發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì)方法研究

馬旗，趙欣，姚鵬，姜斌，程姍姍，董志偉

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

在發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，合理選擇飛輪的慣量大小對(duì)保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)起到了重要作用。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同用途，需要對(duì)飛輪的結(jié)構(gòu)型式及接口標(biāo)準(zhǔn)提出要求，以滿足與使用機(jī)械的匹配及保證發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化要求。

1 飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 飛輪的常規(guī)結(jié)構(gòu)型式及尺寸要求

發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪通常設(shè)計(jì)成輪緣形，即外側(cè)較厚內(nèi)側(cè)較薄，這樣使用較輕的質(zhì)量可獲得盡可能大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

確定飛輪尺寸時(shí)，在飛輪慣量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，首先應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的總體布置要求，滿足空間尺寸及起動(dòng)馬達(dá)與齒圈的配合要求（如圖1）。

圖1 常用飛輪結(jié)構(gòu)尺寸

通常飛輪外徑

Do=(2.5～3.5)S，其中S為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程。

飛輪輪緣厚度h=(1/20～1/10)·Do

還應(yīng)滿足飛輪圓周速度小于或等于飛輪許用圓周速度V的要求，因而飛輪外徑還應(yīng)滿足以下公式

其中V為飛輪許用圓周速度。

鑄鐵飛輪30～50m/s；鑄鋼飛輪50～100m/s；型鋼飛輪100～120m/s。較大值用于小型高速發(fā)動(dòng)機(jī)，較小值用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 雙質(zhì)量飛輪

雙質(zhì)量飛輪是20世紀(jì)80年代末在汽車上出現(xiàn)的新型配置，對(duì)于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的隔振和減振有很大作用。我國(guó)從21世紀(jì)初開始有企業(yè)研發(fā)雙質(zhì)量飛輪。雙質(zhì)量飛輪就是將原來(lái)的一個(gè)飛輪分成兩個(gè)部分。一部分保留在原發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的位置上，起原飛輪的作用，用于啟動(dòng)和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，稱為初級(jí)質(zhì)量。另一部分設(shè)置在傳動(dòng)系變速器一側(cè)，用于增大變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，稱為次級(jí)質(zhì)量。兩部分飛輪之間有一個(gè)環(huán)型的油腔，在腔內(nèi)裝有彈簧減振器，由彈簧減振器將兩部分飛輪連接為一個(gè)整體。次級(jí)質(zhì)量可在不增大飛輪慣性矩的前提下增大傳動(dòng)系的慣性矩，使共振轉(zhuǎn)速降低到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速以下。飛輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)

目前，雙質(zhì)量飛輪僅用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)，用以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振狀況。對(duì)于工程機(jī)械、船舶推進(jìn)、發(fā)電等用途的發(fā)動(dòng)機(jī)，在飛輪的對(duì)面一側(cè)即發(fā)動(dòng)機(jī)的自由端往往往設(shè)有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減振器，不需要在另一側(cè)再設(shè)減振裝置。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪尺寸規(guī)格要求

非道路用發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組、船用主機(jī)、其他各類大型工程機(jī)械等眾多市場(chǎng)領(lǐng)域，主要與發(fā)電機(jī)、齒輪箱、偶合器、高彈聯(lián)軸器等相配合。

（1）非標(biāo)準(zhǔn)飛輪規(guī)格尺寸。發(fā)動(dòng)機(jī)配裝雙支撐齒輪箱、高彈聯(lián)軸器等設(shè)備機(jī)件或有用戶定制要求時(shí)，需要按這些工作機(jī)械的系列產(chǎn)品接口設(shè)計(jì)飛輪相應(yīng)接口尺寸。

（2）標(biāo)準(zhǔn)飛輪及罩殼規(guī)格尺寸。設(shè)計(jì)配裝離合器、單支撐電機(jī)等的設(shè)備機(jī)件時(shí)，需要參照《JB/T 8894-2015 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)飛輪離合器用安裝尺寸》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)中的螺紋孔規(guī)格可以取與英制螺紋相近規(guī)格。

在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端罩殼時(shí)，需要依照《ISO7648 ISO 7648-1987往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)飛輪殼基本尺寸和公差》標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的飛輪罩殼。

2 飛輪材料的選用

發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪通常使用灰鐵材料和球鐵材料鑄造而成。對(duì)于強(qiáng)化強(qiáng)度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)常采鑄鋼和型鋼材料飛輪，其中使用45鋼的較多。在進(jìn)行飛輪材料選用時(shí)，需要考慮飛輪線速度的影響，各類材料飛輪對(duì)線速度的要求參見本文2.1。

3 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定

設(shè)計(jì)飛輪最重要的參數(shù)是飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通常根據(jù)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性采用切向力曲線圖中的最大剩余功進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)調(diào)整飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制在可接受的范圍內(nèi)。

3.1 剩余功法計(jì)算飛輪慣量

對(duì)于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，其輸出扭矩即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期變化的。通常有扭矩不均勻系數(shù)μ來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的合成扭矩的均勻程度。

式中Mmax、Mmin、Mm分別對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的最大、最小及平均扭矩。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)基本定律，輸出扭矩M的變化與曲軸角速度ω的波動(dòng)有以下的關(guān)系：

式中，MR為阻力矩；I0是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為曲軸的回轉(zhuǎn)角加速度。

