Setrvačník – Encyklopedie

Setrvačník — masivní rotující kolo používané jako zásobník kinetické energie nebo k vytvoření momentu setrvačnosti. Princip činnosti je založen na zachování momentu hybnosti rotujícího tělesa. Účinnost závisí na jeho momentu setrvačnosti a úhlové rychlosti otáčení. Historicky se setrvačníky začaly používat ve starověku u hrnčířských kruhů a větrných mlýnů a v moderní době se staly nedílnou součástí mnoha mechanismů a zařízení [1].

Použití

Setrvačníky jsou široce používány v různých odvětvích techniky a každodenního života. V automobilovém průmyslu je setrvačník nedílnou součástí spalovacího motoru. Je instalován na klikovém hřídeli a plní několik funkcí: vyhlazuje nerovnoměrné otáčení hřídele, usnadňuje startování motoru a slouží také jako součást spojkového systému. U hvězdicových leteckých motorů plní roli setrvačníku vlastně vrtule. V průmyslu se používají v lisech, bucharech a dalších strojích s cyklickým provozem. Akumulují energii při volnoběhu a uvolňují ji při vykonávání užitečné práce. To umožňuje instalaci motorů s nižším výkonem a snižuje zatížení elektrické sítě [2].

V energetice se setrvačníky používají jako zařízení pro ukládání energie setrvačností. Například u větrné energie pomáhají setrvačníky vyrovnávat nerovnoměrnou výrobu energie způsobenou proměnlivostí síly větru. Ve 1920. a 1930. letech 2. století sovětský vynálezce Anatolij Georgijevič Ufimcev jako první na světě použil inerciální baterii ve větrné elektrárně v Kursku. Setrvačníky aktivně využívá i sektor dopravy. U hybridních vozidel slouží k akumulaci brzdné energie a její následné využití při akceleraci. Existovaly experimentální formy dopravy založené výhradně na setrvačnících, jako je gyrobus, autobus se zařízením pro ukládání energie setrvačníku, a gyrovoz, důlní lokomotiva odolná proti výbuchu [XNUMX].

V kosmické technice se mechanismy používají k orientaci a stabilizaci kosmických lodí. Změnou rychlosti otáčení setrvačníků je možné přesně řídit polohu družice v prostoru bez použití proudových motorů. Setrvačníky našly uplatnění i v domácích spotřebičích. V pračkách pomáhají vyhladit nerovnoměrné otáčení bubnu, zejména při odstřeďování. U přehrávačů vinylových desek zajišťuje setrvačník rovnoměrné otáčení disku, což je rozhodující pro kvalitu reprodukce zvuku. V námořních aplikacích se používají jako gyroskopické stabilizátory, aby se zabránilo převrácení lodi. Rychle se točící setrvačník namontovaný na speciálních závěsech působí proti naklánění, zvyšuje pohodlí cestujících a zlepšuje pracovní podmínky pro posádku [2].

Fyzika

Fyzikální princip činnosti je založen na schopnosti rotujícího tělesa akumulovat kinetickou energii. Množství energie uložené v setrvačníku je určeno vzorcem:

Setrvačník továrního stacionárního parního stroje

kde E je kinetická energie, I je moment setrvačnosti setrvačníku, ω je úhlová rychlost otáčení.

Moment setrvačnosti závisí na rozložení hmoty vzhledem k ose rotace. Pro dutý válec se moment setrvačnosti vypočítá podle vzorce:

kde m je hmotnost setrvačníku, r je vnější poloměr, r₀ je vnitřní poloměr.

Úhlová rychlost souvisí s frekvencí otáčení f vztahem:

Účinnost setrvačníku jako zařízení pro uchovávání energie je určena jeho specifickou energetickou kapacitou – množstvím energie uložené na jednotku hmotnosti. Konečná energetická kapacita je omezena pevností materiálu v tahu. Pro diskový mechanismus je maximální uložená energie:

kde V je objem setrvačníku, S_max je pevnost materiálu v tahu.

Gyroskopický efekt pozorovaný u rotujícího setrvačníku je způsoben zachováním momentu hybnosti. Při působení vnější síly, která se neshoduje s osou rotace, dochází k precesi – pohybu osy rotace po kuželové ploše. Tato vlastnost se využívá v gyroskopech k určení orientace v prostoru [3].

Příběh

Setrvačník ze staré továrny

Použití setrvačníku sahá až do starověku. Archeologické nálezy naznačují použití masivních kotoučů v hrnčířských kruhech v Mezopotámii již ve 3. tisíciletí před naším letopočtem. E. Ve městě Ur byl objeven hrnčířský stroj s kotoučem z pečené hlíny o průměru asi metr a o hmotnosti nejméně sto kilogramů. Ve středověku německý mnich Theophilus ve svém pojednání O různých uměních zmiňuje několik strojů používajících setrvačník. Éra průmyslové revoluce byla poznamenána plošným zaváděním setrvačníků do techniky. James Watt použil mechanismus v parním stroji k vyrovnání pohybu a překonání mrtvých poloh pístu. Jeho současník James Pickard používal setrvačník v kombinaci s klikovým mechanismem k přeměně vratného pohybu na pohyb rotační.

