飞轮动能回收系统

F1赛车上使用的新技术

动能回收系统是FIA在F1赛车上使用的一项新技术，英文缩写KERS.原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用。

定义

动能回收系统，英文缩写KERS.

KERS是动能回收系统(Kinetic Energy Recovery Systems)的英文缩写。其基础原理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用！具体的使用方法可能模仿A1的加速按钮来实现。

F1引入

很多人认为F1引入KERS的是FIA为增加超车机会-提高比赛兴奋度，压制引擎研发-控制成本飚升而采取的一时之举，这是完全错误的！

全世界的汽车工业都面临着产业发展与保护环境这对矛盾。能源问题，二氧化碳排放，早已不再是时髦的话题，而是就摆着面前，并需要立即动手解决的问题。德国出台了每公里二氧化碳排放量不得超过120克的指标，这一指标如果成为法规，将意味着大排量发动机不再有发展前途。与此同时，有的城市甚至计划只允许在市中心使用混合动力车，这意味着厂商在开发产品时，必须保证他们的车型可以选装混合动力系统。通过这两例，我们可以看到高效率的环保技术对于汽车工业的发展有多迫切。时下，虽然各大制造商从未达成过任何共识，但已基本形成了默认的发展思路：先从混合动力入手，然后向氢动力或纯电力过渡。只有这样，汽车工业才可能有未来。

此时，以高科技著称、位居汽车运动金字塔尖的F1，如果无视这一社会趋势，必将面临被淘汰的危险。FIA主席马克思-莫斯利曾在2006年说过： “世界的趋势正在发生改变，你将看到最明显的是关于全球变暖问题。在世界每一个地方，都有非常突出的民意运动。如果现在我们不改革，我们将错过这一趋势，F1将变得落后，并最终死亡。”

也许有人会认为莫斯利的话是在危言耸听，但F1的现状就是下面这样：2.4升V8引擎的百公里油耗高达49KG，19000转的极限转速对于民用引擎没有任何参考意义，耗资建1个1:1的风洞开销大于5000万欧元，不计全年24小时运转的成本，一站一改的空气动力学套件实用价值是零……。

很显然，F1的技术发展方向，是完全与社会脱节的，而且随着能源和环境问题的加剧，它正在与社会发展方向背道而驰。过去，F1被称为汽车工业的试验田，先进民用技术的发源地；而随着技术发展趋势的变化，它的这项功能已越来越弱！在这种情况下，改革势在必行，而且刻不容缓。因为没有任何有社会责任的人，会对采用“过时”技术、大幅浪费能源、危害环境的运动顶礼膜拜！

KERS正是F1顺应这一社会趋势，保持先进性迈出的第一步。

规则限制

为了鼓励、推动KERS技术的发展，FIA给予了车队充足的发挥空间。发布的2009版F1技术规则中，国际汽联只对KERS几项技术指标做了规定，其余所有环节都是开放的。按照莫斯利的说法，KERS的发展几乎不受限。下文便是新规则中仅有的约束条款：

1，KERS系统的最大输出和输入功率不得超过60KW，每圈的能量释放总量不得超过400KJ。(规则原文5.2.3)

2 赛车在进站加油的过程中，不得向KERS的系统增加能量存储。(规则原文5.2.4)

3 赛车引擎、变速箱、离合器、差速器和KERS以及所有的相关激活机构，必须由FIA指定的ECU供应商提供的ECU控制(即迈凯轮提供的标准ECU)。(规则原文8.2.1)

现版09款规则对KERS的限制仅此而已！

优缺点

在FIA宽松的规则框架下，存在两种技术原理的KERS系统正在研发当中：飞轮动能回收系统和电池-电机动能回收系统。下面，我们将从研发背景、技术原理、参数指标和方案优缺点四个方面对其进行详细介绍。首先讲已经面世的“飞轮动能回收系统”。

研发背景

这是雷诺将采用的技术方案，威廉姆斯打算购买！2007年年初，受到雷诺汽车公司的支持，雷诺F1车队的两位工程师乔恩-希尔顿和道格-克罗斯离开总部恩斯托(enstone)专门在银石组建了一家名叫“Flybrid Systems LLP”的公司。在这里，Flybrid是两个英语单词飞轮(flywheel)和混合动力(hybrid)的组合词，我们将其译为“飞轮混合动力系统公司”【注：下文统一简称为FB公司】。该公司在2007年年中开发出了一套高效率的飞轮动能回收系统。

