Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 86
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
При необходимости энергия вращающегося маховика могла отдаваться обратно в сеть.
Гиробус имел электрические тормоза, при торможении производилась рекуперация энергии, что увеличивало запас хода.
«Заправка» гиробуса занимала от 30 секунд до 3 минут. В целях уменьшения её времени напряжение контактной сети было повышено с первоначальных 380 вольт до 500 вольт.
«Заправленный» гиробус мог проехать примерно 6 километров со скоростью в 50–60 км/ч.
Преимущества
Бесшумный ход.
Экологически чистый.
Не требует непрерывной контактной сети (в отличие от троллейбуса).
Возможность гибко изменять маршрутную сеть в случае необходимости.
Недостатки
Большой вес – гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны.
Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час).
Управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).
Из-за гироскопического эффекта возникают сильные перегрузки и быстрый износ подшипников маховика. [3]
1.2 Рекуперация при помощи инерционных аккумуляторов
При торможении теряется от 15 до 60 % кинетической энергии, придаваемой автомобилю двигателем. Доля этой потери зависит от вида автомобиля и типа движения (город, шоссе). На математических моделях было установлено, что если бы использовалось лишь несколько процентов этой энергии, то в условиях городского движения расход топлива автомобилем снизился бы на 20-30 %. Решение этой проблемы привлекает поэтому большое внимание специалистов.
Инерционный аккумулятор отлично подходит для кратковременного накопления энергии. Маховики способны быстро накапливать и отдавать большое количество энергии и поэтому особенно пригодны для аккумулирования энергии при торможении транспортного средства.
В конструкциях современных маховиков, применяемых в инерционных аккумуляторах, находят применение пластмассы и композиционные материалы.
В стальных маховиках запас прочности материал используется не полностью. Под влиянием центробежных сил наибольшие напряжения возникают по периметру маховика, где при превышении предела прочности материала возникают трещины, приводящие к разрушениям. Обод маховика обычно разрушается на три части, которые вследствие высокой окружной его скорости (достигающей трехкратной величины скорости звука) пробивают корпус маховика и вызывают большие разрушения. При этом материал,
сосредоточенный вблизи оси маховика, полностью не используется.
Современный маховик показан на рис. 2. Обод маховика состоит из двух колец 5, образованных несколькими слоями "Кевлара". Наружный слой 1 выполнен из "Кевлара-49", средний слой 2 – из "Кевлара-29", внутренний слой 3 – из стекловолокна; спицы 4 изготовлены из композиционного материала на основе графитовых волокон. Такой маховик обладает плотностью энергии 45 Вт∙ч/кг. При испытаниях на границе разрушения плотность энергии у этих маховиков достигала 65-120 Вт∙ч/кг. Для снижения аэродинамических потерь маховик помещен в герметичный вакуумированный корпус. Маховик из пластмассы более безопасен, он наносит меньшие повреждения при своем разрушении, о начале которого сигнализируют вибрации, вызываемые возникающим из-за разрыва волокон дисбалансом. Отслаивающиеся волокна заполняют пространство между маховиком и корпусом, маховик быстро затормаживается и останавливается, не приводя к разрушению корпуса соседних с ним агрегатов и узлов автомобиля, а также не принося вреда окружающим людям. [1]
Рисунок 2 –Маховик из материала 'Кевлар':
1 – наружный слой обода; 2 – средний слой обода; 3 – внутренний слой обода; 4 – спицы; 5 – кольца обода
Наибольший интерес представляет оригинальный проект маленького городского легкового автомобиля конструкции Д. В. Рабенхорста с супермаховичным двигателем. Масса автомобиля чуть более 500 кг и включает 150 кг полезного груза.
Мощность двигателя автомобиля, исходя из данных по шинам и аэродинамике автомобилей США начала 70-х годов, при крейсерской скорости 90 км/ч составляет около 3,35 кВт. При проектировании автомобиля предполагалось движение в течение 2 ч, что составляет путь пробега 180 км и запас энергии в маховике 6,7 кВт/ ч.