Ve 1920. století našly přístroje uplatnění v nových oblastech. Ve 1930. a 4. letech XNUMX. století použil sovětský vynálezce Anatolij Ufimcev jako první na světě inerciální baterii ve větrné elektrárně v Kursku. To se stalo důležitým krokem ve vývoji alternativní energie [XNUMX].

Pozoruhodným příkladem použití setrvačníku je gyrobus, experimentální forma městské dopravy. První gyrobus byl vytvořen ve Švýcarsku v roce 1950 firmou Oerlikon. Autobus byl poháněn elektromotorem, který poháněl 1,5tunový setrvačník. Mechanismus zrychloval na 3000 otáček za minutu na konečných zastávkách, kde byl připojen k elektrické síti. Energetická rezerva vystačila na 6 km jízdy. Gyrobusy byly provozovány v několika městech ve Švýcarsku a Belgii, ale nezískaly širokou popularitu kvůli technickým omezením [5].

Superflywheel

V květnu 1964 podal sovětský vědec Nurbey Vladimirovič Gulia žádost o vynález super setrvačníku – energeticky náročného a nevýbušného setrvačníku. Na rozdíl od klasického monolitického mechanismu se super setrvačník vyrábí navinutím tenké pásky, drátu nebo syntetických vláken. Toto provedení má výrazně větší měrnou pevnost, což umožňuje dosáhnout energetické kapacity až 1,8 MJ/kg. Důležitou výhodou super setrvačníku je jeho bezpečnost v případě prasknutí. Při překročení maximální rychlosti otáčení se netvoří velké úlomky: konce přetržené pásky nebo vláken jsou zpomaleny pláštěm a setrvačník se postupně zastaví. Tato technologie otevřela nové vyhlídky pro použití setrvačníků jako zařízení pro ukládání energie [6].

Poznámky

1. ↑Setrvačník(nespecifikováno) . perevozka24.ru. Datum přístupu: 6. listopadu 2024.
2. ↑ 2,02,12,2Barková, A.A. Setrvačník jako zásobník a akumulátor energie. — Špičkové technologie a inovace ve vědě, 2020. — S. 114-117.
3. ↑Orier J. Fyzika. — Mir, 1981. — S. 167.
4. ↑Genta, J. Akumulace kinetické energie. — Teorie a praxe moderních setrvačníkových systémů, 1988.
5. ↑Gulia N.V. Úžasná mechanika. — NC ENAS, 2006. — S. 176.
6. ↑ [Rodionov V. G. Optimalizace struktury generujících kapacit. Baterie – zásobníky energie]. — ENAS, 2010. — S. 65-352.

Tento článek má stav „připraveno“. To sice nevypovídá o kvalitě článku, ale hlavní téma už dostatečně pokryl. Pokud chcete článek vylepšit, klidně jej upravte!

Dvouhmotový setrvačník (DMF) je prvkem převodovky automobilu, který je nejen převodovým článkem mezi startérem a klikovým hřídelem, ale umožňuje také co nejefektivnější tlumení vibrací a rázů točivého momentu vznikajících při provozu moderních benzinové a naftové motory. DMF vděčí za svůj vzhled v polovině 1980. let:

1. Zvýšení točivého momentu spalovacího motoru, který je plný trhnutí v převodovce a jejího zrychleného opotřebení;
2. Zpřísnění ekologických norem, které vedlo ke vzniku spalovacích motorů (včetně tříválcových) s bloky z lehkých slitin a také provozu na chudou směs a ve výsledku více zatížené vibracemi.

Tradiční tlumiče torzních kmitů (pružiny) v hnaném spojkovém kotouči za takových podmínek již nestačily na udržení hladkého chodu pohonné jednotky. Bylo zapotřebí složitějšího návrhu.

Jak název napovídá, hlavními prvky DMF jsou dvě masivní součásti (tělo/disk), se sadou pružin, které změkčují přenos síly mezi nimi. DMF je připevněn k přírubě klikového hřídele spalovacího motoru a „přenáší“ rotaci z ní na převodový hřídel prostřednictvím spojkového mechanismu nebo měniče momentu.

Dnes je asi 80 % nových vozů se spalovacími motory vybaveno DMF. Takové setrvačníky se používají v kombinaci se všemi typy převodovek: mechanické, robotické s dvojitou spojkou, CVT, klasické automatické převodovky. Průměrná životnost DMF je 150-250 tisíc km.

