Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента как это используется на космических аппаратах.
Содержание
Содержание
Использование [ править | править код ]
Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения, гиробусах.
Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.
Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса, с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.
Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).
Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход в XIX веке от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд при равном аэродинамическом сопротивлении.
Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика — велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.
Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.
В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется на автомобилях: любой поршневой двигатель снабжён маховиком, часто совмещающим функции как часть сцепления и системы пуска (маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента от стартера). Кроме вывода кривошипного механизма из мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурс трансмиссии (оставшаяся часть неравномерности гасится пружинами демпфера крутильных колебаний или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).
Физика [ править | править код ]
Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:
- I <displaystyle I>
— момент инерциимассы относительно оси вращения маховика - ω <displaystyle omega >(омега) — угловая скорость в радианах в секунду
Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции
- Для полого цилиндра I = 1 2 m ( r 2 + r o 2 ) <displaystyle I=<frac <1><2>>m(r^<2>+r_
^<2>)> где m <displaystyle m>— масса полого цилиндра; r <displaystyle r>— его радиус; r o <displaystyle r_> — внутренний радиус цилиндра - Для тонкостенного цилиндра I = m r 2 <displaystyle I=mr^<2>>
- Для сплошного цилиндра I = 1 2 m r 2 <displaystyle I=<frac <1><2>>mr^<2>>
Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость ω <displaystyle omega > 
на частоту вращения f <displaystyle f> по формуле
ω = 2 π f <displaystyle omega =2pi f>
E = m ( π f ) 2 ( r 2 + r o 2 ) <displaystyle E=m(pi f)^<2>(r^<2>+r_
История [ править | править код ]
Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае. [1]
Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик. [2]
Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня [3] , и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное [4] .
В 20-30-х годах XX века советский изобретатель А. Г. Уфимцев впервые в мире [5] применил инерционный аккумулятор на первой в России ветроэлектростанции, построенной им в г. Курске.
Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.
Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.
Пример [ править | править код ]
Предельное значение угловой скорости маховика ω <displaystyle omega > определяется прочностью материала маховика на разрыв. Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска 1 2 I ω 2 = V 4 S m a x <displaystyle <frac <1><2>>Iomega ^<2>=<frac , где S m a x <displaystyle S_— предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади), V <displaystyle V> — объём диска. Для плавленого кварца S m a x = 3 × 10 9 <displaystyle S_Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом 0 , 1 <displaystyle 0,1> м3 и весом 200 <displaystyle 200> кг будет равна энергоемкости 13 <displaystyle 13> л бензина [6] .
Супермаховик [ править | править код ]
В мае 1964 года Н. В. Гулия подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты, проволоки или синтетических волокон, которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.
Что такое двухмассовый маховик? Это маховик, состоящий из двух частей. Части могут перемещаться относительно друг друга в определенных пределах. Вращение от ведущей части к ведомой передается через пружины. Благодаря жесткости и упругости пружин, крутильные колебания коленвала гасятся.
Схема работы двухмассового маховика: 1 — Ведущая половина маховика, 2 — Ведомая половина маховика, 3 — Пружина
На схеме видно, что к ведомой части маховика присоединено сцепление, которое включает коробку передач.
Поршневой двигатель работает неравномерно, так как поршня меняют направление движения два раза за 1 оборот двигателя. То есть 4000 раз в минуту, при нормальной работе двигателя, 10000 раз при форсированном режиме, иногда и больше. Возникают крутильные колебания, которые разрушают трансмиссию автомобиля раньше времени. Для смягчения работы коробки передач придумали двухмассовые маховики.
Чтобы лучше понять работу двухмассового маховика, рассмотрим одномассовый.
Одномассовый маховик
Изначально маховики были одномассовыми. Чугунный диск с зубчатым венцом на торце. Крепится к коленвалу. Диаметр 30 – 40 см.
