Маховик двигателя: его назначение и устройство

Достоинства двухмассового маховика

Если сравнивать одномассовый маховик и двухмассовый, то можно заметить ряд преимуществ последнего, а именно:


  1. Создание двигателем внутреннего сгорания сниженного количества шумовых колебаний.
  2. Снижаются признаки рабочих вибраций при всех возможных значениях оборотов двигателя.
  3. Нет вибраций в самом начале работы.
  4. Не развиваются признаки резонансных колебаний при условии малых скоростей.
  5. Легкость и мягкость включения передач.
  6. Удобство монтажа на любой двигатель. Возможность совместить комплект деталей с любым вариантом сцепления, в результате чего элемент становится универсальным..
  7. Повышение ресурса двигателя благодаря увеличению сбалансированности работы.

Несмотря на большое число преимуществ, для этого механизма характерны и недостатки. К ним относятся высокая стоимость и сниженный срок эксплуатации, который объясняется особенностями конструкции и работой сцепления. Также срок может снижаться при агрессивном вождении автомобиля. Ремонт двухмассового маховика является довольно сложным и должен производиться профессионалами. Восстановление двухмассовых маховиков – тонкий процесс, поэтому его должны осуществлять квалифицированные специалисты, своими руками делать этого не стоит. До процесса ремонта должна проводиться полная диагностика, с помощью которой выявляются признаки неисправностей. После этого мастера могут заварить что требуется, сменить детали, то есть осуществить необходимые ремонтные работы.

Виды маховиков и особенности конструкции

Есть два основных его вида — одномассовый и двухмассовый. Их главное отличие в том, из скольких компонентов состоит сам маховик. Одномассовый — это цельнолитая деталь (одна масса), которая выполняет свои функции. А в двухмассовом массы две — это два диска в корпусе, которые приходят в зацепление друг с другом с использованием сложной демпфирующей системы между ними.

Устройство двухмассового маховика: 1 — ступица; 2 — радиальный подшипник; 3 — первичный диск; 4 — дуговая пружина; 5 — фланец; 6 — зубчатый венец; 7 — вторичный диск; 8 — вентиляционное отверстие; 9 — уплотнительная мембрана; 10 — кольцевая камера, заполненная смазкой.

Одномассовый маховик

Он устроен проще всего, поэтому надежен и наиболее распространен. В центре диска из чугуна или стали, диаметр которого составляет 300-400 мм, находится посадочное место для установки на хвостовик коленвала. Оно представляет собой расширение (ступицу). В центре — большое отверстие, а 4-12 отверстий под болты помещены на окружности для фиксации.

Одномассовый маховик

Противоположной стороне отводится роль ведущего диска сцепления. Наружную поверхность оснастили местом под установку сцепления и кольцевой контактной площадкой — под ведомый диск сцепления. По окружности внешней стороны напрессовали зубчатый венец из стали.

Простота конструкции, относительная дешевизна производства обусловили массовое распространение такого вида маховиков Существенный недочет конструкции — она не способна в достаточной степени погасить крутильные колебания, возникающие в современных более мощных, но при этом менее объемных моторах. Поэтому на таких автомобилях зачастую устанавливают двухмассовые маховики.

Двухмассовый (демпферный) маховик

Между двумя дисками конструкции (ведущим и ведомым), которые соединены подшипником, расположена особая пружинно-демпферная система. Ее применение позволило отказаться от использования в ведомом диске сцепления демпфирующего устройства. Ведущий диск двухмассового маховика непосредственно соединен с фланцем коленвала. Крутящий момент передается на ведомый диск, но благодаря пружинно-демпферной системе внутри это происходит с задержкой и с гашением вибраций и крутильных колебаний.

Двухмассовые маховики имеют ряд преимуществ:

Двухмассовый маховик

  • лучше справляются с колебаниями, вибрациями, толчками;
  • способствуют тому, чтобы удобнее переключались передачи;
  • уменьшают износ синхронизаторов;
  • защищают трансмиссию;
  • помогают сэкономить топливо.

