Wiele osób nie zdaje sobie sprawy, czemu służy koło zamachowe, ani w jakim celu jest montowane na wale silników spalinowych. W dzisiejszym artykule poznamy zastosowanie i zasadę działania koła zamachowego oraz pokażemy, że koła zamachowe dwumasowe również mają swoje wady.

Rola, konstrukcja i zastosowanie

Proces roboczy silnika spalinowego powtarza się cyklicznie bez względu na liczbę cylindrów, dlatego moment obrotowy dostarczany przez wał korbowy nie jest przez cały czas jednolity. Konsekwencją wahań wartości momentu obrotowego są ciągłe skoki prędkości obrotowej. Przezwyciężenie tych niedogodności jest właśnie celem koła zamachowego o odpowiednim momencie bezwładności i masie wahliwej.

Jest to główne zadanie koła zamachowego, lecz nie jedyne. Należy wspomnieć, że koło zamachowe zawiera również sprzęgło i zębatkę rozrusznika, które znajduje się na jego kołnierzu i służy do uruchamiania silnika.

Podczas wymiarowania koła zamachowego w celu określenia jego ostatecznej wielkości i wagi, należy uwzględnić przede wszystkim pierwszą ze wspomnianych funkcji, czyli kompensację skoków prędkości.

Celem każdego koła zamachowego jest osiągnięcie jak najwyższego momentu bezwładności przy jak najniższej możliwej masie. W idealnej sytuacji koło zamachowe wyglądałoby jak pierścień, którego całkowita masa umieszczona byłaby na obwodzie o największym promieniu. Jest to oczywiście niemożliwe w praktyce, ponieważ koło zamachowe nie miałoby wówczas fizycznego styku z wałem korbowym.

W rzeczywistości, do masy koła zamachowego należy dodać obszar mocowania i tarczę cierną sprzęgła, które również zwiększają bezwładność, ale na znacznie mniejszym promieniu, wskutek czego ich masa jest wykorzystywana w mniejszym stopniu.

Należy jednak pamiętać, że większy silnik niekoniecznie wymaga większego koła zamachowego. Wał korbowy sześciocylindrowych silników czterosuwowych posiada już tak wysoki moment bezwładności, że silnik byłby w stanie pracować nawet bez koła zamachowego. Jednak ze względów praktycznych, koło zamachowe znajduje zastosowania również w tych silnikach, ponieważ w przypadku manualnej skrzyni biegów montowana jest na nim zębatka rozrusznika, tarcza dociskowa i obudowa sprzęgła. Ponieważ elementy te obracają się jednocześnie, to ich moment bezwładności także należy uwzględnić w obliczeniach.

Szczególna konstrukcja koła zamachowego polega na przenoszeniu momentu obrotowego przez sprzęgło hydrodynamiczne. Ponieważ w tym przypadku obudowa i łopatki pompy zapewniają odpowiednią masę wahliwą dzięki płynowi hydrodynamicznemu, to samo fizyczne koło zamachowe może zostać pominięte w zastosowaniach wykorzystujących silniki wysokoobrotowe.

Zębatka rozrusznika montowana jest na kole zamachowym wciskowo w przypadku mniejszych silników bądź przykręcana śrubami w przypadku większych jednostek.

Zastosowania koła zamachowego są zróżnicowane. Jednym z powszechnych zjawisk jest obciążenie termiczne generowane podczas pracy sprzęgła, tzw. poślizg, powodowany rozruchem pojazdu, nieprawidłową regulacją lub zużyciem sprzęgła. Ponieważ koło zamachowe znajduje się w zamkniętej przestrzeni, czyli w żeliwnej lub blaszanej obudowie, jego chłodzenie jest niewystarczające, przez co element ten może odkształcać się lub pękać pod wpływem wytwarzanego ciepła. Należy temu oczywiście zapobiegać, ponieważ jeśli powierzchnia styku z tarczą sprzęgła nie jest płaska, to jest tym samym mniejsza niż powinna być, co redukuje znacznie jej efektywność i skraca żywotność. Dlatego też producenci nie powinni stosować zbyt cienkich kół zamachowych nawet, jeśli byłyby one idealne z dynamicznego punktu widzenia. Ze względu na sposób działania sprzęgła, nie wolno dopuścić do odkształcenia się koła zamachowego.

Koło zamachowe dwumasowe

W dzisiejszych czasach tylko nieliczne nowe pojazdy z manualnymi skrzyniami biegów nie posiadają klasycznego koła zamachowego. Powodem jest to, że dzięki innowacjom, możliwe było osiągnięcie tego samego momentu bezwładności przy masie mniejszej niż w przypadku koła dwumasowego.

W przypadku koła zamachowego dwumasowego, korpus podzielony jest na dwie części, z których jedna jest przymocowana do wału korbowego silnika, a druga połączona jest z pierwszą za pomocą sprężyn osadzonych w płaszczyźnie koła zamachowego w rowku toroidalnym. W rezultacie obie części koła zamachowego mogą obracać się względem siebie ze znacznym przesunięciem.

Drugie ze składowych kół połączone jest ze sprzęgłem i innymi elementami napędu (skrzynia biegów, wał Kardana, itp.).

Cel tego rozwiązania jest dwojaki. Pierwszym z nich jest dynamiczna regulacja drgań skrętnych silnika i układu napędowego w taki sposób, żeby silnik mógł pracować płynnie bez większych wibracji nawet na biegu jałowym.

Sprężyny są ściskane podczas obrotu dwóch kół względem siebie, tłumiąc w ten sposób drgania skrętne układu napędowego we wszystkich warunkach pracy silnika. W efekcie – dzięki tym dwóm masom oraz sprężynom – tylko ułamek amplitudy drgań pierwszego koła zamachowego przenoszony jest na drugie koło zamachowe, a następnie dalej na układ napędowy.

Awaria

Koło dwumasowe – choć wydajniejsze – to jest jednak bardziej skomplikowane, co wiąże się z pewnymi mankamentami. Podczas gdy jednomasowe koło zamachowe może działać przez cały okres użytkowania samochodu praktycznie nie wymagając konserwacji, dwumasowe koło zamachowe prawie na pewno będzie wymagało wymiany.

Awaria może być wywołana wieloma czynnikami: od nieodpowiedniego smarowania, przez nadmierne użycie sprzęgła, po nierównomierną pracę silnika. Na szczęście awarię można stosunkowo łatwo zauważyć, ponieważ koło dwumasowe, zanim osiągnie koniec swojej żywotności, zawsze daje słyszalny sygnał podczas pracy samochodu. Delikatne stuki stają się coraz częstsze, a następnie pojawiają się grzechotanie i wibracje, które wyraźnie wskazują na konieczność wizyty u mechanika.