Супервариатор – перспективная бесступенчатая коробка передач для автомобилей

Зачем необходима автомобильная коробка передач?

Очень часто на данный вопрос отвечают так – для изменения скорости движения машины. Это однобокое осознание вопроса.

Менять скорость можно и топливоподачей в мотор, другими словами педалью акселератора. Если мотор мощный, то и разогнаться от состояния покоя до самой большой скорости можно, не пользуясь коробкой передач. Только разгон этот будет достаточно продолжительным.

Если говорить намного точнее, то коробка передач необходима для изменения крутящего момента мотора, причем при его увеличении во такое же количество раз будет уменьшаться скорость вращения. Чтобы понимать, насколько неоднозначна роль коробки передач для автомобиля, проведем такой навык.

Дадим полную топливную подачу в мотор (говоря по-научному, пользуемся им «внешнюю скоростную характеристику») и начинаем переключать передачи с низшей на высшие. Представим, предположим, что наш автомобиль – тягач аж с шестнадцатью передачами, чтобы ощутить влияние гаммы данных передач.
На нескольких первых передачах автомобиль будет буквально «рваться» вперед, развивая самые большие ускорения.

Обороты мотора будут прыгать в очень широких пределах при каждом переключении передач. После, на какой-то передаче (в зависимости от дорожных условий и загрузки автомобиля) скорость движения достигнет самой большой.

Обороты мотора – также самые высокие.
Однако у нас в запасе еще довольно передач, давайте начинаем применять и их.

И что же – скорость движения автомобиля станет уменьшаться, а скорость вращения мотора – еще более! Если передач в запасе очень много, мы вообще можем довести мотор, а, значит, и сам автомобиль до остановки, тем более если прицеп тяжёл или дорога пошла на подъем. Взамен предвкушаемых 130.

140 километров в час автомобиль на высшей, шестнадцатой, передаче может «поплестись» со скоростью 50. 60 километров в час, а при переходе на низшие передачи может даже добавить скорость.

Объясним явление это, часто непонятное для водителя.

Экономность – в увеличении числа ступенек

На первых автомобилях, паровых, совсем не было коробок передач. Потом возникли 2-ух- и трехступенчатые.

Старые «Москвичи» и «Победы» были с трехступенчатой коробкой передач. Эти коробки были трехвальными, и высшей передачей была третья – «прямая», когда первичный вал конкретно соединялся со вторичного типа.

На данной передаче автомобиль достигал самой большой скорости, и вся роль коробки передач оканчивалась. Если такая большая скорость была не требуется, уменьшали топливную подачу, стало быть, уменьшались и обороты мотора.

Разумеется, страдала экономность, так как мотор начинал работать на неэкономичных «частичных» характеристиках.
Отсюда и пошло увеличение числа ступенек коробки передач. Сначала это число возросло от низшей – первой – до «прямой», которая стала уже четвертой или пятой.

После возникли «повышающие», или правильнее – «экономные» передачи, допустим, шестая, седьмая, восьмая и т.д., на которых автомобиль уже не имел возможности развить самой большой скорости (которая абсолютно не всегда и необходима), но работал на пониженных оборотах мотора и максимальном для данных оборотов моменте. А это обеспечивало самую большую экономность, другими словами меньший топливный расход на сто километров пути. И подобных «экономичных» передач необходимо было все больше и больше.

Уже стало мало восьми ступенек, после четырнадцати, шестнадцати. Число ступенек коробки стало «зашкаливать» за двадцать.

Это уже были не коробки передач, а реальные «монстры». Им не хватало уже собственных «своих» передач, и они обзаводились демультипликаторами и делителями, которые практически удваивали число передач в самой коробке.

Объясним на примере, для чего все же необходимы эти бесчисленные «экономные» передачи. Исходим мы из условия, что мотор обязательно работает на полной топливоподаче или на «внешней» характеристике.

Допустим, что у нас тягач с прицепом, что само по себе отвечает лучшей экономности перевозки если сравнивать с обыкновенным грузовиком. Еще раз допустим, что самая большая скорость этого тягача при средней загрузке по массе прицепа и на лучшей горизонтальной дороге – 140 километров в час. Но скорость эта достигается абсолютно не на самой высшей передаче, а на одной из средних, на которой скорость автомобиля отвечает самой большой мощности и самым большим оборотам мотора.

Однако не желает шофер ехать на подобной скорости, мало ли по какой причине – страшно, или дорога впереди занята, топливный расход большой из-за аэродинамических потерь. И он уменьшает скорость машины, однако не путем уменьшения топливоподачи, и не переходом на низшую передачу (что повысило бы путевой топливный расход), а единственно правильно – включая одну из более высоких, «экономичных», передач.

Скорость машины уменьшилась, допустим, до 120 километров в час, а обороты мотора, допустим, с 2500 до 2000 оборотов в минуту. Не забывайте, что цифры эти гипотетически возможные, и ни к какому определенному типу тягача не относятся!

Путевой топливный расход сократился. Так, переходя на все очень высокие передачи, шофер может уменьшать скорость машины и путевой топливный расход аж до минимально устойчивых оборотов мотора.

Известен случай из состязаний по экономности автомобилей, когда частоту вращения двигателя на дизеле довели до 60 оборотов в минуту (совсем как число ударов пульса!), скорость – до тридцати километров/ч, а путевой расход, не поверите – до 100 граммов соляры на сто километров пути! Автомобиль, разумеется, был маленький, но человека и себя вез!
Но увеличивать без предела число передач тоже нельзя – коробка превратится в супермонстра и по размеру, и по трудности.