Но есть и недостатки:

  • они дороже в производстве, обслуживании и при замене;
  • более требовательны к условиям эксплуатации — не любят сильных вибраций, езды на низких оборотах, перегрева.

Двухмассовые маховики имеют ряд названий, которые по сути являются аббревиатурами: DMF (Dual-Mass Flywheel на английском) или ZMS (ZweiMassenSchwungrad на немецком).

Двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний

Двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний

Эта новая разновидность двухмассового маховика. Пружинно-демпферная система получила дополнение – центробежный маятник в виде грузов по окружности махового колеса. Низкие обороты двигателя вызывают раскачивание грузов ввиду незначительной центробежной силы. Вызванные колебания находятся в противофазе с теми, что частично сгладили пружины, что позволяет окончательно их погасить. При возросших оборотах амплитуда центробежного маятника уменьшается, как и значение в демпфировании.

Главное достоинство конструкции — помощь в устранении неравномерности вращения коленвала на низких оборотах. Его распространение связано с доминирующими в автомобилестроении тенденциями:

  • сделать мотор меньшим по объему и легче, сохранив мощность;
  • расширить диапазон крутящего момента, используя низкие обороты.

Физика

Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:

Маховик фабричной стационарной паровой машины

E=12Iω2{\displaystyle E={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}

где:

  • I{\displaystyle I} — массы относительно оси вращения маховика
  • ω{\displaystyle \omega } (омега) — угловая скорость в радианах в секунду

Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции

  • Для полого цилиндра I=12m(r2+ro2){\displaystyle I={\frac {1}{2}}m(r^{2}+r_{o}^{2})}
    где m{\displaystyle m}— масса полого цилиндра; r{\displaystyle r}— его радиус; ro{\displaystyle r_{o}} — внутренний радиус цилиндра
  • Для тонкостенного цилиндра I=mr2{\displaystyle I=mr^{2}}
  • Для сплошного цилиндра I=12mr2{\displaystyle I={\frac {1}{2}}mr^{2}}

Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость ω{\displaystyle \omega } на частоту вращения f{\displaystyle f} по формуле

ω=2πf{\displaystyle \omega =2\pi f}

получим

E=m(πf)2(r2+ro2){\displaystyle E=m(\pi f)^{2}(r^{2}+r_{o}^{2})}

Комментарии автовладельцев по поводу замены маховика

  • Замена двухмассового маховика на одномассовый: реальность или выброшенные деньги (а заодно – и машина)?

    Здесь спрашивают можно ли поменять демпферный маховик на одномассовый? Да, есть умельцы, которые делают такую замену.

    Проблема такой «модернизации» связана с тем, что машина на механике с мощным мотором будет трогаться с места с вибрациями. Со временем вам это сильно надоест.

    Совершенно другая ситуация будет с машиной, у которой роботизированная коробка передач. Обычный маховик угробит такую трансмиссию, а ремонт робота обойдется в 10 раз дороже, чем покупка нового двухмассового маховика. Так что считайте и делайте выводы.

  • Реставрация маховика – авантюра

    Маховик, который отработал свой ресурс, нужно менять на новый, который имеет такую же конструкцию. А что делать, если на такой ремонт не хватает средств? В этой ситуации поможет реставрация. Есть компании, которые предоставляют такую услугу для любых моделей авто. В рекламе таких фирм сказано, что после ремонта маховик будет работать не хуже, чем новый. Теоретически это возможно.

    Например, собственник «Фольксвагена», который довольно дорогой в ремонте решил отреставрировать демпферный маховик и сделать его замену самостоятельно. На «родном» маховике у этого владельца осталась одна пружина. Фирма, которая реставрирует маховики, изготовила по образцу остальные пружины и отреставрировала деталь. К счастью, для этого автовладельца все закончилось хорошо. Он смог сэкономить значительную сумму, так как новый маховик стоит около 1350$.

