Stor rød knapp: svinghjulet driver

Formel 1 har alltid vært teknikkens vugge for sivile kjøretøy. Det var i de kongelige løpene at teknologien til å bruke sammensatte karosseripaneler, keramiske bremseskiver, robotgir og mange andre komponenter som gjorde det mulig for bilen å kjøre virkelig fort ble slått sammen. Hvem hadde trodd at det var formelen som ville gi drivkraft til utviklingen av en ny generasjon hybridbiler, hvis mål var å være ikke bare og ikke så dynamisk som energieffektiv, økonomisk og miljøvennlig. Vi snakker om biler med et system for utvinning av svinghjul bremsenergi.

Det hele startet i 2007, da FIA-president Max Mosley og Association of F1 FOTA deltagende lag startet en dialog om å endre de tekniske forskriftene for konkurransen med sikte på å "grønnere" løpene. Som et resultat av endringene i de tekniske forskriftene for løpene, har lag siden 2009 vært i stand til å installere enhver konfigurasjon på sine KERS-systemer. Forkortelsen KERS står for Kinetic Energy Recovery System, eller kinetisk energigjenvinningssystem. KERS lar deg samle opp bremsenergien til bilen, i stedet for å bruke den på ubrukelig oppvarming av bremseskivene, og deretter overføre denne energien til girakselen igjen.

Faren for ødeleggelse av svinghjul anses å være en av de problematiske faktorene til mekanisk KERS. Men ifølge skaperen John Hilton er dette ikke annet enn en myte. Tilbake i 2007 gjennomførte Flybrid en serie vellykkede tester på det berømte Cranfield F1-kraftsenteret. Sentrumsingeniører simulerte en virkelig krise på motorveien. Svinghjulet var untwisted på et stativ til en maksimal hastighet på 64 500 o / min inne i en hånsom racerbil, som deretter ble knust mot et fast hinder. Oppbremsingen var mer enn 20 g. Inspeksjon av enheten viste at vakuumhuset og selve svinghjulet ikke ble påvirket etter støtet. Dessuten fortsatte svinghjulet å rotere i hastigheter over 60.000 o / min!

Maksimal mengde akkumulert energi var begrenset til 400 kJ, systemeffekten var 60 kW, og driftsperioden i hjelpemotormodus var 6, 7 s på hver rute. I batterimodus kunne KERS jobbe kontinuerlig, og aktiveringen var forårsaket av å trykke på en spesiell knapp på roret på bilen i hastigheter over 100 km / t. Ytterligere skyvekraft kan brukes av piloter for å overhaling og raskt øke hastigheten etter hjørnet.

Foreløpige beregninger viste at KERS gir en fordel på opptil 0, 4 s per fang sammenlignet med en standard maskin. Dette er omtrent 30 m forskjell ved målgang. Ikke så mye, men ofte er det øyeblikk som avgjør skjebnen til lagene. Videre skisserte den tekniske kommisjonen utviklingsveien til KERS. Det ble antatt at gradvis vil indikatorene vokse - opp til 100 kW kraft og 800 kJ i 2011 og opp til 200 kW og 1600 kJ i 2013. Og dette er ikke en patetisk tretti meter odds.

Karusell i sirkuset Maximus

I tradisjonelle hybridsystemer konverteres den kinetiske energien til et bremsekjøretøy til elektrisk energi ved hjelp av en generator. Generatoren lader ikke bare batteriet, som deretter gir energi til den elektriske motoren, men skaper også ekstra bremsekraft, noe som gjør livet lettere for bremsene. En slik elektromekanisk KERS for formel 1 ble utviklet av Zytek. Da, i 2007, skapte de ledende teknologipartnerne i formelholdene - Torotrak, X-Trac, Ricardo og Flybrid - KERS svinghjulskonsept. I den konverteres den kinetiske energien til bilen til den kinetiske energien til det roterende svinghjulet.

Torotrak IVT torroidal variator leverer kraftstrøm fra fremdriftssystemet til svinghjulet og omvendt med minimalt energitap. På bare 50 millisekunder er han i stand til å endre girforholdet fra 6: 1 til 1: 1.

