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.
Spis treści |
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.
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.
- Agregat trałowy i przetwornica demagnetyzacyjna – do wywarzania impulsów elektrycznych o średnim czasie trwania.
- Koła garncarskie – do utrzymywania stałej prędkości obrotowej warsztatu.
Fizyka koła zamachowego
Energia kinetyczna obracającego się koła zamachowego wyraża się wzorem:
Moment bezwładności koła zamachowego całkowicie wypełnionego:
-
,
Moment bezwładności koła zamachowego wydrążonego:
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:
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 ich przenoszeniu 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 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[4]. Szacuje się, że co czwarty obecnie (2006 r.) produkowany samochód w Europie ma koło zamachowe dwumasowe[3].
Galeria
 Koło zamachowe parowej maszyny wyciągowej kopalni "Królowa Luiza". |
 Koło zamachowe "Szaleniec" w malinieckim muzeum techniki. |