  • Накрылся двухмассовый маховик? У вас есть два выхода

    Некоторые специалисты считают, что небольшой срок службы двухмассового маховика (200 000-350 000 км) обусловлен неправильной эксплуатацией авто. Чтобы снизить расход топлива, водители ездят на дизельных машинах с мощными моторами в режимах с очень низкими оборотами. В такой ситуации высокие крутильные колебания коленвала создают высокую нагрузку на пружины маховика и сокращают срок службы этой детали. Кроме того, специалисты советуют для увеличения срока службы демпферного маховика глушить мотор при выжатой педали сцепления.

    Что делать если двухмассовый маховик вышел из строя?

    Если у двухмассового маховика вашей машины выработался ресурс, не спешите искать круглую сумму на ремонт. Есть два способа решить вашу проблему, минимизировав потери. Первый вариант предполагает замену демпферного маховика на обычную одномассовую деталь известного бренда Valeo. Этот производитель разработал одномассовые аналоги маховиков Luk и Sachs, поскольку в линейках этих брендов нет такой альтернативы (а кто захочет терять большие прибыли).

    Второй способ предполагает реставрацию демпферного маховика. Со временем это направление все больше развивается. Специалисты могут полностью перебрать и восстановить маховик. Обойдется реставрация намного дешевле, чем покупка новой детали, а ездить на машине будет комфортнее, сравнительно с вариантом, когда установлен аналог от Valeo.

  • Двухмассовый маховик = одномассовый маховик + комплект сцепления

    Для машин Форд с моторами 1,8TDCi есть прекрасный вариант ухода от проблем с двумассовыми маховиками. Можно установить комплект сцепления с обычным маховиком от Форда Торнео Коннект (Valeo). Для этого, кроме пары маховик/сцепление придется еще и поменять стартер, потому что зубья не будут совпадать.

    Стоимость такой модернизации все равно будет меньше, чем при замене оригинального комплекта сцепления и демпферного маховика. После этого вы уже не будете менять маховик, а только сцепление, что позволит значительно экономить на ремонте.

    Есть у такого апгрейда и свои минусы. При активной езде сцепление начнет «буксовать» (все же, на Коннекте стоит менее мощный мотор).

  • Двухмассовый маховик с разборки: выбросить нельзя ставить

    Неисправности двухмассового маховика связаны с вытягиванием пружин (1 стадия поломки) или их разрушением (последняя стадия). При растяжении пружин маховик будет люфтить и вызывать дисбаланс. Такая ситуация будет дополняться вибрациями и стуками. Если же пружины лопнули, то последствия будут вообще печальными.

    Пока пружины целые, даже растянувшись, они смогут выполнять свою функцию по сглаживанию усилий.

    Двухмассовый маховик можно сравнить с использованным презервативом. В моем гараже один такой уже валяется.  Для кого-то он еще сойдет в качестве «б/у в отличном состоянии», но я его заменил, так как комфорт езды был уже совсем не тот.

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.

Маховик со старой фабрики

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.

Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня, и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

В 20-30-х годах XX века советский изобретатель А. Г. Уфимцев впервые в мире применил инерционный аккумулятор на первой в России ветроэлектростанции, построенной им в г. Курске.

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

Пример

Предельное значение угловой скорости маховика ω{\displaystyle \omega } определяется прочностью материала маховика на разрыв. Нетрудно показать, что для маховика в форме вращающегося диска 12Iω2=V4Smax{\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}={\frac {V}{4}}S_{max}}, где Smax{\displaystyle S_{max}} — предел прочности материала маховика на разрыв (сила разрыва на единицу площади), V{\displaystyle V} — объём диска. Для плавленого кварца Smax=3×109{\displaystyle S_{max}=3\times 10^{9}} Н/м2. Энергоемкость маховика из плавленого кварца объёмом ,1{\displaystyle 0,1} м3 и весом 200{\displaystyle 200} кг будет равна энергоемкости 13{\displaystyle 13} л бензина.

