Зачем на ось коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания насаживают маховик

Маховик двигателя: его назначение и устройство

Маховик двигателя считается одним из важнейших элементов без которого невозможна полноценная работа силовой установки и транспортного средства в целом. Представляет собой маховик литой и хорошо сбалансированный чугунный диск с напрессованными стальными зубьями для зацепления со стартером мотора. Передает маховик крутящий момент от двигателя на коробку передач автомобиля. Если на авто механическая коробка передач, то на маховике крепится корзина сцепления, а при автоматике гидротрансформатор. Представляет собой маховик довольно массивную деталь. Его масса в основном зависит от мощности мотора и количества цилиндров в нем. Основное назначение маховика лежит в аккумулировании кинетической энергии от коленвала и в создании полезной инерции. Исходя из всего сказано можно обобщить, что основные функции маховика входит обеспечение плавной работы мотора, передача крутящего момента от двигателя на КПП и обеспечение работы сцепления, а также передачу крутящего момента от стартера на венец маховика для запуска мотора.

Какие бывают маховики?

Сегодня существует три вида таких устройств. Первый тип сплошной — считается наиболее простой и распространенной конструкцией. По виду представляет собой литой чугунный диск. Для АКПП гораздо легче обычного, потому как рассчитан на совместное использование с гидротрансформатором. Второй вид — это облегченный маховик. Устанавливают такой вариант преимущественно при тюнинге авто, трансмиссии или мотора. За счет своего небольшого веса такой маховик уменьшает инерцию и повышает производительность мотора на 5%. На педаль газа авто откликается быстрее и авто становится с ним более динамичным. при этом такой облегченный вариант можно делать только в комплексе с другими работами, направленными на улучшение характеристик трансмиссии и мотора. Третий вариат маховиков — это двухмассовые маховики. Они имеют более сложную конструкцию и устанавливаются в основном на современные автомобили. Применяется такое устройство и на АПКК и на МКПП без гидротрансформатора. Такие маховики прекрасно подавляют вибрации, шум и защищают трансмиссию и синхронизаторы.

Как работает двухмассовый маховик и почему стоит выбрать его?

Принцип работы двухмассового маховика достаточно прост. От коленчатого вала передается крутящий момент первичному диску. Он отклоняет пружинную конструкцию внутри и достигнув определенного уровня сжатия, крутящий момент начинает передаваться на второй диск. Система гасит высокие колебания мотора и за счет значительно снижается нагрузка на КПП. среди наиболее очевидных плюсов двухмассового маховика моно выделить то, что он обеспечивает мягкую и плавную работу двигателя и коробки передач. Также он позволяет добиться низкого уровня шума и вибрации.

Подробнее о маховике силовой установки будет рассказано в этом интересном видеоматериале:

Что такое автомобильный маховик, зачем он нужен и какой бывает

Как коробка передач, так и двигатель внутреннего сгорания оснащаются специальными устройствами, которые называются маховиками. В случае с моторами конструкция работы поршней предусматривает наличие нескольких мёртвых точек, в которые они попадают в процессе функционирования. Чтобы вывести поршни из этих положений, инженерами был предусмотрен специальный массивный элемент. Он называется маховиком двигателя. Этот элемент набирает силу инерции при вращении, что даёт возможность преодолеть мёртвую точку в нижних и верхних амплитудах. Это важный компонент силовой установки, который занимает особое место в конструкции двигателя, имеет несколько разновидностей и выполняет значимые функции в работе всей силовой установки.

Что это

Первым делом нужно разобраться в том, что такое маховики в автомобилях и их двигателях внутреннего сгорания. Это деталь или компонент мотора, необходимый для регулировки поступления энергии. Постепенно маховик накапливает в себе энергию за счёт того, что её поступает больше, нежели необходимо для работы машины. При этом же маховик отдаёт накопленную энергию, если параметры потребления превосходят параметры поступления. Он необходим в конструкции двигателя для:

;
• соединения ДВС и коробки передач (трансмиссии);
• передачи крутящего момента от мотора на коробку;
• стабилизации вращения коленвала.

