Маховик: равномерность и надежность работы двигателя

Содержание:

Использование
Типы и устройство маховых колес
Разновидности маховиков
Замена венца
Замена венца
Основные ошибки самостоятельной замены
Ремонт или реставрация?
Назначение маховика
- К каким системам относится?
- Местоположение внутри ДВС
Вопрос взаимозаменяемости
Как устроен маховик?

Использование

Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения, гиробусах.

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса, с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения.

Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок» («йо-йо»).

Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход в XIX веке от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма — значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд при равном аэродинамическом сопротивлении.

Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве, в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика — велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

В повседневной жизни маховик наиболее часто применяется на автомобилях: любой поршневой двигатель снабжён маховиком, часто совмещающим функции как часть сцепления и системы пуска (маховики снабжают зубчатым венцом для передачи момента от стартера). Кроме вывода кривошипно-шатунного механизма из мёртвой точки, маховик в двигателе снижает неравномерность вращения до приемлемой, что увеличивает ресурс трансмиссии (оставшаяся часть неравномерности гасится пружинами демпфера крутильных колебаний или муфтой АКПП, затем торовыми резиновыми и вискомуфтами).

Типы и устройство маховых колес

Принцип работы и устройство двигателя

На современных моторах используются различные по конструкции маховики, но самое широкое распространение получило три типа этих деталей:

Сплошной;
Облегченный;
Демпферный (или двухмассовый).

Наиболее простое устройство имеют сплошные маховики, которые находят применение на большинстве поршневых ДВС — от малолитражных, до самых мощных промышленных, тепловозных и судовых. Основу конструкции составляет чугунный или стальной диск диаметром 30-40 см и более, в центре которого выполнено посадочное место для установки на хвостовик коленчатого вала, а на периферии запрессован венец. Посадочное место для коленвала обычно выполнено в виде расширения (ступицы), в центре которого имеется отверстие большого диаметра, а по окружности располагается 4-12 или больше отверстий для болтов, посредством которых маховик фиксируется на фланце хвостовика вала. На наружной поверхности маховика выполнено место для установки сцепления и отформирована кольцевая контактная площадка для ведомого диска сцепления. На периферии маховика запрессовывается стальной зубчатый венец, посредством которого в момент пуска передается крутящий момент от шестерни стартера на коленвал.

Обычно при изготовлении маховик балансируется для предотвращения биений во время работы двигателя. При балансировке в различных местах маховика удаляются излишки металла (сверловкой), также с целью балансировки в определенном положении устанавливается сцепление и другие детали (если они предусмотрены). В дальнейшем ориентация маховика и сцепления не должна изменяться, в противном случае возникнет опасный для коленчатого вала и всего двигателя дисбаланс.

Облегеченный маховик

Аналогичную конструкцию имеют и облегченные маховики, однако в них для снижения массы выполнены окна различной формы и размеров. Выборка металла маховика с целью снижения его массы обычно выполняется в целях тюнинга и форсирования двигателя. Установка такого маховика несколько снижает стабильность работы силового агрегата на переходных режимах, но обеспечивает быстрый набор максимальных оборотов и в целом позитивно сказывается на мощностных характеристиках. Однако установка облегченного маховика может производиться только параллельно с выполнением других работ по тюнингу/форсированию двигателя.

Двухмассовые маховики имеют гораздо более сложную конструкцию — в их состав входят различные по устройству и принципу действия гасители крутильных колебаний и демпферы. В простейшем случае этот узел состоит из двух дисков (ведомого и ведущего), между которыми располагается гаситель крутильных колебаний — одна или несколько дуговых (свернутых в кольцо или изогнутых дугой) витых пружин. В более сложных конструкциях между дисками располагается ряд шестерен, которые выполняют роль планетарной передачи, а количество пружин может достигать десятка и более. Двухмассовый маховик, как и обычный, монтируется на хвостовик коленчатого вала и удерживает на себе сцепление.