Как производится замена маховика

Замена маховика предполагает демонтаж детали. Выполняется этот этап по следующей схеме:

  1. Снимаем КПП.
  2. Демонтируем кожух маховика вместе ведомым и нажимным дисками.
  3. Фиксируем деталь с помощью отвертки, чтобы она не прокручивалась при отвинчивании болтов.
  4. Откручиваем шесть болтов, которыми крепится маховик (отворачивать болты следует в порядке крест-накрест, чтобы упростить выполнение работы).
  5. Снимаем маховик и опорную шайбу. Нужно запомнить, как расположен маховик относительно смотровой метки.

Основные этапы установки нового маховика:

Устанавливая новую запчасть, следует обеспечить ее положение аналогичное тому, в котором находилась снятая деталь. Сборка всех сопряженных элементов выполняется в порядке, обратном разборке

Важно проследить за правильностью расположения кожуха маховика и соблюдать рекомендуемые автопроизводителем моменты затяжки болтов крепления (примерно 100 Н*м).

Затягивают крепежные болты на маховике крест-накрест. Кроме того, следует проверить, чтобы сама деталь стояла без перекосов.

После того, как маховик будет снят, нужно обеспечить стабильное положение коленвала, так как если он провернется, то это существенно усложнит сборку. Если же коленвал провернулся, вначале следует установить поршень 4-го цилиндра в верхнюю мертвую точку, а установку маховика выполнить в соответствии с меткой.

При соблюдении технологии замены маховика можно обеспечить длительную и бесперебойную эксплуатацию узла.

Конструкция маховика

Изначально детали изготавливалась из чугуна цельной, в настоящее время кроме классических модификаций существуют дополнительные виды маховиков демпферный и облегченный. Автомобиль комплектуется этим узлом на заводе, но в некоторых случаях владелец может произвести тюнинг ДВС, заменив его другой модификацией.

Классический сплошной

Традиционный полнотелый маховик отливается в виде диска из серого чугуна. Этот конструкционный материал не пригоден для изготовления зубчатой передачи, зато резко снижает себестоимость детали и повышает эксплуатационный ресурс.


Затем на наружный диаметр заготовки напрессовывают обод маховика с зубьями для периодического зацепления в момент запуска ДВС с бендиксом стартера. Диаметр готового изделия обычно составляет 40 см, число зубьев зависит от конкретной схемы передачи авто.

Рис. 7 Цельнометаллический маховик

С одной стороны поверхность маховика имеет вид фланца для присоединения к аналогичным посадочным отверстиям главного диска сцепления. Для защиты от механических повреждений используется кожух маховика, крепящийся болтами к блоку цилиндров.

При регулярном подключении/отключении стартера возможна поломка зубьев. Поэтому обод (венец) считается расходным элементом детали, продается отдельно. Корпус (тело) ремонту обычно не подлежит, заменяется целиком после выработки ресурса.

Это интересно: Назначение и конструкция ручной тали

Рис. 8 Венец маховика

В современных машинах воспламенением в камерах сгорания заведует датчик ДПКВ или ВМТ. Он отсчитывает проходящие мимо его зубцы наружного венца маховика, определяя положение коленвала в каждый момент времени. Сигнал подается в бортовой компьютер, по положению вала вычисляется, какой цилиндр в это время сжимает топливную смесь, подается искра для воспламенения.

Облегченный

При решении основной задачи при комплектации коленвала маховиком – вывод из мертвых точек поршней ДВС, автоматически возникает другая проблема:

  • тяжелая деталь сильнее нагружает коленчатый вал и увеличивает время разгона машины;
  • угловая скорость маховика не может снизиться мгновенно, при торможении происходит запаздывание.

Рис. 9 Облегченный маховик

Поэтому для улучшения указанных характеристик мотора вес детали снижают на несколько килограммов, изготавливая прорези ближе к центру. Динамика улучшается максимум на 5 – 7%, однако на низких оборотах возникают следующие минусы:

  • затрудненное движение по скользкой и грязной трассе;
  • снижение момента крутящего;
  • при переключении на высшую передачу недостаточный набор оборотов, изнашивается диск сцепления;
  • небольшое увеличение расхода горючего;
  • быстрая потеря крутящего момента, несмотря на практически мгновенный разгон.

