Ein Schwungrad ist nichts anderes als ein schweres mechanisches Gerät, das an der Welle befestigt ist, um überschüssige Rotationsenergie zu speichern. Es fungiert als rotierendes Reservoir, das Energie speichert, wenn sie im Überfluss vorhanden ist, und sie abgibt, wenn sie am meisten gebraucht wird, ähnlich wie eine Batterie. Er hat ein beträchtliches Gewicht in Bezug auf die Kurbelwellenbaugruppe und hilft so, die drehmomentbeständige Drehgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Sie werden in der Regel in Systemen mit schwankender Last und schwankendem Drehmoment eingebaut, wie z.B. in Verbrennungsmotoren.
Durch sein hohes Gewicht hat ein Schwungrad eine sehr hohe Trägheit, die dazu führt, dass es unabhängig von den entgegengesetzten Kräften bei der gleichen Drehzahl bleibt. Die im Schwungrad gespeicherte Energie ist proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit. Ein Drehmoment wird auf das Schwungrad ausgeübt, um die Rotationsenergie zu speichern, und bei Bedarf wird die Energie vom Schwungrad in Form eines auf die mechanische Last ausgeübten Drehmoments freigegeben. Auf diese Weise erhöht sich die Drehzahl, während die Energie gespeichert wird, und verringert sich, während sie freigesetzt wird.
Sie können die Anwendung im täglichen Leben mit einem einfachen Beispiel verstehen. Erinnern Sie sich an Ihr Spielzeug aus der Kindheit, mit dem Sie spielerisch über den Boden gerieben haben, um zu laufen. Solche kleinen Autos sind ein einfaches Beispiel für ein Schwungrad in Aktion; mechanische Energie wird in ihrem Schwungrad gespeichert, wenn sie über den Boden gerieben werden, die sie dann freisetzen, sobald sie losgelassen werden. Einige andere Beispiele für Schwungräder im täglichen Leben sind Automotoren, Nähmaschinen und manuelle Zuckerrohrsaftpressen.
Was sind Schwungräder& Ihre Arten
Ein Schwungrad gibt es seit den Anfängen der industriellen Revolution. Damals war es noch rein mechanisch mit einem Rad an der Achse; daran hat sich nicht viel geändert, oder? Heutzutage sind Schwungräder eher eine komplexe Anordnung, die auf einer Seite der Welle sitzt; um Energie zum und vom Motor / der Quelle zu übertragen. Sie sind nicht mehr nur auf einfache Maschinen und Motoren beschränkt, sondern werden in vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel in Stromnetzen zur Frequenzregulierung, im Schienenverkehr zur Rückgewinnung von Transitleistung und im Bergbau; um überschüssige Energie zu speichern und so den Gesamtkraftstoffverbrauch zu reduzieren.
Die Funktionsweise lässt sich mit der folgenden physikalischen Gleichung zusammenfassen und verstehen: Drehmoment an der Drehachse = I.α . Wenn sich ein Körper frei um eine feste Achse dreht, dann ist ein Drehmoment ‚t‘ erforderlich, um seine Bewegung mit einer Winkelbeschleunigung ‚a‘ zu verändern. Das erforderliche Drehmoment ist dann proportional zu seiner Winkelbeschleunigung und ergibt sich aus dem Produkt von Trägheitsmoment und Winkelbeschleunigung. Wir werden später in diesem Beitrag detailliert auf das Funktionsprinzip eingehen.
Basierend auf seiner Masse kann es entweder ein Einmassen- oder ein Zweimassenschwungrad sein. Eine Einmassen-Konstruktion ist billiger, dämpft die Motorvibrationen mäßig und kann eine größere Wärmekapazität aushalten. Sie sind aus Stahlguss gefertigt und haben nichts zwischen sich und der Kupplungseinheit. Eine Einmassenkonstruktion wird für Schwungräder mit Mehrzweckanwendung konstruiert; wie z.B. Energiespeicherung, Vibrationsdämpfung und Energierückgewinnung.
Auf der anderen Seite wird eine Zweimassenkonstruktion speziell zur Dämpfung von Vibrationen und Geräuschen hergestellt. Sie haben eine Feder zwischen den beiden Schwungrädern als Dämpfer. Beide Schwungräder können sich innerhalb einer festen Grenze unabhängig voneinander bewegen. Diese Konstruktionen sind teuer und anfällig für Beschädigungen bei hohen Temperaturen oder rauem Gebrauch.
