Маховик в механизмах: МАХОВИК | Энциклопедия Кругосвет

Самый большой минус 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 массе 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 управление транспортным средством (хотя есть разные решения, включая установку маховиков на подвесах, например, на корабельном компасе).А дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать их разрушить 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 композиты или керамика с высокими эксплуатационными характеристиками 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 впустую тратить накопленный 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 тогда 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 разберемся, 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 то, что не могут сделать сцепления и шестерни, — 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 сделаны из и как они распределяются) 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 эквивалент кинетической 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 количества движения 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 вращается с определенное количество энергии и углового момента (вращение эквивалент обычного прямолинейного 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 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, быстроходные 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 со скоростью, а энергия, которую колесо может накапливать, 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 заключается 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 подшипниках с низким коэффициентом трения. 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 NASA Glenn Research Center (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 может использоваться 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 будет передаваться энергия 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 должны использовать сцепление, чтобы повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик отдайте двигателю большую часть поглощенной им во время торможения.

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 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 машины 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 также 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 поднялся, 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 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, чтобы обеспечить накопление энергии до 20 мегаватт, чтобы справиться с временными пиками энергопотребления. требовать. 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), безвредны для окружающей среды (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 батарей, 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 минус 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 массе 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 управление транспортным средством (хотя есть разные решения, включая установку маховиков на подвесах, например, на корабельном компасе).А дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать их разрушить 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 композиты или керамика с высокими эксплуатационными характеристиками и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.

Маховик — обзор | Темы ScienceDirect

1.11.6.3 Маховики

Энергия в маховике хранится в форме вращающейся механической энергии, в отличие от батарей и SMES, где энергия хранится в химической и электрической форме, соответственно. Пиковая мощность маховиков зависит от области применения и варьируется от шкалы в кВт (спутник, гибридный автобус, качество электроэнергии от электросети) до шкалы МВт (гибридная боевая машина, поезд) и даже до шкалы ГВт (электромагнитная пусковая установка) [19].

Одним из основных преимуществ маховиков является долгий срок службы, более 20 лет и независимо от глубины разряда; то есть, в отличие от электрохимических батарей, маховики работают одинаково хорошо, независимо от того, являются ли разряды небольшими и глубокими или частыми и неглубокими. Кроме того, состояние заряда маховика (SOC) можно напрямую определить по его скорости вращения, тогда как SOC батареи измерить труднее [20].

Наиболее зрелым коммерческим применением маховиков является обеспечение источников бесперебойного питания с использованием преимуществ высокой плотности мощности маховиков и короткого времени перезарядки [20].При возникновении сбоев в электросети подаются короткие всплески мощности, 80% которых длятся менее секунды [21]. Для некоторых приложений маховик может работать по инерции более часа до нулевого заряда. Полевые испытания в Техасском университете в Остине показали, что батареи в гибридных электрических автобусах можно заменить на более мелкие, легкие и долговечные маховики с массой 60 кг, мощностью 7,2 МДж, пиковой мощностью 150 кВт и способностью разогнать полностью загруженный автобус до 100 км ч ⁻¹ [19, 22].

Еще одно развивающееся применение маховикового накопителя энергии — в изолированных сетях с возобновляемыми источниками энергии. Высокая степень проникновения возобновляемых и распределенных источников энергии в изолированную сеть ограничивается требованиями вращающегося резерва, минимальной нагрузкой обычного генератора, стандартной ступенчатой ​​нагрузкой генератора, стабильностью системы и мощностью реактора, а также требованиями к управлению напряжением. Эти ограничения могут быть преодолены с помощью системы хранения энергии с маховиком, что продемонстрировано в ветро / дизельной / гидроэнергетической системе на острове Флорес, Азорские острова, где такая система, как ожидается, увеличит проникновение энергии ветра на 33% при одновременном сокращении использования дизельного топлива на 150 000 л в год [23].

В другом исследовании изучается ветро-дизельный генератор в изолированной сети, где регулярные колебания ветра компенсируются непрерывно работающим дизельным двигателем. Добавление маховикового накопителя энергии, рассчитанного на выдачу до 1,8 мин номинальной мощности, обеспечило достаточную активную и реактивную мощность, чтобы противодействовать неравномерности ветра, позволяя дизель-генератору работать реже и приводя к снижению расхода топлива [24, 25].

В качестве демонстрации возможности использования встроенных в здания фотоэлектрических элементов (BIPV) в современных городах для повышения производительности системы BIPV в Гонконге был использован высокоскоростной маховик, встроенный в постоянный магнит с двойным выступом (DSPM).Первоначальная система BIPV была разработана для обеспечения постоянной световой нагрузки мощностью 4 кВт с 9:00 до 15:00; однако дополнительная энергия не накапливалась. С добавлением маховика DSPM эта избыточная энергия накапливалась и использовалась для питания фонарей до 18:00. и далее, увеличивая период времени более чем на 70% [26].

Маховик — это старая технология хранения, созданная за счет новых усовершенствований материалов, управления магнитными подшипниками и силовой электроники. Не имея возможности обеспечить непрерывное снабжение энергией, возобновляемые источники, такие как ветер и солнечная энергия, долгое время полагались на свинцово-кислотные батареи для хранения, но развитие технологий и снижение затрат делают маховики все более жизнеспособной заменой обычным батареям [19].В дополнение к своим техническим преимуществам в некоторых приложениях по сравнению с обычными батареями, маховики также оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, особенно на стадии утилизации [19, 26, 27]. Поскольку как проникновение возобновляемых источников энергии, так и поиск альтернативных аккумуляторов продолжают расти, следующее поколение маховиков может обеспечить растущую долю хранения энергии для коммунальных предприятий, изолированных сетей и городских центров.

Система рекуперации кинетической энергии в велосипеде с использованием маховика

Содержание

1 Введение

2 Конструкция компонентов

3 Изготовление компонентов

4 Монтаж и работа

5 Оценка затрат

6 Заключение

7 Библиография

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ

В этой главе представлены принципы, проблемы и идеи, которые возникли в процессе изготовления.Он также включал предлагаемые действия, ожидаемые результаты

1.1. ОБЗОР И ПРЕДЫСТОРИЯ

Маховик — это вращающееся механическое устройство, используемое для хранения кинетической энергии вращения. Маховики обладают значительным моментом инерции и, таким образом, сопротивляются изменениям скорости вращения. Количество энергии внутри маховика зависит от скорости вращения, массы и геометрии. Маховики используются для хранения и высвобождения энергии в виде кинетической энергии. Поскольку при хранении и высвобождении энергии не происходит преобразование энергии (например, из механической в ​​электрическую), эффективность высока.Маховики могут действовать как механические батареи в качестве альтернативы химическим батареям.