Для облегченных деталей из алюминиевого сплава или с прорезями в теле используется стандартный кожух маховика, которым укомплектована машина на заводе.

Двухмассовый

Проблему компенсации вращательных колебаний решает демпферный маховик, конструкция которого схожа с обгонной муфтой генератора. В отличие от бензинового двигателя дизельный мотор по умолчанию низкооборотный. Динамика машины достигается за счет передаточного числа трансмиссии. Кинематическая схема привода здесь сложнее, детали прочнее, а узлы крепче.

Рис. 10 Двухмассовый маховик

Двухмассовый маховик ДВС имеет сложную конструкцию:

  • один диск (корпус) крепится на коленвал, имеет наружный венец для зацепления со стартером;
  • второй зафиксирован на диске сцепления;
  • между собой диски вращаются относительно друг друга на радиальном и упорном подшипниках;
  • демпфирующие пружины так же находится между дисками в полимерном сепараторе, предотвращающем блокировку.

Рис. 11 Конструкция демпферного маховика

В момент запуска ДВС работает пакет с мягкой пружиной, в нормальном режиме работы двигателя включается в действие жесткая пружина. Для смазки деталей трения используется паста с сульфидом молибдена, закладывающаяся в маховик на весь эксплуатационный ресурс, составляющий около 150 000 км пробега машины. Причем, смазка не должна попадать на детали сцепления, с торцов дисков маховика она удаляется при ТО и осмотре.

Пружина, резина, конденсатор…


Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Технологии Газ — топливо современности: объясняем, почему это действительно так

Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Как правильно устранить двухмассовое колесо?

Двухмассовый маховик нельзя просто снять и выбросить, потому что у вас должен быть эквивалент, который можно заменить. Он должен иметь правильный размер и способ монтажа для правильной установки сцепления. Самые дешевые, более старые автомобили используют практику преобразования всей сборки сцепления с двухмассовым колесом в аналогичные модели, в которых две трети не использовались. Это приносит хороший эффект, при условии, что все подходит без каких-либо модификаций. К сожалению, это не очень хорошая практика из-за значительного увеличения вибраций в системе привода.

Очень популярный KIT 4P от Valeo, т. Е. Набор для правильного преобразования в жесткий маховик со специальным диском сцепления

Производители сцепления отреагировали на потребности рынка специальными комплектами для переоборудования. В комплект входит жесткий маховик, идеально подходящий для двухмассового маховика, но без глушителей, и специально подготовленный диск сцепления с увеличенными пружинами (глушителями), с большим шагом и долговечностью. К этому добавляется еще большее давление.

Специальная конструкция щита устраняет некоторые побочные эффекты такого преобразования . Если двигатель не был настроен, можно предположить, что защита коробки передач и других компонентов обеспечена. Кроме того, большая часть вибрации нейтрализуется соответствующей конструкцией диска сцепления. Тот факт, что это эффективное решение, подтверждается тем фактом, что в течение долгого времени они предлагались такими известными производителями сцепления, как Valeo или Kager.

Диск сцепления с вибрационным демпфером центробежного маятникового типа, аналогичный используемому в двухмассовых маховиках. Это идея LuK для замены комплекта.

Компания Valeo, пионер в разработке сменных комплектов, провела исследование, которое показало долговечность их альтернативного решения для двухмассовых маховиков без вредного воздействия на коробку передач. Более того, она также провела тестирование на двух идентичных автомобилях, в которых пользователи должны были распознать тип маховика, и в большинстве случаев они заявили, что нет никакой разницы.

Такие комплекты уже очень популярны среди пользователей самых популярных автомобилей с двигателями TDI, HDI, TDCI, CDI и D-4D. Следующее сравнение покажет вам плюсы и минусы использования набора этой компании, и вы сможете узнать, что вас больше всего волнует.


С этим читают