А не увеличивать, тоже плохо – «между» передачами экономность будет падать, так как неминуемы частичные характеристики.
Вот и пришли мы к надобности бесступенчатых коробок передач, которые могут обеспечить любую скорость автомобиля в границах от самой большой (при самых больших оборотах) до небольшой, при которой мотор работает устойчиво.

А еще и разогнать автомобиль от состояния покоя до любой из данных скоростей без переключения передач, за небольшое время и со всеми удобствами для водителя и груза. Заметим лишь, что вторую функцию всегда из-за чего то считали ключевой для бесступенчатых автоматизированных передач, а про первую, дающую самую большую экономию топлива, забывали!

Ещё лучше – полностью без ступенек

Если число ступенек бесконечно велико, то такую передачу именуют бесступенчатой. Переход от одного передаточного числа (которое всегда больше 1, в отличии от передаточного отношения, какое может быть и больше, и меньше 1) к иному тут выполняется медленно и без разрыва потока мощности, другими словами на ходу.
Бесступенчатые передачи достаточно грубо можно поделить на подобные, которые преобразуют энергию вращения мотора в электричество, давление жидкости или ее скоростной поток; и подобные, которые хранят это вращение, лишь преобразовывая его по частоте и моменту, аж до колес автомобиля.

К первым относятся электрические трансмиссии постоянного или электрического тока, гидростатические трансмиссии, а еще самые популярные среди автоматизированных – гидродинамические, другими словами с гидротрансформатором. Стоит сказать, что автоматизированные коробки передач с гидротрансформаторами к бесступенчатым можно отнести лишь условно, так как они все, не считая собственно бесступенчатого звена – гидротрансформатора, содержат и трех-, четырех, а то и пятиступенчатую дополнительную коробку передач.
Ко второй же группе отнесем все механичные бесступенчатые передачи – вариаторы.

Любая из сказанных передач имеет плюсы и минусы. К примеру, электрические трансмиссии неимоверно сложные и дороги, КПД их невысокий, но без них просто не обойтись при довольно больших мощностях двигателей – более 1 МВт. Гидростатический привод прекрасен для автомобилей со многими ведущими колесами, к примеру, ракетовозов.

Для остальных случаев этот привод очень дорог, недолговечный и неэкономичен.
А вот гидродинамический привод, другими словами автоматизированная ступенчатая коробка передач с гидротрансформатором – очень востребованный из бесступенчатых приводов на автомобилях.

Кажется, и КПД этого привода невысокий, он дорог и громоздок, и момент передает исключительно в одну сторону – от мотора к колесам. Аналогичным образом, тут неэффективны торможение двигателем, пуск с буксира, а основное – нереален гибридный силовой аппарат на его основе, так как там требуется передача момента в двоих направлениях. А распространен гидродинамический привод только благодаря тому, что ничего лучшего пока не создано.

Механичные вариаторы в наше время не радуют, хотя мы уверены – за ними грядущее. Хотя бы благодаря тому, что, говоря просто, в них энергия вращения не превращается ни в какой другой вид и форму.

В электрических трансмиссиях вращение вала мотора в генераторе превращается в электричество, которое в тяговых двигателях, к примеру, мотор-колёсах, снова переходит в энергию механического типа вращения. В гидростатическом приводе энергия вращения в гидравлическом насосе превращается в давление жидкости, а в гидродинамическом – в скоростной поток, а потом идет обратное переустройство – снова во вращение, на сей раз ведущих колес. А за эти все изменения необходимо платить добавочным расходом энергии.

Такие законы природы!
Если эти фундаментальные принципы выразить на понятном инженерно-экономическом языке, то можно говорить, что при похожих материальных вложениях в разработку привода автомобиля очень экономичным всегда окажется тот, в котором вид и форма энергии не претерпевают изменений от мотора до ведущего колеса. Так из всех вариантов бесступенчатого привода только в вариаторах, а конкретно фрикционных, не меняется ни вид энергии, ни ее форма; нет там даже изменения вращательного движения в колебательное, возвратно-поступательное и т.д., что имеет место, к примеру, в вариаторах импульсивных.

Благодаря этому экономность подобных вариаторов при должных качествах идеи и выполнения будет самой большой среди бесступенчатых приводов, близкой к той, которой обладает обыкновенный ступенчатый зубчатый привод, в котором также принцип вращения не претерпевает изменений. Но, к сожалению, наличие ступенек выполняет его неконкурентоспособным на будущее.

Какой вариатор необходим для автомобиля?

Вариаторов так много и они все так сложны, что рассматривать каждый возможности нет. Благодаря этому дадим только самые базовые советы.

Итак, каким должен быть вариатор, чтобы максимально удовлетворять свойствам автомобиля?
Во-первых, вариатор должен работать по планетарной схеме с входом на центральное колесо и с отбором мощности с водила.

Такая схема вариатора обеспечивает действительно неповторимые свойства приводу автомобиля. При трогании с места КПД такого вариатора будет очень маленький (а большой коэффициэнт полезного действия при этом и не требуется!), с повышением скорости автомобиля и мощности мотора он растет, а при стремлении передаточного числа вариатора к единице КПД стремится к 100%.

