플라이휠이란? - 정의, 부품, 유형 및 기능

플라이휠이란?

플라이휠은 회전 에너지를 저장하기 위해 각운동량 보존을 사용하는 기계 장치입니다. 관성 모멘트와 회전 속도의 제곱의 곱에 비례하는 운동 에너지의 한 형태.

플라이휠은 엔진에서 기계로의 동력 전달을 원활하게 하기 위해 회전축에 부착된 무거운 바퀴입니다. 자동차 엔진에서 플라이휠은 실린더에서 연소에 의해 제공되는 에너지 펄스를 부드럽게 하고 피스톤의 압축 행정에 에너지를 제공하는 역할을 합니다.

플라이휠의 관성은 엔진 속도 변동을 억제하고 조절하며 간헐적 사용을 위해 초과 에너지를 저장합니다. 속도 변동에 효과적으로 대응하기 위해 플라이휠에 높은 회전 관성이 부여됩니다. 즉, 무게의 대부분이 축에서 멀리 떨어져 있습니다.

스포크 또는 웹으로 중앙 허브에 연결된 무거운 림이 있는 휠은 회전 관성이 높습니다. 동력 흐름을 원활하게 하기 위해 왕복 엔진에 사용되는 많은 플라이휠이 이러한 방식으로 만들어집니다.

그러나 플라이휠에 저장된 에너지는 무게 분포와 속도 모두에 따라 달라집니다. 속도가 2배이면 운동 에너지는 4배가 됩니다. 림형 플라이휠은 동일한 무게와 직경의 디스크 휠보다 훨씬 낮은 RPM에서 파열됩니다.

최소한의 무게와 높은 에너지 저장 용량을 위해 플라이휠은 고강도 강철로 제작할 수 있으며 중앙은 두껍고 림 주변은 얇은 원추형 디스크로 설계할 수 있습니다.

자동차 엔진에서 플라이휠은 실린더에서 연소에 의해 제공되는 에너지 펄스를 부드럽게 하고 피스톤의 압축 행정에 에너지를 제공하는 역할을 합니다. 플라이휠의 회전 관성이 클수록 간헐적인 전원 공급 및 수요로 인한 속도 변화가 작아집니다.

 

플라이휠의 용도는?

▷ 에너지원의 전력 출력을 평활화합니다. 예를 들어 플라이휠은 개별 피스톤의 활성 토크가 간헐적이기 때문에 왕복 엔진에 사용됩니다.
▷ 에너지 저장 시스템
▷ 에너지원의 능력을 초과하는 속도로 에너지를 전달합니다. 시간이 지남에 따라 플라이휠에서 에너지를 수집한 다음 에너지원의 능력을 초과하는 속도로 빠르게 방출함으로써 이를 수행합니다.
▷ 기계 시스템, 자이로스코프 및 반력 휠의 정렬 제어

플라이휠은 일반적으로 강철로 만들어지며 기존 베어링에서 회전합니다. 이들은 일반적으로 수천 rpm의 최대 속도로 제한됩니다. 고에너지 밀도 플라이휠은 탄소 섬유 복합 재료로 만들 수 있으며 최대 60,000rpm(1kHz)의 속도로 회전할 수 있는 자기 베어링을 사용할 수 있습니다.

 

플라이휠의 부품

 

플라이휠 하우징(Flywheel Housing)
플라이휠 하우징은 견고하며 플라이휠 외부에 있습니다. 플라이휠은 회전하고 발전기에 전력을 공급하는 엔진의 일부입니다.

스프링(Springs)
플라이휠은 평행하게 구부러진 2상 스프링으로 구성됩니다. 외부 호는 엔진이 작동 중일 때 스프링을 올리도록 조정됩니다. 부드러운 외부 활 스프링은 불안전한 공진 주파수 범위를 개선하기 위해서만 사용됩니다.

플래닛 휠(Planet Wheel)
플래닛 휠은 플라이휠 홀더에 부착된 많은 플래닛 기어로 구성됩니다. 플라이휠 마운트가 나사로 작동되고 회전할 때 외부 링 기어와 맞물리면 각 유성 기어 회전 및 회전으로 구성된 복합 동작이 생성됩니다.

액시얼 및 레이디얼 플레인 베어링(Axial and radial plain bearings)
축 방향으로 작용하는 베어링은 무게의 균형을 유지하는 역할만 하는 반면 모터 또는 발전기 장치에 의해 도입되는 불균형 또는 기생 반경 방향 힘은 반경 방향 베어링으로 ​​보상되어야 합니다.