Если говорить о том, как маховик выглядит, то тут можно выделить похожую на металлический диск конструкцию. Если посмотрите внимательно на края, то здесь увидите зубчатый венец. Когда автомобилист поворачивает ключ зажигания в замке, стартер сцепляется с венцом, поворачивает его, а маховик уже начинает вращение коленчатого вала, что и позволяет автомобилю двигаться. Хотя маховик считают неотъемлемым элементом двигателя внутреннего сгорания, на практике он тесно связан сразу с несколькими системами. А именно:

• С редуктором системы пуска. Именно сюда передаётся вращение;
• Со стартером. Маховик задаёт начальное вращение вала мотора;
• С коробкой передач. Сюда маховик передаёт крутящий момент, получая его с диска сцепления;
• С кривошипно-шатунным механизмом. Тут происходит процесс сглаживания импульсов при неравномерном вращении.

Большие размеры конструкции позволяют маховику при начальных вращениях набирать достаточную инерцию. Учитывая жёсткую связь с коленчатым валом, поршни двигателя при нахождении в верхних и нижних мёртвых точках не задерживаются. Они следуют дальше по ходу своего вращения, создавая новые циклы сжатия или воспламенения топливовоздушной смеси в ДВС. Поскольку имеются мёртвые точки, вращение вала происходит неравномерно, сначала набирается угловая скорость, а затем она теряется. Учитывая этот фактор, диаметры маховиков для каждого двигателя выбирают индивидуально, чтобы удавалось эффективно сглаживать угловые скорости в зависимости от промежутка времени.

Расположение

Автомобилисты справедливо задаются вопросами относительно того, где маховик находится в конструкции двигателя, и каким образом он располагается в силовой установке. Чтобы найти этот маховик, можно заглянуть в руководство по эксплуатации к своему автомобилю. На схеме чётко будет видно, где расположена деталь на конкретном моторе. Но даже если водитель не нашёл техническую документацию, с поиском элемента на практике проблем возникать не должно. На всех двигателях маховик находится возле коренного подшипника установленного коленвала. Это обусловлено тем, что именно этот подшипник самый мощный. А потому он сможет выдержать нагрузку от маховика.

На фланец коленчатого вала маховик фиксируется с помощью ступицы. При этом его обратная сторона зацепляется с главным сцепным диском или диском сцепления. То есть расположение можно охарактеризовать как установку маховика между корзиной сцепления и коленчатым валом силовой установки транспортного средства. Со стороны корзины осуществляется прочная фиксация с помощью болтового соединения. На наружном диаметре маховика предусматривается зубчатый венец. Он нужен для того, чтобы осуществлять зацеп за бендикс автомобильного стартера в тот момент, когда запускается двигатель.

На маховике обязательно присутствует специальная метка. Она предназначена для того, чтобы показывать оптимальное положение устройства относительно сцепного диска и коленчатого вала. То есть при демонтаже или замене маховик устанавливают строго согласно меткам. Каждый маховик предварительно перед установкой на автомобиль проходит процедуру балансировка на специальных стендах. Это необходимо с целью исключения возможного возникновения вибраций, которые могут передаваться на коленчатый вал автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

Особенности устройства и принцип работы

Несмотря на достаточно важную роль, который выполняет маховик ДВС в работе всего автомобиля, его конструкция достаточно простая. Устройство представляет собой диск, диаметр которого составляет около 30-40 сантиметров. Размер уже зависит от конкретного мотора и его конструктивных особенностей. Край диска дополнен специальными зубцами. Именно за счёт этих зубцов происходит зацепление маховика с валом автомобильного стартера. Это позволят раскрутить коленчатый вал силовой установки в момент, когда происходит запуск двигателя, и машина начинает движение. Чтобы разобраться в принципе работы автомобильного маховика, установленного на двигателе, достаточно вспомнить обычную игрушечную юлу, которая была практически у каждого в детстве. Юлу раскручивали рукой, а маховик крутится за счёт работы коленвала. Когда юла раскручена, она может некоторое время вращаться самостоятельно, то есть прикладывать дополнительное усилие нет необходимости. В этом и проявляется принцип накопления энергии. Но если юла расходует эту энергию просто так, впустую, то автомобильные маховики передают её обратно, помогая раскручивать уже сам коленвал.