Конструкция двухмассового маховика

Работает демпферный маховик довольно просто. Ведущий диск соединен непосредственно с фланцем коленчатого вала, получая от него крутящий момент, а также все колебания, вибрации и возникающие на переходных режимах толчки. Крутящий момент от ведущего диска на ведомый передается через пружины, однако они за счет своей упругости поглощают значительную часть вибраций, толчков и колебаний, то есть — выполняют функции демпфера. В результате такой развязки ведомый диск, а также соединенное с ним сцепление и трансмиссия, вращаются более равномерно, без колебаний и вибраций.

В настоящее время двухмассовые маховики, несмотря на их сложную конструкцию и относительно высокую стоимость, все чаще устанавливаются на двигатели легковых и грузовых автомобилей. Рост популярности этих деталей обусловлен их лучшим качеством работы и защитой трансмиссии от негативных воздействий со стороны силового агрегата. Однако маховики сплошной конструкции благодаря своей цене, надежности и простоте очень широко используются на бюджетных авто, большинстве тракторов, грузовиков и иной технике.

Разновидности маховиков

Принцип работы 2 х тактного двигателя

Как выглядит маховик на собранном двигателе

В современных двигателях внутреннего сгорания используется три разновидности маховиков:

Одномассовые (сплошные);
Двухмассовые;
Облегченные.

Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и недостатки.

Одномассовые маховики

Эта разновидность является наиболее распространенной. Одномассовый маховик двигателя внутреннего сгорания имеет сплошную конструкцию и представляет собой довольно массивный диск, имеющий диаметр от 300 до 400 миллиметров. Чаще всего для его изготовления используется высококачественный чугун.

На внешнюю сторону одномассового маховика, по всей окружности устанавливается венец — зубчатое кольцо, изготовленное из стали. Его монтаж производится по технологии напрессовки, и поэтому оно фиксируется очень прочно. Для того чтобы закрепить одномассовый маховик на коленчатом валу (а точнее — к установленному на нем специальному фланцу), с одной стороны этой детали выполняется ступица. При этом другая, противоположная плоскость одномассового маховика, играет роль ведущего диска сцепления.

Таким образом, одномасовый маховик достаточно прост по своей конструкции, недорог в производстве, чем и обусловлено его широкое применение в современных двигателях внутреннего сгорания. Есть у него и один достаточно серьезный минус, который состоит в том, что он недостаточно хорошо гасит крутильные колебания. Гораздо лучше с этой задачей справляются двухмассовые маховики. В конструкции двигателей внутреннего сгорания они активно применяются со средины 80-х годов прошлого века.

Двухмассовые маховики

Пример внутреннего устройства двухмассового маховика

Конструктивно они состоят из двух дисков, которые соединены между собой специальной пружинно-демпферной системой. Она предназначена для того, чтобы избавить трансмиссию автомобиля от постоянно возникающих крутильных колебаний силового агрегата и сделать ее функционирование равномерным. Использование двухмассового маховика вместо одномассового дает возможность отказаться от использования в ведущем диске сцепления демпфирующего устройства, повысить, таким образом, его надежность и долговечность.

Кроме того, применение таких маховиков позволяет:

Существенно снизить вибрации, передающиеся от двигателя к трансмиссии;
Снизить уровень ее шума;
Сделать более удобным переключение передач;
Обеспечить защиту трансмиссии от перегрузок.

Согласно некоторым исследованиям, применение двухмассовых маховиков даже способствует снижению потребления двигателем топлива.

Необходимо, однако, признать, что эти узлы имеют и некоторые недостатки. Главным из них является то, что они не столь надежны, как одномассовые. Дело в том, что входящая в их конструкцию пружинно-демпферная система испытывает на себе немалые нагрузки и поэтому довольно быстро изнашивается. Во многом именно по этой причине двухмассовые маховики пока используются не очень широко.