링 기어(Ring gear)
플라이휠의 외경에는 링 기어가 부착되어 있습니다. 플라이휠의 고정은 일반적으로 링 기어를 가열하여 생성되는 간섭 맞춤의 도움으로 수행됩니다. 따라서 열팽창으로 인해 플라이휠 주위에 배치될 수 있습니다.

서포트 디스크(Support Disc)
이름에서 알 수 있듯이 지지 디스크는 플라이휠에 배치되어 2상 구부러진 스프링과 플라이휠의 기타 구성 요소를 지원합니다.

플라이휠 슬라이딩 슈(Flywheel sliding shoe)
슬라이딩 슈는 바람직하게는 플라이휠의 내벽에 기대어 있는 볼록한 방사상 외부 영역을 갖는다. 이 영역에서는 미끄럼 방지 및 내마모성으로 만드는 것이 바람직합니다.

플라이휠 커버(Flywheel Cover)
플라이휠 커버는 일반적으로 크롬으로 만들어집니다. 이 크롬 도금 플라이휠 커버는 먼지가 플라이휠의 내부 기능으로 들어가 제대로 작동하지 못하게 하는 것을 방지합니다.

 

플라이휠의 기능

플라이휠은 모터에서 기계로 동력을 원활하게 전달하기 위해 회전축에 부착된 무거운 바퀴입니다. 플라이휠의 관성은 엔진 속도의 변동을 억제하고 조절하며 간헐적인 사용을 위해 초과 에너지를 저장합니다.
플라이휠은 여기에서 설명하는 다양한 용도로 사용되기 때문에 거의 모든 유형의 자동차에서 볼 수 있습니다. 자동차 엔진에서 플라이휠의 기능은 다음과 같습니다.

엔진 밸런싱
피스톤이 크랭크축 중심에서 오프셋되어 진동이 발생하기 때문입니다. 이것은 또한 각 피스톤이 다른 각도로 발사되기 때문입니다.
이 상황에서 플라이휠의 기능은 옆으로 움직이는 것을 억제하는 것입니다. 이것은 플라이휠의 중량물에 의해 달성됩니다. 플라이휠은 엔진이 베어링에서 안정되고 균형을 이루면서 엔진 전체의 진동을 줄입니다.

엔진 시동
플라이휠은 엔진 시동에 추가적인 역할을 합니다. 플라이휠의 톱니는 스타터 모터에 부착되어 있습니다. 이 스타터는 차량 키로 제어되므로 차량이 시동될 때 스타터가 플라이휠을 돌립니다.
엔진이 회전하는 즉시 연소 효과가 엔진을 계속 회전시킵니다. 시동된 모터의 Bendix 기어박스는 플라이휠이 자유롭게 회전할 수 있도록 수축됩니다.

드라이브 트레인의 부하 감소
플라이휠의 또 다른 기능은 엔진의 움직임을 안정화시켜 이루어집니다. 또한 엔진 속도를 부드럽게 하고 구동 부품의 마모를 줄입니다.
플라이휠은 또한 변속기 샤프트와 구동 샤프트 사이의 마모를 제한합니다. 이 둘은 유니버설 조인트로 연결됩니다.

감속
크랭크축은 힘이 생성될 때 피스톤 운동을 급격한 회전 운동으로 변환합니다. 크랭크 샤프트의 속도는 일정하고 엔진은 부드럽게 작동합니다. 이것은 플라이휠의 질량이 각 피스톤 발사 사이에서 엔진 크랭크축이 회전하도록 유지하는 관성을 생성하기 때문입니다.

무게
플라이휠의 무게는 엔진의 성능을 결정합니다. 무게는 차량의 성능에 따라 다릅니다.
더 무거운 플라이휠을 사용하면 엔진이 부하 상태에서 작동하여 엔진이 정지할 수 있습니다. 대형 트럭이나 트레일러는 더 무거운 플라이휠과 잘 작동하는 반면 스포츠카와 일부 상업용 차량은 더 가벼운 플라이휠을 잘 사용합니다.

 

플라이휠의 작동 원리

플라이휠은 본질적으로 축을 중심으로 회전하는 질량으로 구성된 기계식 배터리입니다. 운동 에너지의 형태로 에너지를 저장하고 로터를 초고속으로 가속하고 시스템의 에너지를 회전 에너지로 유지하여 작동합니다.

