چرخ لنگر (چرخ طیار / فلایویل)

چرخ لنگر یک دستگاه مکانیکی است که به منظور ذخیره موثر انرژی چرخشی (انرژی حرکتی) به صورت نسبتی از مربع سرعت دورانی و جرم آن طراحی شده است. چرخ لنگرها در مقابل تغییرات سرعت دورانی به دلیل اینرسی خود مقاومت نشان داده و به منظور تغییر در انرژی ذخیره شده در چرخ لنگر (بدون تغییر در جرم آن) باید سرعت دورانی آن کم یا زیادتر شود. از آن‌جا که چرخ لنگرها را به عنوان دستگاه‌هایی برای ذخیره انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند از لحاظ ذخیره انرژی مکانیکی می‌توان آن‌ها را به عنوان مثال همسان خازن‌های الکتریکی در نظر گرفت که نوعی از انباشتگرها به حساب می‌آیند. همانند دیگر انواع انباشتگرها، چرخ لنگرها نوسانات در خروجی قدرت را هموار می‌کنند و در قدرت‌های بالا اختلالات قدرت را جذب نموده و به این طریق برای سیستم به عنوان فیلترهای عبور پایین برای سرعت مکانیکی (زاویه‌ای یا دیگر انواع سرعت) عمل می‌نمایند.

بیشتر بخوانید: فلایول و انواع آن

کاربردهای چرخ لنگر

• یکنواخت‌سازی قدرت خروجی از یک منبع انرژی. برای مثال از چرخ لنگرها در موتورهای رفت و برگشتی استفاده می‌شود، زیرا گشتاور فعال از هر کدام از پیستون‌ها به صورت منقطع بر شفت خروجی اعمال می‌شود.
• سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی
• تحویل انرژی در سرعت‌هایی ورای توانایی منبع انرژی. این امر با استفاده از تجمیع انرژی در یک چرخ لنگر در مرور زمان و سپس رهاسازی سریع آن در سرعت‌هایی که فراتر از توانایی‌های منبع انرژی می‌باشد، انجام می‌گردد.
• کنترل موقعیت یک سیستم مکانیکی، ژیروسکوپ یا چرخ واکنش

چرخ‌لنگرها عمومأ از آهن ساخته می‌شوند و حول یاتاقان‌های مرسوم چرخش می‌نمایند؛ معمولأ نرخ سرعت دورانی آن‌ها محدود به چند هزار RPM است. چرخ لنگرهای با چگالی بالای انرژی را می‌توان از کامپوزیت‌های فیبرکربنی و استفاده از یاتاقان‌های مغناطیسی ساخت، با این روش می‌توان به سرعت‌هایی تا RPM 60000 (kHz1) دست یافت.

اخیرأ و در آزمایشات واقعی، باتری‌های چرخ لنگری ساخته شده از کامپوزیت کربن ثابت کرده‌اند که برای استفاده در خودروهای مرسوم بسیار قابل اطمینان هستند. به علاوه دور انداختن آن‌ها بسیار بیشتر از باتری‌های مرسوم لیتیومی با طبیعت سازگاری دارد.

یک تراکتور Landini با چرخ لنگر عیان

از چرخ لنگرها معمولأ برای فراهم آوردن قدرت خروجی پیوسته در سیستم‌هایی که منبع انرژی به صورت پیوسته کار نمی‌کند، استفاده می‌شود. برای مثال از فلایویل به منظور هموار نمودن نوسانات سرعت زاویه‌ای شدید در میل‌لنگ یک موتور رفت و برگشتی استفاده می‌شود. در این مورد، چرخ لنگر میل‌لنگ انرژی را به هنگام اعمال گشتاور توسط پیستون تحت آتش در خود ذخیره کرده و آن را به پیستون در هنگام تراکم مخلوط تازه سوخت و هوا پس می‌دهد. مثال دیگر موتور اصطکاکی است که در آن به دستگاه‌های نظیر ماشین‌های اسباب‌بازی نیرو تحویل می‌دهد. در موارد سبک و نه چندان گران‌قیمت، به منظور کاهش هزینه، توده جرم چرخ لنگر را به سمت اطراف چرخ متمایل می‌سازند. با دور کردن جرم از مرکز چرخش اینرسی دورانی به ازای جرم ثابت افزایش می‌یابد.