При запуске мотора вращение маховика создаётся стартером, что позволяет получить стартовую скорость и набрать инерцию. Далее поршень как бы зависает в положении верхней мёртвой точки, из-за чего коленвал вращаться уже не может. Но поскольку маховик накопил инерцию, он передаёт её на вал, и тот прокручивается, преодолевая мёртвую точку, а далее следует к новому циклу сжатия и воспламенения. Цикл постоянно повторяется, потому маховик успевает накопить энергию и обеспечить вращение валу. Параллельно с этим специальный датчик постоянно следит за тем, в каком положении находится вал и поршни на нём. Датчик передаёт полученную информацию на электронный блок управления, что позволяет вовремя подавать зажигание в нужные камеры сгорания.

Автомобильные двигатели внутреннего сгорания могут оснащаться одним из 3 видов маховиков. А именно:

• одномассовым (сплошным);
• двухмассовым;
• облегчённым.

Каждая конструкция имеет свои особенности, сильные и слабые стороны. Причём приведённый принцип работы относится скорее к одномассовым классическим решениям, в то время как двухмассовые функционируют несколько иначе.

Одномассовый

Это самый распространённый вариант маховика, который часто называют сплошным. Такое название обусловлено его сплошной конструкция. Внешне это диск определённого диаметра в диапазоне от 30 до 40 сантиметров. Наиболее актуальным материалом для производства одномассовых дисков маховиков выступает высококачественный чугун. На внешней стороне диска по всей окружности располагается зубчатое кольцо. Этот венец с зубцами делают из другого материала. Преимущественно используют сталь. Установка осуществляется методом непрессовки, что обусловило прочную фиксацию вента. Для монтажа диска-маховика на коленвал через специальный фланец с одной стороны конструкции предусмотрено наличие ступицы. А вторая плоскость маховика выполняет функции ведущего сцепного диска. Это позволяет говорить о том, что одномассовые маховики по своей конструкции достаточно простые. Из-за этого их так активно используют в составе современных двигателей. При этом важно отметить наличие одного существенного недостатка. Заключается он в недостаточной эффективности гашения колебаний, возникающих при вращении. В этом компоненте куда лучше работают двухмассовые аналоги. Их начали внедрять в конструкцию двигателя ещё в 80-х годах прошлого века.

Двухмассовый

По своему устройству двухмассовые маховики отличаются от одномассового. При этом возникает много споров относительно того, какой маховик всё же лучше, сравнивая одномассовый и двухмассовый диск. Для этого нужно рассмотреть его конструкцию, принцип работы, а также поговорить о хорошем и плохом. Конструктивно это пара дисков, которые соединяются при помощи пружинно-демпферной системы. Она позволяет исключить так называемые крутильные колебания двигателя, которые воздействуют на трансмиссию. Именно они оказались слабым местом одномассового диска. В итоге, за счёт такого решения, на автомобилях с двухмассовыми маховиками трансмиссия работает равномернее. Благодаря новым решениям, пара дисков, соединённых пружинно-демпферной системой, позволила отказаться от использования демпфера в самом ведущем диске автомобильного сцепления. Это повысило надёжность, и увеличило срок службы. Помимо указанных особенностей, можно выделить ещё несколько преимуществ двухмассовых дисков. Такие маховики:

, которые идут от двигателя на трансмиссию;
• снижают уровень создаваемого шума;
• делают процедуру переключения скоростей более удобной;
• защищают трансмиссию от перегрузок.

