Un volant d’inertie n’est rien d’autre qu’un lourd dispositif mécanique fixé à l’arbre pour stocker l’énergie rotative excédentaire. Il agit comme un réservoir rotatif qui stocke l’énergie ; quand elle est disponible en abondance et la libère quand on en a le plus besoin un peu comme une batterie. Il a un poids significatif par rapport à l’ensemble du vilebrequin, et aide ainsi à maintenir la vitesse de rotation en résistant au couple. Ils sont généralement installés dans les systèmes avec une charge variable et un couple fluctuant ; comme dans le moteur à combustion interne.
En raison de son poids important, un volant d’inertie ont très forte inertie lui causant de ; rester à la même vitesse indépendamment des forces opposées. L’énergie stockée dans ces volants d’inertie est proportionnelle au carré de leur vitesse de rotation. Un couple est appliqué au volant d’inertie pour stocker l’énergie de rotation et, au besoin, l’énergie est libérée du volant d’inertie sous la forme d’un couple appliqué à la charge mécanique. Ainsi, il augmente sa vitesse de rotation tout en stockant de l’énergie et la relâche en la libérant.
Vous pouvez comprendre son application dans la vie quotidienne avec un exemple simple. Rappelez-vous le jouet de votre enfance que vous jouiez à frotter sur le sol pour courir. Ces petites voitures sont des exemples simples de volant d’inertie en action ; l’énergie mécanique est stockée dans leur volant d’inertie lorsqu’elles sont frottées sur le sol, puis elles la libèrent une fois libérées. Quelques autres exemples de volants d’inertie dans la vie quotidienne sont les moteurs d’automobiles, les machines à coudre et les extracteurs manuels de jus de canne à sucre.
Que sont les volants d’inertie & Ses types
Un volant d’inertie existe depuis l’aube de la révolution industrielle. À l’époque, il était purement mécanique avec une roue attachée à l’axe ; cela ne change pas beaucoup n’est-ce pas ? De nos jours, les volants d’inertie sont plus un arrangement complexe assis sur un côté de l’arbre ; pour transférer l’énergie vers et depuis le moteur / la source. Ils ne sont plus seulement limités aux machines simples et aux moteurs, mais sont utilisés dans de nombreuses autres applications. Par exemple, dans le réseau électrique pour la régulation de la fréquence, dans les rails pour la récupération de l’énergie de transit et l’exploitation minière ; pour stocker l’énergie résiduelle réduisant la consommation globale de carburant.
Son fonctionnement peut être résumé et compris avec l’équation de physique suivante : couple sur l’axe de rotation = I.α . Lorsqu’un corps tourne librement sur un axe fixe ; alors un couple ‘t’ est nécessaire pour changer son mouvement avec une accélération angulaire ‘a’. Le couple requis est alors proportionnel à son accélération angulaire et est donné par le produit de son moment d’inertie et de son accélération angulaire. Nous discuterons en détail de son principe de fonctionnement plus tard dans ce post.
Selon sa masse, il peut s’agir d’un type de volant d’inertie à masse unique ou à double masse. Une construction à masse unique est moins chère ; elle amortit modérément les vibrations du moteur et peut supporter une plus grande capacité thermique. Ils sont fabriqués en acier moulé et n’ont rien entre eux et l’embrayage. Une conception à masse unique est construite pour les volants d’inertie avec une application polyvalente ; comme le stockage d’énergie, l’amortissement des vibrations et la récupération de puissance.
D’autre part, une construction à double masse est faite spécialement pour amortir les vibrations et le bruit. Ils ont un ressort entre les deux volants d’inertie comme amortisseur. Les deux volants d’inertie peuvent se déplacer indépendamment l’un de l’autre dans une limite fixe. Ces conceptions sont coûteuses et sont susceptibles de s’endommager en cas de température élevée ou d’utilisation brutale.
Pourquoi les volants d’inertie sont utilisés dans le moteur I.C
Je crois que nous comprenons tous les bases du fonctionnement du moteur I.C. Pour ceux qui ne le savent pas ; un moteur I.C ( Internal Combustion ) est un type de moteur thermique où le carburant est brûlé dans un espace confiné appelé chambre de combustion. Il s’agit généralement d’un moteur rotatif ou alternatif avec un assemblage de pistons. L’expansion soudaine des gaz de combustion après la combustion déplace le piston vers le bas ; qui à son tour fait tourner le vilebrequin et finalement le véhicule / arbre de sortie.
