Разработка гибридного городского пассажирского транспорта на основе применения супермаховика и супервариатора

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Разработка гибридного городского пассажирского транспорта на основе применения супермаховика и супервариатора

Горшенина Екатерина Юрьевна

Целью разработки является создание пассажирского транспорта нового поколения за счет применения технологий супермаховика и супервариатора. Проект направлен на получение дешевой и экологичной энергии для работы общественного пассажирского транспорта.

Ключевые слова: Пассажирский транспорт, экологичность, безопасность движения, инновации.

Gorshenina Catherine Y.

FGBOU IN "Saratov State Technical

University of YA Gagarin "Russia, Saratov

Associate Professor of "OPT"

E-mail: ekaterina_84_07@mail.ru

Tugushev Boris Fedorovich

FGBOU IN "Saratov State Technical University of YA Gagarin "Russia, Saratov

Associate Professor of "AAH"

E-mail: tugushev@mail.ru

Ustinov, Anton O.

FGBOU IN "Saratov State Technical

University of YA Gagarin "Russia, Saratov

Student of the Department "OPT"

E-mail: ust1n2@mail.ru

DEVELOPMENT OF HYBRID URBAN PASSENGER TRANSPORT ON THE BASIS OF SUPERMAHOVIKA AND SUPERVARIATORA

The purpose of development is to create a new generation of passenger transport through the use of technology and supermahovika supervariatora. The project aims to obtain a cheap and environmentally friendly energy for the operation of public passenger transport.

Keywords: Passenger transport, environmental friendliness, safety, innovation.

В современном обществе на данный момент существует ряд проблем планетарного масштаба, например экологическая ситуация. Большинство загрязнений окружающей среды исходит от автомобильного транспорта, как от самого распространенного на планете. Разрабатываемый проект направлен на решение этой проблемы путем создания экологичного автотранспортного средства на примере существующего городского рейсового автобуса. Суть инновации состоит в применении вместо аккумуляторов и электромотора супермаховика и супервариатора. Специалисты считают супермаховики одним из наиболее перспективных видов накопителей энергии среди всех известных ныне и прочат им блестящее будущее.

По сути проект включает в себя применение патентов: Патент №2460921 Бесступенчатая коробка передач (варианты), Бесступенчатая коробка передач (варианты) Патент №2460921, Гибридный силовой агрегат транспортного средства (варианты)Патент №2464182, Составной маховик и способ его изготовления. Патент №2427743, Способ подготовки к эксплуатации, способ эксплуатации маховика и устройство для их осуществления Патент №2428603, Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариато) Патент №2428608, Коробка передач Патент №2410587, Электропривод вращательного движения Патент №2376513, Гибридный силовой агрегат транспортного средства Патент №2357876, Маховичный накопитель Патент №2246034, Магнитная подвеска маховика Патент №2253051, Автоматическая бесступенчатая передача Патент №2138710, Трансмиссия электромобиля Патент №2123944, Многодисковый вариатор Патент №2091636 и Патент 116669 Бортовое устройство контроля безопасности движения, Патент 2014112196 Устройство и способ для управления движением моторного транспортного средства. В результате мы сможем получить рейсовый автобус для нужд города не имеющий выбросов, имеющий максимальную скорость 90 км/час (что достаточно для городских условий) и с повышенной безопасностью движения для пассажиров и водителя.

В результате мы сможем получить рейсовый автобус для нужд города практически не имеющий выбросов, имеющий максимальную скорость 90 км/час (что достаточно для городских условий) и с повышенной безопасностью движения для пассажиров и водителя.

Научная новизна заключается в том, что впервые предлагается в применении вместо аккумуляторов и электромотора супермаховика и супервариатора для рейсового пассажирского городского автобуса при этом оснащенного современными технологиями АСУД, что позволяет улучшить показатели эффективности заявленные д. т. н., проф. Нурбеем Владимировичем Гулиаи и в патентах: Патент №116669 Бортовое устройство контроля безопасности движения, Патент № 2014112196 Устройство и способ для управления движением моторного транспортного средства.

В настоящее время идет интенсивный процесс автомобилизации общества. С одной стороны развитие автомобилизации выражает технико-экономический прогресс, а с другой - обуславливает негативное воздействие на экологию. За годы автопарк России вырос почти в 1,5 раза. По состоянию на 1 января 2015 года на регистрационном учете в Госавтоинспекции состоит более 56,5 млн. транспортных средств, на 22,8% возросла численность автобусов - сегодня в стране их насчитывается 954,5 тыс.