Некоторые исследователи утверждают, что при использовании двухмассовой конструкции удаётся снизить количество потребляемого топлива. Но при этом не стоит забывать о существовании определённых недостатков, которыми характеризуются маховики двухмассового типа. Главным минусом считается тот факт, что надёжность двухмассовых дисков заметно уступает этой характеристике у одномассовых. Для многих это предопределяющий фактор при выборе. Сниженная надёжность обусловлена тем, что конструкция включает эту самую пружинно-демпферную систему. На неё воздействуют сильные нагрузки, что приводит к быстрому износу. Это во многом объясняет, почему такие конструкции маховиков пока не так активно используют на автомобилях.

Но инженеры не остановились на достигнутом. Они активно ищут возможности, чтобы улучшить маховик с двумя дисками и повысить его надёжность. Особенно это актуально в связи с появлением большого количества низкооборотных двигателей, а также с мощными моторами с небольшим рабочим объёмом. Подобные силовые установки предъявляют повышенные требования в отношении гашения колебаний. Наиболее актуальной разработкой усовершенствованного двухмассового маховика является конструкция с центробежными маятниками. Что же касается принципа работы двухмассового маховика, то здесь процесс выглядит следующим образом:

• В момент, когда запускается двигатель, одна часть получает значительную угловую скорость, в то время как вторая остаётся в неподвижном состоянии;
• Параллельно первая часть маховика сжимает пружину, которая позволяет плавно начать вращать трансмиссионный диск;
• Постепенно скорости двух частей выравниваются по отношению друг к другу, и начинают работать в одном режиме;
• Когда водитель снижает обороты с помощью педали газа, вторая часть начинает вращаться быстрее первой;
• Но и тут никаких жёстких ударов не происходит, поскольку параллельно сжимается другая пружина, но уже в другом направлении;
• Снова половинки вращаются с одинаковой скоростью;
• Цикл повторяется.

Подобный маховик имеет лучшие эксплуатационные характеристики, обеспечивает более плавную работу и лучше гасит колебания. Но по надёжности заметно уступает одномассовому аналогу. Выбор во многом следует основывать на том, что является приоритетным для самого двигателя. Если важна надёжность, то тут лучше использовать одномассовые диски. Но при повышенных требованиях к гашениям колебаний лучшим вариантом будет именно двумассовый тип маховика.

Облегчённый

Теперь касательно того, что дают автомобилю облегчённые маховики. Подобные конструкции используются при проведении тюнинга, то есть при технических доработках силовых установок. Стоит упомянуть о плюсах и минусах облегчённых маховиков. Они отличаются тем, что их масса отлично распределяется от центра к краям. За счёт этого вес конструкции снижается. Также снижается и момент инерции. Если автомобиль получает в своей конструкции такой тип маховика, заметно улучшается разгонная динамика. К преимуществам облегчённых конструкций относят:

• снижение веса;
• меньше затраты энергии для раскрутки;
• меньший расход топлива (до 2-3%);
• снижение механических потерь;
• лучшая отдача двигателя;
• более быстрый выход мотора на максимальные обороты;
• стабильная и эффективная работа двигателя на высоких оборотах.

Но и про недостатки забывать не стоит. Начать следует с того, что подобные маховики крайне требовательны относительно правильной настройки и конфигурации. Любая ошибка приведёт к обратному эффекту и очень быстрой поломке. А ведь облегчённые конструкции и так объективно менее надёжные.

Основными минусами можно назвать:

• более низкая прочность;
• при низких и малых оборотах разницу не видно;
• нужна обязательная балансировка с коленвалом и шкивом генераторного ремня;
• хуже теплопроводность;
• зимой трансмиссии нужно больше времени на прогрев;
• высокая стоимость.

Устанавливать облегчённые маховики на автомобили, которые планируется эксплуатировать на малых и средних скоростях и оборотах, нет никакого смысла. Это лишь увеличивает затраты и приводит к дополнительным сложностям при эксплуатации. Облегчённые версии актуальны для мощных двигателей, которые регулярно работают при оборотах более 4-5 тысяч. Тогда водитель действительно почувствует эффект от использования другой конструкции маховика.

