发动机飞轮的设计方法研究

马旗，赵欣，姚鹏，姜斌，程姗姗，董志伟

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250300）

在发动机的研发过程中，合理选择飞轮的惯量大小对保证运转平稳起到了重要作用。针对发动机的不同用途，需要对飞轮的结构型式及接口标准提出要求，以满足与使用机械的匹配及保证发动机产品的系列化、通用化及标准化要求。

1 飞轮的结构尺寸

1.1 飞轮的常规结构型式及尺寸要求

发动机的飞轮通常设计成轮缘形，即外侧较厚内侧较薄，这样使用较轻的质量可获得尽可能大的转动惯量。

确定飞轮尺寸时，在飞轮惯量满足发动机稳定运行的前提下，首先应考虑发动机结构的总体布置要求，满足空间尺寸及起动马达与齿圈的配合要求（如图1）。

图1 常用飞轮结构尺寸

通常飞轮外径

Do=(2.5～3.5)S，其中S为发动机冲程。

飞轮轮缘厚度h=(1/20～1/10)·Do

还应满足飞轮圆周速度小于或等于飞轮许用圆周速度V的要求，因而飞轮外径还应满足以下公式

其中V为飞轮许用圆周速度。

铸铁飞轮30～50m/s；铸钢飞轮50～100m/s；型钢飞轮100～120m/s。较大值用于小型高速发动机，较小值用于大型发动机。

1.2 双质量飞轮

双质量飞轮是20世纪80年代末在汽车上出现的新型配置，对于汽车动力传动系的隔振和减振有很大作用。我国从21世纪初开始有企业研发双质量飞轮。双质量飞轮就是将原来的一个飞轮分成两个部分。一部分保留在原发动机一侧的位置上，起原飞轮的作用，用于启动和传递发动机的转动扭矩，称为初级质量。另一部分设置在传动系变速器一侧，用于增大变速器的转动惯量，称为次级质量。两部分飞轮之间有一个环型的油腔，在腔内装有弹簧减振器，由弹簧减振器将两部分飞轮连接为一个整体。次级质量可在不增大飞轮惯性矩的前提下增大传动系的惯性矩，使共振转速降低到发动机怠速以下。飞轮结构如图2所示。

图2 双质量飞轮结构

目前，双质量飞轮仅用于车用发动机，用以改善发动机的扭振状况。对于工程机械、船舶推进、发电等用途的发动机，在飞轮的对面一侧即发动机的自由端往往往设有扭转振动减振器，不需要在另一侧再设减振装置。

1.3 发动机飞轮尺寸规格要求

非道路用发动机主要应用于发电机组、船用主机、其他各类大型工程机械等众多市场领域，主要与发电机、齿轮箱、偶合器、高弹联轴器等相配合。

（1）非标准飞轮规格尺寸。发动机配装双支撑齿轮箱、高弹联轴器等设备机件或有用户定制要求时，需要按这些工作机械的系列产品接口设计飞轮相应接口尺寸。

（2）标准飞轮及罩壳规格尺寸。设计配装离合器、单支撑电机等的设备机件时，需要参照《JB/T 8894-2015 往复式内燃机飞轮离合器用安装尺寸》标准要求进行设计，标准中的螺纹孔规格可以取与英制螺纹相近规格。

在设计发动机飞轮端罩壳时，需要依照《ISO7648 ISO 7648-1987往复式内燃机飞轮壳基本尺寸和公差》标准要求设计相应的飞轮罩壳。

2 飞轮材料的选用

发动机飞轮通常使用灰铁材料和球铁材料铸造而成。对于强化强度较高的发动机常采铸钢和型钢材料飞轮，其中使用45钢的较多。在进行飞轮材料选用时，需要考虑飞轮线速度的影响，各类材料飞轮对线速度的要求参见本文2.1。

3 飞轮转动惯量的确定

设计飞轮最重要的参数是飞轮的转动惯量，通常根据转矩波动性采用切向力曲线图中的最大剩余功进行计算。同时，还应适当调整飞轮的转动惯量，以保证轴系扭转振动控制在可接受的范围内。

