svinghjul

Svinghjul av en dråpesmie

Et svinghjul (også kjent som et svinghjul ) er et maskinelement . Den brukes blant annet som et energilager for kinetisk energi ( rotasjonsenergi og masseinerti ) ved å lagre sin rotasjonsbevegelse ( rotasjon ) med lavest mulig friksjonstap for bruk når det er nødvendig; For detaljer se svinghjuloppbevaring .

Når det gjelder veivdrifter , brukes svinghjulsmassen til å kompensere for vibrasjoner og for å overvinne topp- og bunnens dødpunkt uten rykk .

Svinghjul brukes også til å stabilisere posisjonen til satellitter ( spinnstabilisering , spinnhjul ) og fly ( gyrokompass ) og i leketøygyroskoper .

Et svinghjul lagrer rotasjonsenergien : ${\ displaystyle W_ {k}}$

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

med sitt treghetsmoment ved vinkelhastigheten . Treghetsmomentet bestemmes av svinghjulets struktur: jo mer massiv svinghjulet og jo større diameteren er, desto større treghetsmoment. ${\ displaystyle J}$ ${\ displaystyle \ omega}$

applikasjoner

Industrielt svinghjul på en messe

Energilagring

Svinghjul i en varmepæremotor

Applikasjonene inkluderer stempelmotorer med stempel , spesielt 1-sylindrede firetaktsmotorer. Disse har bare en arbeidssyklus hver fjerde omgang , som overfører energi til utgangen via veivakselen . I de resterende tre syklusene trenger de energi for å opprettholde rotasjonsbevegelsen og for å komprimere forbrenningsluften. Energien i arbeidssyklusen lagres midlertidig i svinghjulet og frigjøres kontinuerlig igjen.

De enkleste små lekebilene klarer seg uten fjærakkumulatorer og kjører vanligvis 3 m med et svinghjulsdrift alene. Svinghjulet består av 1 til 3 stansede sirkulære skiver med en diameter på 2 til 4 cm, laget av 1 til 2 mm tykt stålplate, perforert og presset på en stålaksel som er montert i metall eller plast.

En annen applikasjon er svinghjulslagringskraftverk med modulær design for å kompensere for en plutselig økning i etterspørsel i strømnett . For lagringsformål drives et svinghjul av en elektrisk motor og energien holdes tilgjengelig i form av rotasjonsenergi for energiutgang i minuttområdet.

I ASDEX Upgrade- fusjonseksperimentet brukes en svinghjulgenerator som veier 400 tonn, som tar noen minutter å akselerere fra 800 til 3000 omdreininger og deretter hente opp den lagrede energien innen brøkdeler av et sekund for å varme opp plasmaet.

I 2004 ble det satt opp et selvforsynt kraftnett på den norske øya Utsira , med et svinghjulslagringssystem (5 kWh) som kompenserte for kortsiktige kraftsvingninger. Sentrifugalmassene til alle turbiner og generatorer som kjører (synkront) i nettkraftproduksjonen er viktig for stabiliseringen av nettfrekvensen, dvs. energilagring i en periode av størrelsesorden av en fase på 1/50 av et sekund. Sentrifugalmassen til elektriske motorer for utjevning av dreiemomentet betyr noe lignende. Ved hjelp av svinghjul i store stasjonære maskiner kan bare mengder energi lagres mekanisk lokalt som blir brukt opp i presse, smiing , stempling, rulling og skjæring i løpet av typisk et halvt sekund, bare for å bli etterfylt av en elektrisk motor på flere sekunder .

Holdningsstabilisering

Roterende svinghjul tillater ingen endringer i vinkelen på aksen. Dette brukes til å stabilisere z. B. i gyrokompasser for skip og innretninger referert til som momentumhjul eller treghetshjul i satellitter .

Rotasjons uregelmessigheter, vridningsvibrasjoner

Rotasjonsuregelmessigheter (svingninger i hastighet) forekommer i mange dynamiske prosesser på maskiner. Disse er forårsaket av jevnlige moment og kan føre til vridningsvibrasjoner (= torsjonsvibrasjoner). På grunn av tregheten reduserer svinghjul rotasjonsunregelmessigheten ved å absorbere energi når den akselererer og slipper den igjen når den bremser. Den roterende uregelmessigheten er lavere som et resultat. Ulempen er at en stor masse må settes i gang, noe som betyr ekstra vekt i kjøretøy. Derfor blir det vanligvis forsøkt å holde uregelmessigheten lav (for eksempel i forbrenningsmotorer med flere sylindere) eller å redusere selve vridningsvibrasjonen på andre måter (vibrasjonsdemping).

En vibrasjonsdemper består av et svinghjul og et dempingselement (f.eks. Olje eller gummi) som overfører vibrasjonsdempende krefter mellom svinghjulet og komponenten som skal dempes. Den vibrerende delen ”støtter” seg så å si via et dempende element på den roligere roterende massen. Dempingselementet konverterer kinetisk energi til varme og trekker dermed kinetisk energi (vibrasjonsenergi) fra den vibrerende komponenten.

