svänghjul

Svänghjul av en smedja

Ett svänghjul (även kallat svänghjul ) är ett maskinelement . Det används bland annat som ett energilager för kinetisk energi ( rotationsenergi och massinerti ) genom att lagra sin rotationsrörelse ( rotation ) med lägsta möjliga friktionsförlust för användning vid behov; Mer information finns i svänghjulslagring .

I fallet med vev-enheter , är den roterande massa som används för att kompensera för vibrationer och för att övervinna den övre och nedre dödpunkten med inga ryck .

Svänghjul används också för att stabilisera positionen för satelliter ( snurrstabilisering , snurrhjul ) och flygplan ( gyrokompass ) och i leksaksgyroskop .

Ett svänghjul lagrar rotationsenergin : ${\ displaystyle W_ {k}}$

${\ displaystyle W_ {k} = {\ frac {1} {2}} J \ omega ^ {2}}$

med sitt tröghetsmoment vid vinkelhastigheten . Tröghetsmomentet bestäms av svänghjulets struktur: ju mer massivt svänghjulet och ju större dess diameter, desto större är dess tröghetsmoment. ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle \ omega}$

Applikationer

Industriellt svänghjul på en mässa

Energilagring

Svänghjul i en glödlampa-motor

Tillämpningarna inkluderar fram- och återgående kolvmotorer , särskilt 1-cylindriga fyrtaktsmotorer. Dessa har bara en arbetscykel var fjärde halva varv , som överför energi till utgången via vevaxeln . Under de återstående tre cyklerna behöver de energi för att upprätthålla rotationsrörelsen och för att komprimera förbränningsluften. Arbetscykelns energi lagras tillfälligt i svänghjulet och släpps sedan kontinuerligt igen.

De enklaste små leksaksfordonen klarar sig utan fjäderackumulatorer och reser vanligtvis 3 m med en svänghjulsdrift ensam. Svänghjulet består av 1 till 3 stansade cirkulära skivor med en diameter på 2 till 4 cm, gjorda av 1 till 2 mm tjockt plåtjärn, perforerade och pressade på en stålaxel som är monterad i plåt eller plast.

En annan tillämpning är svänghjulslagringskraftverk med modulär design för att kompensera för en plötslig ökning av efterfrågan i elnät . För lagringsändamål drivs ett svänghjul av en elmotor och energin hålls tillgänglig i form av rotationsenergi för energiutmatning inom minutintervallet.

I ASDEX Upgrade- fusionsexperimentet används en svänghjulsgenerator som väger 400 ton, vilket tar några minuter att accelerera från 800 till 3000 varv och sedan hämta den lagrade energin inom bråkdelar av en sekund för att värma upp plasma.

2004 inrättades ett självförsörjande kraftnät på den norska ön Utsira , med ett svänghjulslagringssystem (5 kWh) som kompenserade för kortsiktiga kraftvariationer. Centrifugalmassorna för alla turbiner och generatorer som körs (synkront) i elproduktionen är viktiga för stabiliseringen av nätfrekvensen, dvs. energilagring under storleksordningen av en fas av 1/50 sekund. Centrifugalmassan för elmotorer för att jämna ut vridmomentet betyder något liknande. Med hjälp av svänghjul i stora stationära maskiner kan endast mängder energi lagras lokalt mekaniskt, som används till pressning, smide , stansning, rullning och skärning på typiskt en halv sekund, bara för att fyllas på med en elmotor i flera sekunder.

Attitydsstabilisering

Roterande svänghjul tillåter inga ändringar i axelns vinkel. Detta används för att stabilisera z. B. i gyrokompasser för fartyg och anordningar som kallas momentumhjul eller tröghetshjul i satelliter .

Rotations oregelbundenhet, vridningsvibrationer

Roterande oegentligheter (fluktuationer i hastighet) förekommer i många dynamiska processer på maskiner. Dessa orsakas av periodiskt förekommande vridmoment och kan leda till torsionsvibrationer (= torsionsvibrationer). På grund av deras tröghet minskar svänghjulen rotationsoberoende genom att absorbera energi när det accelererar och släpper ut det igen när det bromsar upp. Den oregelbundna rotationen är lägre som ett resultat. Nackdelen är att en stor massa måste sättas i rörelse, vilket innebär extra vikt i fordon. Därför görs vanligtvis försök att hålla oregelbundenheten låg (till exempel i förbränningsmotorer med flera cylindrar) eller att minska torsionsvibrationen på andra sätt (vibrationsdämpning).

Ett vibrationsspjäll består av ett svänghjul och ett dämpande element (t.ex. olja eller gummi) som överför vibrationsdämpande krafter mellan svänghjulet och komponenten som ska dämpas. Den vibrerande delen ”stöder” sig så att säga via ett dämpande element på den lugnare roterande massan. Dämpningselementet omvandlar kinetisk energi till värme och drar därmed ut kinetisk energi (vibrationsenergi) från den vibrerande komponenten.

(Egentligen för vibrationsdämpande amplituder användes ett svänghjul i motorn för första gången sänka värdet) BMW - motorcykel BMW R 69 S från år 1960 för att förhindra tidigare frekventa vevaxelbrott på grund av vibrationer i höglastmotorn. Här säkerställde ett litet svänghjul på sidan mittemot kopplingen på framsidan av motorn mindre oregelbunden rotation i det vibrerande vevaxel-svänghjulskopplingssystemet.