Следует заметить, что сейчас ведутся активные разработки по улучшению конструкции этих узлов. Они связаны, прежде всего, с тем, что появляется все большее количество двигателей, работающих на низких оборотах, а также моторов, имеющих достаточно большую мощность при относительно скромном рабочем объеме. Такие ДВС требуют от маховиков высокой степени гашения колебаний, и конструкторы пытаются решить эту проблему. Уже сконструированы и успешно прошли испытания двухмассовые маховики, в которых используются центробежные маятники. Они создают колебания в противофазе основным и, таким образом, гасят их.

Облегченные маховики

Такие маховики используются при тюнинге силовых агрегатов. Они характеризуются тем, что их масса перераспределена от центра к краям. Это позволяет уменьшить вес конструкций, а также момент инерции. Автомобили с установленными на них облегченными маховиками имеют улучшенную разгонную динамику.

Замена венца

Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы

Поскольку зубчатый обод насаживается на диск маховика с натягом, его невозможно снять/надеть без нагрева. Основными проблемами самостоятельного ремонта в данном случае становятся:

у владельца авто отсутствует специальное оборудование – используются горелки, паяльные лампы и, даже нагрев в духовке газовой плиты;
температуру венца сложно определить – нагрев производится «на глаз»;
технологические требования – зубчатый обод следует разогревать до 200 градусов, однако без специальных приборов температуру выдержать очень сложно.

Для повышения прочности стали зубчатый обод закаливают на заводе. Закаленные детали не рекомендуется нагревать, так как в этом случае венец автоматически подвергается другой термической обработке – отпуску. Получившиеся при закалке эксплуатационные характеристики – твердость, износостойкость конструкционного материала при этом изменяются в прямо противоположные свойства металла – вязкость и пластичность.

Другими словами, если перегреть обод, после надевания на диск и остывания на воздухе зубья станут мягче, сточатся гораздо быстрее. Существует три типа отпуска:

высокий – нагрев до 450 – 600 градусов для получения структуры стали сорбит;
средний – нагрев до 300 – 450 градусов для получения структуры стали троостит;
низкий – нагрев до 150 – 300 градусов для получения структуры мартенсит.

При перегреве изменится структура металла

Демонтаж

Никаких дополнительных способов фиксации кроме посадки с натягом венец на маховик не имеет, поэтому снимается достаточно легко, даже без нагрева:

деталь укладывается на подставки, чтобы зубчатый обод свисал;
молотком по окружности венца наносятся равномерные удары.

Демонтаж зубчатого обода

Если зубчатый обод однозначно выбраковывается под замену, можно стучать прямо по зубьям. При повороте венца на 180 градусов для дальнейшей эксплуатации удары наносятся через прокладку – второй молоток, зубило, кусок арматуры.

Выбор зубчатого венца

Прежде, чем заменить венец маховика новой расходной деталью, необходимо подобрать полноценную замену:

центробежные силы стремятся разорвать диск во время эксплуатации;
происходит искажение плоской поверхности, к которой прижимается сцепление;
трение накладок о маховик вызывает нагрев, еще больше увеличивает коробление плоскости.

После посадки с натягом зубчатый обод стягивает диск маховика, избавляя от вышеуказанных дефектов. Кроме увеличения эксплуатационного ресурса маховика, повышается срок службы сцепления авто.

Все указанные конструкционные особенности присутствуют в венцах производителя Tanaki. Количество зубьев должно совпадать изначально. В ДВС некоторых производителей маховик используется в качестве элемента датчика положения коленвала ДПКВ. В этом случае два зуба на венце пропущены, перед демонтажом необходимо создать отметку взаимного расположения участка с пропущенным зубом относительно диска.

Установка

Смонтировать венец автомобильного маховика без нагрева можно только при повороте. Однако даже в этом случае остается риск прокручивания обода относительно диска в процессе эксплуатации, поэтому после монтажа эту деталь прихватывают сваркой в 4 точках.