(Egentlig for vibrasjonsdempende amplituder ble et svinghjul i motoren først brukt til å redusere verdien) BMW - motorsykkel BMW R 69 S fra år 1960 for å forhindre tidligere hyppige veivakselpauser på grunn av vibrasjoner i motoren med høy belastning. Her sørget et lite svinghjul på siden overfor clutchen foran på motoren for mindre rotasjons uregelmessigheter i det vibrerende clutchsystemet for veivaksel-svinghjul.

En lignende spesiell form for svinghjulet i en bil er det såkalte dobbeltmassesvinghjulet . Bruken av et primært og et sekundært svinghjul med et elastisk element i mellom reduserer kraftig overføring av motorvibrasjoner til resten av drivverket (for eksempel tomgangsskaller). De primære og sekundære svinghjulsmassene er skilt fra hverandre med et nøyaktig koordinert fjær / spjeldsystem. Svinghjulet på girkassen (sekundært svinghjul) er tyngre enn svinghjulet på motorsiden (primært svinghjul). Dette øker girets treghetsmoment , noe som reduserer uregelmessigheten sterkt, spesielt ved lave hastigheter. Torsjonsvibrasjonsexitasjonen som virker på drivverket, reduseres kraftig.

Den svinghjulet av det mekaniske ur, i samarbeid med spiralfjær, som representerer en vridnings oscillator, den perioden er som meget konstant ( isochronism ).

historie

Antikken og middelalderen

Historisk svinghjul til et valsverk

Treghet i form av roterende masser ble allerede brukt i eldgamle tider. Spinninghvirvler laget av leire eller stein er dokumentert siden tidlig steinalder ; B. Achilleion . Enkle svinghjul ble også brukt i keramikkhjul for å sikre at de snur kontinuerlig, uten avbrudd og jevnt.

I middelalderen hadde svinghjul i tre allerede hastigheter på rundt 100 omdreininger per minutt, og noen ganger var de i stand til å opprettholde rotasjon i flere minutter . Svinghjulet som et generelt maskinelement for lagring av kinetisk energi finner du for første gang i De diversibus artibus (On diverse arts) av Theophilus Presbyter (ca. 1070–1125), som brukte det i flere av sine maskiner.

Moderne tider

Modell av Zaschka-helikopteret fra 1928. Tilkoblingen av rotorbladene med to svinghjul sørger for en stabil autorotasjonslanding .

Svinghjul brukes til å kompensere for det inkonsekvente dreiemomentet i dampmotorer og forbrenningsmotorer . Kortsiktige belastningstopper i arbeidsmaskiner kan kompenseres for med svinghjul og energien som er lagret der, og tillater ofte en betydelig mindre drivmotor, f.eks. B. i kraftgeneratorsett for å dekke de ofte veldig høye startstrømmene i elektriske motorer.

Svinghjul i en gammel vannmølle

Svinghjul ble også brukt i den tidlige utviklingen av helikoptre . I 1927, i motsetning til gyroskopene og helikoptrene kjent til den tiden, var rotorene til Zaschka rotasjonsfly uunngåelig forbundet med en roterende masse av sjefingeniør Engelbert Zaschka med et svinghjul som var effektivt ved to gyroskop. Denne ordningen muliggjorde en trygg vertikal glidefly med motoren slått av .

På 1950-tallet var såkalte gyrobuser i bruk både i Basel i Sveits og i Østerrike . I 1955 ble en flåte på 12 gyrobusser operert i Leopoldsville (den gang Belgisk Kongo). Svinghjulene kom fra Maschinenfabrik Oerlikon og tilbød muligheten for regenerativ bremsing . På 1990-tallet ble det brukt busser med svinghjulakkumulatorer i München og Bremen . Disse bussene fikk energi til den elektriske driften utelukkende fra et svinghjul (lagringskapasitet 9,15 kWh). De kunne reise rundt 20 kilometer uten å være koblet til strømnettet. Deretter måtte de legge til strømnettet ved brytepunktene for å lade svinghjulet. På den tiden beviste ikke denne typen energilagring sin verdi på grunn av tekniske mangler. Dagens svinghjul fungerer med magnetiske lagre og nesten uten friksjon i vakuumhus .

weblenker

• Volvo tester innovativ lagringsteknologi for svinghjul . Hentet 30. mai 2012.
• DYNASTORE svinghjulsakkumulator . Uli Christian Blessing. 22. mars 2012. Hentet 22. mars 2012.
• Diplomavhandling av Florian Strossenreuther (PDF; 1,6 MB)
• Utvikling av et magnetisk levitert svinghjul for AMSAT fase 3-D

Individuelle bevis

1. ↑ Marija Alseikaitė Gimbutas , Shan M. M Winn, Daniel M. Shimabuku, Sándor Bökönyi: Achilleion: en neolittisk bosetting i Thessalia, Hellas, 6400-5600 BC . Los Angeles, Institutt for arkeologi, Universitetet i 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 : fly med roterende ving. Gyroskop og helikoptre. CJE Volckmann Nachf. E. Wette, Berlin-Charlottenburg 1936, side 47, OCLC 20483709 .
5. ↑ Planet e: Mer energi gjennom svinghjulsteknologi. Video i ZDFmediathek (fra 15.30), tilgjengelig 8. mai 2012 (offline).