Koło zamachowe

Z Wikipedii

Film przedstawiający działanie koła zamachowego wymyślonego przez Leonardo da Vinci

Koło zamachowe - koło o dużym momencie bezwładności, wykorzystywane do krótkotrwałego magazynowania energii mechanicznej. Jest prostym akumulatorem mechanicznym gromadzącym energię kinetyczną. Stosowane w szeroko pojętej mechanice, znajduje zastosowanie zarówno w prostych konstrukcjach (np koło garncarskie) jak i w nowoczesnych silnikach.

[edytuj] Historia

Pierwsze ślady wskazujące na wykorzystywania bezwładności obracającego się elementu do podtrzymywania ruchu, czyli protoplasty koła zamachowego pochodzą z neolitu. Były używane do gromadzenia energii w kołach garncarskich. Po raz pierwszy zostało opisane przez arabskiego inżyniera Ibn Bassal'a w XI w. Zastosował on koło zamachowe do gromadzenia energii w pompie wodnej^[1]. Podczas rewolucji przemysłowej koło zamachowe było wykorzystywane w silnikach parowych.

[edytuj] Zastosowanie

Silniki spalinowe do podtrzymywania ruchu silnika podczas fazy sprężania, oraz do zapobiegania wahań chwilowej prędkości kątowej wału korbowego^[2].
Żyrobus do napędzania pojazdu między przystankami.
Agregacie tarłowym i przetwornicy demagnetyzacyjnej do wywarzania impulsów elektrycznych o średnim czasie trwania.
Koła garncarskie do utrzymywania stałej prędkości obrotowej warsztatu.

[edytuj] Fizyka koła zamachowego

Koło zamachowe wydrążone

Koło zamachowe wypełnione

Energia kinetyczna obracającego się koła zamachowego wyraża się wzorem:

$E_k=\frac{1}{2}\cdot I\cdot \omega^2$

Moment bezwładności koła zamachowego całkowicie wypełnionego:

$I_z = \frac{1}{2} mr^2$ ,

Moment bezwładności koła zamachowego wydrążonego:

$I_z = \frac{1}{2} m(R^2 + r^2)$

Dla koła będącego pierścieniem (r ≈ R), moment bezwładności osiąga największą możliwą wartość dla danego promienia zewnętrznego i jest równa:

$I_z = mR^2 \,$

gdzie:

$ω$ - prędkość kołowa koła zamachowego
$I$ - moment bezwładności masy względem osi obrotu koła
$m$ - masa koła zamachowego
$R$ - promień zewnętrzny koła zamachowego
$r$ - promień wewnętrzny koła zamachowego

[edytuj] Wnioski

Koło zamachowe szprychowe

Im większa masa koła zamachowego tym większą energię może zgromadzić.
Koło zamachowe wydrążone ma większą energię kinetyczną od koła zamachowego wypełnionego o tej samej masie, prędkości kątowej i promieniu zewnętrznym.
Energia gromadzona w kole jest proporcjonalna do kwadratu prędkości kątowej, dlatego tam gdzie to możliwe dąży się do zwiększenia obrotów koła.

[edytuj] Koło zamachowe dwumasowe

W silnikach czterocylindrowych cykle pracy poszczególnych cylindrów wypełniają niemal całkowicie czas pracy silnika a silniki takie nie wymagają ciężkiego koła zamachowego do podtrzymania ciągłości ruchu silnika, ale w trakcie cyklu pracy energia nie jest dostarczana równomiernie. Redukcja masy koła zamachowego prowadzi do dużych wibracji na małych obrotach silnika przenoszących się na skrzynię biegów powodującej jej zużywanie się jak i wywołuje zatrzymanie silnika przy szybszym puszczeniu sprzęgła. By zapobiec tym zjawiskom buduje się koła zamachowe o niewielkiej masie, których część jest zespolona z silnikiem a druga część ze skrzynią biegów, między te części zamontowane są elementy sprężyste wyrównujące moment dostarczany przez silnik, zapobiegające przenoszeniu drgań z silnika na skrzynię biegów. Konstrukcje tego typu nazywane są dwumasowymi kołami zamachowymi.

Dzięki zastosowaniu dwumasowego koła zamachowego zmniejszają się drgania na małych obrotach silnika, zostaje zmniejszone szarpnięcie w momencie załączania sprzęgła co pozwala na zmniejszenie spalania o ok 5% ^[3] oraz wydłuża czas życia skrzyni biegów i synchronizatorów. Kolejną zaletą stosowania koła dwumasowego jest zmniejszenie opóźnienia przy dodawaniu gazu. Niestety takie rozwiązanie jest dużo droższe od tradycyjnego i awaryjne. Szacuje się, że obecnie produkowany co czwarty samochód w Europie ma koło zamachowe dwumasowe^[3].