Max Mosley kalte integrasjonen av KERS i F1 en utfordring for kompetansen til teamdesignere. I følge Mosley har "Formula" de siste årene blitt en stillestående teknologisk sump. Innovasjon og dristige ingeniørløsninger var en saga blott da legendariske designere Colin Chapman, John Cooper og Keith Duckworth forlot scenen. "Nå er det ikke lenger noen personligheter av denne størrelsesorden i F1, med unntak av Patrick Head of Williams, " irriterte Mosley. Teamets ledelse foretrekker den endeløse moderniseringen av det eksisterende tekniske arsenalet, og ignorerer alt nytt. Etter at FIA begrenset motorhastigheten til 19.000 og bilens fortausvekt til 605 kg, satte ingeniørene ut forbedring av transmisjonene, en kritisk komponent i kraftverk. Mange lag bruker opptil 25 millioner i året på dette, og gjør bokser stadig raskere, lettere og mer holdbare. Å bruke standardnoder ville koste bare en million. Max Mosley er overbevist om at den maksimale standardiseringen av F1-biler ikke bare vil redusere teamkostnadene med en størrelsesorden, men også frigjøre tid og ressurser til å utvikle virkelig banebrytende teknologier, som han forholder KERS.

Lagene godtok Mosleys utfordring med knirking og skepsis. Rase-veteran, den tre ganger verdensmesteren Nicky Lauda spådde KERS-fiasko, og Ferrari-visepresident Piero Ferrari på en åpen måte kalte systemet bortkastet tid og penger. BMW-teamet, som hadde et tilstrekkelig budsjett, og hodet, Mario Thyssen, rapporterte fra tid til annen om nok en suksess. Absurde hendelser som en høyspentmekaniker som på mirakuløst vis overlevde en BMW-mekaniker ga bare allmenne interesser. McLaren engasjerte Zytec-fagfolk til å jobbe på KERS, og et team av ingeniører fra Flybrid, Torotrak, Ricardo og X-Trac kom til hjelp for Williams. Skjermen til Thyssen og Ferrari så morsom ut. Etter at italienerne testet tre KERS-varianter i slutten av 2008 og var ekstremt misfornøyde, sa Thyssen at problemet ikke var innen teknologi, men i kvalifiseringen til Scuderia teknisk stab. Mosley forsvarte KERS-ideen i pressen så godt han kunne, og Lauda spøkte med at hver F1-bil måtte ha en trailer med batterier.

KERS Ricardo Kinergy Magnetisk kobling uten kontakt

BMW var den første som nektet å bruke den store røde knappen etter sesongens fjerde etappe, og Ferrari jaget med en elektrisk motor og batterier lenger enn alle andre. Alt som utmerket KERS i F1 er flere slående episoder med Kimi Raikonen og en strålende seier i Ungarn av Lewis Hamilton. På sensommeren bestemte FOTA-medlemmene seg for å forlate bruken av KERS i 2010-sesongen.

To lydhastigheter

Flybrid-spesialister anser å jobbe på F1 som et morsomt, men ekstremt nyttig eksperiment. Britene ser hovedanvendelsen til sine mekaniske KERS i den sivile bilindustrien - spesielt i høyhastighets premiummodeller. For å gjøre dette, må det gode gamle svinghjulet gjøres lite, lett og energikrevende.

I 2007 kunngjorde John Hilton og Doug Cross, grunnleggerne av Flybrid, etableringen av et unikt kompakt svinghjul som veier rundt 5 kg, og som kan rotere i hastigheter på opptil 64.000 o / min. Et stålemne, i et snitt som ligner på en biconcave-linse, kledd i en solid karbonskjorte, ble plassert av dem i et vakuumveske. Svinghjulskaftet er montert på spesielle keramiske lagre. Rotkomponenten til Flybrid svinghjulet er et patentert system med roterende sentrifugale tetninger for å sikre tetthet av monteringen. Hvorfor er det et vakuum? Elementær: luftfriksjon, som vi synes umerkelig, i slike hastigheter fører til oppvarming og gradvis ødeleggelse av svinghjulet. Den gradvise bremsingen av platen skjer hovedsakelig på grunn av friksjon i skyvelagrene og pakningssystemet. Det løsrevne svinghjulet på et minutt mister bare 2% av den lagrede energien. Fullt utladning av dette mekaniske batteriet skjer på omtrent en halv time.

"Svinghjulet vårt er minst tre ganger raskere enn noen analog som noen gang er installert i biler - rotasjonshastigheten på ytterkanten når 660 m / s, som er dobbelt så høy lydhastighet i luft under normale forhold, " sier John Hilton. "Det gjorde det ni ganger mindre og lettere." I størrelse kan det sammenlignes med konvensjonelle tilleggsenheter som ligger under panseret til personbiler. Dette er et fullverdig hybridsystem på størrelse med et standardbatteri. "

Det er selvfølgelig usannsynlig at den røde Boost-knappen vises på rattet til en bil - systemet vil fungere i automatisk modus. Tradisjonelle hybrider er ikke i stand til å gi høy dynamikk på grunn av begrenset batteriytelse, og i svinghjulssystemer kan den lagrede energien brukes nesten umiddelbart. Samtidig får eieren også 30% drivstoffbesparelse på grunn av økt effektivitet.