Одномассовый маховик
Когда двигатель набирает большие обороты (2000 – 5000 оборот/минуту) маховик, имеющий значительную массу набирает большую кинетическую энергию вращения. Эта энергия отдается в трансмиссию при торможении автомобиля. При разгоне наоборот маховик препятствует набору скорости. Он мешает любому изменению скорости коленвала. Как в плюс, так и в минус. Сглаживает колебания.
Зубчатый венец служит для запуска двигателя стартером. На валу стартера сидит бендикс, который вращает маховик в момент запуска двигателя. Кода двигатель начинает самостоятельно вращаться, бендикс втягивается и выходит из зацепления.
К маховику присоединяется корзина сцепления. В ней находится диск сцепления, который прижимается к поверхности маховика нажимным диском. Корзина и оба диска: нажимной и ведомый (диск сцепления) вращаются вместе с маховиком. В момент переключения скоростей, когда водитель давит на педаль сцепления, ведомый диск отжимается от маховика, и вал двигателя вращается в холостую.
Двухмассовый маховик
В современных двигателях применяются двухмассовые маховики. Они выполняют те же функции, что и обычные маховики. Но гашение колебаний намного эффективнее. У них помимо массы, действуют специальные пружины и планетарный механизм. То есть гашение колебаний осуществляется тремя элементами: массой, пружинами и планетарный передачей.
Двухмассовый маховик (ДММ)
Главный корпус маховика насажен на коленвал двигателя. Вспомогательный корпус соединяется с главным при помощи подшипников скольжения: осевого и радиального. Это позволяет перемещаться корпусам относительно друг друга в определенном зазоре. Корончатая шестерня свободно смещается относительно главного и вспомогательного корпуса механизма.
Корончатая шестерня находится в зацеплении с шестеренками, расположенными на вторичном диске. Вместе они образуют планетарную передачу, которая участвует в гашении крутильных колебаний.
Пружины двух видов: жесткие и мягкие. Это позволяет гасить колебания разных частот. Мягкие пружины сдерживают колебания низкой частоты. Жесткие – высокой частоты. Для долговечности пружин, они помещены в смазку. Чтобы смазка не вытекала, в наличии стальной кожух.
Ползун и упор пружин служат для их фиксации относительно дисков.
Ремонт двухмассового маховика
Мощность современных машин возросла кратно. Соответственно выросла и величина колебаний на коленвалу, на трансмиссии автомобиля. Поэтому двухмассовые маховики работают в тяжелых условиях. Они менее долговечны, чем одномассовые, чаще требуют ремонта или замены. Стоимость их находится в районе 1000 долларов. Ремонт обойдется в разы меньше.
Возросла вибрация автомобиля, появился визг при пуске и остановке двигателя. Машину трясет так, как если бы стартер не отключился от маховика, после пуска двигателя. Это признаки порчи двухмассового маховика.
Ремонт двухмассового маховика сейчас делает практически любой автосервис. Для начала маховик разбирают и промывают от грязи. Внешний осмотр позволяет выявить трещины (Стрелка В). Цвет побежалости на вторичном диске (стрелка А) говорит о неравномерной работе сцепления. Это происходит, когда водитель часто допускает не полное прижатие сцепления к маховику, вместо использования ручника.
Цвет побежалости бывает также на поверхности, которая ближе к оси, чем поверхность трения (точка С). Это признак выхода из строя центрального подшипника.
Также проверяют угловой люфт. Если он больше чем на два зуба, то маховик надо менять.
Серьезный дефект – вытекание масла, или его закоксовка. В этом случае меняют механизм полностью.
Самый хороший ремонт – замена изношенных деталей на новые, а не шлифовка поверхностей или их восстановление наплавкой.
После сборки маховика, его балансируют. Затем покраска – последняя необходимая операция.
Замена двухмассового маховика на одномассовый
Многие водители, намучившись с эксплуатацией ДММ, переходят на одномассовый маховик. Стоит ли это делать? Мнения специалистов на эту проблему разнятся. Часто ДММ не поддается ремонту, и его меняют полностью. Стоимость в районе 1000 долларов, еще и ждать надо долго пока запчасть поступит. Поставив одномассовый, вы решите сразу несколько проблем.