Подробный анализ движения автомобиля с инерционным двигателем в городе позволил сделать следующие выводы:
1) энергия, затрачиваемая на разгон автомобиля, в 3 раза больше энергии, затрачиваемой на преодоление расстояния, равного пути разгона, на установившейся скорости;
2) системой рекуперативного торможения, доступной маховичным силовым агрегатам, восстанавливается 25% всей энергии;
3) полезно может использоваться лишь около 75% всей энергии маховика.
Исходя из этого, Д. В. Рабенхорст увеличивает необходимый запас энергии, а следовательно, и общую массу супермаховика на 33%.
В качестве трансмиссии выбрана гидростатическая с приводом на четыре мотор-колеса.
Д. В. Рабенхорст отмечает, что в автомобиле с инерционным двигателем отсутствуют такие необходимые для обычного автомобиля агрегаты и системы, как сцепление, приводной вал, дифференциал, полуоси, тормозная система, аккумуляторы, стартер и генератор, система охлаждения, топливная система. Автомобиль с инерционным двигателем может быть приведен в движение практически мгновенно, так как ускорения при разгоне весьма велики.
Для разгона маховика применяется электродвигатель авиационного типа, который подключают к сети. Время разгона составляет 20–25 мин.
Массы важнейших узлов автомобиля Д. В. Рабенхорста (рис. 3) следующие: маховик – 100 кг; корпус маховика и подвеска – 25 кг; электродвигатель авиационного типа – 18,4 кг; гидронасос – 37,5 кВт – 11,4 кг; четыре гидравлических мотор- колеса общей мощностью 37,5 кВт –10 кг; контрольное оборудование и приборы – 9 кг; ходовая система – 175 кг; полезный груз–150 кг; кузов – 270 кг. Итого полная масса автомобиля около 600 кг.
Эксплуатационные данные следующие: крейсерская скорость 90 км/ч; путь пробега 180 км; путь пробега по городу с учетом частых остановок 170 км; максимальная скорость свыше 110 км/ч; время разгона от 0 до 100 км/ч 15 с; стоимость пробега 0,6 долл. (54 коп. по курсу 1972 г.) на 100 км.
Рисунок 3 – Маховичный автомобиль д-ра Д. В. Рабенхорста (США):
1–мотор-колесо; 2–электродвигатель-генератор; 3–супермаховик
Данные маховичного силового агрегата автомобиля Д. В. Рабенхорста: объем маховика 14 дм3; полезно используемая масса 75 кг; полезно используемая энергия 6,7 кВт/ ч; начальная частота вращения маховика 23 700 об/мин, конечная – 11 900 об/мин; мощность потерь менее 0,01 кВт. Снижение потерь энергии до столь малой величины достигают помещением супермаховика в герметичный вакуумированный корпус с выводом вала магнитной муфтой (рис. 4). Выбег маховика (свободное вращение) будет длиться свыше 1000 ч или более 41 суток. Для сравнения выбег маховика гиробуса фирмы «Эрликон» – 12 ч, а маховика рекуператора фирмы «Кларк» около недели.
Рисунок 4 – Маховичный силовой агрегат автомобиля Д. В. Рабенхорста:
1–супермаховик; 2–магнитная муфта; 3–электродвигатель-генератор; 4–амортизатор; 5–подшипник; 6– герметичный вакуумированный корпус: 7–магнитный подпятник
Подшипники супермаховика с сухой смазкой воспринимают нагрузку только гироскопическую или динамическую при тряске, а вес супермаховика воспринимается магнитной подвеской из сильных постоянных магнитов. Валы электродвигателя и супермаховика соединяются магнитной муфтой; при свободном выбеге муфта расцепляется, и потери на вращение электродвигателя устраняются. Характерно, что как электродвигатель, так и подшипники супермаховика находятся в обычных атмосферных условиях, а не в вакууме, что существенно улучшает условия их работы. [3]
Для предохранения от тряски и уменьшения гироскопических воздействий корпус супермаховика подвешен на упругих амортизаторах.
Небольшие количества кинетической энергии могут быть накоплены в маховике инерционного рекуперативного тормоза с резиновым упругим звеном (рис. 5).