플라이휠은 에너지를 저장하기 위해 어떻게 작동할까?
글쎄, 당신은 그것을 기계식 배터리의 메커니즘에 비교할 수 있습니다. 배터리가 화학적 형태로 에너지를 저장하는 반면 플라이휠은 정확하게 운동이나 운동 에너지의 형태로 전력을 보존합니다.
플라이휠은 더 빠른 속도로 회전하거나 더 큰 관성 모멘트를 가지면 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 그러나 질량을 늘리는 것보다 빠르게 회전시킬 때 항상 가장 잘 작동합니다.
예를 들어 바퀴는 무게가 절반인 바퀴보다 두 배의 에너지를 생산합니다. 둘 다 같은 속도로 회전한다는 점을 감안할 때입니다. 반면에 더 가벼운 바퀴를 두 배 빠르게 돌리면 저장된 에너지의 양이 네 배가 됩니다.
그렇기 때문에 무거운 무게를 가진 유닛보다는 가볍고 빠른 휠을 사용하는 것이 항상 좋습니다. 또한 소형 플라이휠은 고속으로 달릴 수 있도록 최대한 가벼워야 하기 때문에 레이싱 카에서 실용적입니다.

속도를 계속 높일 때 플라이휠은 어떻게 작동할까?
바퀴의 재질이 힘을 견디지 못하고 파편으로 부서지는 지점이 있기 때문에 불가능합니다.

 

플라이휠의 종류

1. 솔리드 디스크 플라이휠(Solid Disc Flywheel)
솔리드 디스크 플라이휠은 플라이휠의 한 유형입니다. 주철로 만든 단일 플라이휠 탈곡기에 사용됩니다. 전체 디스크 플라이휠에는 플라이휠 허브와 디스크가 장착되어 있습니다.
전체 디스크 플라이휠의 설계를 계산할 때 다양한 매개변수가 입력으로 사용됩니다. 여기에는 전체 디스크 플라이휠의 치수가 포함됩니다. 결과 함수 값도 계산됩니다.

2. 테두리가 있는 플라이휠(Rimmed Flywheel)
림형 플라이휠은 동일한 무게와 직경의 전체 디스크 휠보다 훨씬 느린 속도로 폭발합니다. 최소 무게와 높은 에너지 저장 용량을 위해 플라이휠은 고강도 강철로 형성되고 중앙에 두꺼운 원추형 디스크로 제조될 수 있습니다.

3. 고속 플라이휠(High-Velocity Flywheel)
이러한 유형의 플라이휠에서 고속 플라이휠의 속도는 30,000rpm에서 80,000rpm 사이입니다. 이것은 또한 100,000rpm까지 설정할 수 있습니다.
자기 부상 베어링이 있으며 유지 보수가 적습니다. 저속 플라이휠에 비해 크기/용량에 따라 가볍습니다. 저속 플라이휠보다 더 비쌉니다.

4. 저속 플라이휠(Low-Velocity Flywheel)
이러한 유형의 플라이휠에서 저속 플라이휠의 속도는 10,000rpm입니다. 그들은 고속 플라이휠보다 무겁고 부피가 큽니다.
때때로 유지 보수가 필요하며 자기 부상 베어링을 사용하지 않습니다. 그들의 설치에는 무게를 지탱할 특별한 콘크리트 구조물이 필요합니다. 그들은 고속 플라이휠보다 저렴합니다.

 

플라이휠은 무엇으로 구성되어 있을까?

플라이휠은 다양한 재료로 만들어집니다. 응용 프로그램은 재료 선택을 결정합니다. 작은 리드 플라이휠은 어린이 장난감에서 찾을 수 있습니다. 주철 플라이휠은 오래된 증기 기관에 사용됩니다.

자동차 엔진의 플라이휠은 주철 또는 구상흑연주철, 강철 또는 알루미늄으로 만들어집니다. 자동차 에너지 저장 및 제동 시스템에 사용하기 위해 고강도 강철 또는 복합 플라이휠이 제안되었습니다.

플라이휠의 효율성은 단위 중량당 저장할 수 있는 최대 에너지 양에 의해 결정됩니다. 플라이휠의 회전 속도 또는 각속도가 증가함에 따라 저장된 에너지가 증가합니다. 그러나 스트레스도 증가하고 있습니다.

후프 응력이 재료의 인장 강도를 초과하면 플라이휠이 파손됩니다. 따라서 인장 강도는 플라이휠이 저장할 수 있는 에너지의 양을 제한합니다.

이러한 맥락에서 어린이 장난감의 플라이휠에 납을 사용하는 것은 효율적이지 않습니다. 그러나 이 경우 한계는 어린이의 당기는 힘이기 때문에 플라이휠 속도는 버스트 속도에 절대 접근하지 않습니다.

자동차와 같은 다른 응용 분야에서 플라이휠은 특정 각속도로 작동하고 꼭 맞아야 하는 공간에 의해 제한되므로 목표는 단위 부피당 저장된 에너지를 최대화하는 것입니다. 따라서 재료 선택은 응용 프로그램에 따라 다릅니다.

