Gros bouton rouge: entraînement par volant

La Formule 1 a toujours été le berceau de la technologie pour les véhicules civils. C'est dans les courses royales que la technologie d'application de panneaux de carrosserie en composite, de disques de frein en céramique, de boîtes de vitesses robotiques et de nombreux autres composants permettant à la voiture de rouler très vite a été perfectionnée. Qui aurait pu penser que c'était la formule qui donnerait une impulsion au développement d'une nouvelle génération de voitures hybrides, dont l'objectif était d'être non seulement et moins dynamique que l'efficacité énergétique, économique et écologique. Nous parlons de voitures avec un système de récupération d'énergie de freinage par volant.

Tout a commencé en 2007, lorsque le président de la FIA, Max Mosley, et l’association des équipes participant à la F1 FOTA ont entamé un dialogue sur la modification du règlement technique de la compétition dans le but de "verdir" les courses. À la suite des modifications apportées au règlement technique des courses, depuis 2009, les équipes ont été en mesure d'installer n'importe quelle configuration sur leurs systèmes KERS. L'acronyme KERS signifie Système de récupération d'énergie cinétique, ou système de récupération d'énergie cinétique. Le KERS vous permet d’accumuler l’énergie de freinage de la voiture au lieu de la dépenser pour un chauffage inutile des disques de frein, puis de transférer à nouveau cette énergie sur l’arbre de transmission.

Le danger de destruction du volant d'inertie est considéré comme l'un des facteurs problématiques du KERS mécanique. Mais, selon son créateur John Hilton, ce n’est rien de plus qu’un mythe. En 2007, Flybrid avait mené à bien une série d’essais réussis au célèbre Crashfield F1 Crash Center. Les ingénieurs du centre ont simulé une véritable situation d'urgence sur l'autoroute. Le volant a été déterré sur un support jusqu'à une vitesse maximale de 64 500 tr / min à l'intérieur d'une voiture de course fictive, qui a ensuite été écrasée contre un obstacle fixe. Le ralentissement était supérieur à 20 g. L’inspection de l’appareil a montré que le boîtier de l’aspirateur et le volant lui-même n’avaient pas été affectés après l’impact. De plus, le volant a continué de tourner à des vitesses supérieures à 60 000 tr / min!

La quantité maximale d'énergie accumulée était limitée à 400 kJ, la puissance du système était de 60 kW et la durée de fonctionnement en mode moteur auxiliaire était de 6, 7 s à chaque tour de la route. En mode batterie, le KERS peut fonctionner en continu et son activation est provoquée par une pression sur un bouton spécial situé sur la barre de la voiture à une vitesse supérieure à 100 km / h. Les pilotes pourraient utiliser une poussée supplémentaire pour doubler et gagner rapidement en vitesse après virage.

Les calculs préliminaires ont montré que le KERS offre un avantage pouvant aller jusqu'à 0, 4 s par tour par rapport à une machine standard. C'est environ 30 m de différence à l'arrivée. Pas tellement, mais ce sont souvent des moments qui déterminent le destin des équipes. De plus, la commission technique a tracé la voie de développement du KERS. Il était supposé que ses indicateurs augmenteraient progressivement - jusqu'à 100 kW de puissance et 800 kJ en 2011 et jusqu'à 200 kW et 1600 kJ en 2013. Et ce n’est pas une triste pathétique de trente mètres.

Carrousel au Circus Maximus

Dans les systèmes hybrides traditionnels, l'énergie cinétique d'un véhicule de freinage est convertie en énergie électrique à l'aide d'un générateur. Le générateur non seulement charge la batterie, ce qui donne ensuite de l'énergie au moteur électrique, mais crée également une force de freinage supplémentaire, facilitant la vie des freins. Un tel KERS électromécanique pour la Formule 1 a été développé par Zytek. Puis, en 2007, les principaux partenaires technologiques des équipes de préparation de formules - Torotrak, X-Trac, Ricardo et Flybrid - ont créé le concept de volant moteur KERS. Dans celui-ci, l’énergie cinétique de la voiture est convertie en énergie cinétique du volant rotatif.

Le variateur torroidal Torotrak IVT fournit le flux de puissance du système de propulsion au volant et inversement avec une perte d'énergie minimale. En seulement 50 millisecondes, il est capable de changer le rapport de transmission de 6: 1 à 1: 1.

