飛輪基本類型

現(xiàn)在隨著愛車一族的不斷鉆研擴(kuò)展，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪已演變出實(shí)用的好多類型，如雙質(zhì)量減震飛輪（主要用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)），45#鍛鋼輕質(zhì)量飛輪，鋁合金T6飛輪，輕質(zhì)量飛輪主要用于賽車和特殊愛好者使用，安裝這種飛輪以后，發(fā)動(dòng)機(jī)加速快，缺點(diǎn)是收油門后減速也快。

①一般由飛輪、齒圈、離合器定位銷、軸承等組成，部分產(chǎn)品軸承用花鍵代替。

飛輪，是發(fā)動(dòng)機(jī)裝在曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有以下功能：

①將發(fā)動(dòng)機(jī)作功行程的部分能量儲(chǔ)存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)。

②通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來。

③裝有與起動(dòng)機(jī)接合的齒圈，便于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

一般使用鑄鐵：HT200HT250；球鐵：QT450-10、QT600-3、QT500-7等，國外也有用45號(hào)鋼制作的飛輪。

.驅(qū)動(dòng)盤，也是飛輪的一種，材質(zhì)用45號(hào)鋼沖壓成型，再壓制齒圈。（如圖1）

飛輪效應(yīng)指為了使靜止的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復(fù)地推，每轉(zhuǎn)一圈都很費(fèi)力，但是每一圈的努力都不會(huì)白費(fèi)，飛輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)得越來越快。達(dá)到某一臨界點(diǎn)后，飛輪的重力和沖力會(huì)成為推動(dòng)力的一部分。這時(shí)，你無須再費(fèi)更大的力氣，飛輪依舊會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是“飛輪效應(yīng)”！

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飛輪是安裝在機(jī)器回轉(zhuǎn)軸上的具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的輪狀蓄能器。當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)速增高時(shí)，飛輪的動(dòng)能增加，把能量貯蓄起來；當(dāng)機(jī)器轉(zhuǎn)速降低時(shí)，飛輪動(dòng)能減少，把能量釋放出來。飛輪可以用來減少機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程的速度波動(dòng)。

機(jī)械壓力機(jī)、往復(fù)活塞壓縮機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等在工作過程中，驅(qū)動(dòng)力和工藝阻力常發(fā)生周期性變化。就機(jī)械的某一工作周期而言,由于驅(qū)動(dòng)力做功和阻力做功相等,機(jī)械可保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主軸上的等效驅(qū)動(dòng)力矩和等效阻力矩一般不會(huì)時(shí)刻相等。當(dāng)?shù)刃?qū)動(dòng)力矩大于或小于等效阻力矩時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“盈功”或“虧功”,動(dòng)能增加或減少會(huì)使機(jī)械加速或減速運(yùn)轉(zhuǎn),從而出現(xiàn)速度的周期性波動(dòng)。機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的速度波動(dòng)會(huì)影響機(jī)械的工藝質(zhì)量。例如由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng),會(huì)引起交流電壓波形畸變;交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的剪切機(jī)速度波動(dòng)過大，會(huì)使電動(dòng)機(jī)工況變壞。以ωmax、ωmin和ωm分別表示機(jī)械在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段主軸的最大、最小和平均角速度,可用速度不均勻系數(shù)δ=(ωmax-ωmin)/ωm作為衡量轉(zhuǎn)速均勻性的指標(biāo)。某些機(jī)械的許用速度不均勻系數(shù)見附表。