3.1 剩余功法计算飞轮惯量

对于往复式内燃机，其输出扭矩即使在稳定工况下也是不断周期变化的。通常有扭矩不均匀系数μ来判断发动机的合成扭矩的均匀程度。

式中Mmax、Mmin、Mm分别对应发动机一个工作循环的最大、最小及平均扭矩。

根据动力学基本定律，输出扭矩M的变化与曲轴角速度ω的波动有以下的关系：

式中，MR为阻力矩；I0是发动机运动质量的总的转动惯量；为曲轴的回转角加速度。

在对应的转角范围内积分上式，得

这里的δ称为发动机的运转不均度系数，其中ωm为平均角速度。图3中发动机扭矩曲线与阻力矩曲线之间包围的面积ΔE，即为盈亏功。根据发动机及所驱动机械的不均匀度系数，可以计算出发动机轴系所需的总惯量，从而可以得出所需飞轮惯量的大小。飞轮的惯量如果选取不合适，会对发动机产生不良影响，当惯量选取过小时，造成发动机转速波动变大，不利于发动机的稳定运行，尤其是对于发电机组更为重要；但飞轮惯量取得过大，会降低发动机转速的响应速度，不利于发动机适应工况的变化，同时，由于惯量加大会对发动机的起动性能产生不利影响。

图3 发动机稳定工况下扭矩M及曲轴角速度ω的变化情况

各种发动机轴系的不均匀度系数可按表1取值，要注意轴系惯量应为发动机与工作机械旋转惯量的总和。

表1

3.2 根据轴系扭转振动情况调整飞轮惯量

轴系的扭转振动为边旋转边作周向往复振动，由于发动机气缸内的气体及活塞连杆的往复惯性力作用于曲轴的扭矩始终是周期性变化的，因此，任何一台发动机装置的轴系在运转过程中总存在着扭转振动。如果扭转振动严重，会使轴系零件磨损加剧、噪声骤增，甚至导致断轴等事故。合理限制扭转振动的方法有调整轴系自振频率、减小干扰力矩功和选用合适减振器。其中，改变飞轮惯量大小对轴系自振频率有直接影响。

飞轮惯量对轴系扭振的影响。随着飞轮的惯量增大，飞轮处的扭转振动振幅将减小。一般具有良好调速性能的发电机组及主机均将其调速器设计成由靠近飞轮的齿轮机构带动。

飞轮惯量的变化对发动机单机频率影响很大，两者呈反向关系，当飞轮惯量增大时单机的频率变小。但针对不同机型对单节频率的影响程度不同，发动机缸数越大，飞轮惯量对频率的影响越小。同时，飞轮惯量的变化对轴系的自由振动振型也有影响，随着飞轮惯量的增大，节点向飞轮侧移动，其移动的快慢与系统当量参数有关，一般气缸数越少，移动得越快。飞轮的设计过程既要满足整个轴系回转不均匀的要求，也需要根据发动机的实际用途在匹配不同的减振器的同进，调整飞轮的惯量以使整个轴系扭振满足发动机的正常运行要求。

4 飞轮的静平衡要求

飞轮是高速旋转机件，由于质量的不均匀会产生较大偏心力及偏力力矩。当飞轮宽度对飞轮外径之比值超过0.25时，就必须在飞轮图纸上注明动平衡要求，若飞轮宽径比不超过0.25，那么飞轮只需进行静平衡操作。在飞轮上的去重孔必须开在不严重影响飞轮强度的位置上，在靠近轮毂和辐板向轮缘过渡处不应开去重孔，开在轮缘处效果最好。

目前，发动机飞轮宽径比大部分在0.25以下，均应有静平衡要求。根据《GB/T 9239.1-2006/ISO 1940-1：2003机械振动 恒态(刚性)转子平衡品质要求第1部分：规范与平衡允差的检验》标准，规定有自G630至G0.4共9种平衡品质级别。

根据标准要求，相同型式的转子，许用剩余不平衡量Uper与转子质量m成比例：Uper~m

如果许用剩余不平衡的值与转子质量有关，则许用剩余不平衡度eper由上式可得，eper=Uper/m

经验表明，对于相同型式的转子，通常许用剩余不平衡度eper与转子的工作转速n成反比，eper~1/n

由此给出了这种关系的另一种表示方法，式中Ω是转子在最高工作转速时的角速度，eper·Ω=常量

这种关系也遵循着这样一个事实，对于以相同的圆周速度运行的几何形状相似的转子，转子内的应力和轴承载荷比（由离心力产生）是相同的，标准中的平衡品质级别是基于此种关系分级的。

根据所选用的平衡品质等级G，对应于eper•Ω的值，可由下面公式得出许用剩余不平衡量Uper：

标准中列有不同用途的曲轴驱动装置的平衡品质级别推荐，可以根据发动机的具体用途确定其平衡品质等级，进行许用静不平衡量的计算。

5 结语

发动机飞轮的设计涉及规格尺寸、材料选取、惯量计算、静平衡要求以及轴系扭振状态等多方面内容。本文列举的设计方法力图为发动机及飞轮的系列化、通用化及标准化设计提供了一条思路。