Diseño de un volante basado en flexión para el almacenamiento de momento angular y energía cinética
Autores: Flückiger, Patrick; Cosandier, Florent; Schneegans, Hubert; Henein, Simon
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Diseño de un volante basado en flexión para el almacenamiento de momento angular y energía cinética
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Volante de inercia
Energía cinética
Momento angular
Juntas de flexión
Lubricación
Cuerpos rígidos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 18
Citaciones: Sin citaciones
El volante es un componente mecánico ampliamente utilizado para el almacenamiento de energía cinética y momento angular. Típicamente consiste en una inercia cilíndrica que rota alrededor de su eje sobre rodamientos de rodillos, lo que implica fricción no deseada, lubricación y desgaste. Este documento presenta un mecanismo alternativo que es funcionalmente equivalente a un volante clásico, pero que se basa exclusivamente en juntas de flexión de recorrido limitado. Este novedoso mecanismo de un grado de libertad y cero fuerza no tiene desgaste y no requiere lubricación: por lo tanto, es compatible con entornos extremos, como el vacío, la criogenia o la radiación ionizante. El mecanismo está compuesto por dos cuerpos rígidos pivotantes acoplados cuyos momentos angulares individuales varían durante el movimiento, pero cuya suma es constante en todo momento cuando la tasa de pivoteo es constante. La comparación cuantitativa del volante basado en flexión con los clásicos, que se basan en un cilindro hueco como inercia, muestra que el primero típicamente almacena 6 veces menos momento angular y energía cinética para la misma masa, mientras que ocupa típicamente 10 veces más volumen. La libertad de diseño de la forma de los cuerpos rígidos ofrece la posibilidad de modificar la relación de la energía cinética almacenada frente al momento angular, lo que no es posible con volantes clásicos. Por ejemplo, un volante basado en flexión con cuerpos rígidos pivotantes en forma de discos delgados almacena 100 veces más energía cinética que un volante clásico con el mismo momento angular. Se construyó y caracterizó con éxito un prototipo de prueba de concepto en términos de generación de momento de reacción, lo que valida el modelo analítico presentado.
Descripción
El volante es un componente mecánico ampliamente utilizado para el almacenamiento de energía cinética y momento angular. Típicamente consiste en una inercia cilíndrica que rota alrededor de su eje sobre rodamientos de rodillos, lo que implica fricción no deseada, lubricación y desgaste. Este documento presenta un mecanismo alternativo que es funcionalmente equivalente a un volante clásico, pero que se basa exclusivamente en juntas de flexión de recorrido limitado. Este novedoso mecanismo de un grado de libertad y cero fuerza no tiene desgaste y no requiere lubricación: por lo tanto, es compatible con entornos extremos, como el vacío, la criogenia o la radiación ionizante. El mecanismo está compuesto por dos cuerpos rígidos pivotantes acoplados cuyos momentos angulares individuales varían durante el movimiento, pero cuya suma es constante en todo momento cuando la tasa de pivoteo es constante. La comparación cuantitativa del volante basado en flexión con los clásicos, que se basan en un cilindro hueco como inercia, muestra que el primero típicamente almacena 6 veces menos momento angular y energía cinética para la misma masa, mientras que ocupa típicamente 10 veces más volumen. La libertad de diseño de la forma de los cuerpos rígidos ofrece la posibilidad de modificar la relación de la energía cinética almacenada frente al momento angular, lo que no es posible con volantes clásicos. Por ejemplo, un volante basado en flexión con cuerpos rígidos pivotantes en forma de discos delgados almacena 100 veces más energía cinética que un volante clásico con el mismo momento angular. Se construyó y caracterizó con éxito un prototipo de prueba de concepto en términos de generación de momento de reacción, lo que valida el modelo analítico presentado.