Warum werden Schwungräder im I.C. Motor verwendet
Ich glaube, wir alle verstehen die Grundlagen, wie ein I.C. Motor funktioniert. Für diejenigen, die es nicht wissen; ein I.C (Internal Combustion) Motor ist ein Wärmemotor, bei dem der Kraftstoff in einem begrenzten Raum, der Verbrennungskammer, verbrannt wird. Im Allgemeinen handelt es sich um Rotations- oder Hubkolbenmotoren mit einer Kolbenanordnung. Die plötzliche Ausdehnung des Rauchgases nach der Verbrennung bewegt den Kolben nach unten, der wiederum die Kurbelwelle und schließlich das Fahrzeug / die Abtriebswelle dreht.
Die Verbrennung fand nur einmal alle vier Zyklen in einem Viertaktmotor statt, während alle zwei Zyklen in einem Zweitaktmotor. Die Leistung steht also nur für einen Zyklus zur Verfügung; das bedeutet aber nicht, dass der Motor für diesen einen Zyklus in einem & Viertaktmotor arbeiten muss. Hier kommt ein Schwungrad ins Spiel, da es die Kurbelwelle jederzeit nahtlos mit Kraft versorgt und den Motor in Bewegung hält. Ein Schwungrad ist direkt mit dem Ende der Kurbelwelle verbunden und sorgt so für eine gleichmäßige Kraftentfaltung und Ausrichtung des Motors.
Das Schwungrad hilft also, eine gleichmäßige Kraftentfaltung bei Einzylindermotoren zu gewährleisten. Aber Mehrzylindermotoren können zeitlich so eingestellt werden, dass sie eine gleichmäßige Leistungsabgabe haben; trotzdem haben wir in diesen Motoren Schwungräder. Aber warum? In Mehrzylindermotoren werden sie verwendet, um die Motorvibrationen zu kontrollieren, die Kurbelwelle auszugleichen, die richtige Laufrichtung zu gewährleisten und den Motor bei Bedarf zu starten. Mehrzylinder-Motoren haben ein gleichmäßiges Ausgangsdrehmoment und benötigen daher kleinere und leichtere Schwungräder; das trägt zur Beschleunigung des Motors bei.
Arbeitsprinzip
Das Drehmoment eines Viertaktmotors ist bei verschiedenen Kurbelstellungen nur für den Arbeitstakt positiv. Wie wir bereits besprochen haben, erzeugt ein Verbrennungsmotor nur während des Krafthubs Leistung. Aus dem Drehmomentdiagramm ist ersichtlich, dass während des Ansaugens ein negatives Drehmoment entsteht, da der Zylinderdruck unter 1 Atmosphäre liegt.
Auch wird der Kurbelwelle und dem Schwungrad Energie entzogen, um Arbeit an den Gasen zu verrichten, was zu einem viel höheren negativen Drehmoment führt. Während des Arbeitstaktes kommt es dann zu einem sprunghaften Anstieg des positiven Drehmoments; bedingt durch den ausströmenden Abgasdruck. Während des Auspufftakts werden die Abgase durch die Arbeit am Gas freigesetzt, was zu einem negativen Drehmoment führt.
Aus dem gegebenen Drehmomentdiagramm kann man deutlich erkennen, dass das erzeugte Drehmoment / Drehmoment viel größer ist als das mittlere Drehmoment. Es wird also ein zusätzliches Drehmoment während des Arbeitstaktes erzeugt, das gespeichert und dann mit Hilfe der Schwungräder freigesetzt werden muss. Die von einem Schwungrad mit einem sehr dünnen Rand und der Masse „m“ gespeicherte Energie kann wie folgt angegeben werden:-
E = 1 / 2 X I ω2
Wobei ‚ E ‚ die mittlere kinetische Energie des Schwungrades ist. “ I “ ist sein Trägheitsmoment und “ ω “ ist seine Winkelgeschwindigkeit. Da nun während des Ansaug-, Kompressions- und Auspufftaktes Energie aus dem Schwungrad entnommen und während des Arbeitstaktes hinzugefügt wird,
Die kinetische Energie des Schwungrads für die schwankende Winkelgeschwindigkeit ist also:-
E = Maximale kinetische Energie – Minimale kinetische Energie = Arbeit, die durch das Drehmoment am Schwungrad verrichtet wird ( Beweis auf Brilliant.com )*
E = 12x I x ( ω )2 – 12x I x ( ω )2
Oder,
E = 1/2 x I x ( ω1 + ω2 )( ω1 – ω2 )
Da nun ( ω1 + ω2 ) / 2 = ω
daher,
E =I ω2 ( ω1-ω2 )ω
Nun, da ω = 2πN / 60
Daher,
E=Ix2πN60x2πN60x2πN160-2πN260x602πN=4π23600xIxNNN1-N2=π2900x m.k2 x NN1-N2
Wobei K der Trägheitsradius für das Schwungrad ist.
