Двигатель внутреннего сгорания – это сложный механизм, объединяющий множество элементов, которые выполняют конкретные функции в разных режимах работы. За стабильность функционирования силового агрегата отвечает маховик, принимая на себя избыточные колебания, и обеспечивая равномерную работу двигателя без плаванья оборотов и рывков. По сути, без маховика не могут работать несколько самостоятельных систем. Его можно считать частью двигателя, так как он уменьшает колебания при вращении коленчатого вала, предотвращает детонацию ДВС и сглаживает его работу. Маховик – это первичный диск сцепления. Он передаёт момент от двигателя на коробку передач. Также к функциям данного устройства относят передачу момента от стартера коленчатому валу.
Маховик представляет собой многосоставной диск, изготовленный из прочного закалённого металла. По внешнему виду он схож с большой шестерёнкой диаметром до 40см. Благодаря ему происходит накопление кинетической энергии вращения двигателя, которое обеспечивает плавное вращение коленчатого вала при прохождении поршнями мертвых точек. Маховик можно условно отнести к разным системам силового агрегата, так как он принимает участие в работе каждой из них:
- Как часть кривошипно-шатунного механизма за счет участия в моменте вращения коленвала и снижении неравномерности его движения.
- Как часть трансмиссии за счет выполнения функции ведущего диска сцепления.
- Как часть редуктора в виде ведомой шестерни при передаче крутящего момента со стартера на коленчатый вал.
Виды маховиков
По материалу изготовления:
· • Литой "Серый" чугун
· • Чугун с шаровидным графитом
· • Стальной или стальной из цельной заготовки (болванки)
· • Хромомолибденовая сталь
· • Алюминиевый из цельной заготовки (болванки)
Литой "серый" чугун - это один из самых распространенных материалов из которого изготавливаются стандартные маховики. Тяжёлый и относительно недорогой металл, активное использование которого началось ещё с 5 Века до н.э. Из него же делают сковородки. Серый чугун получается из сплава железа с углеродом и добавления графита в виде хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений. Это делается для предотвращения прямого растрескивания, которое бывает у "белого" чугуна. Но при всем этом, материал остаётся достаточно хрупким. Серый чугун имеет меньшую прочность при растяжении и сопротивление удару чем сталь, но сопоставимую прочность металла на сжатие с низко и средне углеродистой сталью.
Данный материал подходит для производства маховиков на стандартные авто, но он не способен выдерживать воздействие дополнительных нагрузок, имеет низкий предел прочности на разрыв и не способен выдерживать высокие нагрузки вращения - высокие обороты двигателя как следствие. Одномассовые маховики из данного материала поддаются перешлифовке поверхности несколько раз.
Чугун с шаровидным графитом (считается высокопрочным чугуном) - другой распространенный вид материала для изготовления маховиков. Отличительной особенностью данного вида чугуна является весьма компактная, почти шаровидная форма включений графита, имеющая наименьшее отношение поверхности к объему и в наименьшей степени ослабляющая рабочее сечение отливки. Кроме того, шаровидная форма включений графита не оказывает такого сильного надрезывающего действия на металлическую основу, как пластинчатая форма, и способствует уменьшению концентрации напряжений вокруг включений графита. Это в большей степени позволяет добиться устойчивости к образованию трещин под воздействием напряжения и устойчивости к возникновению усталости металла, а в меньшей к растяжению, износу поверхности и рассеиванию тепла.
Лучше подходит для изготовления маховиков чем литой чугун, но так же не способен выдерживать высоких нагрузок вращения. Одномассовые маховики из данного материала поддаются перешлифовке поверхности несколько раз.
Сталь это сплав чугуна с содержанием углерода (около 2%) и другими элементами. Количественное содержание углерода в сплаве влияет на такие показатели как: твёрдость, эластичность и прочность на растяжение. Большее или меньшее его содержание может улучшить качественные показатели чугуна на атомном уровне и сделать его менее эластичным и слабой, чем чистый чугун. Поэтому сталь прочнее, чем литой чугун, но пожертвовав эластичностью она требует больших трудозатрат на производство и дальнейшие манипуляции. Качество и характеристики стали могут очень сильно отличаться в зависимости от количества углерода и других элементов, входящих в её состав, так же как и от особенностей процесса изготовления.