Если же вариатор работает не по такой схеме, его КПД ниже самого невысокого значения для планетарного. Между тем, все имеющиеся вариаторы, применяемые в автомобилях – ременные, цепные, торовые – по той либо другой причине не как правило будут работать по планетарной схеме.
Второе, вариатор должен быть адаптивным, причем с переменной, регулируемой адаптивностью.

К примеру, свойством адаптивности или самоприспосабливаемости к переменным нагрузкам, обладают гидротрансформатор или электрический мотор с последовательным возбуждением (сериес-мотор). Фрикционных вариаторов с такого рода свойством даже в наше время не было.
Что же значит свойство адаптивности?

Если автомобиль, снабженный таким вариатором, легко загружен и двигается по хорошей горизонтальной дороге, то вариатор своими силами устанавливает небольшое передаточное число. Скорость при этом разовьется самая большая. Если нагрузки повышаются (подъем, плохая дорога, самая большая масса прицепа), то передаточное число автоматично растет и, в предельном случае, может достигать предела.

Все это при одной – средней степени адаптивности. Эту степень, или «мягкость» характеристики вариатора, может на свое усмотрение менять шофер. Тогда при любой загрузке автомобиля он сможет развивать если хотите водителя любую скорость, в границах, разумеется, возможностей мотора.

Топливоподача при этом на всем рабочем режиме автомобиля (не считая особо легких режимов движения на малых нагрузках с небольшой скоростью) имеется в виду полная. Если точнее, то полная с соблюдением экономности.

Для дизелей – это наддув, однако без весомого увеличения массы топлива на каждый впрыск, при минимальном удельном расходе топлива.
Такой вариатор – адаптивный и по планетарной схеме, который обладает, более того, большим рядом остальных, нужных для автомобиля хороших свойств, разработан на кафедре «Детали машин» Московского государственного индустриального университета (МГИУ). Крупная новизна такой конструкции подтверждена 2-мя патентами РФ на открытие (№2140028 от 26.05.98 г. «Многодисковый планетарный вариатор» и №2138710 от 16.06.98 г. «Автоматическая бесступенчатая передача», автор – д.т.н., проф.

Н.В. Гулиа). На данный момент на это открытие еще предоставлен патент США (US 6,558,286 B1 от 06.05.2003) и готовится выдача патентов в Китае, Германии, Англии, Франции, Италии, Швеции, Швейцарии, Венгрии и Белоруссии.

Принцип устройства и работы коробки передач автомобиля с подобным вариатором детально описан в статьях «Новый многодисковый вариатор с «мягкой» характеристикой работы» и «Новый адаптивный фрикционный вариатор для бесступенчатой трансмиссии автомобиля». Там же приведены фотографии умелого образца и данные его испытаний.

Опытный образец показал все требуемые характеристики, ожидаемые от адаптивного вариатора.
На рис.

1 продемонстрировано изменение момента на выходе вариатора Т2, что в первом приближении то же самое, что и тяговое усилие на колесах Рк, в процентах в зависимости от передаточного числа вариатора и. Анализ показывает, что регулируя степень адаптивности изменением усилия Рупр на рычаге системы управления вариатором с помощью сжатого воздуха, шофер может обеспечить фактически все рабочие режимы автомобиля, не считая особо легких при небольшой скорости, где нужно, более того, уменьшать топливную подачу. Благодаря этому система управления скоростью автомобиля должна быть комбинированной – одна, главная, изменяющая степень адаптивности, и иная, добавочная, уменьшающая топливную подачу при малых нагрузках.

Эта добавочная система может быть связана с главной (псевдоакселератором) как механически, так и электрически – при помощи соответствующего процессора и сервосистемы.

Супервариатор гулиа

Рис. 1. График зависимости момента на выходе вариатора Т2 и тягового усилия на колёсах Рк от передаточного числа вариатора u: – экспериментальные данные, где усилие Рупр переменое (изменяется оператором); – расчётные данные при разных усилиях Рупр; «+» – усилие Рупр направленно в одну сторону, «–» – Рупр в обратную

Что такое супервариатор?

Вот здесь мы затрагиваем абсолютно новый вопрос для трансмиссий автомобиля, не имевший еще прецедента или аналога в бесступенчатых коробках передач. А дело все в том, что адаптивность трансмиссии, к примеру, вариатора, согласно нашей точке зрения, целесообразна тогда, когда она должна помогать автомобилю подбирать скорость, соответствующую его сопротивлениям движению при полной топливоподаче.

При этом шофер может, меняя степень адаптивности, достичь неявным образом такого передаточного числа вариатора, чтобы скорость автомобиля его устраивала. Особенно лучше это на стадии разгона, чтобы сделать меньше психомоторную нагрузку на водителя, который в данное время практически не манипулирует с управленческим органом скоростью (псевдоакселератором).

Что касается движения с практически неизменной скоростью, да ещё на экономичном режиме, то здесь адаптивность оказывается ненужной, лишь усложняя выбор нужной водителю скорости движения. Эту скорость сложнее установить, так как меняются сразу два параметра – передаточное число вариатора, зависящее от сопротивлений движению автомобиля и степени адаптивности, а уже от этого передаточного числа меняется и скорость вращения вала мотора. Хорошо, что хоть топливоподача остается постоянной и самой большой (однако без обогащения – на пределе с учетом экономности!).

