基于汽车发动机飞轮的设计与制造

驱动盘，也是飞轮的一种，材质用45号钢冲压成型，再压制齿圈。 飞轮是一个延著固定轴旋转的轮子或圆盘，能量以旋转动能的方式储存在转子中：

Ek?其中

1?I??2 2ω 是角速度

I 是质量相对轴心的转动惯量，转动惯量是物体抵抗力矩的能力，给予一定力矩，转动惯量越大的物体转速越低。

1固体圆柱的转动惯量为I?mr2,

2若是薄壁空心圆柱，转动惯量为I?mr2, 若是厚壁空心圆柱，转动惯量则为I?1m(r12?r22). 2其中 m 表示质量，r 表示半径，在转动惯量列表中可以找到更多的信息。在使用国际单位制计算时，质量、半径及角速度的单位分别是公斤、米，弧度/秒，所得到的结果会是焦耳。

由于飞轮可储存的能量是和转动惯量成正比，因此在设计飞轮时，会尽量在不变动质量的条件下，去增加其转动惯量，例如说中间搂空将，质量集中在飞轮的外围等作法。

在利用飞轮储存能量时，还需要考虑在转子不变形或断裂的前提下，飞轮可储存的能量上限，转子的环向应力（hoop stress）是主要的考量因素：

?t??r2?2 其中：

σt 是转子外圈所受到的张应力 ρ 是转子的密度 r 是转子的半径 ω 是转子的角速度

飞轮储存的能量

范例：

以下是一些“飞轮”的范例及其储存的能量，I = kmr2, k的计算方式请参考转动惯量列表（表1）。

物体 k (随形状而质量 直径 转速 所储存的能量（焦耳） 所储存的能量 - 5 -

自行车车轮 （时速20公里） 速度加倍的自行车车轮（时速40公里） 质量加倍的自行车车轮（时速20公里） 火车车轮 （时速60公里） 大卡车车轮（时速30公里） 小的飞轮电池 变) 1 1 1 1/2 1/2 1/2 1公斤 1公斤 2公斤 942 公斤 1000公斤 100 公斤 3000公斤 600 公斤 5.97 × 1024 公斤 70厘米 70厘米 70厘米 1米 2米 150 rpm 300 rpm 150 rpm 318 rpm 79 rpm 15 J 60 J 30 J 65 kJ 17 kJ 9.8 MJ 33 MJ 4 × 10?3 Wh 16 × 10?3 Wh 8 × 10?3 Wh 18 Wh 4.8 Wh 2.7 kWh 9.1 kWh 26 kWh 60厘米 20000 rpm 50厘米 8000 rpm 火车再生制动用的1/2 飞轮 备用电源用的飞轮 1/2 地球 2/5 50厘米 30000 rpm 92 MJ 12,725公里 大约每天一转(696 μrpm[nb 1]) 2.6 × 1029 72 YWh J (× 1024 Wh) 表1转动惯量列表

飞轮能量和材料的关系：

对于相同尺寸外形的飞轮，其动能和环向应力及体积成正比：Ek??tV 若以质量来表示，则其动能和质量成正比，也和单位密度的环向应力成正比：

?Ek?tm

??t可以称为比强度（Specific strength）。若飞轮使用材质的比强度越高，?其单位质量下的能量密度也就就越大。

2.3飞轮的结构、功能及应力分析

飞轮效应指为了使静止的飞轮转动起来，一开始你必须使很大的力气，一圈一圈反复地推，每转一圈都很费力，但是每一圈的努力都不会白费，飞轮会转动得越来越快。达到某一临界点后，飞轮的重力和冲力会成为推动力的一部分。这时，你无须再费更大的力气，飞轮依旧会快速转动，而且不停地转动。这就是“飞轮效应”

飞轮设计首先应用工程提高发动机应用配套对飞轮的基本要求。包括适用机型，飞轮因负荷突变而需要稳定转速的基本参数，如质量、转动惯量，所需承受

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的最大转速，动力输出和离合器安装定位孔（面）的要求；安装起动电机和齿圈的要求。然后根据要求确定飞轮轮缘尺寸。腹板及轮辐过度连接区域结构、尺寸及厚度，轮毂连接定位结构及尺寸。在此还应确定飞轮安装螺栓的规格和等级，以便飞轮安装部位的设计。一般飞轮螺栓都采用10.9级或更高的螺栓。

在经过以上几个步骤，基本上确定了飞轮的直径、轮缘形状，辐板偏心量、飞轮开槽钻孔等本形式后，现应进行应力分析，这是飞轮设计中得关键一步。应力分析中应考虑角加速度、振动、回转救应、动力输出和离合器负荷的影响。

现在说明应力分析的计算方法及材料的选取

2.3.1离心应力

飞轮是高速旋转运动件，其主要的离心应力是作用于飞轮栓安装孔剖面，BJ374飞轮离合器销孔剖面轮缘短，螺栓孔剖面轮缘长，离心力影响的危险剖面是螺栓孔剖面，其离心力应力为：Sc?M?P??2?R2其中式中：

S：离心力产生的切向回应了 M:轮缘的开状系数（rad/see/rpm）

其是根据轮缘形状，面积转化为以下图1中得三种标准形式之一，计算查表确定M。

A1 A2

图1轮缘标准形状尺寸

B10飞轮已知Wr,R-轮缘近似径向厚度为，将轮缘划分成三部分（见图3.1），其部分等效面积计算和为（计算过程略）

Tr?Wr?3405.8mm2

Tr?3405.83405.8??991.5Wr3.435

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则

WrTr?59.4741 ?4.20 6TAR查表图，线性插值

?rad/sec?M?0.295??

?rom?3g/mmρ：材料密度

3飞轮材料一般选用灰铸铁250（HT250） ρ=0.01g/mm

2ω：飞轮计算转速，一般考虑50%的转速，

W=1.5×2100=3150rpm

R:飞轮外径 B10飞轮:已知R=127

A1：飞轮剖面径向无钻孔，开槽等的实心面积。

B10飞轮 A1=轮缘面积+圆盘面积+法兰面积=147129平安毫米

As：飞轮剖面径向最小面积（包括去除所有的钻孔、开槽，凹入区域）。 B10飞轮 A2=A1-孔、槽、凹入区域面积=110718平方毫米 则Sc=7751 psi

对在应力计算中，轮缘长度大于轮辐厚度4倍以上，或轮缘伸出长度大于轮缘厚度3倍以上的，则用下列计算离心应力：

Sc?8.42?10?3??2R02Ar1(psi) Ar22.3.2 热应力：

对不带离合器的飞轮设计，可不进行热应力计算，热应力计算公式如下：

St?M1EdA1?psi NVeffA2式中，St：轮缘处产生的最大拉伸热效应力psi. M1：材料应力系数

B10发动机飞轮，材料为HT250,查表M=0.396

Ed:飞轮一离合器系统能量扩散系数，由发动机转速、离合器传输扭矩、啮合速度确定，对B10飞轮和Lipe14n-2离合器。

N：离合器摩擦片数目，Lipe14n-2离合器为双盘，所以N=2。

Weff飞轮有效体积是指有关离合器工作区域的体积，一般转化标准的结构形式。

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