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{{Begriffsklärungshinweis|Siehe auch: [[Schwungräder]]}}
[[Datei:Schwungrad02.jpg|miniatur|Schwungrad einer [[Gesenkschmieden|Gesenkschmiede]]]]
Ein '''Schwungrad''' (auch als '''Schwungmasse''' bezeichnet) ist ein [[Maschinenelement]]. Es wird unter anderem als [[Energiespeicher]] [[Kinetische Energie|kinetischer Energie]] ([[Rotationsenergie]] und [[Masseträgheit]]) genutzt, indem seine Drehbewegung ([[Rotationsbewegung|Rotation]]) mit möglichst geringem [[Reibung]]s<nowiki/>verlust zur Verwendung im Bedarfsfall gespeichert wird; Details siehe [[Schwungradspeicherung]].

Bei [[Kurbeltrieb]]en wird die Schwungmasse eingesetzt, um Schwingungen auszugleichen sowie um den oberen und den unteren [[Totpunkt]] [[ruck]]<nowiki/>frei zu überwinden.

Außerdem werden Schwungräder zur Lagestabilisierung von [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] ([[Stabilisierung (Raumfahrt) #Drallstabilisierung|Drallstabilisierung]], [[Drallrad]]) und Flugzeugen ([[Kreiselinstrument#Technische Anwendungen|Kreiselkompass]]) sowie in Spielzeug-[[Kreisel]]n genutzt.

Ein Schwungrad speichert die [[Rotationsenergie]] <math>W_k</math>:

:<math>W_k = \frac 1 2 J \omega^2</math>

mit seinem [[Trägheitsmoment]] <math>J</math> bei der [[Winkelgeschwindigkeit]] <math>\omega</math>. Das Trägheitsmoment wird durch den Aufbau des Schwungrades bestimmt: je massereicher das Schwungrad und je größer sein [[Durchmesser]], desto größer sein Trägheitsmoment.

== Anwendungen ==
[[Datei:Volin.jpg|mini|rechts|Industrielles Schwungrad auf einer Messe]]

=== Energiespeicherung ===
[[Datei:Lanz Bulldog 1928-crop.jpg|alternativtext=|mini|Schwungrad bei einem [[Glühkopfmotor]]]]
Anwendungen liegen unter anderem bei [[Hubkolbenmotor]]en, insbesondere bei [[Motor|1-Zylinder-Viertaktmotoren]]. Diese haben nur bei jeder vierten halben Umdrehung einen [[Verbrennungsmotor|Arbeitstakt]], der Energie über die [[Kurbelwelle]] an den Abtrieb leitet. In den restlichen drei Takten benötigen sie Energie, um die Drehbewegung aufrechtzuerhalten und die Verbrennungsluft zu verdichten. Die Energie des Arbeitstaktes wird im Schwungrad zwischengespeichert und danach laufend wieder abgegeben.

Einfachste kleine [[Spielfahrzeug]]e kommen ohne Federspeicher aus und fahren allein mit Schwungradantrieb typisch 3 m weit. Das Schwungrad besteht aus 1 bis 3 gestanzten kreisrunden Scheiben mit 2 bis 4 cm Durchmesser, aus 1 bis 2 mm starkem Eisenblech, gelocht aufgepresst auf eine Stahlachse, die in Blech oder Plastik gelagert ist.

Eine weitere Anwendung stellen [[Schwungrad-Speicherkraftwerk]]e in modularer Bauweise zum Ausgleich bei plötzlichem Mehrbedarf in [[Stromnetz]]en dar. Zur Speicherung wird ein Schwungrad mittels eines Elektromotors angetrieben und die Energie in Form von [[Rotationsenergie]] für die Energieabgabe im Minutenbereich vorgehalten.

Beim Fusions-Experiment [[ASDEX Upgrade]] werden Schwungrad-Generatoren von bis zu 220 Tonnen Masse verwendet, die über eine halbe Stunde geladen werden und über rund 10 Sekunden zwischen 100 und 400 MW abgeben.<ref>[[Max-Planck-Institut für Plasmaphysik|IPP]]: [https://www.ipp.mpg.de/4241286/generatoren ''Die Schwungmasse-Stoßgeneratoren.''] Abgerufen am 24. Oktober 2022.</ref><ref>IPP: [https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/presse/archiv/12_03_pi ''Störende Schwingungen – Problemlösung für Forschung und Industrie.''] 6. November 2003.</ref>

Auf der [[Norwegen|norwegischen]] Insel [[Utsira]] wurde 2004 ein autarkes Stromnetz errichtet, in dem ein 5-kWh-Schwungradspeicher kurzfristige Stromschwankungen ausgleicht.