Тормоза — это устройства, регулирующие движение вращающегося тела или вала. Большинство тормозов представляют собой фрикционные устройства. Эти устройства преобразуют кинетическую энергию в тепловую за счет трения. Это, однако, высвобождает энергию в окружающую среду, что можно рассматривать как трату энергии. Использование и восстановление этой энергии для полезной работы возможно с помощью рекуперативного торможения.

Автомобильная промышленность, в которой используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в качестве побочных продуктов образуются вредные загрязняющие газы.Были предприняты усилия по повышению эффективности автомобилей и снижению вредных выбросов. Альтернативной заменой автомобилям с ДВС являются электромобили, работающие от химических батарей. Электромобиль не выделяет вредных веществ и не выделяет столько тепла в атмосферу. Однако зарядка химической батареи для электромобилей может занять несколько часов по сравнению с заполнением топливного бака автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.

Маховики могут накапливать энергию, и если они используются в качестве механической батареи, их можно зарядить до максимальной емкости за минуты или даже секунды.Маховик можно заряжать, увеличивая его скорость вращения. Он высвобождает энергию по мере замедления. При использовании на транспортном средстве внешний источник энергии будет вращать маховик до определенного числа оборотов в минуту (оборотов в минуту). Тогда маховик будет сцеплен с колесами, таким образом приводя в движение транспортное средство. По мере движения автомобиля маховик замедляется, высвобождая накопленную энергию.

Рекуперативное торможение — это процесс торможения с восстановлением кинетической энергии и сохранением ее для использования. Восстановленная энергия может храниться в химической батарее с помощью генератора, а затем извлекаться с помощью электродвигателя для ускорения.Другой способ — использовать сильный момент инерции маховика для торможения, а при ускорении снова использовать его для вращения колес.

Маховик ускоряется при торможении велосипеда и сразу же замедляется при ускорении. Эта работа демонстрирует FKES, но не как хранилище энергии от внешнего источника, а только как временное хранилище восстановленной кинетической энергии. Велосипед — альтернатива транспортному средству, которому требуется источник энергии. Он не имеет выбросов и не загрязняет окружающую среду.Однако у него очень ограниченная мощность. Возможности водителя определяют производительность транспортного средства. На ровной поверхности человеческой силы достаточно, чтобы продвинуть автомобиль вперед. Однако подъем по склону обычно требует другого соотношения скоростей между колесами и водителем. Дополнительный крутящий момент передается на колесо, жертвуя скоростью. Спуск по склону генерирует большое количество кинетической энергии для велосипеда, но водители, как правило, используют тормоза и регулируют скорость в целях безопасности. Регенеративное торможение позволит водителю накапливать генерируемую кинетическую энергию при спуске, а затем использовать ее для дополнительной мощности при подъеме или ускорении.

Механическая аккумуляторная батарея маховика может использоваться в качестве накопителя как для питания транспортного средства, так и для рекуперативного торможения. Эта система на транспортном средстве позволит ему накапливать энергию с помощью зарядной станции, которая будет вращать маховик до максимальной скорости. Маховик будет замедляться и ускоряться по мере замедления и ускорения автомобиля с использованием системы рекуперативного торможения. Теоретически кинетическая энергия транспортного средства от маховика не теряется при замедлении. Он будет восстановлен и использован снова.На практике возникают механические потери и потери на трение, поэтому не вся энергия будет восстановлена. По закону сохранения энергии транспортное средство никогда не должно терять кинетическую энергию, но в реальной ситуации компоненты машины, как правило, имеют потери.

1.2. ХРАНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАХОВИКА

Транспортному средству требуется источник энергии, обладающий достаточной мощностью для ускорения транспортного средства и пассажиров. Он также должен иметь достаточную плотность энергии для непрерывной подачи энергии. Накопитель кинетической энергии маховика (FKES) должен иметь достаточную плотность энергии, чтобы приводить в движение его собственную массу, а также весь автомобиль и пассажиров.Он также должен иметь средства передачи необходимой мощности на колеса с различными скоростями, поскольку маховик будет замедляться, поскольку он отдает энергию. Это исследование продемонстрировало все эти требования на велосипеде.

Регенеративное торможение позволяет восстанавливать и повторно использовать энергию при замедлении и ускорении. Тормоза должны позволять снижать скорость транспортного средства или останавливать его. Момента инерции маховика должно быть достаточно, чтобы влиять на скорость автомобиля и управлять ею.Накопитель кинетической энергии маховика служит накопителем для рекуперативного торможения. Обе системы объединены в единый механизм.

Велосипед — это платформа для демонстрации как FKES, так и рекуперативного торможения. Механизм будет соединять ведущее колесо с маховиком, установленным на велосипеде. Маховик заряжается с помощью внешнего источника энергии, который вращает его до определенной скорости. Скорость маховика указывает на содержащуюся в нем энергию, поскольку его масса и геометрия постоянны.Велосипед не полностью приводится в движение маховиком. В этой настройке маховик обеспечивает необходимое ускорение в ситуациях, когда поднимается по склону. Эта установка позволяет транспортному средству потреблять и накапливать энергию от внешнего источника, а также восстанавливать энергию при торможении и снова использовать ее для ускорения.

1,3. ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

После решения и определения проблем были достигнуты следующие общие и конкретные цели.

1.3.1. Общая цель

Этот проект направлен на разработку, изготовление и демонстрацию FKES и рекуперативного торможения на велосипеде.Конструкция была предназначена, прежде всего, для того, чтобы велосипед мог накапливать кинетическую энергию и использовать ее для привода ведущего колеса. Во-вторых, он позволяет маховику восстанавливать кинетическую энергию при включении. Обе системы устанавливаются на обычный велосипед. Прототип демонстрирует как накопление кинетической энергии маховиком, так и рекуперативное торможение.

1.3.2. Конкретные цели

Конкретными целями исследования были следующие:

1. Спроектируйте, выберите и установите на велосипед маховик, обладающий достаточной плотностью энергии и прочностью для хранения энергии для ускорения и питания велосипеда и водителя.Маховик также должен иметь достаточный момент инерции, чтобы влиять на скорость велосипеда.
2. Разработайте и изготовьте механизм, который позволяет педали или задним колесам вращать маховик.
3. Разработайте и изготовьте механизм, который будет передавать мощность между ведущими колесами и маховиком во время зарядки и наддува.