Способы нагрева венца

Основными методами нагрев при установке венца на маховик являются:

духовой шкаф или конфорки газовой, электрической плиты – перегреть деталь очень сложно, на конфорках ее придется периодически проворачивать;
паяльная лампа или газовая горелка – необходимо контролировать перегрев визуально, не допуская изменения цвета зубчатого обода.

Нагрев на электроплитеНагрев горелкой газовой

В любом из указанных вариантов диск маховика должен находиться в непосредственной близости от места нагрева обода, чтобы как можно быстрее установить его пассатижами, клещами или руками в специальных термостойких перчатках на посадочную поверхность.

После остывания деталь сожмется самостоятельно, в случае необходимости применяются прихватки в нескольких точках.

Переворот старого обода

Чтобы перевернуть эксплуатируемый венец маховика, необходимо сбить его с посадочного места, перевернуть диск, надеть нагретый обод на свое место. Если на заводе или во время последующей замены этот элемент надевают фаской внутрь, то при повороте фаска автоматически остается снаружи.

Переворот зубчатого обода

Замена венца

у владельца авто отсутствует специальное оборудование – используются горелки, паяльные лампы и, даже нагрев в духовке газовой плиты;
температуру венца сложно определить – нагрев производится «на глаз»;
технологические требования – зубчатый обод следует разогревать до 200 градусов, однако без специальных приборов температуру выдержать очень сложно.

высокий – нагрев до 450 – 600 градусов для получения структуры стали сорбит;
средний – нагрев до 300 – 450 градусов для получения структуры стали троостит;
низкий – нагрев до 150 – 300 градусов для получения структуры мартенсит.

При перегреве изменится структура металла

Демонтаж

деталь укладывается на подставки, чтобы зубчатый обод свисал;
молотком по окружности венца наносятся равномерные удары.

Демонтаж зубчатого обода

Выбор зубчатого венца

Прежде, чем заменить венец маховика новой расходной деталью, необходимо подобрать полноценную замену:

центробежные силы стремятся разорвать диск во время эксплуатации;
происходит искажение плоской поверхности, к которой прижимается сцепление;
трение накладок о маховик вызывает нагрев, еще больше увеличивает коробление плоскости.

Установка

Способы нагрева венца

Основными методами нагрев при установке венца на маховик являются:

духовой шкаф или конфорки газовой, электрической плиты – перегреть деталь очень сложно, на конфорках ее придется периодически проворачивать;
паяльная лампа или газовая горелка – необходимо контролировать перегрев визуально, не допуская изменения цвета зубчатого обода.

Нагрев на электроплите

Нагрев горелкой газовой

Переворот старого обода

Переворот зубчатого обода

Основные ошибки самостоятельной замены

Несмотря на предельно простую технологию, автолюбители часто допускают при замене венца следующие ошибки:

перед тем, как снять зубчатый обод, следует произвести ревизию боковой плоскости маховика под сцепление, и отверстий для крепежных болтов;
установка с перегревом отдельных участков венца приведет к быстрому износу зубьев именно на этих местах, так как происходит отпуск стали;
наружный диаметр зубьев должен иметь фаску для плавного зацепления с бендиксом стартера без ударов.

Установка венца

Для того, чтобы уменьшить износ двигателя и увеличить приемистость машины на высоких оборотах, маховик часто облегчают. Из-за наличия дополнительных отверстий на наружном диаметре диска в зоне, примыкающей к зубчатому ободу, венец часто приваривается к диску.

Таким образом, венец можно заменить собственными силами при значительной выработке профиля зуба на отдельных участках. Снять обод можно на холодную, а при установке потребуется нагрев до 200 градусов максимум.

Ремонт или реставрация?