技术原理

飞轮动能回收系统的原理其实非常简单。儿时玩过回力玩具车的朋友知道，当我们通过向后滚动车轮让蓄能结构(一般为弹簧或橡皮筋结构)积蓄势能后，再将车放在地上，积蓄的势能便能让车快速行驶起来。FB公司的动能回收方案，正是采用的这种基础原理【注意：是基础原理，即从动能－＞势能－＞动能的转化过程】。但其具体的工作过程肯定要复杂许多，要知道这是时速超过300公里的F1赛车。下面让我们一起看其实际构造：

FB公司提供的系统原理图。它总共由：一套高转速飞轮、两套固定传动比齿轮组、一台CVT(无级变速箱)和一套离合器构成(离合器2)，其中无级变速箱由技术合作伙伴Torotrak公司提供，另一家公司Xtrac负责传动系统制造。系统工作过程如下：

当赛车在制动的过程中，车身动能会通过无级变速箱传入飞轮，此时处于真空盒中的飞轮被驱动、高速旋转积蓄能量。而当赛车在出弯时，飞轮积蓄的能量则通过无级变速箱反向释放【注：这里指的反向指能量的流向，而非飞轮旋转方向】，并在主变速箱的输出端和引擎动力汇合后，作为推动力传递给后轴。整套系统结构简单紧凑，由写入SECU(标准ECU)的配套程序进行控制。在外形上，可根据用户需求，做针对性调整。也就是说可以具有不同的外形选择！

技术难点

众所周知，对于F1赛车来讲每一公斤的质量都是有用的。为了达到尽可能高的能量密度比(注：飞轮动能回收系统的这项指标已经很高)，使系统对赛车的配重影响降至最低，采用飞轮动能回收方案需要将蓄能主体飞轮做的尽可能的小，但这又如何满足能量存储指标呢？

FB公司采用的解决方案是提高转速。他们试制品飞轮转速已达到64500转/分，这是一个近乎疯狂的数字。但此时新问题又出现了，因为高转速意味着系统会产生巨大的热量和面临巨大的风阻损耗。

方案优缺点

希尔顿和克罗斯最终决定将飞轮包装在一个真空盒内部，按照该公司的说法，内部气压可达1x10-7帕。这到底是一个怎样的概念呢？乔恩-希尔顿表示，这相当于一个气体分子需要运行45KM才能和另外一个相遇。不过想的到还得做得到，将飞轮置身真空盒的确可以解决生热和风阻损耗的问题，但如何防止轴承在(向飞轮)输入和输出动力的过程中，气密性不被破坏呢？新的难题再次诞生！在现有技术下，电转换是种可选方案，但能量损失太严重。结果这两位工程师还是找到了解决之道，他们发明了创新的轴密封技术，现已申请专利。

变速器

由来

前不久曾说过，FIA有意实施新的F1规则，主要目的是减少赛车对环境的影响，并降低成本，使赛车技术对现实世界更有价值。其中一项要求就是将减速能量存下来用于加速，使出弯后加速更为凌厉，或者“尾随-甩出-超车”式的进攻更容易得手。第一个商业化的产品已在开发中，Xtrac获得了Torotrak的专利授权，将利用后者的圆环曲面传动方案，开发高效、紧凑、速比连续可变的传动装置，在F1赛车上实现动能回收的设想。而且我们也很容易预见，它会出现在普通的道路车辆上。

形状

所谓圆环曲面在这里就是指圆环内圈的表面形状，你可以想象出一个多纳圈，用砂子把它中央的孔塞实，之后你如果有本事把多纳圈吃干净，那么剩下的砂型就是圆环曲面了。是不是象个沙漏瓶的小腰？在这个细腰的中间截开，就是Torotrak变速器的核心——两个尖对尖的转盘，其中一个当动力输入用，另一个别无选择，就只好用来输出了。