En liknande speciell form av svänghjulet i en bil är det så kallade dubbelmassesvänghjulet . Användningen av ett primärt och ett sekundärt svänghjul med ett elastiskt element emellan minskar kraftigt överföringen av motorvibrationer till resten av drivlinan (till exempel tomgångsskallra för växellåda). De primära och sekundära svänghjulsmassorna är åtskilda från varandra genom ett exakt koordinerat fjäder / spjällsystem. Svänghjulet på växellådan (sekundärt svänghjul) är tyngre än svänghjulet på motorsidan (primärt svänghjul). Detta ökar växellådans tröghetsmoment , vilket kraftigt minskar oregelbundenheten, särskilt vid låga hastigheter. Torsionsvibrationsmomentet som verkar på drivlinan reduceras kraftigt.

Den balanshjulet av den mekaniska klocka, i samarbete med den spiralfjäder, representerar en vrid oscillator, den period är som i hög grad konstant ( isochronism ).

historia

Antiken och medeltiden

Historiskt svänghjul av en rullande kvarn

Tröghet i form av roterande massor användes redan i antiken . Snurrhårar av lera eller sten har dokumenterats sedan den tidiga neolitiken ; B. Achilleion . Enkla svänghjul användes också i keramikhjul för att säkerställa att de roterar kontinuerligt, utan avbrott och jämnt.

Under medeltiden hade svänghjul i trä redan hastigheter på cirka 100 varv per minut och kunde ibland bibehålla rotation i flera minuter . Svänghjulet som ett allmänt maskinelement för lagring av kinetisk energi finns för första gången i De diversibus artibus (om olika konst) av Theophilus Presbyter (ca 1070–1125), som använde den i flera av sina maskiner.

Moderna tider

Modell av Zaschka-helikoptern från 1928. Anslutningen av rotorbladen med två svänghjul säkerställer en stabil autorotationslandning .

Svänghjul används för att kompensera för det inkonsekventa vridmomentet i ångmotorer och förbränningsmotorer . Kortvariga belastningstoppar i arbetsmaskiner kan kompenseras med svänghjul och den energi som lagras i dem och tillåter ofta en betydligt mindre drivmotor, t.ex. B. i kraftgeneratorsatser för att täcka de ofta mycket höga startströmmarna i elmotorer.

Svänghjul i en gammal vattenkvarn

Svänghjul användes också i den tidiga utvecklingen av helikoptrar . År 1927, i motsats till gyroskopen och helikoptrarna som var kända fram till den tiden, var rotorerna i rotationsflygplanet Zaschka oundvikligen kopplade till en roterande massa av överingenjör Engelbert Zaschka med ett svänghjul som var effektivt vid två gyroskop. Detta arrangemang möjliggjorde en säker vertikal glidflygning med motorn avstängd .

På 1950-talet användes så kallade gyrobusar både i Basel i Schweiz och i Österrike . 1955 kördes en flotta på 12 Gyrobusses i Leopoldsville (då Belgiska Kongo). Svänghjulen kom från Maschinenfabrik Oerlikon och erbjöd möjligheten till regenerativ bromsning . På 1990-talet användes bussar med svänghjulsackumulatorer i München och Bremen . Dessa bussar erhöll sin energi för den elektriska drivenheten uteslutande från ett svänghjul (lagringskapacitet 9,15 kWh). De kunde resa cirka 20 kilometer utan att vara anslutna till elnätet. Sedan var de tvungna att docka med elnätet vid brytpunkter för att ladda svänghjulet. Vid den tiden visade denna typ av energilagring inte sitt värde på grund av tekniska brister. Dagens svänghjul fungerar med magnetiska lager och nästan utan friktion i vakuumhöljen .

webb-länkar

• Volvo testar innovativ svänghjulslagringsteknik . Hämtad 30 maj 2012.
• DYNASTORE svänghjulsackumulator . Uli Christian Välsignelse. 22 mars 2012. Hämtad 22 mars 2012.
• Examensarbete av Florian Strossenreuther (PDF; 1,6 MB)
• Utveckling av ett magnetiskt upphöjt svänghjul för AMSAT fas 3-D

Individuella bevis

1. Ija Marija Alseikaitė Gimbutas , Shan M. M Winn, Daniel M. Shimabuku, Sándor Bökönyi: Achilleion: en neolitisk bosättning i Thessalien, Grekland, 6400–5600 f.Kr. Los Angeles, Institute of Archaeology, University of California 1989, s. 256 (faser IIa-IVa).
2. ↑ Lynn White, Jr.: Theophilus Redivivus . I: Technology and Culture , Vol. 5, No. 2 (Spring 1964), Review, s. 224-233 (233)
3. ↑ Lynn White, Jr.: Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge . I: The Pacific Historical Review , Vol. 44, nr 1 (Febr. 1975), s. 1-21 (6)
4. ↑ Engelbert Zaschka : roterande vingflygplan. Gyroskop och helikoptrar. CJE Volckmann Nachf. E. Wette, Berlin-Charlottenburg 1936, sida 47, OCLC 20483709 .
5. ↑ Planet e: Mer energi genom svänghjulsteknik. Video i ZDFmediathek (från kl. 15.30), tillgänglig den 8 maj 2012 (offline).