Nun kann die im Schwungrad gespeicherte Energie gegeben werden durch:-
E=π2900x m.k2 xN2xCs
Wobei; Cs der Viskositätskoeffizient für das Schwungrad i ist.e (N1-N2)/N
Wie können wir Schwungräder zur Bestimmung der Laufrichtung verwenden?
Ein Schwungrad kann ein kleines Hilfsmittel sein, um die Laufrichtung eines Motors zu bestimmen. Sie können einfach feststellen, in welche Richtung sich der Motor dreht, indem Sie einen Blick auf die Schwungräder des Motors werfen. Das liegt daran, dass ein Schwungrad keine eigene Drehrichtung hat, sondern der Drehrichtung des Motors folgt, an dem es montiert ist. Von der Schwungradseite aus betrachtet; wenn es sich im Uhrzeigersinn dreht, ist der Motor ein Rechtsläufer. Dreht sich das Schwungrad in einem Motor gegen den Uhrzeigersinn, handelt es sich um einen Linksläufer.
Bei schweren Mehrzylindermotoren, wie sie in der Industrie und in Schiffen eingesetzt werden, können diese Schwungräder auch zur Bestimmung der Kolbenposition im Zylinder verwendet werden. Anhand der Zylindermarkierungen auf dem Schwungrad kann man erkennen, in welchem Zylinder sich der Kolben im Totpunkt befindet. Wenn der Motor für längere Zeit stillsteht und gereinigt werden muss, sind diese Schwungräder sehr nützlich. Um einen Motor zu reinigen, müssen Sie das Schwungrad entweder manuell oder durch einen Motor mit geöffnetem Hahn drehen.
Obwohl ein Motor sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen kann, drehen sich die meisten Motoren gegen den Uhrzeigersinn. Aber es ist keine feste Regel, da es nur eine Frage der Entscheidung des Konstrukteurs ist, die eine Richtung der anderen vorzuziehen. Sie müssen also immer die korrekte Laufrichtung eines Motors kennen; entweder durch das Motorhandbuch oder durch eine visuelle Inspektion des Schwungrads.
Gebräuchliche Zweifel an Schwungrädern& Ihre Antworten
Q.1. Warum sind Schwungräder nur aus Gusseisen?
Sie haben vielleicht in vielen Handbüchern oder im Internet gelesen, dass das Schwungrad aus Gusseisen oder Grauguss besteht. Es mag Zweifel aufkommen lassen, ob alle Schwungräder aus Gusseisen bestehen oder zumindest die meisten. Tatsächlich kann ein Schwungrad aus verschiedenen Materialien hergestellt werden; je nach Anwendung. Sehr kleine Schwungräder, wie sie in Spielzeugen vorkommen, werden meist aus Blei hergestellt. Mittlere oder kleine Schwungräder können aus Gusseisen, Aluminium oder Stahl sein. Aber die großen Schwungräder werden aus Gusseisen oder hochfestem Stahl hergestellt, je nach den Anforderungen der Konstruktion.
Q.2. Warum haben Schwungräder Zähne?
Nicht alle Schwungräder haben Zähne, aber die meisten Schwungräder an Autos, Motorrädern, schweren Generatoren und Schiffen haben Zähne; aber warum? Da Sie wissen, dass Schwungräder helfen, die Leistung konstant zu halten; aber wie bekommen wir diese Leistung, wenn wir den Motor nicht starten. Wenn Sie ein Motorrad hatten oder haben, müssen Sie wissen, wie wir den Motor anwerfen oder selbst starten müssen, um ihn zu betreiben. Der Motor dreht das Schwungrad über ein kleines Zahnrad, das an den Zähnen des Schwungrads befestigt ist. In großen Dieselmotoren, wie z. B. in Schiffen, wo Druckluft zum Kurbeln oder Starten des Motors verwendet wird, werden diese Schwungradzähne für die Hochdruck-Kraftstoff- und Servoölpumpe verwendet.
Q.3. Sind Schwungrad und Regler ähnlich?
Ans: Sowohl Schwungrad als auch ein Regler werden zur Regulierung der Motordrehzahl verwendet; aber auf unterschiedliche Weise. Einerseits regelt das Schwungrad die Drehzahl eines Motors über verschiedene Hübe, um seine mittlere Drehzahl konstant zu halten. Ein Drehzahlregler hingegen wird verwendet, um die mittlere Drehzahl des Motors bei variabler Last zu regeln. Dies wird durch die Anpassung der Kraftstoffeinspritzung an den erhöhten Leistungsbedarf erreicht. Wenn die Last plötzlich ansteigt, wird der Motor langsamer. Um nun die Motordrehzahl konstant zu halten, erhöht der Regler die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder, um mehr Drehmoment zu erzeugen und somit die Drehzahl zu erhöhen. Also, obwohl beide Schwungrad und ein Regler scheint zu tun, ähnliche Arbeit, aber sind wirklich anders.
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