Schwungrad

Ein Schwungrad ist ein schweres Rad, das beim Drehen Energie speichert. Es nimmt den Überschuss auf, wenn der Antrieb kräftig schiebt, und gibt ihn zurück, wenn der Schub nachlässt, sodass die Maschine gleichmäßiger läuft. Die ältesten Beispiele sind vermutlich durchbohrte Kiesel aus dem Jordantal, etwa 12.000 Jahre alt, die als Spinnwirtel dienten.

Was es ist

Ein Schwungrad ist ein absichtlich schwer gemachtes Rad, das fest auf einer Welle sitzt, sodass sich beide gemeinsam drehen. Ist es einmal in Schwung, widersetzt es sich jeder Änderung der Drehzahl. Es braucht mehrere Stöße, bis es anläuft, und dreht sich weiter, wenn niemand mehr schiebt. Eine Maschine nutzt das, um Energie von einem Kraftstoß zum nächsten mitzunehmen. So wird aus einem ungleichmäßigen Antrieb oder einer schwankenden Last eine recht gleichmäßige Drehung.

Viele Maschinen haben eines. Der Wirtel hält die Handspindel beim Verdrillen der Faser in Gang, das schwere Rad der Töpferscheibe hält den Ton zwischen zwei Fußtritten in Bewegung, und die gusseisernen Räder von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren halten die Kurbelwelle von einem Kolbenstoß bis zum nächsten gleichmäßig in Drehung.

Eine Bergwerkshaspel, wie sie Georgius Agricola 1556 beschrieb, nutzt es in einfacher Form. Ein Mann dreht mit einer Kurbel eine hölzerne Welle, auf die sich das Seil wickelt, und das andere Ende der Welle trägt ein großes Speichenrad, das mit Blei beschwert ist. Nach Agricola ersetzte dieses Rad einen zweiten Mann.

Wie es funktioniert

Das Gewicht sitzt im Kranz, die Speichen bleiben leicht.

Ein drehendes Rad speichert Energie in der Bewegung seiner Masse, und am stärksten zählt die Geschwindigkeit: Bei doppelter Drehzahl enthält es viermal so viel Energie. Auch die Lage der Masse spielt eine Rolle. Masse weit außen bewegt sich schneller als Masse nahe der Achse, deshalb speichert ein dünner Ring bei gleichem Gewicht doppelt so viel wie eine volle Scheibe mit demselben Durchmesser. Darum haben Schwungräder einen schweren Kranz und leichte Speichen, und darum wirkt Blei weit außen an einer Speiche mehr als dasselbe Blei nahe der Welle.

Die Kraft, die eine Kurbel dreht, ist selten gleichmäßig. Treibt eine Pleuelstange die Kurbel an, wie in einer Maschine, steht sie zweimal je Umdrehung mit der Kurbel in einer Linie, und in diesen beiden Totpunkten kann ihr Schub die Kurbel überhaupt nicht drehen. In einer einfach wirkenden Maschine drückt der Dampf oder das Gas nur auf eine Seite des Kolbens, und die Welle muss durch die Hübe getragen werden, die keine Arbeit leisten. In einer doppelt wirkenden Dampfmaschine drückt der Dampf abwechselnd auf beide Seiten, und jeder Hub leistet Arbeit, doch die Drehkraft steigt und fällt während jeder Umdrehung und sinkt in den Totpunkten auf null. Auch die Last schwankt, etwa wenn ein Kübel pendelt oder eine Säge auf einen Ast trifft. Solange der Antrieb mehr liefert, als die Last braucht, beschleunigt der Überschuss das Rad ein wenig. Liefert er weniger, wird das Rad ein wenig langsamer, und seine gespeicherte Energie gleicht den Unterschied aus. Ein schwereres Rad ändert seine Drehzahl bei gleichem Überschuss oder Mangel weniger.

Ein Schwungrad fügt keine Energie hinzu und regelt nicht die Zufuhr. Wenn die mittlere Drehzahl abwandert, weil sich Last oder Dampf ändern, muss ein Regler oder der Maschinist sie korrigieren.