Max Mosley a qualifié l'intégration du KERS dans la F1 d'un défi pour la compétence des concepteurs d'équipe. Selon Mosley, la «Formula» est devenue ces dernières années un marécage technologique stagnant. L'innovation et les solutions techniques audacieuses étaient une chose du passé lorsque les designers légendaires Colin Chapman, John Cooper et Keith Duckworth ont quitté la scène. "Maintenant, il n'y a plus aucune personnalité de cette ampleur en F1, à l'exception de Patrick Head de Williams", a déplu Mosley. La direction des équipes préfère la modernisation sans fin de l'arsenal technique existant, ignorant tout ce qui est nouveau. Après que la FIA ait limité le régime moteur à 19 000 et le poids à vide des voitures à 605 kg, les ingénieurs se sont employés à améliorer les transmissions, élément essentiel des centrales électriques. De nombreuses équipes y consacrent jusqu'à 25 millions d'euros par an, rendant ainsi les boîtes plus rapides, plus légères et plus durables. L'utilisation de nœuds standard ne coûterait qu'un million. Max Mosley est convaincu que la standardisation maximale des voitures de F1 réduira non seulement les coûts des équipes d'un ordre de grandeur, mais permettra également de libérer du temps et des ressources pour développer des technologies réellement révolutionnaires, auxquelles il associe le KERS.

Les équipes ont accepté le défi de Mosley avec un craquement et du scepticisme. Le vétéran de la course, le triple champion du monde Nicky Lauda, ​​a prédit l'échec du KERS, et le vice-président de Ferrari, Piero Ferrari, a carrément qualifié le système de perte de temps et d'argent. L’équipe BMW, qui disposait d’un budget suffisant, et son responsable, Mario Thyssen, ont de temps à autre fait état d’un nouveau succès. Des incidents absurdes, tels qu'un mécanicien de haute tension qui a miraculeusement survécu à un mécanicien BMW, n'ont fait que nourrir l'intérêt du public. McLaren a engagé des professionnels de Zytec pour travailler sur le KERS, et une équipe d’ingénieurs de Flybrid, Torotrak, Ricardo et X-Trac est venue au secours de Williams. L'escarmouche de Thyssen et Ferrari avait l'air drôle. Après que les Italiens eurent testé trois variantes du KERS à la fin de 2008 et étaient extrêmement insatisfaits, Thyssen déclara que le problème ne concernait pas la technologie, mais la qualification du personnel technique de Scuderia. Mosley a défendu le mieux possible l’idée du KERS dans la presse, et Lauda a plaisanté en disant que chaque voiture de F1 devrait avoir une remorque avec des batteries.

KERS Embrayage magnétique sans contact Ricardo Kinergy

BMW a été le premier à refuser d’utiliser le gros bouton rouge après la quatrième étape de la saison, et Ferrari a poursuivi avec un moteur électrique et des batteries plus longues que tout le monde. Tout ce qui distingue le KERS en F1, ce sont plusieurs épisodes marquants avec Kimi Raikonen et une brillante victoire en Hongrie de Lewis Hamilton. À la fin de l'été, les membres de la FOTA ont décidé d'abandonner l'utilisation du KERS pour la saison 2010.

Deux vitesses de son

Les spécialistes de Flybrid considèrent que travailler chez F1 est une expérience amusante mais extrêmement utile. Les Britanniques voient l'application principale de leur KERS mécanique dans l'industrie automobile civile de masse, en particulier dans les modèles haut de gamme à grande vitesse. Pour ce faire, le bon vieux volant devra être petit, léger et énergivore.

En 2007, John Hilton et Doug Cross, les fondateurs de Flybrid, ont annoncé la création d'un volant d'inertie compact unique pesant environ 5 kg, capable de tourner à des vitesses pouvant atteindre 64 000 tr / min. Une ébauche d’acier, dans une section semblable à une lentille biconcave, vêtue d’une solide chemise en carbone, a été placée par eux dans un étui sous vide. L'arbre du volant est monté sur des roulements spéciaux en céramique. Le composant racine du volant Flybrid est un système breveté de joints centrifuges tournants pour assurer l'étanchéité de l'ensemble. Pourquoi y a-t-il un vide? Élémentaire: le frottement de l’air, qui nous semble imperceptible, entraîne, à de telles vitesses, un échauffement et la destruction progressive du volant. Le freinage progressif du disque est principalement dû au frottement des butées et du système de joint. En moins d'une minute, le volant non torsadé ne perd que 2% de l'énergie stockée. La décharge complète de cette batterie mécanique se produit dans environ une demi-heure.

«Notre volant d'inertie est au moins trois fois plus rapide que n'importe quel appareil analogique jamais installé dans une automobile. La vitesse de rotation de son bord extérieur atteint 660 m / s, soit deux fois la vitesse du son dans l'air dans des conditions normales», explique John Hilton. "Cela l'a rendu neuf fois plus petit et plus léger." En taille, il est comparable aux unités supplémentaires conventionnelles situées sous le capot des voitures particulières. Il s’agit d’un système hybride à part entière de la taille d’une batterie standard. "

Bien sûr, il est peu probable que le bouton rouge Boost apparaisse sur le volant d'une voiture - le système fonctionnera en mode automatique. Les hybrides traditionnels ne sont pas en mesure de fournir une dynamique élevée en raison des performances limitées de la batterie. Dans les systèmes à volant d'inertie, l'énergie stockée peut être utilisée presque instantanément. Dans le même temps, le propriétaire bénéficie également d'une économie de carburant de 30% grâce à une efficacité accrue.

