Конструкция и назначение маховика

Маховик двигателя

Маховик относится сразу к нескольким системам двигателя и выполняет в них следующие функции:

• снижение неравномерности вращения коленчатого вала (маховик – конструктивный элемент кривошипно-шатунного механизма);
• передача крутящего момента от двигателя к коробке передач (маховик – ведущий диск сцепления);
• передача крутящего момента от стартера на коленчатый вал двигателя (маховик – ведомая шестерня редуктора системы запуска).

Сглаживание пульсаций крутящего момента производится за счет периодического накопления и отдачи маховиком кинетической энергии. Энергия запасается во время рабочего хода поршня и расходуется при других тактах двигателя, в т.ч. на выведение поршней из мертвых точек. Чем больше цилиндров в двигателе, тем рабочий ход поршня в каждом из них занимает больше времени, следовательно, крутящий момент такого двигателя более равномерный, а масса маховика может быть уменьшена.

Маховик крепиться в торце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника. Это, как правило, самый мощный подшипник в двигателе, так как он должен выдерживать вес маховика и нагрузки, связанные с его работой.

Различают следующие разновидности конструкции маховика:

• сплошной;
• двухмассовый;
• облегченный.

Наибольшее распространение на автомобилях нашел маховик сплошной конструкции. Это массивный чугунный диск диаметром от 30 до 40 сантиметров. На внешнюю поверхность диска напрессован стальной зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при запуске двигателя с помощью стартера. С одной стороны маховика выполнена ступица для крепления к фланцу коленчатого вала, другая сторона играет роль ведущего диска сцепления.

При работе двигателя на разных оборотах коленчатый вал постоянно закручивается и раскручивается, т.е. подвергается крутильным колебаниям. В двигателе применяются гасители крутильных колебаний различной конструкции. Одним из таких устройств является двухмассовый маховик (другое название – демпферный маховик), который применяется на автомобильных двигателях с 1985 года.

Маховик включает два диска, соединенные с помощью пружинно-демпферной системы, которая позволяет полностью изолировать трансмиссию от крутильных колебаний и обеспечить равномерную работу ее элементов. С применением двухмассового маховика отпадает необходимость демпфирующего устройства в ведомом диске сцепления.

Преимуществами двухмассового маховика являются гашение колебаний, снижение вибраций, изоляция шумов, удобство переключения передач, снижение износа синхронизаторов, защита трансмиссии от перегрузки и даже экономия топлива. С другой стороны интенсивная работа двухмассового маховика приводит к усиленному износу пружинно-демпферной системы и даже поломке ее основного элемента – дуговой пружины. Все это сдерживает массовое применение демпферного маховика на двигателях.

Современные тенденции развития автомобильных двигателей, такие как даунсайзинг (уменьшение объема и массы двигателя с сохранением мощности) и даунспидинг (расширение диапазона крутящего момента двигателя с возможностью работы на низких оборотах), потребовали нового уровня гашения колебаний. С 2008 года на двигателях применяется двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний.

Для устранения неравномерностей вращения коленчатого вала в диапазоне низких оборотов на маховике вместе с дуговой пружиной устанавливается центробежный маятник. Он создает собственные колебания , которые в противофазенакладываются на сглаженные колебания после дуговой пружины и полностью их гасит.

Центробежный маятник выполнен в виде грузов, расположенных по окружности маховика. При низких оборотах двигателя грузы маятника раскачиваются сильнее, т.к. действующие на них центробежные силы малые. При увеличении оборотов амплитуда колебаний грузов уменьшается и их роль в гашении колебаний снижается.

Облегченный маховик используется при тюнинге двигателя. Перераспределение массы маховика к краям диска позволяет уменьшить его массу до 1,5 кг и в свою очередь уменьшить момент инерции. С применением облегченного маховика двигатель быстрее достигает максимальных оборотов, соответственно имеет лучшую разгонную динамику, а также наблюдается увеличение мощности до 5%.

