Koło zamachowe

Koło zamachowe maszyny parowej.

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.

Historia

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 Bassal'a w XI w. Zastosował on koło zamachowe do gromadzenia energii w pompie wodnej. Podczas rewolucji przemysłowej koło zamachowe było wykorzystywane w silnikach parowych.

Koło zamachowe szprychowe

Zastosowanie

• Silniki spalinowe – do podtrzymywania ruchu silnika podczas fazy sprężania, oraz do zapobiegania wahań chwilowej prędkości kątowej wału korbowego.
• Żyrobus – do napędzania pojazdu między przystankami.
• Agregat trałowy i przetwornica demagnetyzacyjna – do wywarzania impulsów elektrycznych o średnim czasie trwania.
• Koła garncarskie – do utrzymywania stałej prędkości obrotowej warsztatu.

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:

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

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:

ω – prędkość kątowa koła zamachowego,

I – moment bezwładności masy względem osi obrotu koła,

m – masa koła zamachowego,

R – promień zewnętrzny koła zamachowego,

r – promień wewnętrzny koła zamachowego.

Wnioski

• 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 prędkości obrotów koła.

Przykłady kół zamachowych i energia jaką gromadzą

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

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% oraz wydłuża czas życia 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. Szacuje się, że co czwarty obecnie (2006 r.) produkowany samochód w Europie ma koło zamachowe dwumasowe.

Galeria

• 

  Koło zamachowe parowej maszyny wyciągowej kopalni "Królowa Luiza".

• 

  Koło zamachowe "Szaleniec" w malenieckim muzeum techniki.

• 

  Koło zamachowe w starej fabryce w Piermont, NY, USA.

Zobacz też

• żyroskop
• wirnik