Благодаря этому движение с плавно меняющейся, фактически неизменной скоростью, к примеру, в транспортном потоке на шоссе должно выполняться при 2-ух ключевых условиях – полной топливоподаче и принудительном изменении передаточного числа от очень маленького (для самой невысокой скорости движения автомобиля по условиям стойкости работы мотора на очень маленьких оборотах) до того, которое отвечает самой большой скорости автомобиля при данных сопротивлениях движению. Для современного тягача с прицепом это что-то в границах 40. 140 километров в час.

При потребности в меньшей скорости уже вряд ли можно обойтись без снижения топливоподачи и перехода на большие передаточные числа («низшие» передачи, если бы коробка была ступенчатой).
Вот тут и необходим особенный рабочий режим вариатора, когда его передаточное число могло уменьшиться еще в 1,5. 2,5 раза, но обеспечивая при этом самый большой КПД, не ниже 0,95.

0,98! В конце концов, общий диапазон варьирования передаточного числа составил бы 12.

20, и при этом, начав с «прямой» передачи (другими словами такой, когда выходной вал крутится с частотой вала мотора; естественно никакого «прямого» соединения данных валов, как, к примеру, в трехвальной коробке передач не может быть!), КПД не опускался бы ниже 0,95, достигая значений 0,97. 0,98 при минимальном передаточном числе, другими словами на самом экономичном режиме движения автомобиля.

Все это смотрится фантастикой, но вариатор по планетарной схеме, работающий в «замкнутом» режиме, дает возможность сделать и это. Современная доктрина и практика называемых по другому замкнутых передач дает возможность превратить увеличение передаточного числа вариатора в снижение передаточного числа всего привода, в этом случае названного супервариатором («Широкодиапазонный бесступенчатый привод – супервариатор», международная заявка PCT /RU03/00298,2003, автор – Н.В.

Гулиа). Такие варианты в вариаторостроении имеются и они известны.
На рис.

2 представлена зависимость КПД ? бесступенчатой коробки передач на основе супервариатора от скорости вращения выходного вала n2 и передаточного числа коробки передач u.

Супервариатор гулиа

Рис. 2. График зависимости КПД ? от скорости вращения выходного вала n2 и передаточного числа (отношения) коробки передач u: 1 – для бесступенчатой коробки передач на основе супервариатора; 2 – для гидромеханической коробки передач (чтобы сравнить)
Физически работа супервариатора течет так: от передаточного числа u = 10 до «прямой» передачи с u = 1 супервариатор работает как описанный раньше адаптивный вариатор.

Но, начав с u = 1, шофер, продолжая давить на педаль псевдоакселератора, уже не меняет степень адаптивности вариатора, а начинает принудительно повышать это передаточное число, что дают возможность кинематические связи вариатора. При этом, вследствие «замкнутости» планетарной (правильнее дифференциальной) схемы супервариатора, его общее передаточное отношение уменьшается, к примеру, от 1 до 0,6 при КПД от 0,95 до 0,98.
На данный момент на основе вышеупомянутого умелого образца адаптивного вариатора (в виде мотор-вариатора) производится опытный образец супервариатора, сборочный чертёж которого приведён на рис.

3 Имеющийся вариатор изображен на рис. 3 с правой стороны тонкими линиями.

Слева у вариатора есть «приставка», которая, собственно, и выполняет вариатор супервариатором.

Супервариатор гулиа

Рис. 3. Конструкция супервариатора: 1 – шайба фиксатора, 2 – выжимной подшипник, 3 – шайба, 4 – шток, 5 – зубчатая муфта, 6 – палец, 7 – выходной вал вариатора, 8 – водило, 9 – входной вал вариатора
В положении, представленном на рис.

3, выходной вал вариатора, соединённый с водилом 8 левого планетарного ряда, через общий эпицикл и правый планетарный ряд, заблокированный пальцами 6, приводит втулку 7, конкретно соединённую с выходным валом супервариатора. В этом положении супервариатор работает как адаптивный вариатор, и его КПД, определённый экспериментально, представлен на рис.

2, между передаточными числами 12 и 1. Понижая передаточное число, мы доводим его с 12 до 1. Передаточное число u = 1 значит, что скорость вращения выходного вала и всего правого планетарного ряда (крутящегося в заблокированном виде как единое целое) такие же, и благодаря этому не представляет трудности включение зубчатой муфты 5 с дальнейшим разблокированием правого планетарного ряда путём освобождения пальцев 6. Выходной вал во время данной процедуре будет вращаться с одной и такой же частотой, и разрыва потока мощности не будет.

А теперь мы уже принудительно будем повышать передаточное число вариатора с 1 до 12. И при этом, благодаря разблокированному правому планетарному ряду, играющему роль дифференциальной передачи, замыкающей входной 9 и выходной 7 валы вариатора, мы приобретаем на выходном валу супервариатора (втулке 7) уже увеличение частоты вращения если сравнивать с валом 9 и передаточное отношение меньше 1 – от 1 до 0,6 (см. график на рис. 2).

КПД при этом рекордно высок – от 0,95 до 0,98, а ведь эта ветвь характеристики больше всего важна для движения автомобиля по шоссе!
Обратный переход на уменьшение частоты вращения выполняется подобно.