I tillegg er mekanisk KERS fem ganger billigere enn elektromekanisk, pålitelig ved hvilken som helst temperatur og tåler millioner av utladningssykluser. Litium-ion-batteriet brukes bare til 80% av den nominelle kapasiteten - datamaskinen tillater ikke utladning på mer enn 80%, siden batteriet svikter når batteriet er helt utladet. Svinghjulet kan tømmes til null. Svinghjulets sikkerhet er gjentatte ganger testet i en serie krasjtester - en karbonskjorte lar ikke stykker bryte saken selv ved de høyeste omdreininger.


magnetisme

Svinghjulet og den ytre rotoren til Ricardo-koblingen er laget ved hjelp av MLC (Magnetically Loaded Composite) teknologi utviklet av Urenco for kjernekraft. Magnetisk neodympulver og større bestilte permanente magneter bundet med en sterk epoksyharpiks er integrert i ståloverflaten på delene. Rotasjonen av svinghjulet forårsaker en multidireksjonsrotasjon av den ytre rotoren til koblingen koblet til Torotrak toroidvariator med et girforhold fra 10: 1 til 1: 1. For å oppnå maksimal kontaktløs mesheffektivitet, måtte svinghjulets husvegg gjøres ekstremt tynn - gapet mellom to roterende koblingselementer er bare 2 mm. I følge utviklerne er effektiviteten av magnetisk overføring uvanlig høy - 99, 9%.

Låst vakuum

Den svake lenken til KERS Hilton and Cross er de patenterte sentrifugale svinghjulsakselpakningene. Ved maksimale rotasjonshastigheter oppstår det et mikroskopisk gap i dem, og en ekstra vakuumpumpe med en overvåknings- og kontrollenhet er nødvendig for å pumpe luft. Ricardo-ingeniører redesignet Flybrid-designet radikalt og skapte en helt forseglet modul med en virkelig unik kraftoverføringsteknologi kalt Kinergy. Det grunnleggende elementet i Kinergy er en kontaktfri magnetisk kobling. Kinergy krever ikke en vakuumpumpe og det mest komplekse settet med akseltetninger. Rotasjonsenergien til hjulene går til svinghjulet, og deretter tilbake til girkassen på grunn av magnetisk induksjon, og ikke gir eller girrem. Dessuten er magnetene her permanente.

Det magnetiserte svinghjulet står på to lagre av stål og keramikk, som ikke krever utskiftning under hele enhetens levetid. For å eliminere mulig inntrenging av vanndamp i huset og gradvis ødeleggelse av lagre, bruker Ricardo-ingeniører et adsorpsjonselement med en stor spesifikk kapasitet som absorberer alle væsker og gasser unntatt hydrogen.

I følge Ricardo-ekspert Andy Atkins tåler KERS basert på Kinergy-teknologi minst 10 millioner utladningssykluser, har en spesifikk effekt på 3 kW per kilo vekt, og dets spesifikke energiforbruk er 32, 5 kJ per kilo. Kostnaden for hybridsystemet Kinergy for en personklasse i klassen vil ikke være mer enn 1300 dollar. Kinergy kan også brukes som en ideell girkasse for biler - sammenliknet med den nå populære preselektriske mekanikken, er et svinghjul med magnetisk kobling 20% ​​mer økonomisk.

Svinghjul, sir!

Kinergys effektivitet og billighet ble likt av bilfirmaer. Foreløpig har tester av dette systemet allerede begynt på prototypen til neste generasjon Jaguar XJ og på de berømte London-dobbeltdekkerne. Ifølge Chris Borkbank, en teknolog ved Torotrak, en strategisk samarbeidspartner for Ricardo, reduseres dobbeltdekkers drivstofforbruk med nesten 30%. Tapet av energi på svinghjulet i dette tilfellet er ikke en kritisk faktor - den gjennomsnittlige varigheten av et busstopp i London overstiger ikke 55 s.

I følge Andy Atkins er anvendelsesområdet for Kinergy stort - eventuelle lastede mekaniske systemer som fungerer i forhold til vekslende kraftstrømmer, vil være 20-30% mer effektive med nye svinghjul enn uten dem. Lokomotiver, trikker, gravemaskiner, gruveutstyr, kraner, kraftverk og mye mer - for Kinergy overalt er det en verdig anvendelse. F1 racerbiler er intet unntak. Hvem vet - kanskje snart dukker den store røde knappen igjen ved roret til raske biler?

Artikkelen ble publisert i tidsskriftet Popular Mechanics (nr. 2, februar 2010).

Anbefalt

Slik ser du lyden: vitenskapelige eksperimenter og eksperimenter
2019
Teknikk i kampene om Seier: stormende Berlin
2019
Unikt materiale: gjennomsiktig tre
2019