Разработка мобильного робота-разведчика с маховичным аккумулятором энергии (Исследовательская часть)

Посмотреть архив целиком

  • Исследование работы маховичных аккумуляторов энергии.



      1. Рекуперация энергии с помощью маховика на автомобилях массового пользования (маховик Volvo).

    Помимо электрического способа рекуперации кинетической энергии существуют и другие способы: механический, гидравлический, пневматический. Самый распространенный из них является механический способ и построенные на его основе система рекуперации кинетической энергии (Kinetic Energy Recovery Systems, KERS). В данной системе кинетическая энергия движущегося автомобиля возвращается при торможении и сохраняется для дальнейшего использования с помощью маховика. В отличие от рекуперативного торможения система KERS не создает тормозной момент.

    Маховик включен в трансмиссию автомобиля, вращается в вакуумной камере и при торможении разгоняется до 60000 об/мин. Конструкция обеспечивает сохранение энергии до 600 кДж и передачу мощности до 60 кВт (80 л.с.). Запасенная энергия используется для кратковременного скоростного рывка в движении или при трогании с места.

    Маховик приводится в движение в процессе торможения, поэтому энергия рекуперации доступна лишь в ограниченных пределах, когда вращается маховик. Эта технология наиболее эффективна в условиях, когда автомобиль часто тормозит и снова начинает движение. Другими словами, экономия топлива будет наиболее заметной при движении в городском потоке или при динамичной езде.

    По заявлениям Volvo применение системы рекуперации кинетической энергии обеспечивает снижение расхода топлива на 20% и сокращение вредных выбросов.

    Шестикилограммовый карбоновый маховик диаметром около 20 сантиметров устанавливается на задней оси. Он вращается в вакууме, что снижает потери на трение, и «собирает» кинетическую энергию при торможении. Когда автомобиль начинает замедляться, отвечающий за вращение передних колес двигатель внутреннего сгорания отключается, а вся энергия направляется на маховик, который раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При начале движения эта энергия передается на задние колеса при помощи специального редуктора. Привод KERS на задние колеса делает автомобиль частично полноприводным, улучшая сцепление колес с дорожным покрытием и повышая стабильное поведение автомобиля в ходе ускорения.

    Система рекуперации с маховиком позволяет прибавить к мощности обычного двигателя 80 лошадиных сил. В Volvo утверждают, что с их разработкой автомобиль с четырехцилиндровым двигателем сможет разгоняться так, как если бы на машине был установлен шестицилиндровый мотор. 

    В ходе тестов экспериментальный Volvo S60 с бензиновой «четверкой» и системой Flywheel KERS набирал «сотню» за 5,5 секунды. При этом такая же модель с шестицилиндровым мотором достигает этой же отметки за 6,1 секунды.














      1. Рекуперация энергии с помощью маховика на болидах Формулы-1.

    KERS позволяет аккумулировать энергию торможения болида, вместо того чтобы расходовать ее на бесполезный нагрев тормозных дисков, а затем вновь передавать эту энергию на вал трансмиссии.

    Максимальный объем аккумулируемой энергии был ограничен 400 кДж, мощность системы — 60 кВт, а период работы в режиме вспомогательного двигателя — 6,7с на каждом круге трассы. В режиме аккумулятора KERS могла работать непрерывно, а активация ее вызывалась нажатием специальной кнопки на штурвале болида на скорости свыше 100 км/ч. Дополнительная тяга могла использоваться пилотами для совершения обгонов и быстрого набора скорости после прохождения поворотов.

    Предварительные расчеты показали, что KERS дает преимущество до 0,4 с на круге в сравнении со стандартной машиной. Это примерно 30 м разницы на финише. Не так уж и много, но зачастую именно мгновения решают судьбу команд.















    Маховиковая KERS компании Flybrid, целый сезон отъездившая в экстремальных условиях «Формулы-1», легла в основу простой и дешевой системы для серийных автомобилей









    В традиционных гибридных системах кинетическая энергия тормозящего автомобиля преобразуется в электрическую с помощью генератора. Генератор не только заряжает аккумуляторную батарею, которая впоследствии отдает энергию электромотору, но и создает дополнительное тормозное усилие, облегчая жизнь тормозам. Такая электромеханическая KERS для «Формулы-1» была разработана 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.

    Устройство механической KERS Williams F1.

    Маховик, созданный инженерами Williams F1.











      1. Использование опыта производства маховиков в Формуле-1 для последующего использования их в гражданском автомобилестроении (маховик Flybird).

    Специалисты компании Flybrid считают работу в F1 забавным, но крайне полезным экспериментом. Основное применение своей механической KERS британцы видят в массовом гражданском автомобилестроении — в частности, в скоростных моделях премиум-класса. Для этого старый добрый маховик придется сделать маленьким, легким и энергоемким.

    В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid — патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.

    «Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, — скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, — говорит Джон Хилтон. — Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор».

    Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost — система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД.

    Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости — компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов — карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.

      1. Безопасность маховиков.

    Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!











    Ключевой компонент KERS от Flybrid
    Тороидальный вариатор Torotrak IVT обеспечивает передачу потока мощности от силовой установки на маховик и обратно с минимальными потерями энергии.







      1. Альтернативный маховик с использованием магнитной индукции (маховик Ricardo Energy).

    Слабое звено KERS Хилтона и Кросса — патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy — бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь — постоянные.

    Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода.

    По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей — в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее.

    В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой — зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок — 99,9%.






  • Случайные файлы

    Файл
    37548.rtf
    85442.rtf
    48107.rtf
    23133.rtf
    69036.rtf




    Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
    Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
    Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.