發動機飛輪的設計方法研究

馬旗，趙欣，姚鵬，姜斌，程姍姍，董志偉

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250300）

在發動機的研發過程中，合理選擇飛輪的慣量大小對保證運轉平穩起到了重要作用。針對發動機的不同用途，需要對飛輪的結構型式及接口標準提出要求，以滿足與使用機械的匹配及保證發動機產品的系列化、通用化及標準化要求。

1 飛輪的結構尺寸

1.1 飛輪的常規結構型式及尺寸要求

發動機的飛輪通常設計成輪緣形，即外側較厚內側較薄，這樣使用較輕的質量可獲得盡可能大的轉動慣量。

確定飛輪尺寸時，在飛輪慣量滿足發動機穩定運行的前提下，首先應考慮發動機結構的總體布置要求，滿足空間尺寸及起動馬達與齒圈的配合要求（如圖1）。

圖1 常用飛輪結構尺寸

通常飛輪外徑

Do=(2.5～3.5)S，其中S為發動機沖程。

飛輪輪緣厚度h=(1/20～1/10)·Do

還應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動機，較小值用于大型發動機。

1.2 雙質量飛輪

雙質量飛輪是20世紀80年代末在汽車上出現的新型配置，對于汽車動力傳動系的隔振和減振有很大作用。我國從21世紀初開始有企業研發雙質量飛輪。雙質量飛輪就是將原來的一個飛輪分成兩個部分。一部分保留在原發動機一側的位置上，起原飛輪的作用，用于啟動和傳遞發動機的轉動扭矩，稱為初級質量。另一部分設置在傳動系變速器一側，用于增大變速器的轉動慣量，稱為次級質量。兩部分飛輪之間有一個環型的油腔，在腔內裝有彈簧減振器，由彈簧減振器將兩部分飛輪連接為一個整體。次級質量可在不增大飛輪慣性矩的前提下增大傳動系的慣性矩，使共振轉速降低到發動機怠速以下。飛輪結構如圖2所示。

圖2 雙質量飛輪結構

目前，雙質量飛輪僅用于車用發動機，用以改善發動機的扭振狀況。對于工程機械、船舶推進、發電等用途的發動機，在飛輪的對面一側即發動機的自由端往往往設有扭轉振動減振器，不需要在另一側再設減振裝置。

1.3 發動機飛輪尺寸規格要求

非道路用發動機主要應用于發電機組、船用主機、其他各類大型工程機械等眾多市場領域，主要與發電機、齒輪箱、偶合器、高彈聯軸器等相配合。

（1）非標準飛輪規格尺寸。發動機配裝雙支撐齒輪箱、高彈聯軸器等設備機件或有用戶定制要求時，需要按這些工作機械的系列產品接口設計飛輪相應接口尺寸。

（2）標準飛輪及罩殼規格尺寸。設計配裝離合器、單支撐電機等的設備機件時，需要參照《JB/T 8894-2015 往復式內燃機飛輪離合器用安裝尺寸》標準要求進行設計，標準中的螺紋孔規格可以取與英制螺紋相近規格。

在設計發動機飛輪端罩殼時，需要依照《ISO7648 ISO 7648-1987往復式內燃機飛輪殼基本尺寸和公差》標準要求設計相應的飛輪罩殼。

2 飛輪材料的選用

發動機飛輪通常使用灰鐵材料和球鐵材料鑄造而成。對于強化強度較高的發動機常采鑄鋼和型鋼材料飛輪，其中使用45鋼的較多。在進行飛輪材料選用時，需要考慮飛輪線速度的影響，各類材料飛輪對線速度的要求參見本文2.1。

3 飛輪轉動慣量的確定

設計飛輪最重要的參數是飛輪的轉動慣量，通常根據轉矩波動性采用切向力曲線圖中的最大剩余功進行計算。同時，還應適當調整飛輪的轉動慣量，以保證軸系扭轉振動控制在可接受的范圍內。

3.1 剩余功法計算飛輪慣量

對于往復式內燃機，其輸出扭矩即使在穩定工況下也是不斷周期變化的。通常有扭矩不均勻系數μ來判斷發動機的合成扭矩的均勻程度。

式中Mmax、Mmin、Mm分別對應發動機一個工作循環的最大、最小及平均扭矩。

根據動力學基本定律，輸出扭矩M的變化與曲軸角速度ω的波動有以下的關系：

式中，MR為阻力矩；I0是發動機運動質量的總的轉動慣量；為曲軸的回轉角加速度。

在對應的轉角范圍內積分上式，得

這里的δ稱為發動機的運轉不均度系數，其中ωm為平均角速度。圖3中發動機扭矩曲線與阻力矩曲線之間包圍的面積ΔE，即為盈虧功。根據發動機及所驅動機械的不均勻度系數，可以計算出發動機軸系所需的總慣量，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，會對發動機產生不良影響，當慣量選取過小時，造成發動機轉速波動變大，不利于發動機的穩定運行，尤其是對于發電機組更為重要；但飛輪慣量取得過大，會降低發動機轉速的響應速度，不利于發動機適應工況的變化，同時，由于慣量加大會對發動機的起動性能產生不利影響。

