полностью не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!

Из безлюдного в порожнее

Главный компонент KERS от Flybrid Тороидальный вариатор Torotrak IVT снабжает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно с минимальными утратами энергии. Всего за 50 миллисекунд он способен поменять передаточное отношение с 6:1 до 1:1

Механическая KERS по эффективности в два раза превосходит классическую электромеханическую — она усваивает до 70% энергии торможения против 35%

В серийных гибридах кинетическая энергия преобразовывается в электрическую, а после этого — обратно. Маховику же не нужно преобразовать полученные джоули. Иначе, при необходимости маховик возможно подключить к стартер-генератору.

Таковой вариант KERS мощностью 60 кВт и массой 27 кг был создан Кроссом и Хилтоном в кооперации с итальянской Magneti-Marelli. Излишки энергии запасаются в литий-ионной батарее. Конечно, наряду с этим значительно падает КПД, но время хранения не исчерпывается затуханием вращения маховика.

Магнетизм

KERS Ricardo Kinergy с бесконтактной магнитной муфтой KERS без магнитной муфты

В металлическую поверхность подробностей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более большие упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика приводит к разнонаправленному вращению внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1.

С целью достижения большой эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика было нужно сделать очень узкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты образовывает всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи очень высок — 99,9%.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№88, февраль 2010).

Аудиокнига "Громадная красная кнопка" (1-я часть) Макс Острогин Серия Inferno книга 3

Записи по принципу Рандом:

• Нескончаемая баллада оборбитальном колесе: окружность
• Безопасность беспилотных машин…
• Изрода победителей: тест-драйв
• Полным-полна моя коробочка: вскрываем коробку передач
• Мотоэкипировка: как это делается
• Автомобиль под маркой «ё»…

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

• Маховик двигателя внутреннего…

  Маховик двигателя внутреннего сгорания : устройство, назначение, принцип действия Маховик есть серьёзной деталью автомобильного двигателя, которая…

• Али сбруя не красна?

  АЛИ СБРУЯ НЕ КРАСНА? АЛИ СБРУЯ НЕ КРАСНА? РЫНОК Вам И ВАШЕЙ Автомобили АЛИ СБРУЯ НЕ КРАСНА? Разрешить войти пыль в глаза возможно, кроме того обладая умеренной ввезенной…

• Красный сутки календаря либо визит в музей феррари

  КРАСНЫЙ сутки календаря либо визит в музей ФЕРРАРИ Алоха, приятели! С момента публикации рассказа о посещении музея Lamborghini прошло уже полтора года,…

• Машины с самым громадным крутящим моментом в мире

  Машины с самым громадным крутящим моментом в мире Самые замечательные серийные машины 2016 года. В большинстве случаев изучая характеристики современных…