همچنین از چرخ لنگر می‌توان به منظور تامین پالس‌های منقطع انرژی در سطوح قدرتی فراتر از توانایی‌های منبع انرژی استفاده نمود. این امر با تجمیع انرژی در چرخ لنگر طی زمان و با نرخی که متناسب با منبع انرژی باشد و سپس رها نمودن انرژی در سرعت‌های بالاتر طی زمان کوتاه‌تر به هنگام نیاز، انجام می‌شود. برای مثال از این چرخ لنگرها در چکش‌های قدرتی و ماشین‌های پرچ استفاده می‌شود.

از چرخ لنگر می‌توان برای کنترل جهت و جلوگیری از حرکات ناخواسته استفاده کرد. چرخ لنگرها در این زمینه کاربردهای گسترده‌ای از ژیروسکوپ برای ابزار‌های کنترلی تا پایداری کشتی‌ها و فضاپیماها (چرخ واکنش) گرفته تا حفظ چرخش یک اسباب‌بازی (موتور اصطکاکی) و پایداری اجسام معلق مغناطیسی (تعلیق مغناطیسی پایدار شده به وسیله چرخش) دارند.

همچنین می‌توان از چرخ لنگر به عنوان یک متعادل‌کننده الکتریکی مانند یک متعادل‌کننده سنکرون که می‌تواند توان ری‌اکتیو تولید یا مصرف نماید اما تاثیری بر قدرت حقیقی نداشته باشد، استفاده کرد. اهداف این کاربرد بهبود ضریب قدرت سیستم و یا تنظیم ولتاژ شبکه است. معمولا چرخ لنگرهای استفاده شده در این مورد از نظر ساختار و نصب مشابه موتورهای سنکرون می‌باشند (اما به آن‌ها متعادل‌کننده‌های سنکرون یا کندانسور سنکرون گفته می‌شود). همچنین انواع دیگری از متعادل‌کننده‌های با استفاده از چرخ لنگر مانند ماشین القایی تک فاز وجود دارد. اما ایده اصلی در این‌جا یکی است، چرخ لنگرها به نحوی کنترل می‌شوند که دقیقأ در فرکانس مورد نظر شما برای تعادل گردش نمایند. برای یک متعادل‌کننده سنکرون، شما همچنین نیاز دارید که ولتاژ روتور و استاتور را در یک فاز نگه دارید که این کار همانند نگه داشتن میدان مغناطیسی روتور و میدان کلی مغناطیسی در یک فاز است (در منبع چهارچوب دوار).

چرخ لنگر در خودروهای امروزی

تاریخچه چرخ لنگر

چرخ لنگر در دوک‌های عصر حجر و چرخ‌های کوزه‌گری همچنین سنگ‌های تیزکنی دایره‌ای در عهد عتیق یافت شده است.

چرخ لنگر مکانیکی به منظور هموار ساختن قدرت تحویلی از دستگاه نیرودهنده به ماشین و مخصوصأ به منظور بالا آوردن آب از اعماق زمین (تا عمق 200 متری) اولین بار توسط ابن بصال (I. Bassal) (1038- 1075) اهل آندلس استفاده شد.

استفاده از چرخ لنگر به عنوان یک دستگاه مکانیکی عمومی برای همسان کردن سرعت دورانی طبق نوشته‌های دانشمند قرون وسطای آمریکایی لین وایت (L. White)، در کتاب «هنرهای گوناگون» نوشته اندیشمند آلمانی تئوفیلوس پرس‌بایتر (Th. Presbyter) (1070- 1125) در تعدادی از ماشین‌های ساخته شده او وجود داشته است.