АвтоСтронг-М › Блог › Подробно рассказываем, как выбрать б/у двухмассовый маховик

Двухмассовые маховики сейчас используются в восьмидесяти процентах новых двигателей. Главная функция устройства – сглаживание неравномерности работы мотора. Она появляется из-за того, что коленвал сталкивается с неравномерными нагрузками, и в нем также возникают крутильные колебания. На более мощных моторах колебания сильнее. А если частота «вспышек» в цилиндрах и частота крутильных колебаний совпадают, то коленвал просто разваливается из-за возникшего резонанса.
Для того, чтобы гасить крутильные колебания, используется двухмассовый маховик. Благодаря ему не нужно усиливать и утяжелять коленвал, КПП защищена от вибраций, продлен срок работы сцепления на мощных моторах. Вес устройства ниже, чем одномассового коленвала.
Подробнее об особенностях конструкции двухмассового маховика, а также советы, как его выбрать и проверить исправность – в видео на YouTube-канале и в статье.

Понадобился двухмассовый маховик? Выбирайте его в каталоге «АвтоСтронг»!

Разбираемся, как устроен маховик
Описать устройство маховика можно просто: ведущий диск привинчен к коленвалу, ведомый соединен с корзиной сцепления. Между ними располагается система демпфирования. Благодаря такой конструкции эти две части устройства при вращении отклоняются друг от друга на небольшие углы, совершая качательные взаимные движения вокруг общей центральной оси.
Но на самом деле устройство маховика довольно сложное. Давайте разбираться поэтапно.

Подшипник
Для того, чтобы сохранить соосность дисков, используется поворотный подшипник. Он прочно установлен на ступице ведущего диска. На первых моделях маховика применялись шариковые подшипники, потом – подшипники скольжения.

Фланец
Передача момента от ведущего диска к ведомому происходит через пружинный демпфер, потом – на фланец, соединенный с ведомым диском. В самых элементарных моделях ДММ в ведущем диске установлены 2 дуговые пружины, концы которой упираются в выступы фланца.

Подробно о демпфирующей системе
Классический демпфер двухмассового маховика – это пара дуговых пружин, установленные в направляющие желоба ведущего диска. Пружина можно быть как одинарной, так и двойной, очень редко –тройной.
В последних моделях ДММ есть дополнительные прямые пружины во фланце, задача которых – демпфировать колебания при «отключении» дуговых пружин. Это случается, когда на большой скорости вращения маховика пружины прижимаются к направляющим вдоль наружного края, и, как результат, сила демпфирования значительно уменьшается. В такой ситуации помогают короткие прямые пружины, на которые центробежная сила влияет незначительно при ее близком расположении к центру.

Что сигнализирует об износе маховика?
На то, что ДММ уже изношен, указывают вибрации на холостых оборотах, а также на ходу, если скорость равномерна или растут обороты мотора. Иногда неисправный маховик приводит к троению мотора.
Проверить, исправен ли маховик, можно на неподвижном авто: на газ нужно нажимать плавно, на нейтральной передаче. О неисправности будут сигнализировать изменение характера вибраций.
Проверить, есть ли проблемы с ДММ, можно на ходу: разгонитесь до скорости в 20 километров в час на второй передаче, педаль акселератора нажмите до упора. Возникшие вибрации сообщат о том, что маховик неисправен.

Когда ДММ «не виноват» в появившихся вибрациях?
В ряде случаев при вибрациях и шумах демпферов причина не в маховике – он исправен, а проблемы возникли с двигателем. Проверить это можно при разгоне – сильные вибраций не возникнут. В таком случае нужно не затягивать с ремонтом двигателя – ДММ сломается быстрее при неисправностях мотора.
Если изношено сцепление, то автомобиль стартует резко, появляются удары.
Если на корпусе ведущего диска двухмассового маховика появляются трещины, то причина – в люфте коленвала.

Маховик, накопитель энергии, расчеты и требования к ротору

В статье расскажем про маховик — накопитель энергии, расчеты и требования к ротору, типы маховиков, его преимущества недостатки и применение.