La combustion a eu lieu seulement une fois tous les quatre cycles dans le moteur à quatre temps ; tandis que tous les deux cycles dans le moteur à deux temps. Ainsi, la puissance est disponible pour un seul cycle ; cela ne signifie pas que le moteur doit fonctionner pour ce seul cycle dans deux & moteur à quatre temps. C’est à ce moment-là qu’un volant d’inertie est utile, car il fournit de manière transparente de la puissance au vilebrequin à tout moment ; en gardant le moteur en mouvement. Un volant d’inertie est connecté directement à l’extrémité du vilebrequin ; maintenant une puissance et une orientation cohérentes du moteur.
Donc, les volants d’inertie aident à assurer une livraison de puissance cohérente dans un moteur monocylindre. Mais les moteurs multicylindres peuvent être réglés pour avoir une livraison de puissance cohérente ; pourtant, nous avons toujours des volants d’inertie dans ces moteurs. Mais pourquoi ? Dans les moteurs multicylindres, ils sont utilisés pour contrôler les vibrations du moteur, équilibrer le vilebrequin, assurer un sens de marche correct et faire tourner le moteur lorsque cela est nécessaire. Les moteurs multicylindres ont un couple de sortie uniforme et nécessitent donc des volants légers plus petits ; qui s’ajoutent à l’accélération du moteur.
Principe de fonctionnement
Le moment de rotation d’un moteur à quatre temps pour différentes positions de la manivelle n’est positif que pour la course motrice. Comme nous l’avons discuté précédemment ; un moteur à combustion interne produit de la puissance uniquement pendant la course motrice. Du diagramme du moment de rotation, nous pouvons voir que ; pendant l’aspiration, il y a un moment de rotation négatif en raison de la pression du cylindre inférieure à 1 atmosphère.
De même, l’énergie est prise au vilebrequin et au volant pour effectuer un travail sur les gaz ; ce qui entraîne un moment de rotation négatif beaucoup plus élevé. Ensuite, pendant la course motrice, nous voyons une poussée du moment de rotation positif ; en raison de la pression des gaz de combustion en expansion. Alors que pendant la course d’échappement les gaz de combustion sont libérés en travaillant sur les gaz ; ce qui entraîne un moment de rotation négatif.
D’après le diagramme de moment de rotation donné ; on peut clairement voir que le couple / moment de rotation généré est beaucoup plus élevé que le couple moyen. Il y a donc ce couple supplémentaire généré pendant la course motrice ; qui doit être stocké et ensuite libéré en utilisant les volants d’inertie. L’énergie stockée par un volant d’inertie avec une jante très fine et une masse » m » peut être donnée par :-
E = 1 / 2 X I ω2
Où ‘ E ‘ est l’énergie cinétique moyenne du volant d’inertie. » I » est son moment d’inertie et » ω » est sa vitesse angulaire. Or, puisque pendant la course d’aspiration, de compression et d’échappement ; l’énergie est prise au volant d’inertie ; et ajoutée pendant la course motrice.
Donc l’énergie cinétique du volant d’inertie pour la vitesse angulaire fluctuante sera :-
E = Énergie cinétique maximale – Énergie cinétique minimale = Travail effectué par le couple sur le volant d’inertie ( Preuve sur Brilliant.com )*
E = 12x I x ( ω )2 – 12x I x ( ω )2
Or,
E = 1/2 x I x ( ω1 + ω2 )( ω1 – ω2 )
Puisque ( ω1 + ω2 ) / 2 = ω
Donc,
E =I ω2 ( ω1-ω2 )ω
Dès lors, ω = 2πN / 60
En conséquence,
E=Ix2πN60x2πN60x2πN160-2πN260x602πN=4π23600xIxNN1-N2=π2900x m.k2 x NN1-N2
Où, K est le rayon de giration du volant d’inertie.
Maintenant, l’énergie stockée dans le volant d’inertie peut être donnée par :-
E=π2900x m.k2 xN2xCs
Où ; Cs est le coefficient de viscosité du volant d’inertie i.e (N1-N2)/N
Comment pouvons-nous utiliser les volants d’inertie pour déterminer le sens de marche ?