Die [[Schwungmasse]] aller in der Netzstromproduktion (synchron) laufenden Turbinen und Generatoren haben eine Bedeutung für die Stabilisierung der Netzfrequenz über einige Sekunden.<ref>Primary Frequency Response Task Force: [https://www.pjm.com/-/media/committees-groups/task-forces/pfrstf/20170901/20170901-primary-frequency-response-education-part-1-of-2.ashx ''Primary Frequency Response Stakeholder Education.''] 1. September 2017.</ref> In großen Maschinen, wie [[Schmieden]], geben Schwungräder Energie innerhalb eines kleinen Bruchteils der Taktperiode ab. Mit der geringer werdenden Zahl an konventionellen Kraftwerken mit großen Turbinen werden teilweise spezielle Schwungräder zur Stabilisierung der Netzfrequenz eingesetzt, so beispielsweise am [[Kraftwerk Moneypoint]] in Irland. Dort wurde 2022 ein 4 × 2 m großes 120 Tonnen Schwungrad installiert, das mit 3000 U/min rotiert. Dieses kann eine Energie von 4 Gigawattsekunden bereitstellen, um das Netz bei kurzfristigen Laständerungen über einige Sekunden zu stabilisieren.<ref>{{Internetquelle|url=https://www.en-former.com/ein-riesen-schwungrad-fuer-die-netzstabilitaet-in-irland/|titel=Ein Riesen-Schwungrad für die Netzstabilität in Irland|abruf=2022-01-04|datum=2022-07-07}}</ref>

=== Lagestabilisierung ===
Rotierende Schwungräder lassen keine Winkelveränderungen ihrer Achse zu. Das dient zur Stabilisierung z. B. in [[Kreiselkompass]]en für [[Schiffsstabilisator#Kreiselstabilisatoren|Schiffe]] und den als Drallrad bzw. [[Trägheitsrad]] bezeichneten Vorrichtungen in [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]].

=== Drehungleichförmigkeit, Drehschwingungen ===
Bei vielen dynamischen Prozessen an Maschinen treten Drehungleichförmigkeiten (Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit) auf. Diese entstehen durch periodisch auftretende Drehmomente und können zu Drehschwingungen (=Torsionsschwingungen) führen. Schwungräder vermindern durch ihre Massenträgheit die Drehungleichförmigkeit, indem sie bei Beschleunigung Energie aufnehmen und bei Verzögerung wieder abgeben. 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 (beispielsweise 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 (beispielsweise 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: [[Amplitude]]n-Verringerung) erstmals eingesetzt wurde ein Schwungrad bei dem Motor des [[BMW]]-[[Motorrad]]s [[BMW R 50 S/R 69 S|BMW R 69 S]] ab Baujahr 1960, um die zuvor häufig auftretenden 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 eine geringere [[Hubkolbenmotor#Drehungleichförmigkeit|Drehungleichförmigkeit]] des schwingungsfähigen 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 elastischem Element die Übertragung von Motorschwingungen auf den restlichen Antriebsstrang stark reduziert (beispielsweise 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 [[Trägheitsmoment|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.

Die [[Unruh (Uhr)|Unruh]] der mechanischen Uhr stellt im Zusammenwirken mit der Spiralfeder einen Drehschwinger dar, dessen [[Periodendauer]] eine hohe Konstanz ([[Isochronismus]]) aufweist.

== Geschichte ==
=== Altertum und Mittelalter ===
[[Datei:Schwungrad01.jpg|miniatur|Historisches Schwungrad eines [[Walzwerk]]es]]
Schon im Altertum wurde die Massenträgheit in Form rotierender [[Masse (Physik)|Massen]] genutzt. [[Spinnwirtel]] aus Ton oder Stein sind seit dem frühen [[Neolithikum]] belegt, z. B. in [[Achilleion (Thessalien)|Achilleion]].<ref>[[Marija Gimbutas|Marija Alseikaitė Gimbutas]], Shan M. M Winn, Daniel M. Shimabuku, Sándor Bökönyi: ''Achilleion: a Neolithic settlement in Thessaly, Greece, 6400–5600 B.C.'' Los Angeles, Institute of Archaeology, University of California 1989, S. 256 (Phasen IIa-IVa).</ref> Auch bei [[Töpferscheibe]]n wurden einfache Schwungräder verwendet, um ein dauerhaftes, unterbrechungsfreies und gleichmäßiges Drehen zu gewährleisten.

Im [[Mittelalter]] hatten hölzerne Schwungräder bereits Drehzahlen von rund 100 Umdrehungen in der Minute und konnten die Rotation zum Teil über mehrere [[Minute]]n aufrechterhalten. Das Schwungrad als generelles Maschinenelement zur Speicherung kinetischer Energie findet sich erstmals in den ''De diversibus artibus'' (Über verschiedene Künste) des [[Theophilus Presbyter]] (ca. 1070–1125), der es bei mehreren seiner Maschinen verwendete.<ref>Lynn White, Jr.: ''Theophilus Redivivus''. In: ''Technology and Culture'', Bd. 5, Nr. 2 (Frühling 1964), Rezension, S. 224–233 (233)</ref><ref>Lynn White, Jr.: ''Medieval Engineering and the Sociology of Knowledge''. In: ''The Pacific Historical Review'', Bd. 44, Nr. 1 (Febr. 1975), S. 1–21 (6)</ref>

=== Neuzeit ===
[[Datei:Bundesarchiv Bild 102-10105, Berlin-Tempelhof, Modell eines Kreisel-Flugzeuges.jpg|miniatur|Modell des [[Engelbert Zaschka#Zaschka-Rotationsflugzeug „Z II“ (1928)|Zaschka-Hubschraubers]] von 1928. Die Verbindung der Rotorblätter mit zwei Schwungrädern gewährleistet eine stabile [[Autorotation]]slandung.]]