Что касается людей, то автомобильные выбросы в атмосферу приводят к множеству заболеваний. Наиболее распространены онкологические, сердечнососудистые заболевания, а также различные болезни органов дыхания. Ежегодно токсические выбросы приводят к смерти около 300 тысяч человек, и это данные только по России. Таким образом, необходим комплекс мер по улучшению экологической ситуации.

Наибольшей урон автомобильный транспорт наносит городам, так как город является центром тяготения автотранспорта. Предлагается начать решать эту проблему с городского пассажирского транспорта, так как автопарки городов не всегда состоят из самых последних моделей транспортных средств, проходящих по последним утвержденным нормативам. Второй стороной актуальности разработки является ежедневно растущая цена на топливо, что негативно сказывается на прибыли предприятия и на покупательскую способность услуги у населения.

Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик - в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами. Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость - масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо - махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.

В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.

Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки - 20--25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы - больше скорость.

Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например, для выполнения обгонов.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км.

Посмотрим теперь характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и к массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30--40 кВт - 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт - 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности - 10 к г, приборы управления - 9 кг, шасси - 175 кг, кузов - 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.

Махомобиль не боится длительных стоянок - маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет. Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.

Рассмотрим колеса автомобиля с «настоящим» емким накопителем энергии - супермаховиком, для чего придадим ему в помощь вариатор с широким диапазоном регулирования - супервариатор. Двигатель при этом останется на своем «законном» месте, только вместо примитивного чугунного маховика с его коленчатым валом повышающей передачей свяжем супермаховик. С ведущими колесами этот супермаховик свяжет уже супервариатор.

В будущем практически все силовые агрегаты автомобилей будут гибридными: по той или иной схеме, но обязательно содержащими в себе как двигатель, так и накопитель, а также бесступенчатый привод к ведущим колесам, так как автомобилю для движения каждый раз нужна различная мощность, а двигатель экономично может работать только на одной мощности - близкой к максимальной. Поэтому и должен двигатель работать в этом режиме, а излишки мощности переводить в «энергетическую капсулу» - накопитель энергии. А уже эта накопленная дешевая и экологичная энергия будет расходоваться автомобилем по необходимости.

Как же будет работать гибридный силовой агрегат на автомобиле? Перед началом движения двигатель разгонит до стартовых оборотов супермаховик, а заодно и «прогреется». Энергии на это потребуется очень мало - что-то около 1 кВт·ч для автобуса, а для легкового автомобиля и того меньше. «Зарядка» супермаховика может производиться не только во время «прогрева» двигателя, но и тогда, когда на малом ходу автомобиль, скажем, выезжает из гаража или проезжает через двор, - супервариатор, связывающий двигатель, а стало быть, и супермаховик с колесами, вполне позволяет это. Ведущие колеса автомобиля почти всегда связаны с трансмиссией особым редуктором, называемым «главной передачей». Вот с ней и связывается выходной вал супервариатора.

Для гибридов рекомендуются двигатели с пониженной мощностью, что-то около 30--50 % от мощности штатного двигателя. Но если это скоростной автомобиль, то мощность можно и не понижать.

Рисунок 1. Схема гибридного силового агрегата автомобиля с маховичным накопителем

гибридный силовой агрегат супермаховик

Допустим, что автомобиль едет по городу со скоростью 50--60 км/ч, расходуя малую часть мощности двигателя. При этом, если в супермаховике недостает энергии, то «зарядка» может выполняться прямо на ходу. Считаем, что максимальная энергия будет накоплена в супермаховике при 30 тыс. оборотов в минуту. При достижении этих оборотов двигатель автоматически выключается и отсоединяется от супермаховика. Фактически двигатель должен быть отрегулирован на один-единственный режим работы - оптимальный. Альтернатива ему - стоянка, никаких холостых ходов с выбросами самых вредных газов. Все приборы, которые необходимо питать, приводятся в действие от постоянно вращающегося супермаховика.