Un volant d’inertie peut être peu pratique pour déterminer le sens de marche d’un moteur. Vous pouvez simplement dire dans quel sens le moteur tourne ; en donnant un coup d’œil aux volants d’inertie du moteur. C’est ainsi parce qu’un volant d’inertie n’a pas sa propre direction de rotation ; mais plutôt suivre la direction du moteur sur lequel il est monté. Si le volant tourne dans le sens des aiguilles d’une montre, le moteur est de type droit. De même, si le volant d’inertie tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans un moteur, celui-ci est de type gauche.
Dans un moteur lourd à plusieurs cylindres, comme dans les industries et les navires ; ces volants d’inertie peuvent également être utilisés pour déterminer la position du piston dans le cylindre. En utilisant les marquages du cylindre sur le volant d’inertie, vous pouvez savoir dans quel cylindre le piston est au T.D.C. Cela peut ensuite être utilisé pour déterminer l’ordre d’allumage d’un moteur. Si le moteur est arrêté pendant longtemps et doit être purgé, ces volants d’inertie sont très utiles. Pour purger un moteur, vous devez faire tourner le volant d’inertie soit manuellement, soit par le biais d’un moteur avec un robinet indicateur ouvert.
Bien qu’un moteur puisse tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse ; mais généralement, la plupart des moteurs tournent dans le sens inverse. Mais ce n’est pas une règle établie car c’est juste une question de choix du concepteur de préférer l’un plutôt que l’autre. Vous devez donc toujours connaître le sens de fonctionnement correct d’un moteur ; soit par le biais du manuel du moteur, soit en inspectant visuellement son volant d’inertie.
Les doutes courants sur les volants d’inertie & Leurs réponses
Q.1. Pourquoi les volants d’inertie sont uniquement en fonte ?
Ans : Vous avez peut-être lu dans de nombreux manuels ou sur le web que ce volant d’inertie est en fonte ou en fonte grise. Cela peut susciter des doutes sur le fait que tous les volants d’inertie sont en fonte ou du moins la plupart d’entre eux. En fait, un volant d’inertie peut être fabriqué à partir de différents matériaux, en fonction de l’application. Les très petits volants, comme ceux des jouets, sont principalement fabriqués en plomb. Les volants de taille moyenne ou petite peuvent être en fonte, en aluminium ou en acier. Mais les grands volants d’inertie sont fabriqués en fonte ou en acier à haute résistance selon les besoins de la conception.
Q.2. Pourquoi les volants d’inertie ont-ils des dents ?
Ans : Tous les volants d’inertie n’ont pas de dents mais la plupart des volants d’inertie sur les voitures, les motos, les générateurs lourds et les navires ont des dents ; mais pourquoi ? Puisque vous savez que les volants d’inertie aident à maintenir une puissance de sortie constante ; mais comment nous obtenons cette puissance si nous ne démarrons pas le moteur. Si vous avez eu ou avez une moto, vous devez savoir que nous avons besoin d’un coup de pied ou d’un démarrage automatique pour faire tourner le moteur. En fait, le moteur fait tourner le volant d’inertie grâce à un petit engrenage fixé aux dents du volant. Dans les gros moteurs diesel comme dans les navires où l’air comprimé est utilisé pour faire tourner ou démarrer le moteur ; ces dents de volant sont utilisées pour le carburant haute pression et la pompe à huile asservie.
Q.3. Le volant d’inertie et le gouverneur sont-ils similaires ?
Ans : Le volant d’inertie et le gouverneur sont tous deux utilisés pour réguler la vitesse du moteur ; mais d’une manière différente. D’une part le volant d’inertie régule la vitesse d’un moteur sur différents temps ; pour maintenir sa vitesse moyenne constante. Mais un régulateur est utilisé pour réguler la vitesse moyenne du moteur pour une charge variable. Ceci est réalisé en ajustant l’injection de carburant pour répondre à une demande de puissance accrue. Lorsque la charge augmente soudainement, le moteur commence à ralentir. Pour maintenir la vitesse du moteur constante, le régulateur augmente le carburant injecté dans le cylindre pour générer plus de couple et donc augmenter sa vitesse. Ainsi, bien que le volant d’inertie et un gouverneur semblent faire un travail similaire, mais sont vraiment différents.
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