Техника накопления энергии с использованием маховика насчитывает тысячи лет. Просто возьмите пример колеса Поттера и подумайте, что оно делает. Он просто использует инерцию колеса и продолжает вращаться с минимальными усилиями. Концепция маховика, который будет использоваться в качестве устройства накопления энергии, используется с 1950-х годов. Их можно было легко заметить на автобусных остановках для зарядки общественного транспорта. Однако эта идея не может быть широко принята ввиду ее громоздкости и излишнего веса.

Расчет накопления энергии в маховике

Запас энергии в Маховике можно рассчитать:

E = ½ Iω 2

E = ½ (kMr 2 )ω 2

• I выступает за момент инерции махового колеса
• ω обозначает вращающуюся скорость. Он измеряется в радианах в секунду.
• M обозначает масса маховика
• R обозначает Радиус Маховика
• K обозначает инерционную постоянную

Примечание. Значение «k» зависит от формы маховика. Например, если маховик вращается вокруг своей оси (например, велосипедное колесо или полый цилиндр), значение k будет равно 1. Однако, если колесо маховика имеет сплошную цилиндрическую форму, то значение k будет ½ .

Требование маховика (ротор)

Постепенно с развитием технологий маховики стали более совершенными. В наши дни современные маховики содержат кинетическую энергию в быстро движущемся, вращающемся барабане, который действует как ротор генератора. В то время, когда дополнительная энергия остается неизрасходованной, она используется для увеличения скорости вращающегося барабана. Всякий раз, когда есть потребность в энергии, этот барабан приводит в движение генератор.

Роторы этих супер маховиков изготовлены из материала с очень высокой прочностью и плотностью, например, из углеродного волокна. Для ротора требуется высокопрочный материал, так как он обычно вращается со средней скоростью 100000 оборотов в минуту и ​​должен выдерживать воздействие высокой центробежной силы. Эти роторы установлены в вакуумной полости, чтобы минимизировать потери из-за трения воздуха. Эти потери на трение могут быть дополнительно сведены на нет с помощью подшипников с магнитной левитацией.

Тип маховиков

На рынке представлены два типа маховиков в зависимости от их функций и областей применения. Преимущества маховика делают их жесткими конкурентами в приложениях электросети.

Есть в основном два типа маховиков, доступных на рынке. Далее мы рассмотрим их

Высокоскоростной маховик

Угловая скорость маховиков этого типа находится в диапазоне от 30000 до 60000 об/мин, что может быть доведено до 100000 об/мин. Они содержат подшипники с магнитной левитацией и требуют меньшего ухода. Они легче по весу, если сравнивать размер/мощность с маховиками с низкой скоростью. Они дорогостоящие по сравнению с маховиками с низкой скоростью.

Маховик с низкой скоростью

Угловая скорость этого типа маховиков достигает 10000 об/мин. Они громоздкие и тяжелые по сравнению с высокоскоростными маховиками. Они нуждаются в периодическом обслуживании и не используют подшипники с магнитной левитацией. Их установка требует специальной бетонной конструкции, чтобы выдержать ее вес. Они дешевле по сравнению с высокоскоростными маховиками.

Преимущества маховика

Эти типы маховиков более эффективны, чем обычные батареи (только если мы пренебрегаем стоимостью установки), и поэтому им отдают предпочтение перед обычными батареями. Вот список немногих преимуществ Маховика перед аккумуляторами:

• Большая способность хранить энергию
• Большая продолжительность жизни
• Способность хранения не зависит от цикла зарядки/разрядки
• Меньше технического обслуживания
• Меньшие тепловые потери
• Более высокая эффективность в оба конца
• Больше пиковой нагрузки
• Простота эксплуатации

Применение маховиков

• в ветряных турбинах
• наряду с двигателем с приводом от генератора для хранения энергии
• в автомобильных двигателях
• в электромобилях для ускорения (на экспериментальной стадии)
• В современных локомотивах
• В передовых технологиях транзитных автобусов
• В спутниках контролировать направление
• В Большие электрические сети для защиты от перебоев