Schwungrad

Schwungrad eines Walzwerkes

Ein Schwungrad ist ein Maschinenelement. Es wird unter anderem zur Speicherung kinetischer Energie genutzt, indem seine Drehbewegung (Rotation) ausgenutzt wird. Außerdem werden Schwungräder zur Stabilisierung eingesetzt.

Inhaltsverzeichnis

1 Anwendung
2 Geschichte
3 Fußnoten
4 Weblinks

Anwendung

Energiespeicher

Mechanische Energiespeicher:

Hubkolbenmotoren und Dampfmaschinen können nur in einem Arbeitstakt Energie über die Kurbelwelle an den Abtrieb leiten. In den restlichen Arbeitstakten benötigen sie Energie, um die Drehbewegung zu vollenden und z. B. die Verbrennungsluft zu verdichten. Diese Energie wird während des Arbeitstaktes im Schwungrad zwischengespeichert und danach wieder abgegeben.
Aufziehauto: Das Schwungrad verlängert die Antriebsphase, da es durch seine Trägheit einen Teil der Federenergie aufnimmt und sie nach dem Entspannen der Feder allmählich an das Auto abgibt. Auf diese Weise verlängert sich die Antriebsphase, und die Räder drehen durch die geringere Belastung nicht so schnell durch.

Elektrische Energiespeicher:

elektrischer Energiespeicher: Es gab und gibt sehr viele Anwendungen, in denen Schwungräder als Energiespeicher für elektrische Systeme eingesetzt werden. Diese bestehen aus einem schnell rotierenden Rad, das über einen Motorgenerator die elektrische Energie in seine Drehbewegung umsetzt oder wieder abgibt. Dieses System ist in der Lage, sehr kurzfristig hohe Energiemengen bereitzustellen. So gab es Anwendungen in Sägewerken, um die anfangs nötigen hohen Strommengen beim Anlaufen der Sägen bereitzustellen, oder in Verbindung mit einem Wellenkraftwerk, um die unstetige Energieabgabe der Wellen zu glätten.

Auf der norwegischen Insel Utsira wurde 2004 ein autarkes Stromnetz errichtet, wobei durch einen Schwungradspeicher (5 kWh) kurzfristige Stromschwankungen ausgeglichen werden.

Gyrobus: In den 50er Jahren war in der Schweiz ein sogenannter Gyrobus im Einsatz, der die Energie für seinen Elektroantrieb ausschließlich von einem Schwungrad bezog. Der Bus konnte ohne Verbindung mit dem Stromnetz etwa 20 Kilometer zurücklegen, dann musste er an den Endstationen jeweils an das Stromnetz andocken, um sein Schwungrad wieder in Gang zu setzen.

Schwungräder sind jedoch nicht als Langzeitspeicher geeignet, da immer ein kleiner Teil der Energie u. a. durch Reibung in den Lagern und Luftreibung verlorengeht. Üblich sind Speicherzeiten von einigen Stunden bis zu 1–2 Tagen.

Stabilisierung

Neben der Energiespeicherung wird das Schwungrad in einigen Bereichen auch zur Stabilisierung eingesetzt. Beispiele hierfür sind Kreiselkompasse sowie natürliche und künstliche Himmelskörper (Satelliten, Planeten). Allerdings ist der stabilisierende Effekt nicht immer gewollt. So ließ das Kurvenverhalten des in der Schweiz eingesetzten Gyrobusses – dank des stabilisierenden Effektes von Schwungrädern, die versuchen, die Lage und Richtung beizubehalten – zu wünschen übrig.

Drehungleichförmigkeit, Drehschwingungen

Bei vielen dynamischen Prozessen an Maschinen treten Drehungleichförmigkeiten (Schwankungen der Drehzahl) auf. Diese Drehungleichförmigkeiten entstehen durch periodische auftretende Drehmomente, und können zu Drehschwingungen (=Torsionsschwingungen) führen. Schwungräder führen durch ihre Massenträgheit zu einem teilweisen Ausgleich der Drehungleichförmigkeit indem sie bei Beschleunigung des drehenden Teils diese vermindern, sowie sie bei Verzögerung diese ebenso vermindern. Die Drehungleichförmigkeit ist dadurch geringer. Von Nachteil ist, dass eine große Masse in Bewegung gesetzt werden muss, welche bei Fahrzeugen Zusatzgewicht bedeutet. Daher wird meist versucht, die Ungleichförmigkeit gering zu halten (z. B. bei Verbrennungsmotoren durch mehrere Zylinder) oder die Drehschwingung selbst auf andere Arten zu verringern (Schwingungsdämpfung).