Итак, автомобиль движется, расходуя энергию только от супермаховика. Покажем, что супервариатор позволяет делать это. Обычно обороты супермаховика при потреблении энергии не снижают больше чем на треть - это разумнее всего. При этом выделяется более половины всей запасенной в нем энергии. Возьмем самый невыгодный случай, когда нужно развить скорость 160 км/ч при минимальном запасе энергии в маховике, то есть при 20 тыс. оборотов в минуту. Не забудем, что двигатель соединен с супермаховиком повышающей передачей с передаточным отношением обычно около 6. Работу самого двигателя, который может подключиться и «помочь» при этом, в расчет не принимаем (эта работа идет в запас). Поделим обороты двигателя, а в данном случае это 3333 оборота в минуту (20000: 6 = 3333), на скорость автомобиля - 160 км/ч и получим особый коэффициент, пропорциональный передаточному отношению супервариатора; в нашем случае он равен 21. А теперь представим себе другой невыгодный случай, когда на предельных оборотах супермаховика - 30 тыс. оборотов в минуту и двигателя - 5 тыс. оборотов в минуту нужно ехать с самой низкой скоростью. Определим ее. Мы уже говорили, что передаточное отношение супервариатора может меняться в 20--25 раз; стало быть, наш коэффициент 21 должен увеличиться примерно до 500. Поделим обороты двигателя - 5 тыс. на 500 и получим 10 км/ч, что вполне приемлемо.

Итак, супервариатор при самых невыгодных условиях позволяет изменять скорость автомобиля от 10 до 160 км/ч как при разгоне, так и при рекуперативном торможении машины. И это все - без помощи двигателя. Нужна скорость меньше 10 км/ч - отсоединяем супермаховик и работаем только на двигателе, который может еще раза в три снизить свою частоту вращения, а стало быть, и скорость автомобиля. Нужна скорость больше 160 км/ч - опять же подключаем двигатель и совместной мощностью с супермаховиком повышаем скорость до 240 км/ч. Скорость больше 240 км/ч и меньше 3 км/ч развить нельзя - не позволит передаточное отношение данного супервариатора. Если нужно ехать со скоростью 300 км/ч или маневрировать с «ползучей» скоростью 1 км/ч, то нужно изменять параметры либо супермаховика, либо супервариатора. Следует заметить, что максимальную скорость автомобиль с супермаховиком в качестве источника практически неограниченной мощности может развить очень быстро, это весьма полезно для проведения маневров и повышения безопасности движения.

Теперь представим себе ситуацию, когда запас энергии в супермаховике максимален, а мощность двигателя используется не в полной мере. Тогда двигатель просто автоматически отключается: покажет тахометр супермаховика 30 тыс. оборотов в минуту - питание двигателя автоматически прекращается и он отсоединяется от супермаховика. Опустились обороты супермаховика до 20 тыс. оборотов в минуту - двигатель подсоединяется к повышающей передаче супермаховика и начинает получать питание; двигатель при этом запустится моментально от энергии супермаховика, причем за мгновение до этого включится маслонасос, подающий масло в двигатель. Заранее скажу, что все вопросы, связанные с остановкой, пуском, смазкой двигателя и т. д., уже решены фирмами, которые занимаются изготовлением автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Так что дополнительных проблем с этим не будет.

С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20--25, не меньше, во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей - 20--25. По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору - от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы - тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо. Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД. Еще бы - механическую энергию двигателя нужно переводить в электрическую, а потом - обратно, чтобы подавать на колеса. Да и тяговые двигатели очень тяжелы и неэкономичны - как-никак крутящий момент нужно менять раз в 20--25, если использовать их для гибридов. Но все равно, и такие электромеханические гибриды дают большую экономию топлива.

Данная разработка может применяться на уже существующем пассажирском автотранспорте. Ее применение позволит снизить затраты на обслуживание до 60% в год, повысить безопасность пассажиров (за счет экономии топлива), улучшить экологическую безопасность в регионе (за счет уменьшения выбросов).

На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг. Но аналогов в России нет, тем самым обуславливается актуальность проекта.

Литература

Гулиа Н. В. Инерционные двигатели для автомобилей. -- М.: Транспорт, 1974. -- 64 с.

Гулиа Н. В. Маховичные двигатели. -- М.: Машиностроение, 1976.

Гулиа Н. В. Физика. Парадоксальная механика в вопросах и ответах. -- М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004.

Гулиа Н. В. Удивительная механика: В поисках «энергетической капсулы». -- М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. -- 176 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru