Маховик переменного момента инерции

Маховик переменного момента инерции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приводах различных машин (например, автомобилей) с целью уменьшения расхода топлива за счет рекуперации энергии торможения и поддержания частоты вращения вала двигателя в заданном диапазоне.

В настоящее время большинство приводов машин (в том числе и автомобилей) оснащаются маховиками с постоянным моментом инерции /1/ (Передерни В.П. Устройство автомобиля. - Изд-во Форум, 2011, 288 с.). Их недостатком является невозможность регулировки момента инерции маховика, вследствие чего для накопления энергии, необходимой в начале движения автомобиля, требуется разгонять маховик с постоянным моментом инерции путем дополнительной подачи топлива в камеру сгорания, что приводит к повышенному расходу топлива. Также маховик с постоянным моментом инерции не позволяет поддерживать частоту вращения в заданном диапазоне без дополнительной подачи топлива.

Известен накопитель механической энергии 121 (АС 1786322), содержащий цилиндрический кожух, установленный с возможностью вращения на оси, и упругую ленту, размещенную между ними. В зависимости от частоты вращения накопителя лента разматывается или сматывается внутри кожуха, увеличивая или уменьшая момент инерции. Однако такой накопитель обладает малой удельной энергоемкостью и его использование возможно только в приводах малой механизации или игрушках.

Известен маховик переменного момента инерции, взятый за прототип, содержащий поворотные рычаги с грузами, планетарный механизм, электрическую муфту и систему управления /3/ (Патент US 2007/0179012 Kimura). Удельная энергоемкость такого маховика несколько выше, что позволяет использовать его в приводах автомобилей, однако его функции ограничиваются обеспечением устойчивой работы двигателя на разных режимах. Для накопления энергии при рекуперативном торможении с последующим ее использованием при разгоне автомобиля энергоемкости такого маховика недостаточно. Кроме того, в его конструкции отсутствуют упругие элементы, способные накапливать потенциальную энергию их упругой деформации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание маховика переменного момента инерции, способного накапливать в достаточном количестве кинетическую энергию вращающихся масс и потенциальную энергию упругодеформированных элементов и при этом отличаться простотой конструкции.

Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в двигателе за счет накопления энергии при рекуперативном торможении и последующего использования накопленной энергии для трогания с места и разгона автомобиля.

Техническая задача решается предлагаемым маховиком переменного момента инерции, содержащим вал, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн и установлен с помощью подшипников барабан с возможностью поворота вокруг вала. На концах кронштейна с возможностью поворота закреплены маховичные секторы, позволяющие накапливать кинетическую энергию. Концы маховичных секторов соединены тросами с барабаном. В полости, образованной валом и барабаном, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины, навитой вокруг вала, концы которой соединены с барабаном и трехлучевым кронштейном.

На фиг.1 изображен маховик переменного момента инерции в сложенном положении. На фиг.2 изображен маховик переменного момента инерции в раскрытом положении. На фиг.3 изображен разрез маховика переменного момента инерции в сложенном положении.

Маховик переменного момента инерции содержит вал 1, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн 2 и установлен с помощью подшипников 3 барабан 4 с возможностью поворота вокруг вала 1. На концах трехлучевого кронштейна 2 с возможностью поворота закреплены маховичные секторы 5, позволяющие накапливать кинетическую энергию, концы которых соединены тросами 6 с барабаном 4. В полости, образованной валом 1 и барабаном 4, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины 7, навитой вокруг вала 1. Концы пружины 7 соединены с барабаном 4 и трехлучевым кронштейном 2. Для периодического соединения и разъединения вала 1 маховика с коленчатым валом 8 двигателя используется электромагнитная муфта 9.

В остановленном положении или при малой частоте вращения маховик находится в сложенном положении (фиг.1, 3): маховичные секторы 5 прижаты к центру маховика усилием пружины 7 посредством тросов 6, намотанных на барабан 4. При рекуперативном торможении включается муфта 9, и вал 1 маховика начинает вращаться. При увеличении частоты вращения вала 1 маховичные секторы 5 за счет действия на них центробежных сил разворачиваются вокруг своих осей, преодолевая через тросы 6 усилие пружины 7. Маховик переходит в раскрытое положение (фиг.2), его момент инерции увеличивается, участвуя при этом в торможении автомобиля и накапливая энергию. Причем накапливается не только кинетическая энергия вращающихся маховичных секторов 5, но и потенциальная энергия упругодеформированной пружины 7. В конце цикла торможения муфта 9 выключается, а маховик продолжает свободно вращаться в раскрытом положении.

Впоследствии, когда необходимо продолжить движение, накопленная энергия маховика используется для трогания с места и разгона автомобиля. Для этого снова включается муфта 9, через которую вращение с вала 1 маховика передается на коленчатый вал 8 двигателя, причем, отдавая энергию, маховик стремится замедлиться, что приводит к уменьшению центробежных сил, действующих на маховичные секторы 5 и к их складыванию за счет действия пружины 7. При этом маховик отдает накопленную кинетическую энергию вращающихся маховичных секторов 5 и потенциальную энергию упругодеформированной пружины 7.

Кроме того, уменьшение момента инерции маховика не дает ему замедлиться до полного складывания маховичных секторов 5, что позволяет поддерживать частоту вращения маховика вместе с коленчатым валом 8 двигателя в диапазоне его устойчивой работы. При полном складывании маховичных секторов 5 к центру маховика муфта 9 выключается и маховик снова готов к работе.

Маховик переменного момента инерции, содержащий вал, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн и установлен с помощью подшипников барабан, на концах кронштейна с возможностью поворота закреплены маховичные секторы, позволяющие накапливать кинетическую энергию, связанные тросами с барабаном, в полости, образованной валом и барабаном, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины, навитой вокруг вала, концы пружины соединены с барабаном и трехлучевым кронштейном.