در طی انقلاب صنعتی، جیمز وات (J. Watt) از چرخ لنگر (فلایویل) در موتور بخار خود استفاده کرد و هم‌دوره او جیمز پیکارد (J. Pickard) نیز از یک چرخ لنگر به همراه یک لنگ برای تبدیل حرکت رفت و برگشتی به حرکت چرخشی استفاده نمود.

لوکوموتیو مدل Trevithick سال 802 از یک چرخ لنگر (فلایویل) برای توزیع یکنواخت قدرت موتور تک سیلندر خود استفاده می‌کرد.

فرمول های مربوط به چرخ لنگر

چرخ لنگر یک چرخ، دیسک یا یک روتور دوار حول محور تقارن خود است. انرژی به شکل انرژی حرکتی (به طور دقیق‌تر انرژی دوار) در روتور ذخیره می‌گردد.

که:

• E_k انرژی ذخیره شده حرکتی است.
• ω سرعت زاویه‌ای است.
• I مونتوم اینرسی چرخ لنگر حول محور تقارن آن است. ممان اینرسی مقیاسی برای مقاومت در برابر گشتاور اعمال شده به اشیاء دوار است (هر چه ممان اینرسی بیشتر باشد، شی تحت گشتاور اعمال شده مشخص دیرتر به شتاب می‌رسد).
• ممان اینرسی برای یک جسم صلب برابر است با 
• برای یک استوانه نازک توخالی برابر است با 
• و برای یک استوانه ضخیم تو خالی برابر است با 

که در آن m نشان‌دهنده جرم و r نشان‌دهنده شعاع می‌باشد.

به هنگام محاسبه در واحدهای SI، واحد جرم برابر کیلوگرم، واحد شعاع متر و واحد سرعت زاویه‌ای رادیان بر ثانیه است و انرژی به دست آمده در واحد ژول خواهد بود.

مقادیر انرژی چرخشی اضافه را می‌توان تا هنگامی که شفت تحمل آن را داشته باشد در چرخ لنگر ذخیره نمود. شکست شفت هنگامی رخ می‌دهد که استرس حلقوی درون روتور بیشتر از حد مقاومت کششی نهایی در مواد روتور شود.

که:

• σ_t استرس کششی در محیط استوانه است
• ρ چگالی استوانه است.
• r شعاع استوانه است.
• ꟺ سرعت زاویه‌ای استوانه است.

چرخ‌لنگرهای الکتریکی نیز بسیار مرسوم هستند. قدرت خروجی ماشین الکتریکی تقریبأ برابر با قدرت خروجی چرخ لنگر خواهد بود.

قدرت خروجی یک ماشین سنکرون برابر است با:

که:

• V_i ولتاژ بال روتور است و توسط میدان در تعامل با بال استاتور تولید می‌شود.
• V_t ولتاژ استاتور است
• σ زاویه گشتاور (زاویه بین دو ولتاژ) است.

برای یک طراحی خاص چرخ لنگر، انرژی حرکتی متناسب با نسبت استرس حلقوی به چگالی مواد و به جرم است:

عبارت بالا را می‌توان مقاومت کششی مخصوص نامید. چرخ لنگر با مواد با بیشترین مقاومت کششی می‌تواند بالاترین نرخ ذخیره انرژی در واحد جرم را داشته باشد. این دلیلی برای جلب توجهات به سمت استفاده از فیبرکربن است.

برای یک طرح مشخص، انرژی ذخیره شده متناسب با استرس حلقوی و حجم است:

یک چرخ لنگر حلقوی از حلقه، هسته و پره تشکیل شده است. محاسبه ممان اینرسی را می‌توان با اعمال چندین اصل ساده‌سازی آسان‌تر نمود. برای مثال:

• فرض کنید که پره‌ها، هسته و شفت ممان اینرسی برابر با صفر داشته باشند و ممان اینرسی فلایویل تنها به دلیل حلقه بیرونی آن باشد.
• ممان اینرسی کلی پره‌ها، هسته و شفت را می‌توان با درصدی از ممان اینرسی چرخ‌لنگر که بخش اعظم آن ناشی از حلقه است، محاسبه نمود.بنابراین 