Jeder Teil eines drehenden Kranzes wird nach außen gezogen und muss von den Speichen und vom Kranz selbst gehalten werden. Dieser Zug wächst mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit, und oberhalb einer vom Werkstoff gesetzten Grenze zerplatzt das Rad und seine Stücke fliegen davon. Ein Bericht der Sandia National Laboratories hält fest, dass die Kränze von Dampfmaschinen-Schwungrädern selten schneller als 20 m/s liefen. Moderne Speicherschwungräder mit Kränzen aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff laufen in einem Vakuumgehäuse mit 500 bis 1.000 m/s. Nach demselben Bericht hielt ein 50 Tonnen schweres Schwungrad des Industriezeitalters etwa 5 kWh, ein modernes Netzschwungrad von etwa einer Tonne dagegen mehr als 25 kWh.

So geht’s

Ein kleines Rad mit Handkurbel auf einem Brett zeigt beide Wirkungen: Masse am Kranz speichert mehr, und ein Schwungrad gleicht eine Kurbel aus. Es dient nur der Vorführung und darf nie mit einer Bohrmaschine oder einem Motor angetrieben werden.

Den Ständer bauen. Zwei etwa 25 cm hohe Hartholzklötze mit 5 cm Kantenlänge im Abstand von 10 cm aufrecht auf ein Brett schrauben. Sie 20 cm über dem Brett für einen geraden Hartholzrundstab oder eine Stahlstange von etwa 12 mm durchbohren, sodass die Achse ohne Spiel frei läuft, und Wachs in die Löcher reiben. Bei dieser Achshöhe läuft das 30-cm-Rad etwa 5 cm über dem Brett.

Das Versuchsrad: vier gleiche Gewichte, zuerst nahe der Mitte, dann nahe dem Kranz angeschraubt.

Das Rad bauen. Eine Sperrholzscheibe von etwa 30 cm Durchmesser und 15 mm Dicke aussägen, mit einem Mittelloch, das stramm auf der Achse sitzt, und sie zwischen den Klötzen festleimen oder verstiften. Zwei Kreise mit je vier Löchern im rechten Winkel bohren, einen etwa 4 cm von der Mitte, den anderen etwa 2 cm innerhalb des Randes. Vier gleiche Gewichte nehmen, zum Beispiel große Stahlscheiben mit Schrauben und Muttern, und auf einer Küchenwaage prüfen, dass sie gleich viel wiegen. Am Achsende außerhalb eines Klotzes eine Holzkurbel mit einem runden Zapfen als Griff befestigen.

Den Versuch machen. Die Gewichte im inneren Kreis anschrauben, einen Bleistiftstrich auf den Rand ziehen, die Kurbel in gleichmäßigem Tempo dreimal drehen und loslassen. Die Umdrehungen zählen, bis das Rad stillsteht. Dieselben Gewichte in den äußeren Kreis setzen und im selben Tempo wiederholen. Das Rad läuft schwerer an und dreht sich viel länger. Danach die Kurbel nur in der abwärts gehenden Hälfte jeder Umdrehung schieben: Mit den Gewichten außen läuft das Rad zwischen den Stößen deutlich gleichmäßiger.

Geschichte und Entwicklung

Durchbohrte Kiesel, wie man sie für Spinnwirtel hält; das Gewicht auf dem Stab hält ihn länger in Drehung.

In Nahal Ein Gev II, einem Dorf im Jordantal etwa 2 km östlich des Sees Genezareth, lebten vor etwa 12.000 Jahren Menschen des späten Natufiens. Die Grabungen lieferten 113 durchbohrte Kiesel, meist aus weichem Kalkstein und 1 bis 34 g schwer: 48 ganz durchbohrte, 36 zerbrochene, die nur noch einen Teil ihres Lochs zeigen, und 29 unfertige mit einer oder zwei Bohrspuren. Die fertigen Löcher sitzen in der Mitte des Kiesels und wurden fast alle von beiden Seiten gebohrt. Von den bestimmbaren Formen sind etwa 60 % rund, die übrigen eckig oder unregelmäßig, und nur 11 Kiesel wurden über das Bohren hinaus deutlich überarbeitet. Talia Yashuv und Leore Grosman vertraten 2024 die Ansicht, dass es Spinnwirtel waren, die als kleine Schwungräder die Spindel nach jedem Antippen mit den Fingern weiter die Faser verdrillen lassen. Ein erfahrener Spinner spann mit Nachbildungen Flachs und Wolle schneller als von Hand, und die schwereren Steine hielten ihren Schwung besser. Zwei Archäologen, die an der Studie nicht beteiligt waren, Alex Joffe und Yorke Rowan, stützten diese Deutung. Carole Cheval, Expertin für vorgeschichtliche Textilien, schrieb, die Kiesel könnten durchaus Wirtel sein, ähnliche, teils ältere Gegenstände seien aber schon veröffentlicht worden. Janet Levy, auf die sich Yashuv und Grosman beziehen, setzt den ersten eindeutigen Nachweis von Garn, das mit einer Spindel gesponnen wurde, in der südlichen Levante später an, im keramischen Neolithikum.