1,4. ЗНАЧЕНИЕ ФКЭС

Достоинства и недостатки ФКЭС продемонстрированы на велосипеде в качестве платформы. Основные механизмы системы FKES проверяются на предмет улучшения системы.

Конструкция и выбор маховика привели к возникновению факторов, которые необходимо учитывать в первую очередь для создания надлежащего FKES для транспортных средств. Конструкция механизма передачи энергии от внешнего источника может быть положена в основу проектирования зарядных станций в случае использования системы ФКЭС в серийных автомобилях. В конструкции механизма передачи мощности между маховиком и колесами исследуются основные методы, которые следует учитывать при разработке аналогичного механизма для других транспортных средств.Использование рекуперативного торможения расширяет диапазон системы FKES. Все полученные знания можно использовать для разработки той же системы для других транспортных средств или приложений, отличных от транспорта.

1,5. ОБЪЕМ И ОГРАНИЧЕНИЯ

Этот проект включал выбор и тестирование маховика, который может накапливать энергию для питания велосипеда. Возможны также дизайн и изготовление. Однако цель этого исследования не заключалась в изобретении нового маховика. Вся информация и знания, которые использовались в настоящее время, существуют, и никаких новых знаний не было получено при проектировании маховика.

Механизм вращения маховика с использованием внешнего источника питания не включает конструкцию для этого внешнего источника. Внешним источником питания служили педали, которые можно было провернуть для предварительной зарядки. Механизм просто позволял заряжать маховик другими способами, помимо рекуперативного торможения.

Этот проект не преследовал цель изобретать велосипед или создавать что-то для массового производства. Велосипед по-прежнему функционировал как транспортное средство, приводимое в движение водителем. FKES просто помог велосипеду достичь большей мощности и скорости и уменьшить вмешательство водителя.Одного FKES было недостаточно для езды на велосипеде на большие расстояния. Оптимизация общей производительности конструкции не была включена. Дизайн трансмиссии не входил в диссертацию.

Использование рекуперативного торможения расширило диапазон ФКЭС. Маховик имел очень ограниченную плотность энергии. Вместо того, чтобы выделять энергию в окружающую среду в виде тепла во время торможения, она возвращалась к маховику. Обычные фрикционные тормоза по-прежнему требовались для безопасности.Он не собирался заменять обычную тормозную систему. Когда маховик достиг максимальной скорости вращения, использовались фрикционные тормоза.

1,6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Маховик накопителя кинетической энергии и система рекуперативного торможения велосипеда состоят из трех основных частей: маховика, механизма зарядки и механизма передачи мощности. В этой главе обсуждаются важные факторы, учитываемые при проектировании.

1.6.1. Накопитель кинетической энергии с маховиком

Кинетическая энергия вращающегося маховика зависит от трех факторов: массы, геометрии и скорости вращения.Момент инерции массы относится к сопротивлению объекта изменению углового момента. Момент инерции маховика зависит от его массы и геометрии. Масса и скорость вращения прямо пропорциональны энергосодержанию. Связь между кинетической энергией, моментом инерции и угловой скоростью показана в уравнении (1.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Где:

Ek = кинетическая энергия, в джоулях

I = момент инерции, кг-м2

ω = угловая скорость, рад / с

Отношение момента инерции к массе и геометрии твердого диска или цилиндра с осью, перпендикулярной круговой грани, показано в уравнении (1.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Связь момента инерции с массой и геометрией тонкостенного цилиндра с осью, параллельной поверхности, показана в уравнении (1.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Где:

I = момент инерции, кг-м2

m = масса, кг

r = радиус вращения, в метрах

Плотность энергии относится к содержанию кинетической энергии на массу маховика определенной плотности массы и геометрии.На практике маховики имеют максимальную скорость вращения в зависимости от материала, прежде чем они начнут деформироваться или расколоться. Центробежные силы могут разорвать маховик. Прочность материала на растяжение ограничивает массу, геометрию и скорость вращения при разработке маховика. Геометрия маховика соответствует геометрическому коэффициенту формы. Плотность энергии определяется уравнением (1.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Где:

Ek = кинетическая энергия, в джоулях

м = момент инерции, кг

K = угловая скорость, безразмерная

σ = предел прочности, Па

ρ = массовая плотность, кг / м2

При разработке FKES на транспортном средстве маховики со слишком большой массой не идеальны.Дополнительная масса автомобиля снижает эффективную движущую силу. Увеличение скорости генерирует большую кинетическую энергию, но может вызвать большую нагрузку на маховик, и его передаточное отношение к колесам будет слишком высоким. Еще одно соображение — это геометрия маховика, а именно его момент инерции. Тонкостенный цилиндр (как показано в уравнении 1.3) имеет наибольший момент инерции при данной массе. Это означает, что вся масса маховика должна быть сосредоточена на ободе или в точке, наиболее удаленной от центра вращения.

1.6.2. Передача мощности

В любой ситуации всегда должен быть хороший баланс между крутящим моментом и скоростью. Крутящий момент относится к моменту силы или способности силы создавать вращательное движение тела на оси. По мере увеличения скорости маховика требуется меньший крутящий момент, чтобы поддерживать его вращение при определенной мощности. Связь между крутящим моментом, силой и радиусом вращения показана в уравнении (1.5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Где:

τ = крутящий момент, Н · м

F = сила, в Ньютонах

r = плечо рычага или радиус вращения, в метрах

Взаимосвязь между крутящим моментом, угловой скоростью и мощностью показана в уравнении (1.6)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Где

P = сила, в ваттах

τ = крутящий момент, Н · м

ω = угловая скорость, рад / с

Механизм передачи мощности между маховиком и ведущим колесом может использовать цепную или ременную передачу. Цепной привод обеспечивает равномерное передаточное число, в то время как ременной привод может проскальзывать. Цепной привод является предпочтительным, поскольку стандартные велосипеды используют цепные приводы, а общность деталей уменьшит сложность конструкции.Трансмиссия также необходима для поддержания равномерного крутящего момента на маховике и колесах при разных скоростях вращения. Передаточное число между маховиком и ведущим колесом должно быть минимизировано при торможении, чтобы свести к минимуму момент силы на маховике при установке его на более высокую скорость. Это создает более сильное тормозное усилие. Передаточное число при ускорении или ускорении будет зависеть от текущей скорости велосипеда и от того, стоит ли велосипед на ровной поверхности или идет в гору, где требуется больший крутящий момент.При движении в гору, ускорении с очень низкой скорости или в состоянии покоя требуется очень большой крутящий момент. Этого можно достичь, используя высокое передаточное число. При движении по ровной местности с относительно высокой скоростью необходимо меньшее передаточное число.