Рисунок 5 – Маховичный рекуператор с упругим звеном:
1–коническая пара; 2–резиновое кольцо; 3–фрикционная муфта; 4–вал трансмиссии; 5–маховик
Инерционный аккумулятор с упругим звеном подключается к трансмиссии машины с помощью фрикционной муфты. На первом этапе торможения основная часть энергии аккумулируется в упругом звене в виде потенциальной энергии. Затем по мере разгона маховика кинетическая энергия торможения вместе с аккумулированной потенциальной энергией упругого звена накапливается в маховике. Недостатком этого рекуператора является то, что в упругом звене должно накапливаться от 0,25 до 0,5 суммарной энергии торможения (в зависимости от частоты вращения маховика перед торможением). Ввиду малой аккумулирующей способности упругого звена такой рекуператор не может применяться при накоплении большого количества кинетической энергии. [1]
Наибольшая сложность в системе рекуперативного торможения маховиком заключается в приводе, соединяющем маховик, разгоняющийся при торможении, с трансмиссией и, наоборот, разгоняющийся вал трансмиссии при разгоне машины с замедляющимся маховиком.
Проф. Н. К. Куликовым в 1951 г. была предложена схема инерционного рекуператора с планетарным приводом. Рекуператор Н. К. Куликова (рис. 6) представлял собой планетарную коробку передач с маховиком и бесступенчатым вариатором, но он не был построен из-за отсутствия прогрессивной передачи (вариатора) с требуемой характеристикой. [3]
Фирмой «Кларк» (Англия) разработаны различные варианты рекуперативных тормозов, состоящих, из маховиков и планетарных коробок передач.
Рисунок 6 – Маховичный рекуператор проф. Н. К. Куликова:
1–вариатор; 2–приведенная масса автомобиля; 3–маховик; 4–сцепление
Автобусный рекуперативный тормоз Гиректа фирмы «Кларк» (рис. 7) представляет собой четырехскоростную планетарную коробку передач, соединенную солнечной шестерней с двигателем автобуса, водилом сателлитов – с карданным валом, а венцом – с маховиком, аккумулирующим кинетическую энергию автобуса вместе с энергией, выделяемой работающим двигателем.
Рисунок 7 – Схема маховичного рекуператора Гиректа фирмы «Кларк» (Англия):
1–маховик; 2–центральные шестерни; 3–сателлиты; 4–венцы
При торможении автобуса, связанного трансмиссией с водилом сателлитов, на венец передачи, а стало быть, и на вал маховика действует крутящий момент. Реактивный же момент, который и замедляет автобус, действует на вал двигателя. Поэтому двигатель автобуса не отключается ни при торможении, ни при разгоне.
Маховик привода имеет массу 80 кг и вращается с максимальной частотой до 15 000 об/мин. При диаметре маховика 0,57 м его окружная скорость достигает 450 м/с. Форма маховика близка к диску равной прочности.
При торможении автобуса маховик разгоняется с 12 000 до 15 000 об/мин.
Установленный на автобусе массой 10 т привод Гиректа позволяет тормозить со скорости 48 до 16 км/ч; а при разгоне, который продолжается около 15 с, он заменяет дополнительный двигатель мощностью 90 кВт.
При снижении частоты вращения маховика ниже 12 000 об/мин, например при стоянке, оператор может по желанию непосредственно из кабины соединить маховик с двигателем и разогнать его. [3]
Маховик привода Гипекта ввиду большой частоты вращения помещен в кожух с разреженной атмосферой для снижения вентиляционных потерь. Воздух из кожуха непрерывно удаляется насосом, питающимся непосредственно от маховика. Благодаря этому разогнанный маховик может вращаться до остановки более недели. После ночной стоянки автобуса энергии маховика хватает для пуска двигателя.
Передача планетарной коробки включается автоматически с помощью электромагнитных муфт.
Следует отметить, что установка рекуперативного тормоза такого типа на автобусе позволяет экономить до 50% топлива, особенно при малых расстояниях между остановками.