Botón rojo grande: unidades de volante

La Fórmula 1 siempre ha sido la cuna de la tecnología para vehículos civiles. Fue en las carreras reales que se perfeccionó la tecnología de aplicar paneles de carrocería compuestos, discos de freno de cerámica, cajas de cambios robóticas y muchos otros componentes que permitieron que el automóvil conduzca realmente rápido. ¿Quién hubiera pensado que era la Fórmula la que impulsaría el desarrollo de una nueva generación de automóviles híbridos, cuyo objetivo era ser no solo y no tan dinámico como eficiente en el consumo de energía, económico y ecológico. Estamos hablando de automóviles con un sistema de recuperación de energía de frenado de volante.

Todo comenzó en 2007, cuando el presidente de la FIA, Max Mosley, y los equipos participantes de la Asociación de F1 FOTA comenzaron un diálogo sobre el cambio de las regulaciones técnicas de la competencia con el objetivo de "ecologizar" las carreras. Como resultado de las enmiendas hechas a los reglamentos técnicos de las carreras, desde 2009, los equipos han podido instalar cualquier configuración en sus sistemas KERS. El acrónimo KERS significa Sistema de recuperación de energía cinética, o sistema de recuperación de energía cinética. KERS le permite acumular la energía de frenado del automóvil, en lugar de gastarlo en el calentamiento inútil de los discos de freno, y luego transferir nuevamente esta energía al eje de la transmisión.

El peligro de destrucción del volante se considera uno de los factores problemáticos del KERS mecánico. Pero, según su creador John Hilton, esto no es más que un mito. En 2007, Flybrid realizó una serie de pruebas exitosas en el famoso centro de choque Cranfield F1. Los ingenieros del centro simularon una emergencia real en la carretera. El volante se desenroscó en un soporte a una velocidad máxima de 64, 500 rpm dentro de un auto de carreras simulado, que luego se estrelló contra un obstáculo fijo. La desaceleración fue de más de 20 g. La inspección de la unidad mostró que la carcasa de vacío y el volante en sí no se vieron afectados después del impacto. ¡Además, el volante continuó girando a velocidades de más de 60, 000 rpm!

La cantidad máxima de energía acumulada se limitó a 400 kJ, la potencia del sistema fue de 60 kW y el período de funcionamiento en el modo de motor auxiliar fue de 6, 7 s en cada vuelta de la ruta. En modo batería, KERS podría funcionar continuamente, y su activación fue causada al presionar un botón especial en el timón del automóvil a velocidades superiores a 100 km / h. Los pilotos podrían usar empuje adicional para adelantar y ganar velocidad rápidamente después de tomar una curva.

Los cálculos preliminares mostraron que KERS ofrece una ventaja de hasta 0.4 s por vuelta en comparación con una máquina estándar. Esto es aproximadamente 30 m de diferencia al final. No tanto, pero a menudo son los momentos los que deciden el destino de los equipos. Además, la comisión técnica describió el camino de desarrollo de KERS. Se asumió que gradualmente sus indicadores crecerán: hasta 100 kW de potencia y 800 kJ en 2011 y hasta 200 kW y 1600 kJ en 2013. Y esto no es un patético treinta metros de probabilidades.

Carrusel en el Circo Máximo

En los sistemas híbridos tradicionales, la energía cinética de un vehículo de frenado se convierte en energía eléctrica mediante un generador. El generador no solo carga la batería, que posteriormente le da energía al motor eléctrico, sino que también crea una fuerza de frenado adicional, facilitando la vida de los frenos. Tal KERS electromecánico para la Fórmula 1 fue desarrollado por Zytek. Luego, en 2007, los socios tecnológicos líderes de los equipos de fórmula (Torotrak, X-Trac, Ricardo y Flybrid) crearon el concepto de volante KERS. En él, la energía cinética del automóvil se convierte en la energía cinética del volante giratorio.

El variador toroidal Torotrak IVT proporciona flujo de energía desde el sistema de propulsión al volante y viceversa con una pérdida de energía mínima. En solo 50 milisegundos, puede cambiar la relación de transmisión de 6: 1 a 1: 1.