Сталь из цельных заготовок - болванок, нарезается на "куски" из длинной округлой металлической массы. Главным плюсом таких заготовок является их высокая плотность и возможность точной обработки материала со удалением слабых областей. Эти действия позволяют усилить прочность конструкции в разы. При весе, схожем с весом чугунного изделия, стальной вариант менее склонен к растяжении и менее хрупкий.
Данный материал неплохо подходит для изготовления маховиков с высокими показателями, но все таки обладает достаточно большим весом. Способность отведения тепла остаётся на невысоком уровне. Поддаётся перешлифовке поверхности несколько раз.
Хромолибденовая сталь - стальной сплав, производимый путём добавления хрома и молибдена в состав высокоуглеродистой стали. Добавление этих двух материалов делает сталь прочной, немного утяжеляет её. Но это позволяет производить из данного вида стали спортивные облегчённые маховики путём удаления лишнего материала с поверхности детали, либо сверлением отверстий в плоскости. Эти процедуры требуют особого внимания и соблюдения определенных требований, так как конструкция может приобретать слабые места и неустойчивые к стрессовым нагрузкам области. Это может проявиться во время работы на высоких оборотах двигателя, либо при агрессивном включении сцепления. Хромолибденовые маховики имеют высокую твёрдость поверхности, которая может снижаться при перешлифовке.
Неплохой выбор для автоспорта. Вес конструкции более лёгкий, если сравнивать со стандартным маховиком, но все же он не сильно снижен. Маховики из данного материала способны немного увеличить мощность, но они не обладают хорошей способностью отвода тепла. Требуется перешлифовка поверхности при замене сцепления.
Алюминиевые маховики, так же известны как цельноалюминиевые. Изготавливаются из особопрочного алюминия марки алюминия 6061 Т6. Не имеют в своём составе добавлений железа, что делает его намного легче маховиков изготовленных из стали и чугуна. Обладающей особой прочностью и имеет высокую способность отвода тепла, что улучшает охлаждения узла сцепления. Алюминий данной марки имеет более высокую эластичность и хорошо поддаётся обработке, чем стальной. Марка 6061 считается самой твёрдой и прочной, благодаря содержанию в ней магния и силикона, обладает очень высокой прочностью на разрыв, повышенной стойкостью к ударным и вращательным воздействиям. Индекс Т6 в названии марки алюминиевого сплава обозначает прохождение данным материалом процесса закалки, который увеличивает придел прочности на разрыв до 2950 кг/см2 (42 000 psi). Поскольку алюминий довольно податливый материал, иметь прямой контакт с фрикционным диском сцепления он не может, именно поэтому алюминиевые маховики имеют специальную фрикционную поверхность изготовленную из высокоуглеродистой стали. Данная конструкция способна увеличить срок службы маховика практически до бесконечности, так как пластина прикручивается к плоскости и может быть с лёгкостью демонтирована для перешлифовки или полной замены. Зубчатый венец стартера изготовлен из стали и прикручен к корпусу маховика болтами.
Отлично подходит для использования в автоспорте. Малый вес изделия значительно меньше по отношению к стандартным стальным или чугунным маховикам. Позволяет довольно ощутимо повысить мощность, за счёт снижения трансмиссионных потерь. Позволяет двигателю "раскручиваться" намного быстрее и как следствие быстрее ускоряться. Обладает очень высокой способностью рассеивания тепла. Прост в обслуживании и долговечен.
По типу конструкции маховики делятся на следующие виды:
Сплошной
Маховик сплошной конструкции самый распространенный, он имеет простую конструкцию и встречается в большинстве современных автомобильных двигателей. Представляет собой тяжелый чугунный диск, диаметром от 30 до 40 см. На его внешнюю поверхность напрессован стальной зубчатый венец обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при запуске двигателя с помощью стартера. С одной стороны маховика выполнена ступица для крепления к фланцу коленчатого вала, другая сторона играет роль ведущего диска сцепления.
Демпферный или двухмассовый
При работе двигателя на разных оборотах коленчатый вал постоянно закручивается и раскручивается, т.е. подвергается крутильным колебаниям. В двигателе применяются гасители крутильных колебаний различной конструкции. Одним из таких устройств является двухмассовый маховик (другое название – демпферный маховик), который применяется на автомобильных двигателях с 1985 года.