Коробка передач имеет ограниченное передаточное число, поэтому маховик также имеет максимальную скорость. На максимальной скорости его нельзя больше использовать для торможения, так как на колеса недостаточно крутящего момента. Когда маховик находится на минимальной скорости или в состоянии покоя, его нельзя использовать для разгона.Вместо того, чтобы вести автомобиль вперед, он будет препятствовать его движению. Трансмиссия должна быть максимально простой и компактной, чтобы уменьшить общий вес. Бесступенчатая трансмиссия (CVT) идеально подходит для облегчения плавного торможения и ускорения. CVT допускает бесконечное количество передаточных чисел между двумя пределами, поэтому всегда можно достичь оптимального передаточного числа. Коробку передач с переключателем также можно использовать для простоты и меньшего веса за счет меньшего контроля над торможением и интенсивностью ускорения.

[…]

Маховик: единообразие и надежность двигателя

Двигатель внутреннего сгорания на сегодняшний день остается наиболее эффективным силовым агрегатом в автомобилях. С этим агрегатом вы сможете преодолеть любые расстояния и насладиться путешествием, не тратя много времени на заправку топливного бака.

Однако для запуска двигателя и обеспечения плавного разгона в нем должна быть специальная деталь. Это маховик. Рассмотрим, зачем он нужен в двигателе, какие бывают маховики, а также как правильно его эксплуатировать, чтобы он не вышел из строя преждевременно.

Что такое маховик двигателя автомобиля?

Если просто, то маховик двигателя — шестеренчатый. Он закреплен на одном конце коленчатого вала. Эта часть соединяет двигатель и трансмиссию автомобиля. Чтобы крутящий момент плавно передавался на соответствующую скорость коробки передач, между механизмами установлена ​​корзина сцепления. Он прижимает диск сцепления к элементам маховика, что позволяет передавать крутящий момент от мотора на ведущий вал коробки передач.

Принцип работы маховика двигателя

Маховик закреплен на коленчатом валу в непосредственной близости от коренного подшипника.В зависимости от конструкции диска он компенсирует вибрацию при вращении кривошипно-шатунного механизма. Многие современные маховики оснащены пружинным механизмом, который действует как демпфер при рывках двигателя.

Когда двигатель не работает, маховик используется для проворачивания коленчатого вала. В данном случае он работает по принципу ручного стартера старых автомобилей (ручной рычаг вставлялся в специальное отверстие в моторе, что позволяло водителю провернуть коленвал и запустить двигатель).

Конструкция маховика

Большинство маховиков не являются сложной конструкцией. Во многих автомобилях это массивный увесистый диск с зубьями на конце. Крепится к фланцу хвостовика коленчатого вала при помощи болтов.

С увеличением мощности силовых агрегатов и увеличением их максимальных оборотов возникла необходимость создания модернизированных деталей, уже имеющих сложную конструкцию. Их смело можно назвать демпферным механизмом, а не обыкновенной деталью.

Роль и место маховика в двигателе

В зависимости от конструкции, помимо функции привода трансмиссии, маховик играет и другие роли:

• Смягчение колебаний при неравномерном вращении.Производители стремятся так распределить время цикла в цилиндрах ДВС, чтобы коленчатый вал вращался с минимальными рывками. Несмотря на это, крутильные колебания все же присутствуют (чем меньше в моторе поршней, тем резче вибрация). Современный маховик должен максимально гасить такие колебания, чтобы предотвратить быстрый износ коробки передач. Для этого в его конструкции есть несколько пружин разной жесткости. Они обеспечивают плавное увеличение усилия даже при резком срабатывании агрегата.
• Передача крутящего момента от двигателя на приводной вал коробки передач.Этот процесс обеспечивает корзина сцепления. В нем ведомый диск с прижимным механизмом плотно закреплен на поверхности трения маховика.
• Обеспечивает передачу крутящего момента от стартера на коленчатый вал при запуске двигателя. Для этого венец маховика снабжен зубьями, которые входят в зацепление шестерни стартера.
• Модификации демпфера обеспечивают инерционную силу для разъединения кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет плавно вывести поршни из мертвых точек (верхних или нижних).

Часто маховики делают достаточно увесистыми, поэтому они способны накапливать небольшое количество кинетической энергии при выполнении такта расширения в цилиндре. Этот элемент возвращает эту энергию обратно к коленчатому валу, что облегчает работу остальных трех мер (всасывания, сжатия и выпуска).

Разновидности маховика

Как уже было сказано, на старых автомобилях маховик был выполнен из чугунного диска, на конце которого был запрессован зубчатый венец. С развитием автомобилестроения и повышением силовых характеристик силовых агрегатов были разработаны новые маховики, отличающиеся друг от друга КПД.

Из всех видов выделяют три:

• Одномассовые;
• Двухмассовый;
• Легкий.

Одномассовые маховики

Большинство двигателей внутреннего сгорания оснащено именно такой модификацией маховиков. В основном такие детали изготавливают из чугуна или стали. В месте крепления к хвостовику коленчатого вала имеется большое отверстие, а вокруг корпуса вокруг него проделаны отверстия для крепежных болтов. С их помощью деталь надежно фиксируется на фланце возле коренного подшипника.

Снаружи сделана площадка для контакта ведомого диска сцепления (поверхность трения). Заводная головка на конце детали используется только при запуске двигателя.

В процессе производства на заводе такие диски балансируются для устранения дополнительных вибраций во время работы механизма. Уравновешенность достигается удалением части металла с поверхности детали (чаще всего в ней просверливается соответствующее отверстие).

Двухмассовый маховик

Двухмассовый или демпферный маховик более сложен.Каждый производитель старается повысить эффективность таких модификаций, из-за чего дизайн разных моделей может отличаться. Основными элементами в таких механизмах являются:

• Диск приводной. На нем закреплено зубчатое кольцо.
• Главный привод. Он установлен на фланце коленчатого вала.
• Гасители крутильных колебаний. Они расположены между двумя дисками и выполнены в виде стальных пружин разной жесткости.
• Шестерни. Эти элементы устанавливаются в более сложные маховики.Они выполняют функцию планетарных шестерен.