Переведение устройства с режима вариатора на режим супервариатора выполняется в опытном образце осевым перемещением шайбы 1, выжимного подшипника 2, шайбы 3 и штока 4, включающих и выключающих муфту 5. Это происходит, повторим, без разрыва потока мощности, так как какое то время муфта 5 бывает включена при заблокированном положении в правом планетарном ряде.

В результате – рекордные критерии по диапазону варьирования и по КПД (диапазон – 20 и выше; КПД до 0,98), недостижимые для остальных видов бесступенчатых передач.

Наиболее эффективный способ накопления энергии стар как мир

Когда заходит речь про то, что нужно как-то собрать энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Разумеется, что же это может быть еще.

Но все таки, существует еще один способ, который применяется не чаще всего, но имеет при этом очень хорошие перспективы. Тем более, на фоне развития остальных технологий.

Такие разработки даже использовались во время изготовления общественного и транспорта для перевозки грузов. Их начало берет собственные корни еще во времена СССР, но в наше время технология начинает использоваться очень часто. Пару лет назад, когда позволял регламент, это применялось даже в Формуле-1.

Откроем тайную завесу и расскажем, как работает это довольно простое, но гениальное открытие, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Супервариатор гулиа

Старинный маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хотя и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но также и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, применяющееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии либо для создания инерционного момента, как это применяется на космических аппаратах.

Бесступенчатая коробка передач Благонравова.

Сами маховики были изобретены издревле и даже удачно использовались в промышленности того времени. Бывают даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают применение аналогичных устройств.

Правда, тогда они делались из обожженной глины или из древесины и делали другие функции.

Где используются маховики?

Благодаря собственной громоздкости и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он отыскал использование во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.
Очень простое использование состоит в сохранении частоты вращения вала, на котором поставлен маховик. Это может понадобиться в рабочий период какого-либо станка.

Особенно, в те моменты, когда он испытует резкие нагрузки и нужно не позволить падения скорости вращения. Выходит такой своего рода амортизатор.
Наверное, наиболее частым местом, где встречаются маховики, считается мотор внутреннего сгорания автомобиля.

Он дает возможность сохранить частота вращения мотора при выключении сцепления. Таким образом уменьшается влияние на трансмиссию, так как переключение передачи происходит В то время, когда мотор работает на оборотах выше оборотов хода в холостую.

Плюс ко всему, так достигается высокий комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик особенно сильно становится легче для уменьшения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается мотор.

Супервариатор гулиа

Маховик легкового автомобиля.
Также маховики часто применяются для стабилизации движения.

Происходит это благодаря тому, что колесо, которым и считается маховик, во время вращения создаёт гироскопический эффект. Он создаёт сильное сопротивление при попытке наклонить его. Данный эффект легко почувствовать, к примеру, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, вынуждая склоняться к контррулению, особенно на высокой скорости, но сильно помогает, допустим, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и если учесть, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Использование подобных параметров маховика важно в авиации.

Собственно крутящийся маховик позволит найти положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, побеседуем конкретно о супермаховиках и про то, как они помогают хранить энергию, не имея в составе каких-нибудь химических соединения для этого.

Супервариатор гулиа

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.
Супермаховик собой представляет один из типов маховиков, который предназначен для накопления энергии. Он специально выполнен таким образом, чтобы собирать чем побольше энергии без надобности использования по иному назначению.

Такие маховики тяжёлые и довольно быстро крутятся. В виду того, что частота вращения достаточно высокая, появляется риск разрежения конструкции, однако это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной гибкой ленты или из материалов на композитной основе.

Помимо того, что подобная конструкция крепче монолитной, она еще рушиться понемногу. Другими словами, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в собственных же частях.

Думаю, не необходимо объяснять, что разрыв маховика, который крутится со скоростью в десятки тысяч оборотов за минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными результатами.

Нурбей Гулиа. Супермаховики

Плюс ко всему, для оснащения еще большей безопасности можно поместить систему с подобным маховиком в бронекапсулу и закопать ее на пару метров в землю.

В данном варианте двигающиеся детали точно совсем не смогут причинить вред человеку.

Танк с супер маховиком

Еще одним преимуществом применения бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который даст возможность значительно уменьшить влияние внешних сил на движение.

Говоря проще, так можно свести до минимума или полностью убрать сопротивление газовой среды (в традиционном случае воздуха).

Супервариатор гулиа

Так устроен супермаховик Гулиа.
В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых поставлен маховик.

Но его можно поставить на магнитный подвес. В данном варианте силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь.

Собственно из-за этой причины такие маховики способны крутиться месяцами. Плюс ко всему, магнитный подвес дает возможность не задумываться об износе системы.

Снашивается только генератор.
Собственно генератор и считается тем элементом, который дает возможность выработать электричество. Он просто подсоединяется к маховику, и получая переданное им вращение формирует электричество.

Выходит аналог привычного генератора, лишь для этого не нужно сжигать горючее.
Чтобы получать намного больше познавательной информации из мира новых технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии В то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и благодаря этому “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный способ по аналогичности с обыкновенными аккумуляторами, которые одновременно могут отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика применяется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Подобные системы важны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. К примеру, такая система по задумке инженеров Skoda должна применяться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а в вечернее время отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время.

При этом можно заряжаться плавно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Результативность супермаховиков

Результативность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности может достигать предельно высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обыкновенным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд подобных батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо созданного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно припомнить давние времена, когда люди начали запасать энергию при помощи маховиков. Самым обычным примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика очень проста, он имеет большой коэффициэнт полезного действия и при этом стоит довольно таки недорого, однако у него есть один минус, который проявляется на эффективности его применения и стоит на пути массового внедрения. Точнее, подобных минусов два.

