Schwungrad
Englisch: flywheel
Eine rotierende Masse, die die Geschwindigkeit einer Maschine innerhalb bestimmter Grenzen aufrechterhält, während die Maschine Energie mit unterschiedlicher Rate aufnimmt oder abgibt, oder als Form der Energiespeicherung.
Schwungrad: eine rotierende Scheibe, die die Leistungsabgabe gleichmäßig gestaltet
Ein Schwungrad ist eine schwere Scheibe oder ein Rad, das auf einer rotierenden Welle montiert ist und Drehzahländerungen widersteht. Seine Masse und sein Trägheitsmoment speichern Rotationsenergie; wenn die Maschine mehr Leistung fordert, als die Quelle liefern kann, gibt das Schwungrad diese Energie ab und hält die Drehzahl konstant. Umgekehrt nimmt das Schwungrad den Überschuss auf und dreht sich schneller, wenn die Leistungszufuhr die Nachfrage übersteigt. Diese Regelwirkung ist mechanisch und passiv und erfordert keine aktive Steuerung.
Größe und Gewicht des Schwungrads hängen direkt davon ab, wie viel Drehzahlschwankung die Anwendung verträgt. Eine Stanzpresse beispielsweise benötigt einen Leistungsstoß beim Abwärtshub; ein großes, schweres Schwungrad ermöglicht es dem Motor, mit nahezu konstanter Drehzahl zu laufen, während das Schwungrad Energie abgibt, wenn der Stempel nach unten fährt, und sie beim Rückhub wieder aufnimmt. Das Schwungrad eines Automotors ist leichter, da ein Verbrennungsmotor die Leistung in Impulsen abgibt und der Fahrer gewisse Drehzahlschwankungen toleriert. Industrielle Schwungräder an Kompressoren, Pumpen und Schermaschinen wiegen typischerweise einige wenige bis mehrere hundert Kilogramm, mit Durchmessern von 300 mm bis über 1 Meter.
Das Material ist fast immer Gusseisen oder Stahl; Eisen wird wegen seiner hohen Dichte und bewährten Gießpraxis gewählt, die Schwungräder mit gleichmäßiger Massenverteilung erzeugt. Der Kranz trägt den größten Teil der Trägheit, während Nabe und Speichen auf Festigkeit unter Fliehkraftbeanspruchung ausgelegt sind. Die Drehzahl wird durch die Zugfestigkeit des Materials begrenzt; bei hoher Geschwindigkeit kann die Fliehkraft einen Kranz reißen oder Schaufeln abwerfen. Kritische Drehzahlberechnungen berücksichtigen Durchmesser, Materialdichte und maximale sichere Umfangsgeschwindigkeit, typischerweise 30 bis 80 Meter pro Sekunde in Industrieanlagen.
Ausfälle und Wartung
Schwungräder fallen durch Kranzrisse, Scheibenbruch oder allmähliche Unwucht aus. Ein gerissener Kranz kann unter Last katastrophal versagen und Metallfragmente verstreuen; daher sind Maschinen mit großen Schwungrädern abgesichert und werden regelmäßig überprüft. Unwucht entsteht durch Verschleiß, Korrosionsfraß oder Anhaftung von Fremdmaterial und verursacht Vibrationen, die Lager und Dichtungen beschädigen. Das Auswuchten erfolgt durch Bohren oder Schleifen des Kranzes, normalerweise in zwei oder mehr Ebenen, um die Massenmitte wieder auf die Rotationsachse zu bringen.
Der Name leitet sich von der Fähigkeit des Rades her, an Lastspitzen vorbeizufliegen ohne langsamer zu werden, eine Metapher aus der frühen Industriezeit. Heute ist der Begriff in der Maschinentechnik standard, wobei moderne Energiespeicherung für intermittierende Lasten manchmal Hydrospeicher oder elektrische Systeme nutzt. Dennoch bleiben mechanische Schwungräder weit verbreitet, da sie einfach, langlebig und kostengünstig für Maschinen sind, wo gewisse Drehzahlschwankungen akzeptabel sind und die Lastschwankungen vorhersehbar und zyklisch sind.