Koło zamachowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Koło zamachowe maszyny parowej.
Film przedstawiający działanie koła zamachowego wymyślonego przez Leonardo da Vinci

Koło zamachowekoło 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.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Pierwsze ślady wskazujące na wykorzystywanie 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 Bassala w XI w. Zastosował on koło zamachowe do gromadzenia energii w pompie wodnej[1]. Podczas rewolucji przemysłowej koło zamachowe było wykorzystywane w silnikach parowych.

Koło zamachowe szprychowe

Zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Fizyka koła zamachowego[edytuj | edytuj kod]

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 = \frac{1}{2} mR^2,

Moment bezwładności koła zamachowego wydrążonego:

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

Dla cienkiego pierścienia (r ≈ R) moment bezwładności osiąga największą możliwą wartość spośród wszystkich kół o tej samej masie i tym samym promieniu zewnętrznym. Jest ona równa:

I = mR^2 \,

gdzie:

 \omega prędkość kątowa koła zamachowego,
I – moment bezwładności masy względem osi obrotu koła,
m – masa koła zamachowego,
Rpromień zewnętrzny koła zamachowego,
r – promień wewnętrzny koła zamachowego.

Z powyższych wzorów wynika, że im większy jest moment bezwładności koła zamachowego, tym większą energię może ono zgromadzić, dlatego możliwie największa część masy koła zamachowego powinna być zlokalizowana na jego obrzeżu. Energia gromadzona w kole jest proporcjonalna do kwadratu prędkości kątowej, dlatego tam, gdzie to możliwe, dąży się do zwiększenia prędkości obrotów koła.

Przykłady kół zamachowych i energia jaką gromadzą[edytuj | edytuj kod]

Obiekt    k*    Masa
[kg]
Średnica
[cm]
Obroty na minutę
[rpm]
Energia
[J]
Koło rowerowe przy prędkości 20 km/h 1 1 70 150 15
Koło rowerowe przy prędkości 40 km/h 1 1 70 300 60
Koło pociągu, 60 km/h 1/2 942 100 318 65 000
Mały akumulator energii kinetycznej 1/2 100 60 20000 9 800 000
Kula ziemska 2/5 5,97·1024 1,27·109 1 / 1440 2,5·1023

*k jest współczynnikiem kształtu we wzorze na moment bezwładności: I = k m r2 (podane wartości są orientacyjne)

Koło zamachowe dwumasowe[edytuj | edytuj kod]

Koło zamachowe dwumasowe

W silnikach spalinowych czterocylindrowych (i większych) cykle pracy poszczególnych cylindrów wypełniają niemal całkowicie czas pracy silnika. Takie silniki 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. Wibracje te przenoszą się na skrzynię biegów i powodują jej przyspieszone zużycie. Ponadto, silnik ze zbyt lekkim kołem zamachowym może się zatrzymywać przy szybszym puszczeniu sprzęgła. By zapobiec tym zjawiskom stosuje się koło zamachowe dwumasowe. Składa się ono z dwóch lżejszych kół zamachowych połączonych tłumikiem drgań skrętnych. Jedno z kół zespolone jest z silnikiem, drugie ze skrzynią biegów, zaś elementy sprężyste tłumika drgań zapobiegają przenoszeniu wibracji z silnika na skrzynię biegów.

Dzięki zastosowaniu dwumasowego koła zamachowego zmniejszają się drgania na małych obrotach silnika, zostaje również zmniejszone szarpnięcie w momencie załączania sprzęgła. Ponadto, koło dwumasowe pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa o ok. 5%[3] oraz wydłuża czas użytkowania skrzyni biegów i synchronizatorów. Kolejną zaletą stosowania koła dwumasowego jest zmniejszenie opóźnienia przy dodawaniu gazu. Takie rozwiązanie jest jednak droższe od tradycyjnego, ponadto, w wielu przypadkach koło dwumasowe okazywało się elementem o wysokiej awaryjności[4]. Szacuje się, że co czwarty obecnie (2006 r.) produkowany samochód w Europie ma koło zamachowe dwumasowe[3].

Galeria[edytuj | edytuj kod]

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Ahmad Y. al-Hassan: Flywheel Effect for a Saqiya From Kitab al-Filaha of Ibn Bassal (ang.). W: History of Science and Technology in Islam [on-line]. [dostęp 2015-05-01].
  2. praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1985. ISBN 83-204-0759.
  3. 3,0 3,1 Dwumasowe koło zamachowe
  4. Koło dwumasowe - Dwie masy to kupa kasy!