機(jī)械在每一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的動(dòng)能變化是個(gè)定值。安裝飛輪可以增大機(jī)械的慣性參量，從而使其蓄、放定值動(dòng)能時(shí)減少速度波動(dòng)，控制δ〈【δ】。在沖壓、剪切等機(jī)械上安裝飛輪，還可以減小動(dòng)力機(jī)的容量。這類機(jī)械的工藝阻力很大，如果按照這樣大的阻力來選用大容量的動(dòng)力機(jī)很不經(jīng)濟(jì)。但這類機(jī)械工藝阻力雖大，而作用時(shí)間很短，所以裝上飛輪便可以選用一臺(tái)容量較小的動(dòng)力機(jī)，使其在大部分沒有工藝阻力的時(shí)間內(nèi)向飛輪貯能，而在工藝阻力作用的短暫時(shí)間內(nèi)由飛輪釋放能量，幫助動(dòng)力機(jī)克服阻力。

在緊急情況下或在制動(dòng)器檢驗(yàn)裝置中短時(shí)快速耗能情況下，飛輪還可用作動(dòng)力源。此外，還可利用飛輪驅(qū)動(dòng)車輛。

從減輕機(jī)械重量出發(fā)，飛輪應(yīng)安裝在轉(zhuǎn)速較高的軸上，飛輪的質(zhì)量分布應(yīng)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線，因此大輪緣的輪幅式飛輪應(yīng)用較廣，用結(jié)構(gòu)鋼焊接的輻板式飛輪也較多采用。對(duì)低速重載的柴油機(jī)則多用剖分裝配式飛輪。在一些機(jī)械中適當(dāng)加大皮帶輪和齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也能起飛輪的作用。設(shè)計(jì)飛輪時(shí)必須考慮飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于離心力引起的輪緣拉應(yīng)力，通常用限制圓周速度的辦法來控制輪緣中拉應(yīng)力的大小。鑄鐵輪輻式飛輪的周速應(yīng)小于25～35米／秒，鑄鋼飛輪周速應(yīng)小于50米／秒，盤形鑄鋼飛輪周速不能大于80米／秒。飛輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用問題，屬于機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容。在起動(dòng)頻繁的機(jī)械中如裝有飛輪，則應(yīng)使飛輪通過離合器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，以縮短起、停過程。

淬火是使鋼強(qiáng)化的基本手段之一，將鋼淬火成馬氏體，隨后回火以提高韌性，是使鋼獲得高綜合機(jī)械性能的傳統(tǒng)方法。

飛輪經(jīng)過淬火之后，其剛度、強(qiáng)度都提高了，從而更加耐用，質(zhì)量更高。飛輪淬火常用的設(shè)備如下：

（1）飛輪蓋工具

（2）飛輪固定扳手

（3）大號(hào)活動(dòng)扳手或臺(tái)鉗（代替飛輪工具扳手）

（4）潤滑脂或抗結(jié)劑（可選）[2]

（1）檢查飛輪殼接近孔蓋板、密封墊和堵塞的清潔度和缺陷。

（2）接近孔蓋板裝在飛輪殼正時(shí)孔上，零件號(hào)朝外。蓋板上的孔與飛輪殼螺孔對(duì)準(zhǔn)。用手把自攻螺釘擰入飛輪殼內(nèi)直到擰緊，其中一個(gè)螺釘套上P型卡套，P型卡套方向定在2：00時(shí)針位置。自攻螺釘?shù)臄Q緊力矩為（24±3）N·m。

（3）在o型密封圈上加少量15M40潤滑油。把o型圈放入光的堵塞孔內(nèi)。把堵塞用橡皮錘子打入光孔。

（4）電磁式轉(zhuǎn)速表傳感器的擰緊力矩為（45±4）N·m。

（5）飛輪殼螺栓擰緊力矩為（60±6）N·m。

（6）要檢查飛輪殼的平面跳動(dòng)量和內(nèi)孔跳動(dòng)量。在一圈內(nèi)總讀數(shù)不得超過0.20mm。如超過0.20mm，要調(diào)整和更換飛輪殼。

（7）飛輪擰緊力矩為（137±7）N·m。裝飛輪螺栓時(shí)必須裝上墊圈。螺栓擰緊時(shí)應(yīng)交叉擰緊。

分兩步擰緊：

第一步：（60±5）N·m；

第二步：（137±7）N·m。

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電 能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電 池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池"充電"增 加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電 能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池發(fā)出電的時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達(dá)150W ·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電 動(dòng)汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪池 成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛 600km，由到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。