De plus, le KERS mécanique coûte cinq fois moins cher que l’électromécanique, il est fiable à toutes les températures et peut supporter des millions de cycles de décharge. La batterie lithium-ion n’est utilisée qu’à 80% de sa capacité nominale - l’ordinateur ne permet pas une décharge de plus de 80%, car lorsque la batterie est complètement déchargée, la batterie tombe en panne. Le volant d'inertie peut être déchargé à zéro. La sécurité du volant d'inertie a été maintes fois testée lors d'une série de crash-tests: une chemise en carbone ne permet pas à des pièces de casser le boîtier, même aux plus hautes révolutions.


Magnétisme

Le volant d'inertie et le rotor extérieur du couplage Ricardo sont fabriqués à l'aide de la technologie MLC (Composite à charge magnétique) développée par Urenco pour l'énergie nucléaire. La poudre de néodyme magnétique et les aimants permanents commandés de grande taille, liés avec une résine époxy solide, sont intégrés à la surface en acier des pièces. La rotation du volant entraîne une rotation multidirectionnelle du rotor extérieur de l'embrayage connecté au variateur toroïdal Torotrak avec un rapport d'engrenage de 10: 1 à 1: 1. Pour obtenir une efficacité d’engrènement sans contact maximale, la paroi du carter de volant d’inertie devait être extrêmement mince - l’espace entre deux éléments d’embrayage en rotation n’était que de 2 mm. Selon les développeurs, l'efficacité de la transmission magnétique est inhabituellement élevée - 99, 9%.

Vide verrouillé

Le maillon faible du KERS Hilton and Cross est constitué par les joints d’arbre de volant centrifuge brevetés. À des vitesses de rotation maximales, un espace microscopique apparaît à l'intérieur et une pompe à vide supplémentaire avec une unité de surveillance et de contrôle est nécessaire pour pomper de l'air. Les ingénieurs de Ricardo ont radicalement repensé la conception Flybrid et ont créé un module complètement scellé doté d'une technologie de transmission de flux de puissance véritablement unique appelée Kinergy. L'élément de base de Kinergy est un couplage magnétique sans contact. Kinergy ne nécessite pas de pompe à vide et l’ensemble le plus complexe de joints d’arbre. L'énergie de rotation des roues va au volant d'inertie, puis revient à la transmission en raison de l'induction magnétique, et non d'un engrenage ou d'une transmission à courroie. De plus, les aimants sont permanents.

Le volant magnétique aimanté repose sur deux roulements en acier et en céramique, qui ne nécessitent pas de remplacement pendant toute la durée de vie de l'appareil. Pour éliminer toute possibilité de pénétration de vapeur d'eau dans le boîtier et la destruction progressive des paliers, les ingénieurs de Ricardo utilisent un élément d'adsorption d'une grande capacité spécifique qui absorbe tous les liquides et les gaz, à l'exception de l'hydrogène.

Selon Andy Atkins, expert de Ricardo, le KERS basé sur la technologie Kinergy peut supporter au moins 10 millions de cycles de décharge, une puissance spécifique de 3 kW par kilogramme de poids et une consommation d'énergie spécifique de 32, 5 kJ par kilogramme. Le coût du système hybride Kinergy pour une voiture de classe moyenne ne dépassera pas 1 300 dollars. Kinergy peut également être utilisé comme une transmission idéale pour les voitures. Comparé à la mécanique de présélection désormais populaire, un volant d'inertie avec couplage magnétique est 20% plus économique.

Volant moteur, monsieur!

L’efficacité et le bas prix de Kinergy étaient appréciés des constructeurs automobiles. Actuellement, les tests de ce système ont déjà commencé sur le prototype de la prochaine génération de Jaguar XJ et sur le célèbre pont à impériale de Londres. Selon Chris Borkbank, technologue chez Torotrak, partenaire stratégique de Ricardo, la consommation de carburant des bus à impériale serait réduite de près de 30%. La perte d'énergie sur le volant d'inertie dans ce cas n'est pas un facteur critique - la durée moyenne d'un arrêt de bus à Londres ne dépasse pas 55 s.

Selon Andy Atkins, le champ d’application de Kinergy est vaste: tous les systèmes mécaniques chargés fonctionnant dans des conditions de flux de puissance alternés seront 20 à 30% plus efficaces avec les nouveaux volants d’inertie que sans eux. Locomotives, tramways, excavatrices, équipement minier, grues, centrales électriques et bien plus encore - pour Kinergy, il existe une application valable. Les voitures de course F1 ne font pas exception. Qui sait - peut-être que le Big Red Button réapparaîtra bientôt aux commandes de voitures rapides?

L'article a été publié dans la revue Popular Mechanics (n ° 2, février 2010).

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