在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)積分上式，得

這里的δ稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不均度系數(shù)，其中ωm為平均角速度。圖3中發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線與阻力矩曲線之間包圍的面積ΔE，即為盈虧功。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及所驅(qū)動(dòng)機(jī)械的不均勻度系數(shù)，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)軸系所需的總慣量，從而可以得出所需飛輪慣量的大小。飛輪的慣量如果選取不合適，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不良影響，當(dāng)慣量選取過(guò)小時(shí)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)變大，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是對(duì)于發(fā)電機(jī)組更為重要；但飛輪慣量取得過(guò)大，會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)工況的變化，同時(shí)，由于慣量加大會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下扭矩M及曲軸角速度ω的變化情況

各種發(fā)動(dòng)機(jī)軸系的不均勻度系數(shù)可按表1取值，要注意軸系慣量應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)與工作機(jī)械旋轉(zhuǎn)慣量的總和。

表1

3.2 根據(jù)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況調(diào)整飛輪慣量

軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為邊旋轉(zhuǎn)邊作周向往復(fù)振動(dòng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的氣體及活塞連桿的往復(fù)慣性力作用于曲軸的扭矩始終是周期性變化的，因此，任何一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中總存在著扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。如果扭轉(zhuǎn)振動(dòng)嚴(yán)重，會(huì)使軸系零件磨損加劇、噪聲驟增，甚至導(dǎo)致斷軸等事故。合理限制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的方法有調(diào)整軸系自振頻率、減小干擾力矩功和選用合適減振器。其中，改變飛輪慣量大小對(duì)軸系自振頻率有直接影響。

飛輪慣量對(duì)軸系扭振的影響。隨著飛輪的慣量增大，飛輪處的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振幅將減小。一般具有良好調(diào)速性能的發(fā)電機(jī)組及主機(jī)均將其調(diào)速器設(shè)計(jì)成由靠近飛輪的齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)。

飛輪慣量的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)頻率影響很大，兩者呈反向關(guān)系，當(dāng)飛輪慣量增大時(shí)單機(jī)的頻率變小。但針對(duì)不同機(jī)型對(duì)單節(jié)頻率的影響程度不同，發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越大，飛輪慣量對(duì)頻率的影響越小。同時(shí)，飛輪慣量的變化對(duì)軸系的自由振動(dòng)振型也有影響，隨著飛輪慣量的增大，節(jié)點(diǎn)向飛輪側(cè)移動(dòng)，其移動(dòng)的快慢與系統(tǒng)當(dāng)量參數(shù)有關(guān)，一般氣缸數(shù)越少，移動(dòng)得越快。飛輪的設(shè)計(jì)過(guò)程既要滿足整個(gè)軸系回轉(zhuǎn)不均勻的要求，也需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際用途在匹配不同的減振器的同進(jìn)，調(diào)整飛輪的慣量以使整個(gè)軸系扭振滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行要求。

4 飛輪的靜平衡要求

飛輪是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)件，由于質(zhì)量的不均勻會(huì)產(chǎn)生較大偏心力及偏力力矩。當(dāng)飛輪寬度對(duì)飛輪外徑之比值超過(guò)0.25時(shí)，就必須在飛輪圖紙上注明動(dòng)平衡要求，若飛輪寬徑比不超過(guò)0.25，那么飛輪只需進(jìn)行靜平衡操作。在飛輪上的去重孔必須開在不嚴(yán)重影響飛輪強(qiáng)度的位置上，在靠近輪轂和輻板向輪緣過(guò)渡處不應(yīng)開去重孔，開在輪緣處效果最好。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪寬徑比大部分在0.25以下，均應(yīng)有靜平衡要求。根據(jù)《GB/T 9239.1-2006/ISO 1940-1：2003機(jī)械振動(dòng) 恒態(tài)(剛性)轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求第1部分：規(guī)范與平衡允差的檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定有自G630至G0.4共9種平衡品質(zhì)級(jí)別。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，相同型式的轉(zhuǎn)子，許用剩余不平衡量Uper與轉(zhuǎn)子質(zhì)量m成比例：Uper~m

如果許用剩余不平衡的值與轉(zhuǎn)子質(zhì)量有關(guān)，則許用剩余不平衡度eper由上式可得，eper=Uper/m

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于相同型式的轉(zhuǎn)子，通常許用剩余不平衡度eper與轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速n成反比，eper~1/n

由此給出了這種關(guān)系的另一種表示方法，式中Ω是轉(zhuǎn)子在最高工作轉(zhuǎn)速時(shí)的角速度，eper·Ω=常量

這種關(guān)系也遵循著這樣一個(gè)事實(shí)，對(duì)于以相同的圓周速度運(yùn)行的幾何形狀相似的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子內(nèi)的應(yīng)力和軸承載荷比（由離心力產(chǎn)生）是相同的，標(biāo)準(zhǔn)中的平衡品質(zhì)級(jí)別是基于此種關(guān)系分級(jí)的。

根據(jù)所選用的平衡品質(zhì)等級(jí)G，對(duì)應(yīng)于eper?Ω的值，可由下面公式得出許用剩余不平衡量Uper：

標(biāo)準(zhǔn)中列有不同用途的曲軸驅(qū)動(dòng)裝置的平衡品質(zhì)級(jí)別推薦，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體用途確定其平衡品質(zhì)等級(jí)，進(jìn)行許用靜不平衡量的計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì)涉及規(guī)格尺寸、材料選取、慣量計(jì)算、靜平衡要求以及軸系扭振狀態(tài)等多方面內(nèi)容。本文列舉的設(shè)計(jì)方法力圖為發(fā)動(dòng)機(jī)及飛輪的系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了一條思路。