飛輪基本類型

現(xiàn)在隨著愛車一族的不斷鉆研擴展，發(fā)動機飛輪已演變出實用的好多類型，如雙質(zhì)量減震飛輪（主要用于柴油發(fā)動機），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)動機加速快，缺點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)動機裝在曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，具有以下功能：

①將發(fā)動機作功行程的部分能量儲存起來，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)動機和汽車傳動系統(tǒng)連接起來。

③裝有與起動機接合的齒圈，便于發(fā)動機起動。

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

.驅(qū)動盤，也是飛輪的一種，材質(zhì)用45號鋼沖壓成型，再壓制齒圈。（如圖1）

飛輪效應指為了使靜止的飛輪轉(zhuǎn)動起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復地推，每轉(zhuǎn)一圈都很費力，但是每一圈的努力都不會白費，飛輪會轉(zhuǎn)動得越來越快。達到某一臨界點后，飛輪的重力和沖力會成為推動力的一部分。這時，你無須再費更大的力氣，飛輪依舊會快速轉(zhuǎn)動，而且不停地轉(zhuǎn)動。這就是“飛輪效應”！

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

機械壓力機、往復活塞壓縮機和內(nèi)燃機等在工作過程中，驅(qū)動力和工藝阻力常發(fā)生周期性變化。就機械的某一工作周期而言,由于驅(qū)動力做功和阻力做功相等,機械可保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，但在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中主軸上的等效驅(qū)動力矩和等效阻力矩一般不會時刻相等。當?shù)刃?qū)動力矩大于或小于等效阻力矩時就會出現(xiàn)“盈功”或“虧功”,動能增加或減少會使機械加速或減速運轉(zhuǎn),從而出現(xiàn)速度的周期性波動。機械穩(wěn)定運轉(zhuǎn)過程中的速度波動會影響機械的工藝質(zhì)量。例如由柴油機驅(qū)動的交流發(fā)電機主軸的轉(zhuǎn)速波動,會引起交流電壓波形畸變;交流電機驅(qū)動的剪切機速度波動過大，會使電動機工況變壞。以ωmax、ωmin和ωm分別表示機械在穩(wěn)定運轉(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。某些機械的許用速度不均勻系數(shù)見附表。

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

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

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

淬火是使鋼強化的基本手段之一，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械性能的傳統(tǒng)方法。

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

（1）飛輪蓋工具

（2）飛輪固定扳手

（3）大號活動扳手或臺鉗（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孔上，零件號朝外。蓋板上的孔與飛輪殼螺孔對準。用手把自攻螺釘擰入飛輪殼內(nèi)直到擰緊，其中一個螺釘套上P型卡套，P型卡套方向定在2：00時針位置。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量和內(nèi)孔跳動量。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。裝飛輪螺栓時必須裝上墊圈。螺栓擰緊時應交叉擰緊。

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，它突破了化學電池 的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。眾所周知，當飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電 能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電 池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(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，電機則以發(fā)電機狀態(tài) 運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電 能的轉(zhuǎn)換。當飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達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150W ·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電 動汽車行駛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轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，由到96km/h加速時間為6.5秒。

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

何謂飛輪儲能電池

飛輪儲能電池系統(tǒng)包括三個核心部分：一個飛輪，電動機－發(fā)電機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)動電動機旋轉(zhuǎn)，電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的，設計時常將電動機和發(fā)電機用一臺電機來實現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時由于在實際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達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，進一步減少了整個系統(tǒng)的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達95%左右。

實際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的儲能多少，它儲存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，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

使用最多最廣的儲能電池無疑是化學電池，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存，再轉(zhuǎn)化為電能輸出，它價格低廉，技術(shù)成熟，但污染嚴重，效率低下，充電時間長，用電時間短，使用過程中電能不易控制。

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

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

表－1 三種電池性能比較

技術(shù) 成熟 驗證 驗證

溫度范圍 限制 不限 不限

相對尺寸（同功率） 大 最小 中間

儲能密度 小 大 大

放能深度 淺 深 深

價格 低 高 較高

環(huán)境影響 污染 無污染 無污染

飛輪電池的應用場合及現(xiàn)狀

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

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電池兩倍的功率，同負載的使用時間為化學電池的3~10倍。同時，因為它的轉(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能。據(jù)估計相比化學電池，可節(jié)約200萬美元左右。

2、交通運輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內(nèi)燃機和電機混合推動，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩(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)動機的維護，延長發(fā)動機的壽命。美國TEXAS大學已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時，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，這段時間足已保證工廠進行電源切換。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

作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展。最可能出現(xiàn)的是手機電池?？梢灶A見，伴隨著技術(shù)和材料學的進步，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飛輪分成兩個部分，一部分保留在原來發(fā)動機一側(cè)的位置上，起到原來飛輪的作用，用于起動和傳遞發(fā)動機的轉(zhuǎn)動扭矩，這一部分稱為第一質(zhì)量(初級質(zhì)量)，另一部分則放置在傳動系變速器一側(cè)，用于提高變速器的轉(zhuǎn)動慣量，這一部分稱為第二質(zhì)量(次級質(zhì)量)。兩部分飛輪之間有一個環(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整體。

一個典型的雙質(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。