Schwungrad

Schwungrad einer Gesenkschmiede

Schwungrad in einem Walzwerk

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

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. Schwungräder sind jedoch nicht als Langzeitspeicher geeignet, da immer ein kleiner Teil der Energie u. a. durch Reibung verlorengeht. Üblich sind Speicherzeiten von einigen Stunden bis zu 1-2 Tagen.
• 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.

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.

Schwingungsdämpfung

Bei vielen dynamischen Prozessen an Maschinen treten Torsionsschwingungen (zum Beispiel Unwuchten) auf. Schwingungen entstehen durch periodische auftretende Kräfte. Gegenüber einer großen Schwungradmasse sind diese Kräfte relativ klein. Die Schwingungsauschläge sind geringer. Von Nachteil ist, dass eine hohe Masse in Bewegung gesetzt werden muss, welche bei Fahrzeugen Zusatzgewicht bedeutet. Daher wird meist versucht, die Schwingungen gering zu halten oder auf andere Arten zu verringern (Dämpfung).

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 sog. Zweimassenschwungrad. Hier wird durch den Einsatz einer Primär - und einer Sekundärschwungmasse 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 höher ausgelegt als die motorseitige Schwungmasse (Primärschwungmasse). Das Massenträgheitsmoment des Getriebes wird hierdurch erhöht, Resonanzschwingungen auf den Antriebsstrang 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. Im Mittelalter hatten hölzerne Schwungräder bereits Rotationsfrequenzen von rund 100 U/min und konnten die Rotation zum Teil über mehrere Minuten aufrecht erhalten. 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.

Weblinks

• Projekt DYNASTORE - Technologie und Entwicklungsstand
• Diplomarbeit von Florian Strößreuther
• Einführender Artikel, Peter von Burg (PDF)
• Schnelldrehendes Schwungrad aus faserverstärktem Kunststoff, Peter von Burg (PDF)
• Entwicklung eines magnetisch gelagerten Schwungrades für AMSAT Phase 3-D

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Schwungrad aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können.