Маховик включает два диска, соединенные с помощью пружинно-демпферной системы, которая позволяет полностью изолировать трансмиссию от крутильных колебаний и обеспечить равномерную работу ее элементов. С применением двухмассового маховика отпадает необходимость демпфирующего устройства в ведомом диске сцепления.
Преимуществами двухмассового маховика являются:
- Приятие на себя избыточных вибраций коленчатого вала;
- Снижение шумов и гашение колебаний
- Защита трансмиссии от перегрузок и лишнего вращательного движения;
- Снижение возможного износа синхронизирующих элементов (синхронизаторов КПП);
- Обеспечение легкого и плавного включения скоростей;
- Обеспечение экономии расхода топлива.
При этом сильные нагрузки на подобный маховик приводят к интенсивному износу пружинно-демпферного механизма и поломке его отдельных деталей, к примеру, пружины.
Современные тенденции развития автомобильных двигателей, такие как даунсайзинг (уменьшение объема и массы двигателя с сохранением мощности) и даунспидинг (расширение диапазона крутящего момента двигателя с возможностью работы на низких оборотах), потребовали нового уровня гашения колебаний. С 2008 года на двигателях применяется двухмассовый маховик с маятниковым гасителем колебаний.
Для устранения неравномерностей вращения коленчатого вала в диапазоне низких оборотов на маховике вместе с дуговой пружиной устанавливается центробежный маятник. Он создает собственные колебания , которые в противофазе накладываются на сглаженные колебания после дуговой пружины и полностью их гасит.
Центробежный маятник выполнен в виде грузов, расположенных по окружности маховика. При низких оборотах двигателя грузы маятника раскачиваются сильнее, т.к. действующие на них центробежные силы малы. При увеличении оборотов амплитуда колебаний грузов уменьшается и их роль в гашении колебаний снижается.
Облегченный
Используется в спортивных двигателях и при тюнинге. Отличается относительно небольшой массой, сниженной относительно веса обычного маховика в 1,5 раза. Снижение веса удаётся достичь за счёт перераспределения веса к краям диска. Вместе с этим снижается инерция. Это позволяет двигателю быстрее выходить на максимальные рабочие обороты, улучшая разгонную динамику. Обеспечивает увеличение мощности до 7%. При изготовлении изделия используется износостойкий металл, выдерживающий большие нагрузки при работе, и позволяющий в то же время работать эффективно, быстро и бесшумно. Существует большое количество спортивных облегчённых маховиков, их делят на:
- алюминиевые
Алюминиевые маховики являются самими лёгкими среди всех тюнинговых маховиков.
- стальные
Компания ACT, SPEC, Clutchmasters.
Причины перехода от двухмассового маховика (DMF Dual-Mass Flywheel) к одномассовому (SMF Single-Mass Flywheel) маховику.
В настоящее время всё больше и больше современных автомобилей с завода оборудуются двухмассовыми демпферными маховиками. Но многие владельцы автомобилей, а особенно тюнеры стараются заменить двухмассовый маховик одномассовым по ряду причин, о которых ниже:
- Двухмассовый маховик дороже в обслуживании из-за более сложной конструкции
- Двухмассовый маховик обладает низкой ремонтопригодностью
- Двухмассовый маховик обладает весом от 13 кг и более, что достаточно сильно влияет на производительность двигателя, особенно на автомобилях оборудованных турбонагнетателями, так как увеличивается турбо-лаг (турбо-яма).
- Двухмассовый маховик плохо выдерживает очень активный (спортивный) стиль езды и быстро приходит в негодность
Преимущества одномассового маховика:
- Снижение вращающихся масс, улучшение отклика двигателя на педаль газа
- Снижение времени выхода турбокомпрессора на рабочие обороты (более ранний спул)
- Увеличение эффективности компрессора/суперчарджера за счёт уменьшения сопротивления на коленчатом вале
- Увеличение крутящего момента двигателя в среднем диапазоне оборотов на атмосферных двигателях
- Высокая ремонтопригодность и очень долгий срок службы
А вот какой одномассовый маховик выбрать, стальной или алюминиевый читайте во второй статье.