發動機為什麼要有飛輪?它有哪些作用?雙質量飛輪又是怎麼回事?

2020-12-18 老侯汽車解析

問大家一個問題,汽車發動機為什麼能夠平穩、持續的運行呢?我想大家一定會說發動機調校的好,曲軸動平衡,燃油系統、點火系統工作正常,多缸發動機做功重疊,等等。但是很多人都會忽略一個非常重要的因素,那就是發動機飛輪的作用。

很多人可能不知道發動機飛輪是什麼,在哪裡。如果我告訴你它安裝在曲軸的末端,你可能也不太容易理解。但是我告訴你一件事,你就應該知道飛輪在哪裡了。我們的汽車在啟動時,需要起動機來帶動發動機運轉,然後才能啟動。這個起動機直接驅動的就是飛輪,只要找到了起動機,就找到飛輪了。汽車在啟動時,起動機通電運轉,驅動齒輪與飛輪上的齒圈相嚙合,然後起動機旋轉,帶動飛輪旋轉,飛輪帶動曲軸旋轉,發動機就運轉起來了。所以,飛輪是發動機的組件之一,它與曲軸組裝在一起,是發動機的動力輸出元件。

飛輪的結構很簡單,就是一個鑄鐵圓盤,具有很大的轉動慣量。為了在同樣質量下增大轉動慣量,一般飛輪的邊緣做得比較厚。在飛輪邊緣部位一般鑲有齒圈,在發動機啟動時與起動機齒輪嚙合,帶動曲軸旋轉。在飛輪的中心部位有幾個螺絲孔,通過螺栓與曲軸組合為一體。飛輪的一面是平整的平面,與離合器片接觸,另一面是特殊的形狀,與曲軸連接在一起。

那麼飛輪都有什麼作用呢?前面說了,發動機啟動時需要用到飛輪,但是啟動僅僅是飛輪的功能之一。現在有些搭載48V輕混系統的發動機,在啟動時直接驅動曲軸前端,已經不需要驅動飛輪了。其實飛輪還有更重要的的作用,那就是通過儲存和釋放能量,來提高發動機運轉的均勻性,以及改善發動機克服短暫超負荷的能力,同時飛輪還是發動機的動力輸出元件,通過它將發動機的動力傳遞給離合器或者液力變矩器。此外,在飛輪上還刻有上止點記號,用來校準點火定時或噴油定時以及調整氣門間隙。

那麼發動機為什麼要有飛輪呢?這就要從發動機的工作原理說起了。現在汽車上普遍使用的是往復活塞式四衝程發動機,這種發動機每四個活塞衝程作功一次,但是在整個工作循環中,只有做功衝程產生動力,其它的進氣、壓縮以及排氣衝程都是要消耗動力的。如果沒有飛輪,發動機做功衝程產生的動力全部對外輸出,就沒有多餘的動力來克服進氣、壓縮以及排氣衝程消耗的功了,發動機就無法持續地運轉下去。即使是多缸發動機間隔做功,曲軸的運轉也會極不均勻,轉速忽高忽低,稍有阻力發動機就會熄火,很難持續運轉。

而飛輪是一個轉動慣量很大的盤形零件,其作用如同一個能量存儲器。在作功衝程中發動機發出的能量,除對外輸出外,還有部分被飛輪吸收,然後在進氣、壓縮以及排氣衝程中釋放出來,補償這三個行程所消耗的功,使曲軸能夠克服阻力,繼續運轉。這樣,發動機就可以持續地運轉下去,不會因其它三個衝程消耗能量而熄火。此外還有一點,就是活塞位於上止點或者下止點時,連杆是完全垂直於曲軸,這時候連杆的動力是無法傳遞給曲軸的,也就是說「卡」住了。而飛輪巨大的轉動慣量可以幫助活塞順利越過上下止點,讓連杆與曲軸之間重新形成夾角,繼續傳遞動力,避免發動機「卡死」。

此外,由於四衝程發動機是間隔做功的,所以曲軸會受到周期性變化的扭力,曲軸的運轉也是忽快忽慢,轉速忽高忽低,缸數越少的車,這種現象越明顯,這樣會導致汽車極難駕駛。而飛輪由於有較大的轉動慣量,它可以在曲軸增速時吸收部分能量阻礙其轉速的增加,也可以在曲軸減速時釋放能量增加曲軸的動力,阻礙其減速,這樣就提高了曲軸運轉的均勻性。即使發動機遇到短暫超負荷的工況,也可以由飛輪釋放動力,避免發動機熄火,提高了發動機克服短暫超負荷的能力。

所以,飛輪對於發動機來說是必須存在的,不過不同類型的發動機飛輪的大小、形狀是不同的。一般來說,發動機缸數越少,飛輪的尺寸及質量越大,發動機缸數越多,飛輪的尺寸及質量越小。此外,變速箱的形式也會影響飛輪的尺寸及質量,比如手動擋車型,由於飛輪需要與離合器片結合、摩擦,所以飛輪尺寸及質量較大,同時還要有克服熱衰退的能力;而自動擋車型由於有液力變矩器的存在,可以在很大程度上吸收發動機的振動以及平衡曲軸的轉速,所以飛輪的尺寸及質量較小,甚至有些車型使用質量 非常小的撓性飛輪。

那麼飛輪重量的大小與發動機的動力有關嗎?飛輪重量的大小,不會增加或減少發動機的動力輸出,但是卻可以改變發動機的動力輸出特性。如果飛輪質量過大,會導致發動機提速較慢,但是克服超負荷的能力會更強,動力粘滯效應較強;如果飛輪質量較小,發動機提速較快,但是超負荷能力稍差,汽車加減速更順暢。其實所有發動機的飛輪質量和尺寸,都是綜合考慮了各方面的因素,經過精密計算後得出的結果,並且做了嚴格的動平衡測試,總體性能是非常均衡的。

傳統的飛輪,是一個整體零件,可以幫助發動機平穩運行,但是不具備減震功能,發動機的振動會直接傳遞給傳動系統,傳動系統的振動也會反饋給發動機,從而影響發動機和傳動系統的平穩運行。因此,汽車工程師發明了雙質量飛輪。所謂的雙質量飛輪,是指將原來的一個飛輪分成兩個部分,一部分保留在原來發動機一側的位置上,起到原來飛輪的作用,用於起動和傳遞發動機的轉動扭矩;另一部分則放置在傳動系變速器一側,用於提高變速器的轉動慣量。兩部分飛輪之間有一個環形的油腔,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。

雙質量飛輪最大的優點是:可以有效降低發動機旋轉的不均衡性而造成傳動系的扭轉振動。在傳統的離合器結構中,離合器片上有一個扭轉減振器,用來降低離合器結合和轉速變化時的扭轉振動,但是它無法完美平衡發動機與變速箱在振動。而雙質量飛輪一分為二,一是可以減少離合器在接合或分離時的衝擊,另一點是可以減少發動機的震動。此外,雙質量飛輪本身就有減震功能,所以與它配合的離合器片就不用設置扭轉減振器,減小了離合器片的質量和尺寸。

所以,雙質量飛輪現在應用越來越多,在傳統的雙離合變速箱上,一般都使用雙質量飛輪來代替液力變矩器;在一些手動變速箱上,採用雙質量飛輪可以減去離合器片上的扭轉減振器,減小離合器片的轉動慣量,讓變速箱換擋更順暢,也可以減輕同步器的負擔;此外,在歐洲有很多柴油車,由於柴油機振動大,使用雙質量飛輪可以有效地降低發動機的振動。

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