Заводом-изготовителем не предполагается разборка и восстановление демпферных маховиков, поэтому части корпуса соединены заклепками. Соответственно, запчастей и деталей с ремонтными размерами для такого узла в общественном доступе нет. Но ввиду немалой стоимости оригинальных демпферов, услуга по восстановлению становится все популярней. Многие остаются довольны, но и тех, кто спустя пару десятков тысяч пробега повторно сталкивается с симптомами неисправности, также хватает.

Однозначный ответ на вопрос – реставрировать или менять, пока что дать сложно. Перед обращением в профильные мастерские, найдите реальных клиентов, которые после восстановления проехали как минимум 20-30 тыс. км. Если вы склоняетесь к замене, устанавливайте только узлы, которые поставляются производителем на конвейеры. Luk и Sachs – крупнейшие поставщики демпферных маховиков для Skoda, Volkswagen, Ford, BMW и многих других марок.

Внимание! При первых симптомах неисправного маховика его необходимо заменить. Если игнорировать признаки поломки, изношенный маховик быстро убьет сцепление, разобьет шлицы первичного вала и может стать причиной поломки коробки передач

Назначение маховика

Необходим маховик двигателя для набора инерции вращения коленчатого вала, которая позволяет поршням преодолеть мертвые точки. Кроме того, эта деталь двигателя внутреннего сгорания передает крутящий момент на стартер и коробку передач. Снижается неравномерность вращения кривошипно-шатунного механизма.

К каким системам относится?

Несмотря на то, что крепится деталь на коленчатый вал ДВС, относится маховик сразу к нескольким системам двигателя:

редуктор системы запуска – на него передается вращение;
стартер – работа маховика обеспечивает начальное вращение вала ДВС;
коробка передач – на нее передается крутящий момент с диска сцепления;
кривошипно-шатунный механизм – сглаживаются импульсы неравномерного вращения.

Крупные размеры маховика позволяют при начальном вращении набрать этой детали инерцию. Поскольку она жестко связана с коленвалом, поршни в нижней/верхней точке не задерживаются, а увлекаются дальше по ходу вращения для нового цикла сжатия/воспламенения топлива.

Из-за наличия мертвых точек вал вращается неравномерно, вначале набирает угловую скорость, затем теряет ее. Поэтому диаметр маховика подбирается для каждого мотора индивидуально, чтобы сгладить значения этих угловых скоростей в разные отрезки времени. Основными проблемами при этом становятся:

расположение вращающегося маховика на одном конце коленвала – резкое увеличение нагрузки на подшипник с этой стороны;
повышение общего веса коленвала – нагрузка возрастает на оба подшипника, кривошипы и шатуны.

Поэтому подшипники усиливаются, чтобы вращаться в экстремальных эксплуатационных условиях весь заявленный ресурс.

Местоположение внутри ДВС

Находится эта деталь всегда у коренного подшипника коленчатого вала, являющегося самым мощным в моторе. Более подробно увидеть местоположение внутри ДВС позволяет чертеж маховика сборочный. К фланцу коленвала он крепится ступицей, обратная сторона приходит в зацепление с главным диском сцепления. Зубчатый венец на наружном диаметре маховика предназначен для зацепления с бендиксом стартера в момент запуска ДВС.

Поскольку во всех указанных приводах используются зубчатые передачи, метка на маховике показывает его нормальное положение относительно вала и ведущего диска сцепления. Чтобы деталь, в свою очередь, не создавала вибраций на коленвал ДВС, производится балансировка маховика на стенде.

Вопрос взаимозаменяемости

Когда маховик выходит из строя, автомобилистам требуется поменять его на новый. При этом закономерно и часто возникает вопрос относительно того, можно ли одномассовый тип конструкции заменить на двухмассовый. Им интересно, что произойдёт, если поменять детали таким вот образом, и не будет ли это опасно для двигателя

Важно понимать, найдётся ли место двум разным маховикам на одном двигателе внутреннего сгорания, и насколько реальная их взаимозаменяемость. Никто не станет спорить с тем фактом, что одномассовые устройства значительно дешевле двухмассовых или демпферных

Потому владельцы автомобилей, на двигателях которых устанавливаются двухкомпонентные маховики, при их поломке должны выложить солидную сумму на приобретение детали. Чтобы сэкономить, некоторые размышляют относительно возможности поставить на место демпферного (двухмассового) маховика обычный цельнометаллический элемент. В отношении вопроса взаимозаменяемости нужно учитывать несколько очень важных моментов.