Такие модификации намного дороже классических цельнометаллических маховиков. Тем не менее они облегчают работу трансмиссии (обеспечивают максимальную плавность хода) и предотвращают ее износ из-за ударов и колебаний во время движения автомобиля.

Облегченные маховики

Облегченные маховики представляют собой одномассовые аналоги. Единственное различие между этими деталями — их форма. Для снижения веса на заводе снимается часть металла с основной поверхности диска.

Такие маховики используются для тюнинга автомобилей. Благодаря меньшему весу диска двигателю легче достичь максимальной скорости. Однако такая модернизация всегда проводится вместе с другими манипуляциями с двигателем и трансмиссией.

В нормальных условиях такие элементы не устанавливаются, так как они немного дестабилизируют двигатель. На более высоких скоростях это не так заметно, но на малых могут возникнуть серьезные проблемы и неудобства.

Работа маховика и возможные неисправности

По большому счету, маховик — один из самых надежных компонентов двигателя.Чаще всего его рабочий ресурс идентичен ресурсу силового агрегата. В зависимости от материала и производителя эти детали обслуживаются 350 тысяч километров и более.

Самая проблемная часть маховика — это зубья на венце. Ресурс этого элемента зависит от исправности стартера. Зуб от частого использования стартера может сломаться или просто износиться. Если такая поломка произойдет, то можно купить новую коронку и установить вместо старой. В этом случае весь диск необходимо снять с двигателя, а после ремонта установить обратно, только с использованием новых болтов.

Другой частый отказ маховика — перегрев фрикционной поверхности. Обычно это происходит при неправильной эксплуатации автомобиля, связанной с нарушением правил переключения передач (например, не полностью выжимается педаль сцепления).

Из-за перегрева диск может деформироваться или на нем могут появиться трещины. Одним из симптомов такой неисправности является постоянное биение сцепления в определенном диапазоне скоростей. Также это сопровождается сильной вибрацией. Если водитель сгорел сцепление и его сразу заменили на новое, маховик менять не нужно.

Двухмассовые модели несколько чаще выходят из строя, так как в их конструкции больше дополнительных деталей. Пружина может сломаться, смазка может вытечь, или подшипник может выйти из строя (это случается крайне редко, но встречается в этом списке).

Еще одна причина износа маховика — несвоевременная замена диска фрикциона. В этом случае заклепки поцарапают поверхность детали, последствия чего ничем не устраняются, только заменой детали.

Поведение при вождении также может влиять на ресурс маховика.Например, если водитель на большом расстоянии ведет машину с пониженной скоростью, вибрация от агрегата усиливается, что может привести к повреждению крепежа маховика. Некоторые автомобилисты заводят и останавливают двигатель, не выжимая педаль сцепления.

Маховик отдельно не обслуживается. В основном эта процедура выполняется при замене сцепления. В этом случае проводится визуальный осмотр детали. При отсутствии дефектов ничего не делается. Если слышен скрежет, обязательно отбуксируйте машину на СТО, чтобы изношенный фрикционный диск не поцарапал поверхность маховика.

Можно ли отремонтировать и восстановить маховик?

Этот вопрос чаще всего касается двухмассовых маховиков. Если непрерывная модификация не удалась, она меняется только на новую. Стандартная запчасть не очень дорого стоит, чтобы задать такой вопрос.

Однако такие рассуждения часто вызывают дорогие модификации демпфера. Некоторые специалисты шлифуют фрикционную поверхность, чтобы удалить царапины из-за изношенного диска сцепления. В большинстве случаев такой ремонт не приносит желаемого результата. Тонкая поверхность трения от высоких нагрузок может лопнуть, что повлечет за собой не только замену маховика, но и ремонт сцепления.

Некоторые кооперативные СТО предлагают отремонтировать дорогой маховик за умеренную плату. Однако это тоже сомнительная процедура. Дело в том, что, кроме короны, отдельно ни одна деталь маховика не продается. По этой причине подобная «реставрационная» работа носит сомнительный характер.

В заключение стоит обратить внимание, что при аккуратном использовании сцепления и размеренной манере езды проблем с маховиком не возникнет. Если машина используется редко, то можно подумать об установке демпферного маховика.В остальных случаях надежнее будут солидные аналоги.

ПОДОБНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Накопитель энергии с маховиком

Бенджамин Уиллер

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

В настоящее время используется много возобновляемых источников энергии и в разработке по всему миру. Некоторые из этих методов включают использование солнечной, ветровой, гидро- и тепловой энергии.Единственная проблема нет эффективных способов хранения. Чтобы иметь возможность конвертировать и использовать возобновляемая энергия, поскольку электроэнергия должна быть Это. Основное внимание в этом отчете уделяется возможности использования маховиков для хранить энергию вращения и преобразовывать ее в электрическую энергию, когда нужно. Я решил подойти к этому с небольшого транспортного средства перспективу, а не определять, могут ли маховики накапливать энергию необходимо для снабжения города или страны. Если маховики способны плотность энергии для эффективного питания транспортного средства для среднего гражданина тогда потребуется огромная часть спроса на нефть и загрязнение окружающая среда может быть поднята.

Для упрощения расчетов возможности и выводы Tesla Roadster будут использоваться, чтобы судить, что такое маховик должен уметь. Большинство водителей здесь, в США, будут больше чем доволен 200-мильным диапазоном 450 кг Roadster, 53 кВтч Литий-ионный аккумулятор. [1] Таким образом, мы определим, есть ли у маховика аналогичного масса может хранить энергию, эквивалентную этой батарее. Следующие уравнения можно найти в большинстве учебников физики и книг о маховиках.

Сначала определите выражение для энергии ротационная система.Наш маховик будет полым цилиндром, что дает us Mr ² для момента инерции. Электронная энергия. I-инерция. М-масса. r-радиус. w-угловая скорость.

Во-вторых, определите пределы угловой скорости из-за к используемому материалу: ρ = плотность, r = радиус, ω = угловой скорость, σ = растягивающее напряжение (максимальное до разрушения).

В-третьих, подставьте максимальную угловую скорость в уравнение энергии.

Эти расчеты не учитывают трение потери или эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую и назад. Даже если маховик из углеродного волокна эффективен только на 50%, он имеет способность хранить и обеспечивать больше энергии, чем литий-ионный аккумулятор Tesla с сопоставимой массой. Также потребуется дополнительная масса для маховик и механизмы, но они должны быть небольшими по сравнению с максимальный предел хранения энергии.В то время как металлические маховики не соответствовать стандартам, маховик из углеродного волокна является жизнеспособным вариантом для хранение электроэнергии для транспортных средств и многих других приложений, таких как резервное питание от сети.