 

불량 플라이휠의 증상

불행히도 플라이휠은 영원히 지속되지 않습니다. 차량에서 꾸준히 사용하다보면 점차 마모가 됩니다. 플라이휠이 너무 마모되거나 손상되면 무시할 수 없는 몇 가지 눈에 띄는 증상이 있습니다.
이러한 증상이 너무 오래 지속되지 않도록 하십시오. 그렇지 않으면 차량의 전반적인 주행성에 영향을 미칠 수 있습니다. 다음은 불량 플라이휠의 가장 일반적인 징후입니다.

1. 기어 미끄러짐
기어를 올릴 때 기어가 미끄러지는 현상이 더 자주 발생합니다. 예를 들어, 2단 기어에서 3단 기어로 차를 넣을 수 있습니다. 기어를 변속하면 엔진이 회전하고 기어가 변속되지 않았음을 알 수 있습니다. 차가 전진하려고 했던 기어로 다시 미끄러졌거나 이 경우에는 다시 2단 기어로 미끄러졌을 수 있습니다.
불행히도 기어가 미끄러지는 것은 클러치 문제의 신호이기도 합니다. 따라서 기어가 미끄러지는 현상이 발생하면 다른 신호를 찾아 클러치나 플라이휠에 문제가 있는지 판단해야 합니다.

2. 타는 냄새
객실에 타는 냄새가 나는 경우 여러 가지 원인이 있을 수 있습니다. 나쁜 플라이휠은 클러치의 마찰로 인해 발생하는 모든 열 때문에 원인 중 하나일 수 있습니다.
필요하지 않은 시간에 클러치를 사용한 경우 플라이휠에 문제가 발생할 수 있습니다.

3. 클러치 채터
클러치 페달에 많은 진동이 발생하면 플라이휠이 나빠질 수 있습니다. 진동은 결국 너무 심해져서 클러치 페달에서가 아니라 바닥에서 느낄 수 있습니다.
차량을 운전할 때 플라이휠은 시간이 지남에 따라 과도한 런아웃이 발생하여 클러치를 걸 때 표면이 뒤틀리는 느낌이 들 수 있습니다.
플라이휠을 과열시키거나 마지막 다리에 있는 클러치로 너무 오래 운전했다면 과도한 열이나 금속 마모로 인해 플라이휠이 손상되었을 가능성이 매우 큽니다. 리벳까지 마모된 클러치는 플라이휠을 손상시킵니다.
손상된 플라이휠은 금속이 작동 온도를 훨씬 초과하여 가열되기 때문에 푸른 빛을 띌 수 있습니다. 표면에 약간의 갈라진 틈도 보일 것입니다. 플라이휠이 가열 및 냉각됨에 따라 표면에 금속이 번질 수도 있습니다.
일부 플라이휠에는 이중 질량 플라이휠과 같은 스프링이 포함되어 있습니다. 자동차에 이들 중 하나가 장착되어 있는 경우 플라이휠의 스프링이 이러한 진동을 유발할 수 있습니다. 듀얼 매스 플라이휠은 표준 플라이휠처럼 다시 표면 처리할 수 없으므로 교체가 필요할 수 있습니다.

4. 시작할 수 없거나 일관되지 않은 시작
플라이휠의 톱니가 손상된 경우 플라이휠이 스타터 모터와 결합하는 데 문제가 있을 수 있습니다. 이로 인해 차량 시동이 어렵거나 불가능할 수 있습니다.
차량 시동에 문제가 있는 경우 시동 장치도 살펴보는 것이 좋습니다.

5. 엔진 멈춤
차량(또는 운전자)에게 너무 가벼운 애프터마켓 플라이휠은 차량을 정지시키는 것을 훨씬 더 쉽게 만들고 거친 공회전을 줄 수 있습니다.
매우 가벼운 플라이휠에서는 엔진 속도가 너무 빨리 떨어져 ECU가 이를 보완하기 위해 추가 공기와 연료를 추가할 수 없기 때문에 클러치를 밀어 넣는 것만으로도 차량을 실속시킬 수 있습니다.

6. 클러치가 걸린 엔진 진동
플라이휠의 균형이 맞지 않으면 클러치가 결합된 상태에서도 전체 파워트레인이 진동할 수 있습니다.
최근에 클러치, 플라이휠 또는 압력판을 교체한 경우 모든 볼트를 사양에 맞게 조이고 공장 서비스 설명서에 명시된 경우 나사산 잠금 장치를 적용했는지 확인하십시오. 플라이휠은 플라이휠에 상당한 양의 에너지가 저장되어 있기 때문에 주행 중 느슨해지거나 분해되는 플라이휠은 매우 위험합니다.
플라이휠은 매우 무거우며 모든 것이 균형을 이루고 제대로 정렬되지 않으면 차량을 상당히 흔들 수 있습니다.