Одномассовый маховик практически не убиваем. Но тогда, часто будет лететь диск сцепления. Вождение по началу будет более комфортным, так как педаль сцепления «проваливается». Так говорят многие водители, как только садятся за руль переоборудованного автомобиля. То есть скорости переключаются мягко и легко. Выигрыш в деньгах существенный. У дорогих автомобилей доходит до 1,5 млн. рублей.
Мощную иномарку оснащать одномассовым маховиком специалисты не советуют. В этом случае под удар попадают коленвал и коробка передач. О диске сцепления мы отметили выше. Он хоть и недорогой, но плюс работа: разборка, сборка. Если это делать часто, то будет большой расход денег и времени. Если редко, то можно угробить дорогие части машины: двигатель и коробку скоростей. Выбор за вами.
Если рассматривать устройство и принцип работы ДВС, то рано или поздно придется столкнуться с таким изделием, как маховик. По своему конструктивному исполнению он не представляет чего-то сложного, но выполняемые им функции чрезвычайно важны, и непонятно, каким образом можно обойтись без него.
Что такое маховик в автомобиле?
По сути дела, маховик двигателя является составной частью нескольких самостоятельных систем. К его функциям можно отнести:
- уменьшение колебаний при вращении коленвала ДВС. В этом случае маховик выступает как часть двигателя;
- передачу момента на КПП от силового агрегата. Маховик кроме всего прочего является первичным диском сцепления;
- передачу момента на коленвал от стартера. Через венец маховика от стартера поступает момент для раскручивания коленвала и запуска двигателя.
Чтобы лучше понять принцип его работы и те возможности, которые реализует конкретное устройство, надо рассмотреть отдельно каждый случай применения.
Для чего нужен маховик
- Как элемент ДВС. Основное, если так можно сказать, самое первое его применение. Понять выполняемые в этом случае функции поможет фото
Здесь: 1 – шейка шатунная, 2 – противовес, 3 – маховик с венцом 4 – коренная шейка, 5 – коленвал.
Работа четырехтактного ДВС подразумевает, что энергия от сгорания топлива появляется неравномерно из-за того, что в разных цилиндрах этот процесс происходит в разное время. Такое ее поступление обуславливает изменяющийся во времени момент на валу ДВС. Для сглаживания этих пульсаций, а также любых неравномерностей при вращении коленвала, предусмотрено использование маховика, выступающего своеобразным аккумулятором кинетической энергии. - Полученный крутящий момент необходимо передать на колеса, и опять в этом процессе не обойтись без маховика. Такое его назначение основано на том, что он используется в качестве первичного вала сцепления, как показано на фото:
1 – маховик, 2 – сцепление в сборе.
В данном случае от маховика сцепление получает крутящий момент, выдаваемый ДВС, а затем передает его дальше на КПП. Не касаясь того, как организовано взаимодействие маховик-сцепление, стоит только отметить, что здесь он выступает в двоякой роли – как оконечный элемент ДВС, на который поступает развиваемый крутящий момент, и как часть сцепления, этот момент получающий. - Использование маховика при запуске ДВС. Такое его применение показано на фото ниже:
Принцип работы, в этом случае, следующий – при повороте ключа зажигания реле вводит в зацепление венец маховика и шестеренку на валу стартера. Стартер начинает крутиться, создаваемый им момент раскручивает маховик и, соответственно, коленвал двигателя. Он запускается, после чего венец маховика и стартер разъединяются. Теперь должно быть понятно, для чего нужен венец.
Обычный, демпферный маховик и другие его виды
Конструктивно различают такие виды его исполнения:
- сплошной или обычный;
- двухмассовый или демпферный;
- облегченный.
Наиболее распространенным является сплошной маховик. По сути дела – это обычный металлический диск, на котором по торцу выполнен венец.