圖3 發動機穩定工況下扭矩M及曲軸角速度ω的變化情況

各種發動機軸系的不均勻度系數可按表1取值，要注意軸系慣量應為發動機與工作機械旋轉慣量的總和。

表1

3.2 根據軸系扭轉振動情況調整飛輪慣量

軸系的扭轉振動為邊旋轉邊作周向往復振動，由于發動機氣缸內的氣體及活塞連桿的往復慣性力作用于曲軸的扭矩始終是周期性變化的，因此，任何一臺發動機裝置的軸系在運轉過程中總存在著扭轉振動。如果扭轉振動嚴重，會使軸系零件磨損加劇、噪聲驟增，甚至導致斷軸等事故。合理限制扭轉振動的方法有調整軸系自振頻率、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軸系自振頻率有直接影響。

飛輪慣量對軸系扭振的影響。隨著飛輪的慣量增大，飛輪處的扭轉振動振幅將減小。一般具有良好調速性能的發電機組及主機均將其調速器設計成由靠近飛輪的齒輪機構帶動。

飛輪慣量的變化對發動機單機頻率影響很大，兩者呈反向關系，當飛輪慣量增大時單機的頻率變小。但針對不同機型對單節頻率的影響程度不同，發動機缸數越大，飛輪慣量對頻率的影響越小。同時，飛輪慣量的變化對軸系的自由振動振型也有影響，隨著飛輪慣量的增大，節點向飛輪側移動，其移動的快慢與系統當量參數有關，一般氣缸數越少，移動得越快。飛輪的設計過程既要滿足整個軸系回轉不均勻的要求，也需要根據發動機的實際用途在匹配不同的減振器的同進，調整飛輪的慣量以使整個軸系扭振滿足發動機的正常運行要求。

4 飛輪的靜平衡要求

飛輪是高速旋轉機件，由于質量的不均勻會產生較大偏心力及偏力力矩。當飛輪寬度對飛輪外徑之比值超過0.25時，就必須在飛輪圖紙上注明動平衡要求，若飛輪寬徑比不超過0.25，那么飛輪只需進行靜平衡操作。在飛輪上的去重孔必須開在不嚴重影響飛輪強度的位置上，在靠近輪轂和輻板向輪緣過渡處不應開去重孔，開在輪緣處效果最好。

目前，發動機飛輪寬徑比大部分在0.25以下，均應有靜平衡要求。根據《GB/T 9239.1-2006/ISO 1940-1：2003機械振動 恒態(剛性)轉子平衡品質要求第1部分：規范與平衡允差的檢驗》標準，規定有自G630至G0.4共9種平衡品質級別。

根據標準要求，相同型式的轉子，許用剩余不平衡量Uper與轉子質量m成比例：Uper~m

如果許用剩余不平衡的值與轉子質量有關，則許用剩余不平衡度eper由上式可得，eper=Uper/m

經驗表明，對于相同型式的轉子，通常許用剩余不平衡度eper與轉子的工作轉速n成反比，eper~1/n

由此給出了這種關系的另一種表示方法，式中Ω是轉子在最高工作轉速時的角速度，eper·Ω=常量

這種關系也遵循著這樣一個事實，對于以相同的圓周速度運行的幾何形狀相似的轉子，轉子內的應力和軸承載荷比（由離心力產生）是相同的，標準中的平衡品質級別是基于此種關系分級的。

根據所選用的平衡品質等級G，對應于eper?Ω的值，可由下面公式得出許用剩余不平衡量Uper：

標準中列有不同用途的曲軸驅動裝置的平衡品質級別推薦，可以根據發動機的具體用途確定其平衡品質等級，進行許用靜不平衡量的計算。

5 結語

發動機飛輪的設計涉及規格尺寸、材料選取、慣量計算、靜平衡要求以及軸系扭振狀態等多方面內容。本文列舉的設計方法力圖為發動機及飛輪的系列化、通用化及標準化設計提供了一條思路。