Если установить одномассовый цельнометаллический маховик на место двухмассового в двигателе, то снизится показатель комфорта при эксплуатации. Но это не всё. Также будет снижаться ресурс ШРУСов, коробки переключения передач, редуктора, как и всего автомобильного мотора в целом.
Если на место традиционного цельнометаллического маховика поставить облегчённый тип конструкции, то потеря в комфорте будет ощущаться в намного меньшей степени. Но чтобы всё работало хорошо, придётся перенастроить весь двигатель под изменённый эксплуатационный режим работы силовой установки.
При замене традиционного одномассового элемента на демпферный требуется обязательно установить новый комплект автомобильного сцепления, а также специально его отрегулировать. Если этого не сделать, то будет плохо включаться вторая передача и возникнут проблемы с включением задней передачи.

Насколько рационально менять один маховик на другой, вопрос крайне спорный. Замена возможна, то есть детали можно считать взаимозаменяемыми. Но дополнительно приходится проводить ряд мероприятий, менять некоторые компоненты, проводить настройки и жертвовать некоторыми моментами комфорта. Финансово это всё равно не получается дешевле переходить с двухкомпонентного маховика на цельнометаллический, либо наоборот.

Классический одномассовый вариант конструкции отлично подходит двигателям внутреннего сгорания, поскольку он обладает простой конструкцией и большим запасом эксплуатационной надёжности. Двухмассовые пока не так распространены, потому их использовать нужно лишь на тех автомобилях, под которые они были разработаны. Облегчённые элементы являются сугубо прерогативой спортивных автомобилей или машин, которые подвергаются серьёзному техническому тюнингу. Это не такое частое явление, поскольку поменять характеристики мотора можно многими другими методами, достигая высокого уровня отдачи.

Как устроен маховик?

Он представляет собой обычный диск диаметром 30-40 см. На торце располагаются зубья, благодаря которым достигается сцепление ведущего диска с валом стартера и последующее раскручивание коленвала при запуске двигателя. Маховик расположен на выходной части коленвала двигателя, а с другой стороны к нему фиксируется болтами корзина сцепления или гидротрансформатор. Отметим, что устройство маховика напрямую зависит от его принадлежности к определенной группе.

На сегодняшний день выделяются три вида маховиков:

Сплошной. Представляет собой простой чугунный диск с зубьями на торце. Такие модели распространены как на отечественных автомобилях, так и на иномарках, особенно эконом-класса.
Облегченный. Как правило, облегченная версия ведущего диска устанавливается или на авто с автоматической КПП, или на тюнингованные модели. Главная особенность такого диска — уменьшенная масса, вследствие которой достигается уменьшение инерции и увеличение КПД двигателя до 5%. Облегченный маховик является конструктивно упрощенной разновидностью сплошного типа. Основным его назначением является выполнение роли шестерни, которая вращается при запуске стартера.
Двухмассовый или демпферный. В настоящее время приобрел широкую распространенность вследствие своих преимуществ — гашения вибрации, устранения крутильных колебаний коленвала, повышения износостойкости синхронизаторов, защиты трансмиссии от перегрузок и понижения шума. Конструктивно усложненная модель маховика по сравнению с предыдущими видами.

Ввиду преимуществ демпферного маховика, он является предпочтительной и перспективной моделью в наше время. Именно поэтому мы предлагаем нашим читателям подробней ознакомиться с его устройством, ведь он всё чаще встречается на автомобилях.