Foto: Sergey Ryzhov / Shutterstock / FOTODOM

Princip činnosti dvouhmotového setrvačníku

Princip činnosti DMF je oddělit síly absorbované jeho tělesy. Díky sadě pružin se znatelně snižuje síla, která se přenáší na druhý masivní komponent spojený s převodovkou. Pokud při použití klasického setrvačníku v kombinaci se spojkou, jejíž výrazně lehčí hnaný kotouč má tlumicí pružiny, jsou torzní vibrace tlumeny maximálně o 15° od středové polohy, pak nejpokročilejší DMF umožňují tuto hodnotu zvýšit na 70-75°. Tímto způsobem je možné vyhladit vibrace a škubání při provozu pohonné jednotky, včetně případů, kdy řidič vozu vybaveného manuální převodovkou udělá chybu při volbě převodového stupně.

Konstrukce dvouhmotového setrvačníku

Obecně zařízení DMF vypadá takto:

1. Hlavní těleso (primární disk), namontované na klikovém hřídeli spalovacího motoru a mající věnec, který je v záběru s bendixem (ozubeným kolem) startéru;
2. Pomocná skříň (sekundární kotouč) připojená ke spojkovému mechanismu nebo měniči točivého momentu automatické převodovky;
3. Sady pružin uvnitř pouzder, které umožňují jejich vzájemný pohyb. Každá sada obsahuje pružiny různé tuhosti. Nejprve se uvedou do provozu ty měkčí, a pokud to nestačí k účinnému tlumení torzních vibrací, dojde ke stlačení i těch tvrdších;
4. Plastové separátory. Slouží jako vodítka pro pružiny pohybující se po obvodu uvnitř pouzder a zároveň brání jejich vzájemnému záběru;
5. Kolo s vnitřními zuby a planetovými převody, které zajišťují mechanické spojení mezi pouzdry a umožňují otáčení sekundárního disku rychlostí odlišnou od otáček klikového hřídele motoru;
6. Radiální ložisko. Slouží jako podpora a zajišťuje hladký pohyb pomocného tělesa vzhledem k hlavnímu;
7. Axiální ložisko;
8. Mazivo, které vyplňuje dutinu DMF, což dále změkčuje provoz sestavy jako celku.

Foto: Cschirp / CC BY-SA 3.0 Deed / Wikipedia Commons

Typy dvouhmotových setrvačníků

Konstrukce DMF se nadále zdokonaluje, aby lépe tlumila rázy a vibrace hnacího ústrojí. Existují dva typy DMF:

Jednookruhový

Tyto DMF mají jednu sadu pružin umístěnou podél vnitřního poloměru setrvačníku.

Dvouokruhový

Takové DMF mají dvě sady pružin, umístěné jak podél vnitřního poloměru setrvačníku, tak ve střední části systému.

Příznaky vadného dvouhmotového setrvačníku

Na rozdíl od klasického, jednohmotového setrvačníku není DMF jen litinový kotouč s ozubeným věncem, ale vícesložkové zařízení, jehož prvky se časem opotřebovávají. Situaci zhoršuje neopatrné ovládání spojky manuální převodovky a/nebo jízda v příliš nízkých otáčkách, kdy DMF musí absorbovat velmi silné torzní vibrace, stejně jako chiptuning. Příznaky poruchy DMF zahrnují:

1. Pískání, bzučení, bzučení, zvyšující se s rostoucími otáčkami motoru;
2. Drnčivý zvuk při volnoběhu, který mění tón při sešlápnutí spojkového pedálu;
3. Trhání při prudké akceleraci na jeden z vyšších převodových stupňů s počáteční rychlostí asi 1000-1300 za minutu;
4. cizí hluk při spouštění a vypínání spalovacího motoru;
5. Cvakavý zvuk při odtahování je známkou extrémně špatného stavu DMF.

Foto: ZF Friedrichshafen AG

Dvouhmotové a jednohmotové setrvačníky: jaký je rozdíl?

Stejně jako klasický jednohmotový setrvačník otáčí DMF při startu klikovým hřídelem motoru a také díky své velké hmotnosti pomáhá pístům spalovacího motoru pokračovat v pohybu z tzv. mrtvých bodů. Mezi těmito dvěma typy setrvačníků je však mnoho rozdílů:

1. DMF není jednoduchý litý disk, ale vícesložkové zařízení;
2. DMF nejen přenáší sílu z motoru na převodovku, ale také účinně tlumí vibrace a škubání při provozu pohonné jednotky;
3. Při použití DMF se snižuje zatížení převodových prvků a uložení motoru, což zvyšuje jejich životnost;
4. DMF je zpravidla lehčí, díky čemuž motor rychleji nabírá otáčky, což má pozitivní vliv na dynamiku zrychlení;
5. Konstrukční součásti DMF se opotřebovávají a vyžadují pravidelnou výměnu nebo opravu;
6. Náklady na DMF, jeho opravu nebo výměnu, která zahrnuje i demontáž sestavy spojky a převodovky, jsou výrazně vyšší.