Техника - молодёжи 1998-06, страница 40

ПРОБ

Л Е М Ы И ПОИСКИ

Нурбей ГУЛИА, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Московского государственного индустриального университета

«Пружинный маховик»

В детстве я играл с заводными игрушечными автомобильчиками. Позднее родители стали дарить своим чадам батарейные электрические машинки. Поскольку увиденное в раннем возрасте запечатлевается и так или иначе переносится во взрослую жизнь, современные молодые конструкторы и стараются правдами и неправдами создать электромобиль, а о механике вспоминают все реже.

И зря! Потому, что пока автомобиль движется на колесах, он потребляет именно механическую — не электрическую энергию (как, например, телевизор). А преобразование последней в первую чревато неизбежными потерями. К тому же, если говорить об аккумуляторах — накопителях энергии для электромобиля, то механические — маховики и супермаховики — уже сравнялись с электрическими по удельным энергетическим показателям и намного превосходят их по более важным мощностным. Да и энергию выдают в виде вращения вала, не требуя тяжелых и дорогих электромоторов.

Однако и у болеющих «детской болезнью» конструкторов электромобилей есть «железный» довод против маховиков: уж больно неудобная у них рабочая характеристика — «жесткая», не позволяющая менять обороты. Вот если бы она была как у заводной пружины игрушечного автомобильчика — цены таким маховикам не было бы! Только, увы, их нет и быть не может!

Спешу заверить — есть и может, просто создатели автомобилей об этом не знают — сведения пока имеются лишь в диссертациях и сугубо научных изданиях. Изобретены же «пружинные» маховики мною, изготовлены в виде моделей и испытаны на стендах. Причем они настолько необычны и своеобразны по конструкции и работе, что только по их теории уже защищена докторская диссертация одного из моих учеников. Внешне они действительно чем-то напоминают часовые заводные пружины, но... с энергией лучших электроаккумуляторов.

Для понимания устройства и принципа работы «пружинного» маховика обратимся к схеме на рис. 1 ,а,б. Он состоит из трех главных частей, а именно:

1 — витой обод супермаховика, надетый на полую цилиндрическую «коробку», свободно сидящую на подшипниках на валу; это, собственно, и есть основной накопитель энергии; будучи изготовленным из достаточно дорогих, но высокопрочных материалов — кевлара, углеродного волокна, бериллия и аналогичных, он способен накоплять около 0,2 кВт-ч энергии в килограмме массы, что доказано лабораторными испытаниями более 15 лет назад;

2 — вал, на котором и вращается супермаховик; вал этот соединен с трансмиссией машины;

3 — моток ленты, навитый на вал, как минимум, из двух полос, переходящий ветвями на внутреннюю поверхность обода, образуя как бы внешний моток; лента стальная, тонкая и прочная, наподобие такой, из которой делают лезвия безопасных бритв.

В начальный момент работы почти вся лента находится во внешнем мотке и вращается вместе с супермаховиком (а). На валу остается лишь гарантированных несколько витков, чтобы она полностью не смоталась. Вал, соединенный с трансмиссией машины, вращается медленнее супермаховика. В этом случае лента начинает с натягом перематываться с внешнего мотка на внутренний, разгоняя машину и тормозя супермаховик. После выравнивания частот вращения вала и

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ

супермаховика (б) лента как бы «замирает», а далее, когда разгоняющийся вместе с машиной вал опережает супермаховик, она начинает перематываться обратно с внутреннего мотка на внешний. Когда лента придет в исходное положение (а), вал автоматически отсоединяется от трансмиссии машины и соединяется с супермаховиком, чтобы прекратить перемотку ленты. Весь запас энергии при этом выдан и супермаховик надо разгонять снова. Реально супермаховик замедляется практически в два раза, отдавая три четверти запасенной энергии.

Каким же видится автомобиль будущего с «пружинным» маховиком? Я далек от мысли, чтобы полностью заменить двигатель такими накопителями. Кстати, и никакими электроаккумуляторами его не заменишь. Ведь мощность всех электростанций мира во много раз меньше мощности моторов всех

ка, мчащегося наравне с нами, за 3 — 5 с. А за 15 с он будет обставлен на 400 — 500 м. Дополнительная мощность поможет вырваться вперед на обгонах; и вообще, она чрезвычайно полезна во многих случаях. Подразгон маховика осуществляется автоматически при неполной загрузке двигателя, что бывает очень часто. Да и что такое 1 кВт • ч для двигателей в сотни киловатт мощностью! Конечно, установка «пружинного» маховика на существующем шасси машины потребует хоть и небольшой, но переделки трансмиссии и управления. Конечно, стоимость такого «штучного» агрегата будет немалой, но и цель оправдывает затраты.

Подарок автогонщикам...

Чтобы не быть голословным, расскажу конкретно, каким должен быть «пружинный» маховик для гоночного автомобиля (рис. 2). Он

Рис. 1. Устройство «пружинного» маховика.

Рис. 2. Силовой блок автомобиля.

автомобилей, и на подзарядку электромобилей, если их станет много, никакой энергии не хватит. А вот дополнить его так, чтобы транспорт стал гораздо более экономичным, экологичным и безопасным, этот маховик вполне способен.

Отбирая мощность от двигателя в периоды его недогрузок, торможений автомобиля, и выдавая ее при необходимости, например, при разгонах, обгонах, «пружинный» маховик может почти вдвое снизить расход топлива и выброс выхлопных газов в атмосферу. А стало быть, двигатель вдвое убавится по мощности и, следовательно, — по размерам и массе. Он и маховик, массой около 10 кг, все равно будут меньше и легче прежнего мотора.

Разумеется, внедрение на серийные автомобили любой новинки, тем более столь серьезной, дело нескорое. Но вот на гоночных эффект может быть получен немедленно — они же «штучной» работы. Ведь экономия топлива и там нужна, а главное — возможность периодически резко повышать мощность на колесах даст шансы обогнать машины аналогичного класса.

Например, поставив в трансмиссию гоночного автомобиля «пружинный» маховик той же массы 10 кг, мы получим дополнительную мощность около 240 кВт (326 л.с.) в течение 15 с, расходуя при этом три четверти запаса его энергии — всего 1 кВт-ч. Что, однако, позволит, скажем, при скорости 60 м/с (216 км/ч) развить ускорение до 4 — 5 м/с* (немыслимое для гоночных машин на такой скорости!) и обойти соперни

устанавливается между сцеплением 1 и коробкой передач 2 трансмиссии машины. Его вал 3 (с внутренним мотком ленты) соединен с центральным колесом планетарной передачи 4. Водило последней, соединенное с первичным валом 5 коробки передач, несет на себе сателлиты — и свой, и планетарки 6, центральное колесо которой соединено с ободом 7 маховика (где внешний моток ленты), то есть его «коробкой». Эпициклы обеих планетарок снабжены тормозами 8. Параметры передачи таковы: диаметр супермаховика 450 мм, максимальная частота его враще-

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 6 9 8

шл -