Супервариатор гулиа

Основным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное второстепенное свойство, то на автомобильном транспорте это будет особенно сильно мешать и нужно будет применять непростые системы подвеса.

Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за высокой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять огромное количество тепла за счёт трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На неподвижном объекте это не будет серьезной проблемой, так как можно создать систему пожаротушения, но на транспорте может создать особенно много сложностей.

Особенно, на транспорте риск разрушения выше за счёт вибрации при движении.

Где используются супермаховики?

Первым делом, Н.В. Гулия хотел применять собственное открытие собственно на транспорте.

Даже было выстроено несколько образцов, которые проходили проверки. Не обращая внимания на это, системы дальше испытаний не пошли.

Зато использование этому методу накопления энергии нашлось в другой сфере.
Так в Америке во второй половине 90-ых годов XX века компания Beacon Power сделала большой шаг в создании супермаховиков для использования их в электрических станциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт?ч и имели мощность до 200 кВт.

Строительство станции мощностью 20 МВт настало в 2009 году. Она обязана была устранить пики нагрузки на электросеть.

В Российской Федерации тоже есть такие же проекты. К примеру, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала свою версию неподвижных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт?ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт.

Система подобных маховиков способен обеспечивать разравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно вообще отказаться от дорогостоящих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно применение супермаховиков и на объектах, где необходима независимость от электро сетей и резервное питание. Данные системы имеют очень большую скорость отклика.

Она составляет буквально доли секунд и дает возможность обеспечить на самом деле бесперебойное питание.

Супервариатор гулиа

Такая идея «не зашла». Может выйдет с поездами?

Дополнительным местом, где есть возможность применение Супермаховик, считается ЖД транспорт. На торможение составов тратится особенно много энергии и, если не расходовать ее напрасно, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопившуюся энергию потом можно потратить на набор скорости.

Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, Но тогда можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго попросту нет надобности и потери от подшипников будут не такими большими на подобном этапе времени. Зато этот метод дает возможность экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Принцип работы Супервариатора

Как можно заметить, системы на супермаховиках имеют особенно много достоинств и очень мало минусов.

Отсюда вывод, что они будут набирать популярность, становиться более недорогими и массовыми. Это именно тот случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древности, дают возможность выдумать что-нибудь новое.

В конце концов вы получили поразительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

111Fisher › Блог › СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ…

СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ
«в теории уже сегодня можно создавать машины, которые в течение всего служебного срока не требовали бы никакого топлива» — Гулиа Нурбей Владимирович.
Все изобретения Нурбея Владимировича Гулиа так или по другому связаны с энергетикой. Человечество живёт очень неэффективно — КПД современного двигателя на бензине всего 25—30 %, дизельного — около 40 %. Это означает, что больше половины энергии, запасённой в ископаемом топливе, тратится напрасно — по большей части, рассеивается в виде тепла.

Нурбей Гулиа задался целью создать технологию, которая дает возможность очень легко запасать и отдавать энергию, обладая при этом большим коэффициентом полезного действия.
И я решил изобрести этакую «энергетическую капсулу», которую можно было бы «заряжать» энергетикой, а потом применять как бензобак. В отличии от бензобака, в моей «капсуле» должна собираться исключительно безвредная для человека энергия.

И много, как в автомобильных аккумуляторных батареях, а столько, сколько, к примеру, в том же бензобаке. Ведь это не является секретом, что тяжёлый аккумулятор для автомобиля содержит в себе энергии не более, чем в рюмке бензина…
Начав с изобретения супермаховика в первой половине 60-ых годов XX века, Нурбей Гулиа постепенно двигался к данной цели. Супермаховик тут запасает энергию, супервариатор — хорошо передаёт энергию на движитель. Если соединить это все в одном автомобиле, выйдет изумительное средство транспорта: по расчётам,
если из подобного материала (карбоновое нановолокно) навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1 МВт•ч/кг, или в тысячи раза больше, чем у наиболее перспективных аккумуляторов! Это означает, что на подобном накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки более 2 миллионов километров — больше, чем может выдержать шасси.

Другими словами в теории уже сегодня можно создавать машины, которые в течение всего служебного срока не требовали бы никакого топлива.
www.popmech.ru/article/84…upertehnika-ot-supermena/
Если бы профессор Нурбей Гулиа жил на Западе, то наверное был бы мультимиллионером. Супермаховик, который он изобрел в первой половине 60-ых годов XX века, давно применяется во всем мире, что, впрочем, совсем не проявилось на благосостоянии ученого. Из-за бюрократизма советской патентной системы патент был предоставлен автору… только через 2 десятилетия после подачи заявки, а за это время период действия документа истек. но профессор взял реванш.

Спустя десятилетия он изобрел (и в настоящий момент патентует во многих государствах) «супервариатор», который обладает настолько фантастическими свойствами, что полностью оправдует собственную щегольскую приставку.
Разрушитель законов
Когда к нам в редакцию пришло письмо с описанием устройства с названием «супервариатор», мы решили, что это на очереди профанация вроде вечного мотора и гравитолета. Но внизу стояла подпись «Нурбей Гулиа», что заставило посмотреть на устройство по-иному.