برای مثال اگر ممان اینرسی هسته، پره‌ها و شفت قابل صرف نظر نمودن باشد و ضخامت حلقه در مقایسه با شعاع متوسط آن بسیار کوچک باشد، شعاع چرخش حلقه معادل شعاع متوسط بوده و بنابراین:

مواد مورد نیاز برای ساخت یک چرخ لنگر

چرخ لنگرها از مواد مختلفی ساخته می‌شوند؛ کاربرد آن‌ها مشخص‌کننده نوع ماده انتخابی می‌باشد. چرخ لنگرهای کوچک موجود در اسباب‌بازی‌های کودکان از سرب ساخته شده است. از چرخ لنگرهای چدنی در موتورهای قدیمی بخار استفاده می‌شد. چرخ لنگرهای موجود در موتور خودروها از چدن و یا چدن نشکن، فولاد یا آلومینیوم ساخته می‌شود. چرخ لنگرهای (فلایویل‌های) ساخته شده از فولاد با مقاومت بالا یا کامپوزیت را در سیستم‌های ذخیره انرژی خودرو و ترمز استفاده می‌کنند.

راندمان یک چرخ لنگر با بیشینه مقدار انرژی قابل ذخیره به ازای واحد جرم آن تعیین می‌شود. با افزایش سرعت چرخشی یا سرعت زاویه‌ای چرخ لنگر، انرژی ذخیره شده بیشتر می‌شود؛ اگر چه تنش‌ها نیز افزایش خواهد یافت. اگر تنش حلقوی از مقاومت کششی مواد شفت بیشتر شود، چرخ لنگر خواهد شکست. بنابراین عامل محدودکننده میزان انرژی قابل ذخیره در یک چرخ لنگر همانا مقاومت کششی آن می‌باشد.

با توجه به این موضوع استفاده از سرب در اسباب‌بازی کودکان روش موثری نیست؛ اگرچه که در این مورد سرعت چرخ لنگر هرگز به سرعت تخریب آن نزدیک نمی‌شود زیرا محدود به قدرت کشش دست کودک است. در دیگر کاربردها مانند اتومبیل، چرخ لنگر در سرعت زاویه‌ای خاصی کار می‌کند و محدودیت موجود فضایی است که باید در آن جا شود بنابراین در این مورد هدف بیشینه کردن میزان انرژی قابل ذخیره به ازای واحد حجم است. بنابراین انتخاب مواد به کاربرد مورد نظر بستگی دارد.

جدول زیر شامل مقادیر محاسبه شده برای مواد و شرحی از مناسب بودن هر یک برای کاربردهای مختلف فلایویل است. در اینجا منظور از CFRP پلیمر تقویت شده با فیبر کربن و منظور از GFRP پلیمر تقویت شده با پشم شیشه می‌باشد.

یک چرخ لنگر صنعتی

جدول زیر نشان‌دهنده مقادیر محاسبه شده برای جرم، شعاع و سرعت زاویه‌ای برای ذخیره J 250 انرژی می‌باشد. چرخ‌لنگر فیبرکربنی با اختلاف بهترین راندمان را دارد؛ اگرچه بیشترین شعاع نیز برای این مورد است. در کاربردهایی (مانند اتومبیل) که حجم محدود است، چرخ لنگر با جنس فیبر کربن شاید بهترین گزینه ممکن نباشد.

جدول ویژگی‌های ذخیره انرژی

برای مقایسه، چگالی انرژی سوخت (بنزین) معادل MJ/kg 4/44 یا kWh/kg 3/12 است.

چرخ لنگر بدون شفت

یک چرخ‌لنگر بدون شفت (پلوس) سوراخ‌های شعاعی، شفت و هسته را در خود حذف کرده است. نسبت به عنوان مرسوم چگالی انرژی بالاتری داشته اما نیازمند یاتاقان‌بندی مخصوص مغناطیسی و سیستم کنترل مخصوص می‌باشد.