歐美國家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品，而我國在這方面的研究才剛剛起步。

何謂飛輪儲(chǔ)能電池

飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。

電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能（機(jī)械能），當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)常將電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個(gè)，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時(shí)由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000~50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強(qiáng)，進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量，同時(shí)，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦；同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達(dá)95%左右。

實(shí)際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)； 為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

電力電子變換器通常是由MOSFET 和IGBT組成的雙向逆變器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。

飛輪電池與其它電池的比較

使用最多最廣的儲(chǔ)能電池?zé)o疑是化學(xué)電池，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存，再轉(zhuǎn)化為電能輸出，它價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，但污染嚴(yán)重，效率低下，充電時(shí)間長，用電時(shí)間短，使用過程中電能不易控制。

另一儲(chǔ)能電池是超導(dǎo)電池，它把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)中，由于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對(duì)環(huán)境污染也小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)是線圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫需耗費(fèi)大量能源，而且維持裝置過大，不易小型化，所以家用市場(chǎng)前景不強(qiáng)。

飛輪電池則兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，雖然近階段的價(jià)格較高，但伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，必將有一個(gè)非常廣闊的前景。下面通過表－1來具體比較三者的優(yōu)缺點(diǎn)。

表－1 三種電池性能比較

技術(shù) 成熟 驗(yàn)證 驗(yàn)證

溫度范圍 限制 不限 不限

相對(duì)尺寸（同功率） 大 最小 中間

儲(chǔ)能密度 小 大 大

放能深度 淺 深 深

價(jià)格 低 高 較高

環(huán)境影響 污染 無污染 無污染

飛輪電池的應(yīng)用場(chǎng)合及現(xiàn)狀

由于技術(shù)和材料價(jià)格的限制，飛輪電池的價(jià)格相對(duì)較高，在小型場(chǎng)合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。但在下列一些需大型儲(chǔ)能裝置的場(chǎng)合，使用化學(xué)電池的價(jià)格也非常昂貴，飛輪電池已得到逐步應(yīng)用。

1、太空 包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3~10倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控的，故可以隨時(shí)查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能。據(jù)估計(jì)相比化學(xué)電池，可節(jié)約200萬美元左右。

2、交通運(yùn)輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合推動(dòng)，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應(yīng)用于混合能量推動(dòng)的車輛中。車輛在正常行使時(shí)和剎車制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時(shí)，給車輛提供動(dòng)力，保證車輛運(yùn)行在一種平穩(wěn)、最優(yōu)的狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。美國TEXAS大學(xué)已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時(shí)，可提供150KW的能量，能加速滿載車輛到100Km/h。

3、不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足已保證工廠進(jìn)行電源切換。德國GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內(nèi)可提供或吸收5MW的電能。

4、軍用戰(zhàn)斗車輛

作為一種新興的儲(chǔ)能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)已被人們廣泛認(rèn)同，它非常符合未來儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。飛輪電池除了上面介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展。最可能出現(xiàn)的是手機(jī)電池?？梢灶A(yù)見，伴隨著技術(shù)和材料學(xué)的進(jìn)步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

雙質(zhì)量飛輪將原來的一個(gè)飛輪分成兩個(gè)部分，一部分保留在原來發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的位置上，起到原來飛輪的作用，用于起動(dòng)和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，這一部分稱為第一質(zhì)量(初級(jí)質(zhì)量)，另一部分則放置在傳動(dòng)系變速器一側(cè)，用于提高變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這一部分稱為第二質(zhì)量(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。

一個(gè)典型的雙質(zhì)量飛輪結(jié)構(gòu)一般包括第一質(zhì)量、第二質(zhì)量、彈性元件(螺旋彈簧)等元件，如圖2所示。