Вопрос взаимозаменяемости

Когда маховик выходит из строя, автомобилистам требуется поменять его на новый. При этом закономерно и часто возникает вопрос относительно того, можно ли одномассовый тип конструкции заменить на двухмассовый. Им интересно, что произойдёт, если поменять детали таким вот образом, и не будет ли это опасно для двигателя. Важно понимать, найдётся ли место двум разным маховикам на одном двигателе внутреннего сгорания, и насколько реальная их взаимозаменяемость. Никто не станет спорить с тем фактом, что одномассовые устройства значительно дешевле двухмассовых или демпферных. Потому владельцы автомобилей, на двигателях которых устанавливаются двухкомпонентные маховики, при их поломке должны выложить солидную сумму на приобретение детали. Чтобы сэкономить, некоторые размышляют относительно возможности поставить на место демпферного (двухмассового) маховика обычный цельнометаллический элемент. В отношении вопроса взаимозаменяемости нужно учитывать несколько очень важных моментов.

1. Если установить одномассовый цельнометаллический маховик на место двухмассового в двигателе, то снизится показатель комфорта при эксплуатации. Но это не всё. Также будет снижаться ресурс ШРУСов, коробки переключения передач, редуктора, как и всего автомобильного мотора в целом.
2. Если на место традиционного цельнометаллического маховика поставить облегчённый тип конструкции, то потеря в комфорте будет ощущаться в намного меньшей степени. Но чтобы всё работало хорошо, придётся перенастроить весь двигатель под изменённый эксплуатационный режим работы силовой установки.
3. При замене традиционного одномассового элемента на демпферный требуется обязательно установить новый комплект автомобильного сцепления, а также специально его отрегулировать. Если этого не сделать, то будет плохо включаться вторая передача и возникнут проблемы с включением задней передачи.

Насколько рационально менять один маховик на другой, вопрос крайне спорный. Замена возможна, то есть детали можно считать взаимозаменяемыми. Но дополнительно приходится проводить ряд мероприятий, менять некоторые компоненты, проводить настройки и жертвовать некоторыми моментами комфорта. Финансово это всё равно не получается дешевле переходить с двухкомпонентного маховика на цельнометаллический, либо наоборот.

Классический одномассовый вариант конструкции отлично подходит двигателям внутреннего сгорания, поскольку он обладает простой конструкцией и большим запасом эксплуатационной надёжности. Двухмассовые пока не так распространены, потому их использовать нужно лишь на тех автомобилях, под которые они были разработаны. Облегчённые элементы являются сугубо прерогативой спортивных автомобилей или машин, которые подвергаются серьёзному техническому тюнингу. Это не такое частое явление, поскольку поменять характеристики мотора можно многими другими методами, достигая высокого уровня отдачи.

Что такое двухмассовый маховик и как он работает

Маховик Маховик со сферическими грузами, построенный по чертежам Леонардо да Винчи.
Кадр из видео.
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.

Использование

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.

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 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.

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 диска сцепления или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).

Разновидности маховиков

Как уже говорилось, в старых автомобилях маховик был выполнен из чугунного диска, на торец которого напрессовывался зубчатый венец. С развитием автомобильной промышленности и увеличением мощностных характеристик силовых агрегатов были разработаны новые маховики, отличающиеся друг от друга эффективностью.

Из всех видов различают три:

• Одномассовые;
• Двухмассовые;
• Облегченные.

Одномассовые маховики

Большинство двигателей внутреннего сгорания оснащены именно такой модификацией маховиков. В основном такие детали изготавливаются из чугуна или стали. На месте крепления к хвостовику коленвала имеется большое отверстие, а на корпусе вокруг него сделаны монтажные отверстия для крепежных болтов. С их помощью деталь прочно фиксируется на фланце возле коренного подшипника.