© Бенджамин Уиллер. Автор дает разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Г.Бердичевский и др. , г. «The Система аккумуляторов Tesla Roadster, Tesla Motors, август 2006 г.

[2] Books LLC, Tesla Motors Транспортные средства: Tesla Roadster (Книги LLC, 2010), стр. 1-40.

[3] Джеймс Зербе, Практическая механика для мальчиков (M.A. Donohue & Company, 1914), гл. 17.

[4] J. M. Corum et al. , «Основные свойства Ссылка на композит из перекрестно-углеродного волокна «Oak Ridge National» Лаборатория, ОРНЛ / ТМ-2000/29, Февраль 2000 г.

[4] C. Chung, Композиты из углеродного волокна (Баттерворт-Хайнеманн, 1994), стр. 65-66, 102, 164.

Спортивная наука о тренировках с сопротивлением маховику

За последние 20 лет достаточно исследований подтвердили, что изоинерционное сопротивление от тренировки с маховиком — это не уловка, а, возможно, один из самых эффективных способов тренировки и реабилитации спортсменов. Сначала я был настроен скептически и осторожно оптимистично, но после многих лет экспериментов я пришел к выводу, что этот метод не только работает, но и работает лучше, чем я предполагал.В этой статье я погружаюсь в основную науку о том, как тело реконструируется в результате специальной тренировки с маховиком, и объясняю, как лучше использовать вашу систему маховика.

Физика повторения маховика

Если вы перейдете к тренировочным приемам или ко всем адаптациям, которые возможны с маховиками, вы должны во всех деталях понять, как они работают. Руководство SimpliFaster для покупателя по оборудованию для обучения маховику затрагивает различные варианты, представленные на рынке, но не разбивает механику на достаточно детали, чтобы полностью объяснить, что происходит с точки зрения физики.Слишком многие тренеры пропускают детали и в конечном итоге сдерживают своих спортсменов, потому что детали важнее, чем вы думаете.

Маховики предназначены для обмена или передачи силы, а не для изолированного выполнения упражнения. Лучший способ понять повторение тренировки с маховиком, помимо реальной попытки, — это сравнить его с тренировкой со штангой, что нам всем комфортно с точки зрения опыта.

Вообще говоря, тренировка с маховиком — это постоянная работа без отдыха между повторениями. По большей части, каждое повторение перетекает в следующее, поэтому отдых возникает только тогда, когда спортсмен перестает работать, что для начинающего спортсмена очень чуждо.

Самое жестокое или грубое осознание уникальной ценности маховиков — это резкая разница между приседанием со штангой и приседанием с маховиком. Хотя есть возможность отдохнуть сверху или завершить повторение приседаний со штангой, приседания с маховиком не имеют доступного периода отдыха. Обычно есть немного места для передышки в верхнем периоде приседаний со штангой, но верхняя часть повторения с маховиком похожа на пиковую точку американских горок — то есть краткий момент перед мучительным падением вниз.

Примечание. Быстрый спуск маховика может показаться резким, но не обманывайтесь. Причина, по которой вы чувствуете, что вас дергают, неудобно, заключается в том, что быстрая скорость спуска не координируется для многих спортсменов, которые не могут создавать высокие темпы эксцентрической силы для управления высокоскоростной силой.

В то время как гравитация взаимодействует с повторением, основная сила — это импульс, создаваемый ногами, движущимися через платформу и создающими сильное вращение диска или маховика.Таким образом, сопротивление спине быстрее и сложнее, чем со штангой. Маховики были созданы, чтобы обеспечивать форму сопротивления, которая не требовала гравитации, а силы, которые спортсмены могут создавать изнутри, огромны. Основное отличие, которое ощущают спортсмены, заключается не в концентрическом толчке, который похож на приседание со штангой; он эксцентрично получает импульс, главный стимулятор адаптации, который желает тренер.

Вкратце, вот чем маховики отличаются от штанг:

Постоянное напряжение: Как правило, повторения выполняются без пауз или отдыха в любой части движения, что означает, что мышца постоянно работает.

Импульс относительно силы тяжести: Хотя сила тяжести является частью уравнения, скорость эксцентрического действия определяется концентрическим усилием перед изменением направления кулачка, а не весом штанги.

Концентрическая и эксцентрическая скорость: Прыжки и взрывной подъем невозможны с маховиками, но эксцентрический спуск обычно намного быстрее и агрессивнее, чем со штангой.

Эксцентрический упор: Эксцентрическая сила применяется к телу уникальным образом, в отличие от штанги, что дает преимущество перед обычными свободными весами.

Требования к навыкам: В среднем выполнение обычных упражнений с маховиком, выполняемых с гантелями и штангами, требует большего мастерства. Неуместны прыжки или поднятие тяжестей олимпийского стиля на маховике.

Свободные веса и тренировка с маховиком имеют сходства и различия. Важно осознавать тонкие и большие различия, потому что, как тренеру, вам нужно в конечном итоге научить чему-то, что поначалу не является естественным для тела.Спортсмены должны испытать маховики, потому что их нельзя объяснить словами и видео, но приведенная выше информация должна помочь тренерам лучше сформулировать ощущения и понять, как работают маховики.

Есть ли у маховиков преимущества перед свободным весом?

Недавно исследователи из Испании и Швеции завершили исчерпывающий мета-анализ маховиков, и результаты оказались чрезвычайно убедительными для всех, кому небезразличны результаты спортсменов. Я настоятельно рекомендую вам не только прочитать резюме исследований, но и прочитать каждое упомянутое исследование, чтобы по-настоящему понять влияние метода тренировки.Тренерам легко усвоить выводы исследования, особенно метаанализа, который имеет больший вес, чем отдельное исследование.

Проблема в том, что в исследованиях используются всего несколько недель вмешательств, а не вся спортивная карьера. Контроли или сравнения были обычными программами, а не надежными, жесткими программами тренировок, так что это не было настоящим соревнованием между лучшими программами со свободным весом и маховиками.Я считаю, что было бы чрезмерным упрощением предполагать, что просто замена обычных свободных весов на маховики будет лучшим вариантом для спортсменов, но не будет преувеличением сказать, что если вы сейчас не используете маховики, вы упускаете преимущество.

Большинство преимуществ, которые я увидел в исследовании, помогают удовлетворить две ключевые потребности: способность увеличивать выработку силы и способность повышать устойчивость к травмам.