Но все таки, не обращая внимания на реноме ученого, его открытие продолжало казаться полной фантастикой. Большие компании, которые специализируются на выпуске коробок передач и вариаторов, расходуют очень большие деньги на исследования, и вдруг некий российский изобретатель разрабатывает продукт, который по главным показателям намного превосходит модели знаменитых изготовителей.

Неужели это может быть? Однако, с другой стороны, навряд ли в мире можно найти ученого, который посвятил бы вариаторам так же времени.

Ведь Гулиа начал заниматься этой темой еще перед началом 1960-х.
Вариаторы, или устройства, которые дают возможность медленно менять передаточное отношение привода, стали широко распространены на автомобилях практически недавно. Сродни автоматической гидродинамической коробке передач, вариатор делает легче управление, но в отличии от нее показывает лучшие критерии разгонной динамики и экономности.

Однако не лишен он и минусов: диапазон регулирования передаточных отношений у вариаторной коробки передач в большинстве случаев узок (4–6), а КПД невысокий – около 0,85. Однако, любой из данных показателей можно сделать больше, но, к сожалению, исключительно за счёт иного.

Поиском правильного компромисса и занимаются в настоящий момент конструктора вариаторов, но Гулиа пошёл иным путем. Он решил найти способ обойти существующие «вариаторные законы» и заставить этот настойчивый механизм работать с самым большим диапазоном и самой большой отдачей на основных режимах.

Годы исследований не ушли напрасно: Гулиа отыскал этот метод. но схема устройства была настолько непростой, что иногда и профессионалы не имели возможности до конца понять принципы ее работы. Тогда, чтобы «в доступной форме» довести возможность существования данного устройства, Гулиа решил создать опытный образец.
При материальной поддержке одной компании из Германии, ставшей совладельцем немецкого патента профессора, Гулиа в паре с собственным аспирантом Иваном Бессудновым работали практически год над разработкой данного устройства. Профессор признается, что сам не был до конца уверен в том, что аппарат будет работать, но его боязни не подтвердились.

Первые же проверки подтвердили преданность предположений Гулиа: супервариатор обладал прямо-таки фантастическими качествами: диапазон 15–20, КПД на ключевых режимах – 0,97–0,98! как же такое возможным стало?
В основе всего этого беззакония лежат два сравнительно обычных механизма – планетарный и дифференциальный, соединенные, правда, хитрым способом. За десятилетия работы с вариаторами профессор Гулиа заключил , что из всех их видов лучший для автомобиля – планетарный, так как при передаточном отношении, близком к единице, КПД у него стремится к 100%. А автомобиль, как все знают, самые большие расстояния преодолевает собственно на высоких передачах, когда передаточное отношение коробки приближается к единице.

Среди вариаторов, которые как правило будут работать по планетарной схеме, Гулиа подобрал дисковый, способный передавать внушительные мощности. Схема планетарного дискового вариатора (для простоты однорядного) показана на рис.1, а рядом описан смысл его работы.

По собственным свойствам такой дисковый планетарный вариатор прекрасен: при диапазоне, равном 10, он будет работать с КПД 87–95%, но при помощи дифференциала «хорошиста» можно превратить в гениального «отличника».
Методика слияния дифференциала и планетарного вариатора показана на рис. 2. Если бы передаточное отношение вариатора было равно единице, то все валы вращались бы с одинаковой скоростью, а КПД был бы равён 100%. Но передаточное отношение вариатора больше единицы, благодаря этому ведомый вал дискового вариатора крутится очень медленно ведущего, а ведомый вал супервариатора, исходя из специфик работы планетарного механизма, будет вращаться очень медленно ведущего и быстрее ведомого дискового вариатора.

Значит, диапазон всего устройства станет меньше если сравнивать с дисковым, зато КПД станет выше – благодаря тому, что через вариатор теперь будет проходить лишь часть мощности, а остальная пойдёт прямо от мотора к ведомому валу. «КПД повысился, диапазон сузился – все как в традиционном вариаторе», – может не согласится читатель. Пока так и есть, но, чтобы из вариатора сделать супервариатор, достаточно сделать с ним два хитрых «финта». Во-первых, необходимо превратить понижающий рабочий режим в повышающий (конструкция разработанного Гулиа устройства это дает возможность), а второе, еще и уменьшить его диапазон – с целью увеличения КПД.

При этом если даже этот уменьшенный диапазон будет составлять всего 1,5–2, то, применяя на первой стадии работы вариатор без дифференциала с диапазоном около 10, а на втором – с дифференциалом и с суженным диапазоном, в результате, согласно теории замкнутых дифференциальных передач, мы получаем диапазон около 20. И при этом на ключевых режимах работы КПД будет выше 97%!
Представленная на рисунке 2 схема носит самый простой характер: в действительности изобретенный Гулиа супервариатор намного сложнее. Более детально с устройством данного механизма можно познакомиться в новом издании книги Гулиа «В поиске "энергетической капсулы"», которое возникнет к лету 2006 года (издательство ЭНАС). В оригинале базовый планетарный вариатор считается многодисковым (с тремя и более рядами дисков), а его дифференциальный механизм сделан с использованием взамен конусообразных зубчатых колес цилиндрических, которые легче, технологичнее и экономнее. но сути дела это не меняет.