انرژی مخصوص یک چرخ لنگر توسط عبارت زیر تعیین می‌گردد:

که در آن K ضریب شکل، σ مقاومت کششی مواد و ρ برابر با چگالی است. یک چرخ‌لنگر معمولی دارای ضریب شکل 3/0 است. در طراحی‌های بهتر، مانند چرخ لنگر بدون شفت، ضریب شکل تا 6/0 هم می‌رسد. حد نظری برای ضریب شکل برابر با 1 می‌باشد.

ابرچرخ لنگر (فلایویل چندلایه)

اولین ابرچرخ‌لنگر در سال 1964 توسط دانشمند اهل شوروی نوربی گویلیا (N. Guilia) ثبت اختراع گردید. یک ابرچرخ شامل یک هسته صلب و چندین لایه نازک از مواد با مقاومت بالا و منعطف مانند فولادهای مخصوص، کامپوزیت‌های فیبرکربن، پشم شیشه یا گرافین با پشم در دور آن است. در مقایسه با چرخ لنگرهای معمولی، ابرچرخ‌لنگرها می‌توانند انرژی بیشتری در خود ذخیره کرده و ایمنی بیشتری در هنگام کار داشته باشند.

در صورت خرابی، ابرچرخ‌لنگر مانند نمونه‌های معمولی چرخ‌لنگر منفجر یا تکه تکه نمی‌شود اما در عوض به صورت لایه لایه از یکدیگر جدا خواهد شد. لایه‌های جدا شده سپس با لغزش در برابر دیواره داخلی محفظه چرخ لنگر سرعت آن را کم کرده و بنابراین از هر گونه آسیب شدیدتر جلوگیری می‌نمایند.

اگرچه که مقدار دقیق چگالی انرژی یک ابرچرخ‌لنگر به جنش مواد استفاده شده بستگی دارد، اما می‌توان به صورت نظری آن را بالاتر از Wh 1200 یا MJ 4/4 به ازای هر کیلوگرم گرافین فرض نمود.

چرخ لنگر با جرم دوگانه

یک فلایویل با جرم دوگانه (DMF یا DMFW) یک دستگاه مکانیکی دوار است که برای تامین انرژی پیوسته (انرژی دورانی) در سیستم‌هایی که در آن منبع انرژی پیوسته نیست، همان گونه که یک چرخ‌لنگر معمولی به کار می‌رود، استفاده می‌شود. اما در آن هر گونه تغییر شدید در گشتاور یا دور که ممکن است سبب ایجاد ارتعاشات ناخواسته شود، جذب می‌گردد. کاهش ارتعاش با تجمیع انرژی ذخیره شده در دو نیم چرخ در طی زمان به دست می‌آید، اما توسط تعدادی از فنرهای قدرتمند دفع می‌گردد. این کار با نرخی متناسب با منبع انرژی و سپس با رهاسازی آن با نرخی بسیار بیشتر در زمانی نسبتأ کوتاه‌تر انجام می‌شود. یک چرخ‌لنگر فشرده با جرم دوگانه اغلب شامل کلاچ کامل یعنی صفحه فشاری و صفحه اصطکاکی می‌باشد.

تاریخچه چرخ لنگر با جرم دوگانه

چرخ‌لنگرهای با جرم دوگانه برای پاسخگویی به افزایش گشتاور و قدرت مخصوصأ در دورهای پایین توسعه یافتند. نگرانی‌های رو به گسترش محیط زیستی و لزوم تطبیق با مقررات سخت‌گیرانه عامل مهمی در توسعه موتورهای جدید با راندمان بالاتر شده است. تعداد سیلندرها به 3 یا حتی 2 سیلندر کاهش یافته و قدرت و گشتاور بیشتری در تعداد دورهای پایین‌تر تولید می‌شود. هزینه این امر افزایش سطح ارتعاش است و در این حالت کلاچ‌های مرسوم توانایی جذب آن را نخواهند داشت. اینجا همان نقطه‌ای است که فلایویل‌ها با جرم دوگانه نقش کلیدی خود را ایفا می‌نمایند و می‌توانند راه حلی برای این گونه موتورها باشند.

