МАХОВИК С ПЕРЕМЕННЫМ МОМЕНТОМ ИНЕРЦИИ УВЕЛИЧЕННОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ

Предполагаемая полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в транспортных средствах, 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.
Недостатком данного маховика является его низкая энергоемкость, обусловленная малой толщиной маховичных секторов и, соответственно, их небольшой массой, что не позволяет использовать такой маховик в крупнотоннажных транспортных средствах, например, в грузовиках или автобусах.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание маховика с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости.
Техническим результатом является уменьшение расхода топлива в крупнотоннажных транспортных средствах, оснащенных двигателями внутреннего сгорания.
Технический результат достигается предлагаемым маховиком с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости, содержащим вал, на котором жестко закреплены два трехлучевых кронштейна и установлены с помощью подшипников две центральные шестерни с возможностью поворота вокруг вала. На концах кронштейнов с возможностью поворота закреплены соосно маховичные секторы и зубчатые секторы, жестко соединенные друг с другом, причем зубчатые секторы находятся в зацеплении с центральными шестернями. В полостях, образованных валом и центральными шестернями, расположены накопители потенциальной энергии, выполненные в виде пружин, навитых вокруг вала, концы которых соединены с центральными шестернями и трехлучевыми кронштейнами. Для периодического соединения и разъединения вала маховика с коленчатым валом двигателя используется электромагнитная муфта.
Применение предлагаемого маховика с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости позволит уменьшить расход топлива в двигателе за счет накопления энергии при рекуперативном торможении и последующего использования накопленной энергии для трогания с места и разгона крупнотоннажного транспортного средства.
На фиг. 1 изображен маховик с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости в сложенном положении. На фиг. 2 изображен маховик с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости в раскрытом положении. На фиг. 3 изображен разрез маховика с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости в сложенном положении.
Маховик с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости содержит вал 1, на котором жестко закреплены два трехлучевых кронштейна 2 и 3 и установлены с помощью подшипников 4 и 5 две центральных шестерни 6 и 7 с возможностью поворота вокруг вала 1. На концах кронштейнов 2 и 3 с возможностью поворота закреплены соосно маховичные секторы 8 и зубчатые секторы 9 и 10, жестко соединенные друг с другом планками 11 и 12, причем зубчатые секторы 9 и 10 находятся в зацеплении с центральными шестернями 6 и 7. В полостях, образованных валом 1 и центральными шестернями 6 и 7, расположены накопители потенциальной энергии, выполненные в виде пружин 13 и 14, навитых вокруг вала 1, концы которых соединены с центральными шестернями 6 и 7 и трехлучевыми кронштейнами 2 и 3. Для периодического соединения и разъединения вала 1 маховика с коленчатым валом 15 двигателя используется электромагнитная муфта 16.
Маховик с переменным моментом инерции увеличенной энергоемкости работает следующим образом. В остановленном положении или при малой частоте вращения маховик находится в сложенном положении (фиг. 1, 3): маховичные секторы 8 прижаты к центру маховика усилием пружин 13 и 14 посредством зацепления зубчатых секторов 9 и 10 с центральными шестернями 6 и 7. При рекуперативном торможении включается электромагнитная муфта 16, и вал 1 маховика начинает вращаться. При увеличении частоты вращения вала 1 маховичные секторы 8 за счет действия на них центробежных сил разворачиваются вокруг своих осей, преодолевая через зацепления зубчатых секторов 9 и 10 с шестернями 6 и 7 усилия пружин 13 и 14. 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 8, но и потенциальная энергия упругодеформированных пружин 13 и 14. В конце цикла торможения электромагнитная муфта 16 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 16, через которую вращение с вала 1 маховика передается на коленчатый вал 15 двигателя, причем, отдавая энергию, маховик стремится замедлиться, что приводит к уменьшению центробежных сил, действующих на маховичные секторы 8 и к их складыванию за счет действия пружин 13 и 14. При этом маховик отдает накопленную кинетическую энергию вращающихся маховичных секторов 8 и потенциальную энергию упругодеформированных пружин 13 и 14.
Кроме того, уменьшение момента инерции маховика не дает ему замедлиться до полного складывания маховичных секторов 8, что позволяет поддерживать частоту вращения маховика вместе с валом двигателя в диапазоне его устойчивой работы. При полном складывании маховичных секторов 8 к центру маховика электромагнитная муфта 16 выключается и маховик снова готов к работе.
Количество накопленной при рекуперативном торможении кинетической энергии определяется по формуле:
где ρ - плотность материала маховичных секторов;
R - внешний радиус маховичных секторов;
h - толщина маховичных секторов;
ω - частота вращения маховика.
Из формулы (1) следует, что увеличение толщины h маховичных секторов приводит к пропорциональному увеличению количества кинетической энергии, запасаемой в маховике.
В рассматриваемом примере толщина маховичных секторов увеличена в 8 раз по сравнению с прототипом (Патент РФ №2516883), следовательно, во столько же раз увеличится и количество накапливаемой в маховике энергии:
1
где E - кинетическая энергия, накапливаемая в прототипе (Патент РФ №2516883);
2
E - кинетическая энергия, накапливаемая в предлагаемой полезной модели.