На ключевых режимах работы КПД вариатора составляет 0,97–0,98, понижаясь лишь до 0,87 в режимах, где требуется большое передаточное число (к примеру, при трогании с места).
В настоящий момент профессор Гулиа патентует собственное открытие в ведущих государствах мира, чтобы не повторилась та несправедливая история с супермаховиком, и ищет будущих партнеров. Если изобретением заинтересуются такие высокотехнологические производственники коробок передач, как, к примеру, ZF Friedrichshafen, супервариатору уготовано великое грядущее.

Но Гулиа не собирается на этом останавливаться. «Если соединить положительные качества супервариатора и супермаховика, то можно сделать суперавтомобиль», – говорит ученый.
На пути к пределу экономности
Когда профессор Гулиа начинает рассказывать о проекте «суперавтомобиля», можно подумать, что он писатель-фантаст, а не ученый. Чрезмерно поразительными кажутся его выкладки. «В одном из номеров «Распространенной механики» (№7, 2005, с. 16) вы писали про карбоновое нановолокно, – говорит профессор. – Если из подобного материала навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1 Мвт*ч/кг, или в тысячи раза больше, чем у наиболее перспективных аккумуляторов! Это означает, что на подобном накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки более 2 миллионов километров – больше, чем может выдержать шасси.

Другими словами в теории уже сегодня можно создавать машины, которые в течение всего служебного срока не требовали бы никакого топлива. Беда в том, что заряжать такие накопители будет не от чего: мощность всех автомобилей в мире в десять раз чаще мощности всех электростанций».

Благодаря этому в виде замены такой фантастической машине Гулиа предлагает более настоящий проект автомобиля: его заправлять топливом все же придется, но раза в три реже, чем простое авто.
Самый большой КПД современного двигателя на бензине всего 25–30%, дизельного выше – около 40%, но беда в том, что по настоящему в городе (даже без учета пробок) мотор работает с КПД около 7%. Чтобы переводить энергию тепла топлива в механическую как можно более выгодно, нужно заставить мотор работать в благоприятном режиме, близком к самой большой мощности.

Если бы автомобиль был оборудован специализированным накопителем, с его помощью можно было бы собирать энергию от мотора, работающего в режиме самого большого КПД, а уже из накопителя тратить ее на движение автомобиля. «Такая схема позволила бы уменьшить расход топлива как минимум втрое», – рассказывает Гулиа. «Нурбей Владимирович, но ведь уже есть самые разные смешанные машины, которые работают по такой схеме, впрочем ждать серьезного снижения топливного расхода от них не приходится». – «Вы правы. однако в современных гибридных автомобилях энергию механического типа мотора приходится преобразовывать в электрическую, а потом опять в механическую. Это приводит к очень уж большим потерям – энергетическую «пошлину» оплачивать нужно.

Я же говорю о накопителе механической энергии – супермаховике, работающем в паре с супервариатором». Квалифицированные образцы аналогичных автомобилей, оказывается, уже пыталась создать компания из Америки United technologies, и ей получилось добиться расхода ДТ 3 л на сто километров для автомобиля массой 1500 кг. Но система была довольно трудна и дорога: в особенности, здесь были применены электрические генераторы и полномоментные (без коробки передач) тяговые двигатели, что и не дало возможность извлечь максимум хороших качеств из данной схемы.

Собственно изобретенный супервариатор призван сделать автомобиль намного красивее. При подобной схеме работы (рис.

4) мотор иногда автоматично включается и, работая в благоприятном режиме, «дополняет» энергию в накопитель. Более того, в данной схеме выполняется рекуперация энергии на спусках и торможениях, что ведет к фантастической экономии топлива. По данным Гулиа, обыкновенный автомобиль может при этом тратить только 1,2 л ДТ на сто километров. но самое любопытное, что это еще не предел экономности.

Если взамен мотора применять намного экономичные топливные детали (рис. 3) с КПД около 56% (во время работы на самом обыкновенном топливе), то можно добиться еще большей экономности – до 0,85 л соляры на сто километров! Наверное, это настоящий ответ повышению расценок на автомобильное горючее…
Март 2006
Автор: Николай Корзинов
1939. Появился на свет в Тбилиси (там же окончил школу и Политехнический ВУЗ).
1961. Сделал первое открытие (усовершенствовал автомат для производства папирос), после изобретает вариаторы новых конструкций.
1962. Поступает в аспирантуру в Москве, через 3 года оберегает кандидатскую диссертацию, спустя еще 8 лет – докторскую.
1964–1984. Подает заявку на открытие супермаховика: из-за затянувшейся экспертизы получает патент только через 2 десятилетия.
1978. Начинает работать в Московском государственном промышленном университете (МГИУ) профессором кафедры «Машины и двигатели». до нашего времени – управляющий кафедры «Детали машин».
2003. Подает международную заявку на открытие супервариатора, по которой в 2005 году настало патентование в Российской Федерации и за границей.
Планетарный дисковый вариатор
От мотора вращение подается на входной вал вариатора, на котором жестко закреплены внутренние диски. Они вынуждают вращаться конусообразные сателлиты.

Благодаря тому, что наружные диски неподвижны, сателлиты принимают участие не только в орбитальном движении, вращая водило (выходной вал), но и вращаются вокруг собственной оси. Изменение передаточного отношения в механизме обеспечивается за счёт радиального перемещения сателлитов на водиле.
“Volvo › Update: Компания Volvo испытала маховиковый накопитель”