Max Mosley calificó la integración de KERS en la F1 como un desafío a la competencia de los diseñadores de equipos. Según Mosley, la "Fórmula" en los últimos años se ha convertido en un pantano tecnológico estancado. La innovación y las soluciones de ingeniería audaces eran cosa del pasado cuando los legendarios diseñadores Colin Chapman, John Cooper y Keith Duckworth dejaron el escenario. "Ahora ya no hay personalidades de esta magnitud en la F1, con la excepción de Patrick Head de Williams", molestó Mosley. El liderazgo de los equipos prefiere la modernización interminable del arsenal técnico existente, ignorando todo lo nuevo. Después de que la FIA limitó las velocidades del motor a 19, 000 y el peso en vacío de los automóviles a 605 kg, los ingenieros comenzaron a mejorar las transmisiones, un componente crítico de las centrales eléctricas. Muchos equipos gastan hasta? 25 millones al año en esto, haciendo que las cajas sean cada vez más rápidas, más livianas y más duraderas. El uso de nodos estándar costaría solo un millón. Max Mosley está convencido de que la máxima estandarización de los autos de F1 no solo reducirá los costos del equipo en un orden de magnitud, sino que también liberará tiempo y recursos para desarrollar tecnologías verdaderamente innovadoras, con las cuales él relaciona a KERS.

Los equipos aceptaron el desafío de Mosley con un chirrido y escepticismo. El veterano de la carrera, el tres veces campeón mundial Nicky Lauda predijo el fracaso del KERS, y el vicepresidente de Ferrari, Piero Ferrari, llamó sin rodeos al sistema como una pérdida de tiempo y dinero. El equipo de BMW, que tenía un presupuesto suficiente, y su jefe, Mario Thyssen, informaron de vez en cuando sobre otro éxito. Incidentes absurdos como un mecánico de alto voltaje que sobrevivió milagrosamente a un mecánico de BMW solo alimentaron el interés público. McLaren contrató a profesionales de Zytec para trabajar en KERS, y un equipo de ingenieros de Flybrid, Torotrak, Ricardo y X-Trac acudieron en ayuda de Williams. La escaramuza de Thyssen y Ferrari parecía divertida. Después de que los italianos probaron tres variantes KERS a fines de 2008 y estaban extremadamente insatisfechos, Thyssen dijo que el problema no estaba en la tecnología, sino en la calificación del personal técnico de Scuderia. Mosley defendió la idea de KERS en la prensa lo mejor que pudo, y Lauda bromeó diciendo que cada auto de F1 tendría que tener un remolque con baterías.

Embrague magnético sin contacto KERS Ricardo Kinergy

BMW fue el primero en negarse a usar el gran botón rojo después de la cuarta etapa de la temporada, y Ferrari persiguió con un motor eléctrico y baterías más tiempo que todos los demás. Todo lo que distinguió a KERS en la F1 son varios episodios sorprendentes con Kimi Raikonen y una brillante victoria en Hungría de Lewis Hamilton. A fines del verano, los miembros de FOTA decidieron abandonar el uso de KERS en la temporada 2010.

Dos velocidades de sonido

Los especialistas de Flybrid consideran que trabajar en F1 es un experimento divertido pero extremadamente útil. Los británicos ven la aplicación principal de su KERS mecánico en la industria automotriz civil masiva, en particular, en los modelos premium de alta velocidad. Para hacer esto, el viejo y viejo volante tendrá que ser pequeño, ligero y con un alto consumo de energía.

En 2007, John Hilton y Doug Cross, los fundadores de Flybrid, anunciaron la creación de un volante compacto único con un peso de aproximadamente 5 kg, capaz de girar a velocidades de hasta 64, 000 rpm. Colocaron un trozo de acero, en una sección similar a una lente bicóncava, vestida con una resistente camisa de carbono, en una caja de vacío. El eje del volante está montado sobre rodamientos cerámicos especiales. El componente raíz del volante Flybrid es un sistema patentado de sellos centrífugos giratorios para garantizar la estanqueidad del conjunto. ¿Por qué hay un vacío? Elemental: la fricción del aire, que nos parece imperceptible, a tales velocidades conduce al calentamiento y a la destrucción gradual del volante. El frenado gradual del disco se produce principalmente debido a la fricción en los cojinetes de empuje y el sistema de juntas. El volante sin torcer en un minuto pierde solo el 2% de la energía almacenada. La descarga completa de esta batería mecánica ocurre en aproximadamente media hora.

"Nuestro volante es al menos tres veces más rápido que cualquier análogo instalado en automóviles: la velocidad de rotación de su borde exterior alcanza los 660 m / s, que es el doble de la velocidad del sonido en el aire en condiciones normales", dice John Hilton. "Eso lo hizo nueve veces más pequeño y ligero". En tamaño, es comparable a las unidades adicionales convencionales ubicadas debajo del capó de los turismos. Este es un sistema híbrido completo del tamaño de una batería estándar ".