ظرفیت جذب ارتعاشات به قطعات متحرک DMF بستگی دارد، این قطعات در معرض استهلاک هستند. به هنگام تعویض کلاچ، باید DMF را به منظور عدم استهلاک بررسی نمود. دو مشخصه کلیدی استهلاک عبارتند از هرزگردی و حرکات به طرفین. این دو عامل را باید به منظور تعیین قابلیت استفاده از چرخ لنگر بررسی نمود. مشخصات حدود استهلاک را می‌توان در دفترچه خودرو یا مستندات منتشر شده تولید‌کننده پیدا کرد. دیگر حالات خرابی شامل شیارهای عمیق و صدمات شدید در سطح کلاچ، افت روغن و یا ترک می‌باشد.

مبدل گشتاور Schaeffler با جاذب آونگی با استفاده از فنرهای خمیده DMF

انواع چرخ لنگر با جرم دوگانه

نوع اصلی به DMF سیاره‌ای معروف است. دنده و جاذب پیچشی سیاره‌ای درون چرخ لنگر اصلی کار گذاشته شده است. به این منظور، چرخ لنگر اصلی به دو بخش اولیه و ثانویه به وسیله جرم‌هایی با اتصال پینیونی تقسیم شده است و بین آن‌ها چهار نوع مختلف از فنرهای خمیده وجود دارد:

اصول کاری چرخ لنگر با جرم دوگانه.

مشکی: فنرهای جاذب.

قرمز: فلایویل، سمت میل‌لنگ

آبی: فلایویل، سمت گیربکس

1- فنرهای خمیده تکی

ساده‌ترین شکل فنرهای خمیده، فنرهای تکی استاندارد است.

2- فنرهای خمیده موازی تک فاز

فنرهای استاندارد را فنرهای موازی تک فاز می‌نامند. این ترکیب شامل یک فنر درونی و یک فنر بیرونی با طول‌های تقریبأ یکسان و به صورت موازی متصل به یکدیگر می‌باشد. منحنی مشخصات انفرادی این دو فنر به منظور شکل‌گیری منحنی مشخصات فنر جفت به یکدیگر افزوده می‌شود.

3- فنرهای خمیده موازی دو فاز

در حالت فنر دومرحله‌ای دو فنر منحنی موازی وجود دارد، یکی درون دیگری اما فنر درونی کوتاه‌تر بوده تا بتواند پس از فنر بیرونی فعال شود. منحنی مشخصات فنر بیرونی در هنگام استارت موتور افزایش خواهد یافت. فنر نرم‌تر بیرونی تنها به منظور افزایش دامنه فرکانس رزونانس مشکل‌آفرین به کار می‌رود. به هنگام افزایش گشتاور و هنگامی که به بیشینه مقدار خود می‌رسد، فنر درونی نیز وارد مدار می‌گردد. در این حالت فنرهای درونی و بیرونی با یکدیگر عمل خواهند نمود. همکاری هر دو فنر تضمین‌کننده ایزولاسیون آکوستیک در تمامی سرعت‌های مختلف موتور خواهد بود.

4- فنر خمیده سه فاز

این فنر منحنی از یک فنر بیرونی و دو فنر درونی با مشخصات کشسانی مختلف با اتصال به صورت سری ساخته شده است. این دسته از فنرهای خمیده از دو ایده در کنار هم استفاده می‌کنند: اتصال موازی و سری در راستای تضمین خنثی نمودن بهینه برای تمامی گشتاورهای پیچشی اعمال شده.

اگر قصد خرید لوازم یدکی کیا و یا لوازم یدکی هیوندای را دارید ولی در این حوزه اطلاعاتی ندارید میتوانید برای دریافت مشاوره با کارشناسان ما تماس بگیرید.