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.

Wnioski[edytuj | edytuj kod]

  • Im większy 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]

Wikimedia Commons

Przypisy

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Flywheel
  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!

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]