Изменения в силе: Наибольшее количество исследований, подтверждающих превосходство стойки на маховике над обычными тренировками, связано с силой.Сила — одна из самых пластичных адаптаций мышц, и маховики, кажется, работают лучше, чем другие варианты для раннего набора силы или способности максимально выражать силу.

Развитие мощности: Мощность требует адекватных уровней силы, поэтому неудивительно, что мощность от тренировки с маховиком оказывается выше, чем от контрольной. Власть расцветает на почве силы, но из-за быстрых эксцентрических сокращений использование маховиков для развития мощности здесь имеет смысл.

Гипертрофия мышц: Нет ничего удивительного в том, что из-за постоянного напряжения тела быстрое увеличение мышечной массы является обычным явлением при тренировках с маховиком. По моему личному опыту, я увидел кардинальные различия: я просто добавлял спортсменам два финишных упражнения два раза в неделю; Я стал свидетелем значительного скачка в мышечном развитии намного быстрее, чем когда-либо прежде.

Прыжки: Хотя в исследованиях доступны улучшения в прыжковых характеристиках, абсолютные изменения, такие как рекордные высоты или дистанции, в настоящее время неизвестны.Подобно тому, как ранние уровни силы меняются от маховика, прыжки благоприятно реагируют на ранние периоды тренировок. Не проводилось исследований с участием продвинутых прыгунов или спортсменов, которые могут прыгать с впечатляющими способностями, поэтому результаты тренировки с маховиком на более поздних этапах развития еще не известны.

Повышение скорости: Наименее проверенными преимуществами маховиков являются скорость и способность изменять направление движения, но результаты многообещающие. До сих пор я не видел ничего более конкретного, например, где в континууме скорости маховики проявляют свои эффекты — e.g., пиковая скорость или раннее ускорение. Кроме того, во многих исследованиях используются разные машины, поэтому трудно понять, как они помогают.

В каждой области передачи маховики имеют преимущество перед контролем. Проблема в том, что контроль не является справедливым сравнением, потому что большинство исследований проводились с элементарными программами, а не с продвинутыми стажерами. Таким образом, хотя исследования показывают большие надежды, все же преждевременно иметь окончательную уверенность в превосходстве маховиков.

Какие эксцентриковые приспособления возможны с маховиками?

На сегодняшний день обзор ремоделирования скелета при эксцентрической тренировке, сделанный Мартино Франки, возможно, является наиболее показательным документом о том, как ткань адаптируется до молекулярного уровня. Вместе со своими коллегами доктор Франки действительно рисует четкую картину морфологической, метаболической и молекулярной адаптации эксцентрических тренировок по сравнению с концентрическими изменениями. Хотя маховики действительно вызывают уникальный эксцентрический отклик, многие из адаптаций не так очевидны, как обычные силовые тренировки.

Теоретический список здесь — это просто набросок, и со временем мы узнаем из исследований, соответствует ли тренировка с помощью маховика адаптациям, отстает от них или превосходит их. Возможно, существуют и другие неизвестные адаптации, уникальные для изоинерциальной тренировки, которые нам еще предстоит наблюдать в ходе исследования. Тренеры могут еще не знать точных причин или биологии того, что происходит в результате эксцентрических тренировок, но преимущества проявляются в показателях травм и тестах производительности, достаточных, чтобы с уверенностью сказать, что происходит что-то хорошее.

Ниже приведены три основных ответа на эксцентрическую тренировку, которые, согласно имеющимся данным, являются аргументом в пользу маховиков. Базовый обзор, сделанный Франки, охватывает науку в гораздо более широком свете, но вот лучшие из исследований.

Нервно-мышечные паттерны: Различия между эксцентрическими и концентрическими тренировками действительно указывают на то, что эксцентрические тренировки имеют особые изменения в нервной системе, но ставить эксцентрические тренировки на пьедестал опасно.Концентрическая тренировка имеет адаптации, которые вы не должны упускать из виду, такие как кодирование скорости и другие преимущества для спортсменов.

Архитектура мышц: Эксцентрическое удлинение мышц, обычно подколенных сухожилий и, возможно, других групп мышц, является целевой целью. Практически любой достойный тренер хочет, чтобы мышцы были «длинными и сильными». Я видел ультразвуковое исследование подколенных сухожилий во время тренировки с маховиком, и результаты были столь же впечатляющими, как и скандинавские исследования подколенных сухожилий. К сожалению, упражнения, выполняемые с помощью тренировки с маховиком, требуют большей подготовки и наставничества, но со временем это не должно стать проблемой.

Набор типов волокон: Судя по небольшому набору исследований, взрывные типы волокон обычно набираются больше при эксцентрической тренировке, чем при концентрической. Основная ответственность — это практическое применение эксцентриков в программе, когда большая часть тренировок в спорте включает концентрические действия. Дело в том, что концентрические и эксцентрические тренировки большую часть времени являются естественной последовательностью, и изолированные сокращения не являются основным способом тренировки и подготовки к выполнению.Реабилитация может быть временем, когда изолированная эксцентрическая тренировка является потенциальным методом, но на данный момент необходимо проводить много эксцентрических тренировок, чтобы повлиять на состав типов волокон. Возможно, элитные спортсмены смогут добиться благоприятных сдвигов в составе волокон в результате интенсивных блоков эксцентрических тренировок, но на данный момент ни у кого нет биопсии для долгосрочных тренировок, кроме нескольких элитных тренеров, таких как Хенк Краайенхоф.

Мир коучинга менее знаком с механизмами и клеточными реакциями, но основные моменты того, что происходит на микроскопическом уровне, имеют первостепенное значение.

Satellite Cell Activity: Эксцентрическая тренировка показывает большую активность сателлитов, чем концентрическую тренировку, даже когда нагрузка выравнивается. Основываясь на текущих данных, кажется, что сателлитные клетки являются одним из возможных механизмов для некоторых программ обучения, вызывающих больший рост, чем другие, но на данный момент точный путь неизвестен. В исследовании, проведенном на ледяных ваннах, активность спутниковых клеток снижалась, когда спортсмены использовали криотерапию. Способ, которым эксцентрики могут модулировать сателлитные клетки, в настоящее время не изучен, потому что частота тренировок ниже для более максимальной тренировки.