Schwungräder dienen zum Ausgleichen des nicht konstanten [[Drehmoment]]s bei [[Dampfmaschine]]n und [[Verbrennungsmotor]]en. Kurzzeitige Lastspitzen in Arbeitsmaschinen können durch Schwungräder und die darin gespeicherte Energie ausgeglichen werden und erlauben häufig einen deutlich kleineren Antriebsmotor, z. B. bei Stromerzeugeraggregaten zum Abdecken der bei Elektromotoren häufig sehr hohen Anlaufströme.
[[Datei:Kiefermühle.jpg|mini|Schwungräder in einer alten Wassermühle]]
Auch im Bereich der frühen [[Hubschrauber]]entwicklung fanden Schwungräder ihre Verwendung. 1927 wurden im Unterschied zu den bis damals bekannten Trag- und Hubschraubern die Rotoren des ''Zaschka-Rotationsflugzeugs'' von Oberingenieur [[Engelbert Zaschka]] mit einer zwei Kreiseln wirksamen Schwungmasse zwangsläufig rotierend verbunden. Durch diese Anordnung konnte mit abgestelltem Motor ein gefahrloser senkrechter [[Gleitflug]] ausgeführt werden.<ref>[[Engelbert Zaschka]]: ''Drehflügelflugzeuge. Trag- und Hubschrauber.'' C.J.E. Volckmann Nachf. E. Wette, Berlin-Charlottenburg 1936, Seite 47, {{OCLC|20483709}}.</ref>
[[Datei:Schwinn Airdyne.jpg|mini|[[Schwinn (Marke)|Schwinn Spinningbike]]]]
In den 1950er Jahren waren sowohl in [[Basel]] in der [[Schweiz]] als auch in Österreich sogenannte [[Gyrobus]]se im Einsatz. 1955 wurde in [[Kinshasa|Leopoldsville]] (damals Belgisch-Kongo) eine Flotte von 12 Gyrobussen betrieben. Die Schwungräder stammten von der [[Maschinenfabrik Oerlikon]] und boten die Möglichkeit der [[Nutzbremse]]. In den 90er Jahren wurden in [[München]] und [[Bremen]] Busse mit Schwungradspeichern eingesetzt.<ref>Planet e: ''Mehr Energie durch Schwungrad-Technik.'' Video in der ZDFmediathek (ab 15:30 Min.), abgerufen am 8. Mai 2012 (offline).</ref> Diese Busse bezogen ihre [[Energie]] für den Elektroantrieb ausschließlich von einem Schwungrad (Speicherinhalt 9,15 kWh). Sie konnten ohne Verbindung mit dem Stromnetz etwa 20 Kilometer zurücklegen. Dann mussten sie an Haltepunkten jeweils an das Stromnetz andocken, um das Schwungrad wieder aufzuladen. Diese Art der Energiespeicherung hat sich damals auch wegen technischer Unzulänglichkeiten nicht bewährt. Heutige Schwungräder arbeiten mit [[Magnetlager]]n und fast ohne [[Reibung]] in [[Vakuum]]gehäusen.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Flywheels|Schwungräder}}
{{Wiktionary}}
* {{DNB-Portal|4180573-2}}
* {{Internetquelle | url=http://www.volvocars.com/de/top/about/news_events/pages/press.aspx?itemid=334 | abruf=2012-05-30 | titel=Volvo testet innovative Schwungradspeicher-Technik | abruf-verborgen=ja }}
* {{Internetquelle | url=http://www.hybrid-autos.info/Energiespeicher/Mechanische-Speicher/dynastore-schwungradspeicher.html| datum=2012-03-22| abruf=2012-03-22 | titel=DYNASTORE Schwungradspeicher| hrsg=Uli Christian Blessing | abruf-verborgen=ja }}
* [http://www.familie-stroessenreuther.de/daten/Diplomarbeit_Schwungradspeicher_FStroess_1996.pdf Diplomarbeit von Florian Strößenreuther] (PDF; 1,6 MB)
* [http://www.amsat-dl.org/journal/artikel/adlj-rad.htm Entwicklung eines magnetisch gelagerten Schwungrades für AMSAT Phase 3-D]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4180573-2|LCCN=sh85049602|NDL=00563053}}

[[Kategorie:Räder]]
[[Kategorie:Technischer Energiespeicher]]

Schwungrad - Versionsgeschichte

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