Для разных моделей автомобиля используется свое исполнение, обычно диаметр диска тридцать-сорок сантиметров. Как пример можно привести диск ВАЗ 2101, его вес равен 6,7 кг, а диаметр сцепления двести мм, тогда как для ВАЗ 2110 – вес 6,3 кг. Не существует единого варианта для любых моделей, на все ВАЗ, например, такие как 2112, 2114, 2110, применяется свое исполнение. 
Двухмассовый маховик, принцип работы
Однако зачастую это не самый лучший вариант маховика, используемого на автомобиле. Дело в том, что ДВС работает неравномерно, кроме того режимы движения постоянно меняются (ускорение, замедление), что приводит к дополнительным нагрузкам на коленвал. Пусть будет самая простая ситуация – автомобиль движется равномерно и прямо. Впереди освобождается дорога, предположим, что трактор свернул в сторону, получив свободное пространство, водитель начинает разгоняться.
При этом возникает несколько дополнительных источников нагрузки. Неравномерность процессов воспламенения топлива приводит к тому, что коленвал вращается также неравномерно. Ее частично сглаживает маховик. Но есть еще одна особенность – при ускорении автомобиля коленвал раскручивается с большей частотой, чем работал раньше.
Для вала она превышает частоту вращения маховика, вал уже раскрутился, а маховик, благодаря своей инерционности, – нет, вследствие чего возникают дополнительные нагрузки, так называемые «крутильные колебания». Они передаются в трансмиссию, в результате чего появляется дополнительный стук, вибрация в КПП и прочие подобные подарки. Выходом из такой ситуации может стать использование двухмассового маховика.
Что же это за устройство, позволяющее добиться отличного результата? Двухмассовый маховик показан на фото, по сути дела, он представляет собой два диска, соединённых между собой пружинами.
Конструктивное исполнение конкретного двухмассового устройства может быть отличным от показанного выше. В любом случае – это два диска, соединенных подшипником. Первый диск крепится на коленвал, и на нем располагается венец для подключения стартера, второй связан со сцеплением. Между дисками установлена пружинная демпферная система. Диски имеют возможность вращаться друг относительно друга, при этом пружины гасят рывки и различные колебания, возникающие при работе ДВС.
Однако не все хорошо, во всяком случае, двухмассовый маховик не может похвастаться широким применением, например, как обычный маховик ВАЗ 2108.
А все дело в том, что при движении на малых оборотах, особенно на автомобилях с дизельными двигателями, обладающими при этом повышенным моментом, неравномерность воспламенения топлива максимальна. Следствием движения в таком режиме будет возникновение значительных крутильных колебаний, приводящих к увеличенному уровню нагрузки на демпферные пружины. В результате чего двухмассовый маховик выходит из строя.
Стоит отметить, что кроме двухмассового маховика есть и другие его разновидности, но это тема уже отдельного разговора.
Что используют в автомобилях ВАЗ?
Нет ничего удивительного, что для машин ВАЗ, например таких, как 2112, 2114, 2110, как уже отмечалось, используются разнообразные маховики. В авто этого семейства применяют обычный, а не двухмассовый маховик. Правда, для представителя каждого семейства ВАЗ он свой, отличающийся весом и размерами диска сцепления.
Так, на всю классику ВАЗ ставится маховик от 2101, на Ниву и Шеви Ниву – от 21213. Восьмерки комплектуются изделиями от 2109. Десятки, Калины, Приоры, Гранты используют маховик от ВАЗ 2110. Все виды маховиков, от ВАЗ различных семейств, например таких, как 2112, 2114, 2110, отличаются различным посадочным местом, внешним диаметром и венцом.
" alt="">
Роль и значение маховика в ДВС переоценить трудно, да наверное, просто невозможно. Именно он сглаживает рывки, создает нормальные условия для работы трансмиссии и уменьшает вибрацию от мотора, передаваемую на кузов. С целью повышения его эффективности используются различные конструкции, хотя зачастую и исполнение в виде обычного диска вполне успешно работает в двигателе.