Töpfer verwendeten später ein schwereres Rad. Nach Johnny Baldi und Valentine Roux formten Töpfer im nördlichen Mesopotamien um 3900 v. Chr. Gefäße mit dem Schwung eines drehenden Rades, und in der südlichen Levante tauchen drehende Vorrichtungen in der zweiten Hälfte des 5. Jahrtausends v. Chr. auf. Das große Rad des Spinnrads leistete später dasselbe für die Spindel.

In seinem 1556 gedruckten Buch über den Bergbau beschreibt Agricola eine Haspel, die außer den Kurbeln ein Rad besitzt. War die Welle einmal in Gang, halfen ihr die schnellen Umdrehungen des Rades, und an einem tieferen Schacht schafften drei Männer mit dem Rad die Arbeit von vier. Man hängte Bleistücke an das Rad oder band sie an die Speichen. Das Rad hatte keine Nabe: Seine Speichen waren unmittelbar in die dicke Welle eingezapft. Agricola beschreibt auch eine Maschine mit Handkurbel, die Wasser mit einer Kette von Schöpfgefäßen hob und auf ihrer untersten Achse ein hölzernes Schwungrad trug, damit sie sich leichter drehen ließ. Das Maschinenbuch von Agostino Ramelli aus dem Jahr 1588 zeigt Pumpen mit Handkurbel und Schwungrad.

1779 ließ sich Matthew Wasbrough, ein Ingenieur in Bristol, eine Dampfmaschine patentieren, die eine Welle über Sperrräder drehte, und er fügte ein Schwungrad hinzu. John Farey sah darin 1827 das erste Schwungrad an einer Dampfmaschine. Die Sperrräder versagten immer wieder, und 1780 ersetzten die Betreiber einer dieser Maschinen in Birmingham sie durch eine einfache Kurbel und behielten das Schwungrad. Das Patent von James Pickard vom 23. August 1780 betraf eine Kurbel mit umlaufendem Gegengewicht. Kurbel und Schwungrad wurden zum üblichen Weg, einer Maschine eine gleichmäßige Drehung abzugewinnen.

Die Schwungräder wuchsen mit den Maschinen, und manche gusseisernen Räder des 19. Jahrhunderts maßen mehrere Meter. Der Bericht von Sandia vermerkt, dass sie recht häufig zerplatzten, oft nach dem Versagen eines Reglers. 1896 zerbarst in einem Drahtwerk in Cleveland ein Schwungrad von 24 Fuß (7,3 m) Durchmesser, etwa 50.000 Pfund (rund 23 Tonnen) schwer und mit 75 Umdrehungen pro Minute laufend, nachdem der Riemen des Reglers gerissen und die Maschine durchgegangen war.

Seit dem späten 20. Jahrhundert werden Schwungräder auch allein zur Speicherung von Strom gebaut. Ein Motorgenerator beschleunigt den Rotor, um Energie einzuspeichern, und bremst ihn, um sie zurückzugewinnen, und der Rotor läuft im Vakuum, damit der Luftwiderstand gering bleibt. In Stephentown im Bundesstaat New York ging 2011 eine Anlage mit 200 Schwungrädern mit Kohlefaserkränzen in Betrieb, die sich jeweils mit bis zu 16.000 Umdrehungen pro Minute auf Magnetlagern drehen und 25 kWh speichern. Zusammen können sie binnen Sekunden 20 MW abgeben oder aufnehmen, um die Netzfrequenz stabil zu halten.