МАХОВИК С ПЕРЕМЕННЫМ МОМЕНТОМ ИНЕРЦИИ

Предполагаемая полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в приводах транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания.
Известен маховик переменного момента инерции (Патент РФ №2516883), содержащий вал, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн и установлена с помощью подшипников центральная шестерня с возможностью поворота вокруг вала. На концах кронштейна с возможностью поворота закреплены соосно маховичные секторы и зубчатые секторы, жестко соединенные друг с другом планками, причем зубчатые секторы находятся в зацеплении с центральной шестерней. В полости, образованной валом и центральной шестерней, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины кручения, навитой вокруг вала, концы которой соединены с центральной шестерней и трехлучевым кронштейном. Для периодического соединения и разъединения вала маховика с коленчатым валом двигателя используется электромагнитная муфта.
Маховик предназначен для накопления энергии при рекуперативном торможении транспортного средства с последующим ее использованием при трогании с места и разгоне. При этом возможность изменения момента инерции маховика позволяет существенно улучшить динамику разгона транспортного средства с использованием накопленной кинетической энергии вращающихся масс и потенциальной энергии упругодеформированного элемента.
Х
Конструкция маховика содержит массивные зубчатые секторы, обладающие большими моментами инерции 1, величина которых определяется по формуле:
где ρ - плотность материала зубчатого сектора;
R - радиус делительной окружности сплошного зубчатого сектора;
h - толщина сплошного зубчатого сектора.
Однако при развороте они не существенно влияют на изменение момента инерции маховика, так как радиусы расположения их центров масс относительно центра вращения маховика в сложенном и раскрытом положении практически одинаковы. Это приводит к тому, что в сложенном положении момент инерции маховика уже большой, а значит, диапазон изменения момента инерции сужается.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание маховика с более широким диапазоном изменения момента инерции.
Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в двигателе за счет более эффективного накопления энергии при рекуперативном торможении и последующего использования накопленной энергии при трогании с места и разгоне транспортного средства.
2
Технический результат достигается предлагаемым маховиком с переменным моментом инерции, содержащим вал, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн и установлена с помощью подшипников центральная шестерня с возможностью поворота вокруг вала. На концах кронштейна с возможностью поворота закреплены соосно маховичные секторы и зубчатые секторы, жестко соединенные друг с другом, причем зубчатые секторы находятся в зацеплении с центральной шестерней. В полости, образованной валом и центральной шестерней, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины кручения, навитой вокруг вала, концы которой соединены с центральной шестерней и трехлучевым кронштейном. При этом зубчатые секторы выполнены в виде облегченных каркасов, обладающих малой массой и, соответственно, малыми моментами инерции I, определяемыми по формуле:
где ρ - плотность материала зубчатого сектора;
R - радиус делительной окружности зубчатого сектора;
r - внутренний радиус зубчатого сектора;
h - толщина зубчатого сектора;
t - ширина каркаса зубчатого сектора.
Применение в конструкции маховика облегченных зубчатых секторов позволит расширить диапазон изменения его момента инерции, обеспечить более эффективное накопление энергии при рекуперативном торможении и последующую отдачу накопленной энергии при трогании с места и разгоне транспортного средства, и в итоге уменьшить расход топлива в двигателе.
На фиг. 1 изображен маховик с переменным моментом инерции в сложенном положении. На фиг. 2 изображен маховик с переменным моментом инерции в раскрытом положении. На фиг. 3 изображен разрез маховика с переменным моментом инерции в сложенном положении.
Маховик с переменным моментом инерции содержит вал 1, на котором жестко закреплен трехлучевой кронштейн 2 и установлена с помощью подшипников 3 центральная шестерня 4 с возможностью поворота вокруг вала 1. На концах кронштейна 2 с возможностью поворота закреплены соосно маховичные секторы 5 и зубчатые секторы 6, жестко соединенные друг с другом планками 7, причем зубчатые секторы 6 находятся в зацеплении с центральной шестерней 4. В полости, образованной валом 1 и центральной шестерней 4, расположен накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины 8, навитой вокруг вала 1, концы которой соединены с центральной шестерней 4 и трехлучевым кронштейном 2. Для периодического соединения и разъединения вала 1 маховика с коленчатым валом 9 двигателя используется электромагнитная муфта 10. Зубчатые секторы 6 выполнены в виде облегченных каркасов, обладающих малой массой и, соответственно, малыми моментами инерции.
Маховик с переменным моментом инерции работает следующим образом. 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 8 посредством зацепления зубчатых секторов 6 с центральной шестерней 4. При рекуперативном торможении включается электромагнитная муфта 10, 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 зацепление зубчатых секторов 6 и шестерни 4 усилие пружины 8. Маховик переходит в раскрытое положение (фиг. 2), его момент инерции увеличивается, участвуя при этом в торможении транспортного средства и накапливая энергию. Причем накапливается не только кинетическая энергия вращающихся маховичных секторов 5, но и потенциальная энергия упругодеформированной пружины 8. В конце цикла торможения электромагнитная муфта 10 выключается, а маховик продолжает свободно вращаться в раскрытом положении.
В последствии, когда необходимо продолжить движение, накопленная энергия маховика используется для трогания с места и разгона транспортного средства. Для этого снова включается электромагнитная муфта 10, через которую вращение с вала 1 маховика передается на коленчатый вал 9 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 8. При этом маховик отдает накопленную  кинетическую энергию вращающихся маховичных секторов 5 и потенциальную энергию упруго деформированной пружины 8.
Кроме того, уменьшение момента инерции маховика не дает ему замедлиться до полного складывания маховичных секторов 5, что позволяет поддерживать частоту вращения маховика вместе с валом двигателя в диапазоне его устойчивой работы. При полном складывании маховичных секторов 5 к центру маховика электромагнитная муфта 10 выключается и маховик снова готов к работе. При этом облегченные зубчатые секторы 6, обладающие малой массой и, соответственно, малыми моментами инерции, позволяют обеспечить более широкий диапазон изменения момента инерции, а значит более эффективно накапливать энергию при рекуперативном торможении и улучшать динамику разгона транспортного средства.
Пример расчета моментов инерции сплошного и полого зубчатых секторов. Исходные данные: ρ=7800 ; R=150 мм; r=135 мм; h=30 мм; t=10 мм.
Момент инерции сплошного зубчатого сектора рассчитывается по формуле (1):
2
кг·см.
Момент инерции полого зубчатого сектора рассчитывается по формуле (2):
2
кг·см.
Таким образом, момент инерции полого зубчатого сектора в 6,2 раза меньше, чем момент инерции сплошного зубчатого сектора.
Учитывая, что в конструкции маховика три зубчатых сектора, а доля их массы в общей массе маховика составляет 30%, получаем соответствующее увеличение диапазона изменения момента инерции всего маховика на 30%.