Ремоделирование внеклеточного матрикса: Соединительная ткань и ее сборка с ремоделированием — это наблюдение в исследовании, а также мой личный опыт работы со спортсменами. Имея дело с патологиями сухожилий, я наблюдал оживление спортсменов за чрезвычайно короткие периоды времени. Многие исследования, проведенные с помощью тренировки с маховиком, касаются производительности, но я думаю, что нам следует продолжить изучение области реабилитации, особенно в короткие межсезонье.

Ответы генов и клеточные сигнальные пути: Растущая область науки о спорте — это реакция генов на упражнения и питание.Основываясь на доступных исследованиях, кажется, что гены одинаково реагируют как на концентрическую, так и на эксцентрическую тренировку, за исключением временного графика таких действий, как синтез белка. Из-за отсутствия исследований, посвященных маховикам, а также эксцентрической тренировки в целом, не существует четких путей для объяснения того, что происходит с изоинерциальной тренировкой, которая могла бы быть уникальной.

Очевидно, эксцентричные исследования действительно проливают свет на то, что возможно с тренировкой на маховике, но пройдет около 10 лет, прежде чем мы узнаем, случится ли с телом что-нибудь особенное, помимо того, что мы видим сейчас. Я готов поспорить, что адаптация маховика аналогична общим эксцентрическим изменениям, но основные отличия — нервно-мышечные улучшения. Возможно, при изоинерциальной тренировке происходит более интенсивная или быстрая адаптация, но здесь только время покажет.

Кто может извлечь наибольшую пользу из тренировки с маховиком?

Тренировка с маховиком может принести пользу всем, от молодых спортсменов до пожилых пациентов. Хотя это кажется слишком хорошим, чтобы быть правдой, использование маховика — это то, что каждый может сделать, выполнив всего несколько практических занятий. Тем не менее, элитные спортсмены — это население, которое больше всего выигрывает от тренировки с маховиком. Причина? По мере того, как спортсмен становится более взрывным или дольше соревнуется, его доступное время должно быть более продуктивным. Эксцентрическая тренировка не только очень эффективна, но и очень экономна по времени.

Чтобы сузить конкретные подгруппы, я думаю, что высокие спортсмены, а также спортсмены с плохим опытом силовых тренировок, похоже, выиграют от тренировки с маховиком. Использование поясного ремня позволяет людям с недостаточной силой поясницы тренироваться агрессивно, и это причина, по которой многие футболисты получают огромную выгоду от маховиков. Более высокие спортсмены, которым не хватает максимальной силы, как правило, преуспевают, потому что они также могут использовать поясные ремни для перегрузки тела.

Если говорить более конкретно, то области у спортсменов, которые, как мне кажется, лучше всего адаптируются после тренировки с маховиком, — это ноги и группы мышц туловища. Конические или ротационные системы, как правило, нацелены на перегруженные участки бедра и паха, а варианты платформы тщательно подготавливают колено и подколенные сухожилия.В некоторых программах используются маховики для верхней части тела, но я не знаю таких подходов. Мы должны использовать маховики для определенных целей, а не в качестве панацеи или панацеи.

Наконец, вы можете без проблем выполнять тренировку на маховике круглый год при условии, что вы правильно выполняете как интенсивность, так и выбор упражнений. Моя программа сейчас составляет примерно 5-10% тренировок на маховике, и у меня еще не было ни одного спортсмена с бесконтактной травмой, который религиозно использовал бы изоинерциальную тренировку.

Каковы ограничения по тренировке маховиков?

Маховики — отличный инструмент, но он не лишен некоторых ограничений и проблем.Поскольку это машины, они нуждаются в обслуживании и подходят не всем. Некоторые упражнения неудобны и плохо переносятся в простых версиях с гантелями или штангой, например, подъем на носки. Кроме того, спортсмены не могут выполнять некоторые движения, которые им нравятся, например рывок, толчок и толчок, с помощью маховиков. Хотя сокращения эксцентрической части движений маховика происходят быстрее, чем обычно, они не являются плиометрическими или реактивными по своей природе, и поэтому не являются идеальными кандидатами для продвинутых прыжков или чего-то подобного.

Маховики предназначены не только для приседаний, но и для тяги под разными углами и способами. Однако они все еще ограничены. С маховиками вы также должны учитывать крутящий момент и силу во время таких движений, как приседание и становая тяга. Вы не сбрасываете вес, как штангу, поэтому с точки зрения безопасности они несут те же риски и опасности, что и традиционные веса.

За последние 20 лет было зарегистрировано очень мало случаев травм, поэтому частота и тяжесть несчастных случаев неизвестны.Тем не менее, все, что создает перегрузку, представляет собой риск. Требование маховиков не является глупым, потому что силы — это то, что создает спортсмен, а не то, что оценивает тренер или спортсмен. По большей части, поскольку маховики полезны для предотвращения травм, проблем с изоинерционной тренировкой не было заметно.

также есть ограничения, потому что у нас просто недостаточно знаний о том, как лучше всего запрограммировать их для обучения. В то время как множество исследований показывает, как они работают с адаптациями и результатами, существует не так много исчерпывающей информации о том, как правильно использовать их для обучения.Отсутствие информации о маховиках не будет проблемой навсегда, но по состоянию на 2017 год существует очень мало образования, поддерживаемого сверстниками, за исключением горстки экспертов в этой области.

Дайте волю чудовищу внутри ваших спортсменов

Тренировка маховика — это не то, к чему вы прыгаете, не сделав уроки, но и этого не стоит бояться. Здоровая точка зрения на обучение маховику — это уважать модальность и изучать, что она может дать и как внедрить ее в комплексную программу.Некоторые тренеры являются большими поклонниками тренировки с маховиком и посвящают все свое время силовой тренировке изоинерционным тренировкам, но не каждое повторение нужно делать таким образом.

Тренировка с маховиком никуда не денется, и это отличный способ узнать и о других методах тренировки, таких как изокинетика и приспособление к сопротивлению. Тренировка с маховиком работает с научной точки зрения, и вы можете практически включить ее в программу. Даже если вы добавите одно упражнение несколько раз в неделю, польза будет сильной и быстрой.

Раз уж вы здесь…
… у нас есть небольшая просьба. Все больше людей читают SimpliFaster, чем когда-либо, и каждую неделю мы представляем вам интересный контент от тренеров, ученых в области спорта и физиотерапевтов, которые стремятся улучшить спортсменов. Пожалуйста, найдите время, чтобы поделиться статьями в социальных сетях, привлечь авторов с вопросами и комментариями ниже и, при необходимости, дать ссылки на статьи, если у вас есть блог или вы участвуете на форумах по связанным темам. — SF