Por supuesto, es poco probable que el botón rojo Boost aparezca en el volante de un automóvil; el sistema funcionará en modo automático. Los híbridos tradicionales no pueden proporcionar una alta dinámica debido al rendimiento limitado de la batería, y en los sistemas de volante, la energía almacenada se puede usar casi al instante. Al mismo tiempo, el propietario también recibe un 30% de ahorro de combustible debido a una mayor eficiencia.

Además, el KERS mecánico es cinco veces más barato que el electromecánico, confiable a cualquier temperatura y puede soportar millones de ciclos de descarga. La batería de iones de litio se usa solo al 80% de la capacidad nominal; la computadora no permite una descarga de más del 80%, ya que cuando la batería está completamente descargada, la batería falla. El volante se puede descargar a cero. La seguridad del volante se ha probado repetidamente en una serie de pruebas de choque: una camisa de carbono no permite que las piezas rompan la carcasa incluso a las revoluciones más altas.


Magnetismo

El volante y el rotor exterior del acoplamiento Ricardo se fabrican utilizando la tecnología MLC (Compuesto con carga magnética) desarrollada por Urenco para la energía nuclear. El polvo de neodimio magnético y los imanes permanentes más grandes pedidos con una fuerte resina epoxi se integran en la superficie de acero de las piezas. La rotación del volante provoca una rotación multidireccional del rotor exterior del embrague conectado al variador toroidal Torotrak con una relación de transmisión de 10: 1 a 1: 1. Para lograr la máxima eficiencia de mallado sin contacto, la pared de la carcasa del volante tuvo que ser extremadamente delgada: el espacio entre dos elementos de embrague giratorio es de solo 2 mm. Según los desarrolladores, la eficiencia de la transmisión magnética es inusualmente alta: 99.9%.

Vacío bloqueado

El eslabón débil de KERS Hilton y Cross son las juntas centrífugas patentadas del eje del volante. A velocidades de rotación máximas, surge un espacio microscópico en ellas, y se requiere una bomba de vacío adicional con una unidad de monitoreo y control para bombear aire. Los ingenieros de Ricardo rediseñaron radicalmente el diseño Flybrid y crearon un módulo completamente sellado con una tecnología de transmisión de flujo de potencia verdaderamente única llamada Kinergy. El elemento básico de Kinergy es un acoplamiento magnético sin contacto. Kinergy no requiere una bomba de vacío y el conjunto más complejo de juntas de eje. La energía de rotación de las ruedas va al volante y luego a la transmisión debido a la inducción magnética, y no al engranaje o al engranaje de la correa. Además, los imanes aquí son permanentes.

El volante magnetizado se apoya sobre dos cojinetes de acero y cerámica, que no requieren reemplazo durante toda la vida útil de la unidad. Para eliminar la posible penetración de vapor de agua en la carcasa y la destrucción gradual de los cojinetes, los ingenieros de Ricardo utilizan un elemento de adsorción con una gran capacidad específica que absorbe todos los líquidos y gases, excepto el hidrógeno.

Según el experto de Ricardo, Andy Atkins, el KERS basado en la tecnología Kinergy puede soportar al menos 10 millones de ciclos de descarga, tiene una potencia específica de 3 kW por kilogramo de peso y su consumo de energía específico es de 32.5 kJ por kilogramo. El costo del sistema híbrido Kinergy para un automóvil de clase media no será más de $ 1300. Kinergy también se puede utilizar como una transmisión ideal para automóviles: en comparación con la mecánica preseleccionada ahora popular, un volante con un acoplamiento magnético es un 20% más económico.

¡Volante, señor!

La eficiencia y el bajo costo de Kinergy fueron del agrado de las compañías automotrices. Actualmente, las pruebas de este sistema ya han comenzado en el prototipo de la próxima generación Jaguar XJ y en los famosos de dos pisos de Londres. Según Chris Borkbank, tecnólogo de Torotrak, socio estratégico de Ricardo, el consumo de combustible en autobuses de dos pisos se reduce en casi un 30%. La pérdida de energía en el volante en este caso no es un factor crítico: la duración promedio de una parada de autobús en Londres no supera los 55 s.

Según Andy Atkins, el rango de aplicación de Kinergy es enorme: cualquier sistema mecánico cargado que opere en condiciones de flujos de potencia alternos será 20-30% más eficiente con nuevos volantes que sin ellos. Locomotoras, tranvías, excavadoras, equipos de minería, grúas, plantas de energía y mucho más: para Kinergy en todas partes hay una aplicación digna. Los autos de carreras de F1 no son una excepción. Quién sabe, ¿tal vez pronto reaparecerá el Big Red Button al timón de los autos que se mueven rápidamente?

El artículo fue publicado en la revista Popular Mechanics (No. 2, febrero de 2010).

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