光靠两个尖顶着肯定是传递不了动力的，更别提变速了。于是在转盘之间还安置了两到三个滚轮。两个转盘对向夹紧，就会夹住这些滚轮，输入转盘转动时，会带着滚轮转，输出转盘自然也跟着转起来。看得出，力是通过滚动摩擦传递的。那么怎样实现变速呢？只要让滚轮的轴线摆动起来就行了。开始时滚轮的一边顶着输入转盘半径较大的位置，另一边按在输出转盘靠近尖顶的地方，就是低档。随着滚轮的摆动，速比便会越来越小，而且，这个变化是连续的，即CVT。市场上常见的CVT是皮带轮+带或链条的式样，与之相比，这种圆环曲面变速器的效率更好，而且能传递更大的扭矩，Torotrak的演示车就是辆Ford的SUV，拥有475Nm扭矩的5.4升V8发动机充分证明了这种传动方案的负载能力。Torotrak还为变速器取名IVT，即infinitely variable transmission，以示区别。

发展史

还记得Atkinson循环吗？很多人类发明都要在历史长河里经世累代地潜水，才能修成正果，圆环曲面变速器也是如此。早在1877年，Charles Hunt就申请到了专利，而直到1920年代，经Frank Hayes改进之后才推向市场，在1930年前后安装到Austin 7上。Perbury公司在1960～1980年代期间对其继续完善，成果甚至打动了军方——在著名的鹞式战机上用来带动一台25千瓦的发电机，虽然扭力不是很大，但转速特高，从7000到17000rpm。1986年BTG集团接手相关业务，又过了十几年，掌握这项技术的部门脱离了BTG，才有了今天的Torotrak。

原理

当今材料的发展使这种变速机构日臻完善。理论上，转盘和滚轮是紧紧地贴在一起的，这样才能产生摩擦力，但事实上它们并没有真的接触，这要归功于一种特别开发的长分子链摩擦液。这种液体在压力之下粘度也会大涨，不但能传递摩擦力，还能形成0.05至0.4微米的液膜，将转盘和滚轮隔开。要形成如此薄的膜，肯定也离不了精密的加工技术和精良的钢材。给Torotrak加工转盘、滚轮的是光洋精工（初和丰田工机合并，名字叫JTEKT），它的当家产品就是滚珠轴承。无独有偶，日本精工NSK也为Jatco加工类似的部件，不用说也知道NSK是干什么的。Jatco为日产制造的Extroid被称为半圆环曲面变速器，说白了就是曲面的圆弧短了点，速比变化范围只有4.36，不得不借助液力变扭器滋补一下扭力，但也不是说它无缚鸡之力，只要车子一动起来，变扭器就能立即锁住，无需再劳动了。相比之下Torotrak的底气要冲一些，它的演示机型速比跨度已经达到了6.05，所以才敢号称“无限可变”。

典型的圆环曲面变速器由两组机构串列而成，这样传递的扭力可以加倍，而尺寸也不会比一般的齿轮式变速箱更大。由于滚轮被禁锢在圆环曲面内，其转轴用不着承受任何负载。转盘受液压驱动沿轴向夹紧，而夹紧力度则由电控装置根据传递扭矩的大小来调节。

特点

Torotrak完整的IVT变速器中，不仅有一个圆环曲面变速机构，还有一套行星齿轮。低速的时候，发动机一方面直接连到行星架，另一方面通过圆环曲面变速机构驱动太阳轮，从而实现从前进到倒车的速度连续变化，中间当然有完全停止的状态，因此称它速比无限可变。换言之，理论上其输出扭矩也可以变到无限大，控制系统通过控制速比就能克服很棘手的障碍，另一方面，速比的改变在曲轴仅转过半圈的瞬间里就能完成，所以不用担心因突然过载而损坏发动机或传动机构。只是这种状态下，按照美国CAFE工况测算，平均动力损耗超过19%，故而只用于倒车和起步。车速提高后，行星架被脱开，太阳轮和外齿圈被锁在一起，动力完全通过环形曲面变速机构传递。

再回到动能回收上来，圆环曲面装置本身肯定不能吸收、存储和释放动能，干这活儿的是一个飞轮。Torotrak的变速装置也没有取代常规的多档齿轮式变速器，它的角色其实是连接飞轮和变速器的桥梁，通过调节速比，让动能以最优的方式在两者之间来回走动，而不是完全通过刹车盘散失掉。这种模式不但结构紧凑——Torotrak相信商业化的变速单元会轻于5公斤，而且其能量传递效率甚至高过90%，明显优于电机-蓄电池模式。F1对尺寸和重量的要求都非常严苛，如果成功的话，普及到其它领域就是轻而易举的事。

Xtrac将只提供变速单元，飞轮部分还要各车队自行开发（所以是虚的），Torotrak可以提供控制程序方面的专家意见。

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