С внешней стороны сделана площадка для контакта ведущего диска сцепления (фрикционная поверхность). Венец на торце детали используется только в случае старта двигателя.

В процессе изготовления на заводе такие диски балансируются, чтобы исключить дополнительные вибрации в процессе работы механизма. Баланс достигается благодаря удалению части металла с поверхности детали (чаще всего в ней высверливается соответствующее отверстие).

Двухмассовые маховики

Двухмассовый или демпферный маховик устроен более сложно. Каждый производитель старается улучшить эффективность таких модификаций, из-за чего конструкция разных моделей может отличаться. Основными элементами в таких механизмах являются:

• Ведомый диск. На нем закреплен зубчатый венец.
• Ведущий диск. Он закреплен на фланце коленвала.
• Гасители крутильных колебаний. Они расположены между двумя дисками и выполнены в форме стальных пружин разной жесткости.
• Шестерни. Эти элементы устанавливаются в более сложных маховиках. Они выполняют функцию планетарных передач.

Такие модификации значительно дороже классических сплошных маховиков. Тем не менее, они облегчают работу трансмиссии (обеспечивают максимальную плавность) и предотвращают ее износ из-за толчков и колебаний во время движения автомобиля.

Облегченные маховики

Облегченный маховик это разновидность одномассового аналога. Единственным отличием этих деталей является их форма. Для снижения массы на заводе убирается часть металла с основной поверхности диска.

Такие маховики используют для тюнинга машин. Благодаря меньшему весу диска мотору легче выйти на максимальные обороты. Однако такая модернизация всегда производится вместе с другими манипуляциями с мотором и трансмиссией.

В обычных условиях подобные элементы не устанавливаются, так как они немного дестабилизируют работу мотора. На повышенных оборотах это не так ощутимо, а вот на низких могут возникнуть серьезные проблемы и неудобства.

Физика

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:

Маховик фабричной стационарной паровой машины E = 1 2 I ω 2 <\displaystyle E=<\frac <1><2>>I\omega ^<2>>

• I <\displaystyle I>— момент инерции массы 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

История

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 ) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.[1]

Маховик со старой фабрики

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

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>>I\omega ^<2>=<\frac <4>>S_> , 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_=3\times 10^<9>> 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].

Что такое маховик и какова его роль?

Маховик, как правило, представляет собой диск из тяжелого металла диаметром от 12 до 15 дюймов, снаружи которого находится металлическая зубчатая коронка. Он установлен на коленчатом валу двигателя и расположен внутри. Таким образом, маховик конструктивно соединен непосредственно с двигателем, сцеплением и коробкой передач.

Функций, выполняемых маховиком, несколько:

Помогает запустить двигатель Когда вы садитесь в машину и поворачиваете ключ зажигания, с маховиком включается небольшая шестеренка, которая называется «Бендикс», и поворачивает ее. Он в свою очередь вращает коленчатый вал, который начинает цикл сжатия, необходимый для запуска двигателя. Как только двигатель внутреннего сгорания запускается, Bendix «вынимается» и позволяет маховику вращаться плавно.

Нормализует обороты двигателя После запуска двигателя коленчатый вал преобразует движение поршней вверх-вниз во вращательное движение. Однако это движение является колебательным, так как мощность вырабатывается только 2 или 4 раза (в зависимости от того, цилиндры четыре или восемь) за один оборот двигателя. Для поддержания постоянной скорости вращения коленчатого вала при каждом движении поршней масса маховика используется по инерции.

Уменьшает вибрацию двигателя Поскольку поршни смещены относительно центра коленчатого вала, двигатель сильно вибрирует, потому что каждый поршень движется под разным углом. Большая масса маховика подавляет это движение и помогает как стабилизировать и сбалансировать двигатель, так и снизить вибрацию во всем автомобиле.

Уменьшает износ компонентов Стабилизируя вибрации и сглаживая частоту вращения двигателя, маховик ограничивает износ других важных компонентов привода.

Супермаховик

Основная статья: Супермаховик

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.

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.