Ein Schwingungsdämpfer besteht aus einer Schwungmasse und einem dämpfenden Element (z. B. Öl oder Gummi) das die schwingungsdämpfenden Kräfte zwischen Schwungmasse und zu dämpfendem Bauteil überträgt. Der schwingende Teil „stützt“ sich sozusagen über ein dämpfendes Element auf der ruhiger laufenden Schwungmasse ab. Das dämpfende Element wandelt dabei Bewegungsenergie in Wärme um und entzieht damit dem schwingenden Bauteil die Bewegungsenergie (Schwingungsenergie).

Zur Schwingungsdämpfung (eigentlich: Amplituden-Verringerung) erstmals eingesetzt, wurde ein Schwungrad bei dem Motor des BMW-Motorrads R 69 S ab Baujahr 1960, um die zuvor vielfachen Kurbelwellenbrüche infolge von Schwingungen bei dem hochbelasteten Motor zu verhindern. Hier sorgte ein kleines Schwungrad auf der der Kupplung gegenüberliegenden Seite vorn am Motor für einen besseren Gleichförmigkeitsgrad des Schwingungs-Systems Kurbelwelle-Schwungrad-Kupplung.

Eine ähnliche Sonderform des Schwungrades im Pkw bildet das sogenannte Zweimassenschwungrad. Hier wird durch den Einsatz einer Primär - und einer Sekundärschwungmasse mit dazwischenliegendem elastischen Element die Übertragung von Motorschwingungen auf den restlichen Antriebsstrang stark reduziert (z. B. Getriebeleerlaufrasseln). Primär- und Sekundärschwungmasse sind durch ein genau abgestimmtes Feder-/Dämpfersystem voneinander getrennt. Die getriebeseitige Schwungmasse (Sekundärschwungmasse) ist schwerer als die motorseitige Schwungmasse (Primärschwungmasse). Das Massenträgheitsmoment des Getriebes wird hierdurch erhöht wodurch die Ungleichförmigkeit besonders bei niedrigen Drehzahlen stark vermindert wird. Die Torsionsschwingungserregung, die auf den Antriebsstrang wirkt, wird stark reduziert.

Geschichte

Schon im Altertum wurde die Massenträgheit in Form rotierender Massen genutzt – beispielsweise bei Töpferscheiben oder Spinnrädern wurden einfache Schwungräder verwendet, um ein dauerhaftes, unterbrechungsfreies und gleichmäßiges Drehen zu gewährleisten. So wurden rund 6000 Jahre alte Steinscheiben gefunden, die im alten China als Spindel genutzt wurden.

Das Schwungrad als generelles Maschinenelement zur Speicherung kinetischer Energie findet sich erstmalig in den De diversibus artibus (Über verschiedene Künste) des Theophilus Presbyter (ca. 1070-1125), der von seiner Verwendung bei mehreren seiner Maschinen berichtet.^[1] ^[2] Im Mittelalter hatten hölzerne Schwungräder bereits Drehzahlen von rund 100 U/min und konnten die Rotation zum Teil über mehrere Minuten aufrechterhalten. Später dienten Schwungräder zum Ausgleichen des nicht konstanten Drehmoments bei Dampfmaschinen und den ersten Verbrennungsmotoren. Wieder entdeckt wurden sie in der Raumfahrt, um nach einem Aufladen über Solarstrom die Energieversorgung im Erdschatten sicherzustellen – hier wurden sie also im großen Stil zur Energiespeicherung eingesetzt.

Heute sind die Einsatzbereiche von Schwungrädern dank fortgeschrittener Technik ungleich vielfältiger als früher. Sie werden beispielsweise genutzt, um kurzfristige Spannungsschwankungen im Stromnetz und kurzzeitige Stromausfälle zu kompensieren, oder um die Auslaufzeit von Kühlpumpen in AKWs zu verlängern, damit auch im Notfall eine ausreichende Kühlung gewährleistet wird. Durch neue, leichtere und stabilere Materialien, die das Bersten bei hohen Drehzahlen verhindern, halten die Schwungräder vor allem auch im mobilen Bereich Einzug, um die Energie besser ausnutzen zu können. So wird bei den Testzügen des Projektes Lirex der Deutschen Bahn die kinetische Energie beim Bremsen nicht mehr ausschließlich in Wärmeenergie umgewandelt und an die Umwelt abgegeben; stattdessen wird auch ein Schwungrad angetrieben, das dem Antrieb Energie entzieht und gleichzeitig einen Großteil der Bremsenergie zur weiteren Nutzung zwischenspeichert. Diese so zwischengespeicherte Energie kann beispielsweise zum Versorgen der Bordelektronik oder zum Wiederanfahren genutzt werden.

Fußnoten

↑ Lynn White, Jr., “Theophilus Redivivus”, Technology and Culture, Bd. 5, Nr. 2. (Frühling 1964), Rezension, S. 224-233 (233)
↑ Lynn White, Jr., “Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge”, The Pacific Historical Review, Bd. 44, Nr. 1. (Febr. 1975), S. 1-21 (6)