Energilagrande svänghjul

[JohnA]

Detta är nog en mestadels idiotisk idé, men kan vara kul att spåna om ändå så jag skriver innan jag ens försökt applicera någon matematik på den:

Ett motorsvagt fordon med hög vikt kan klara landsvägsfarten förvånansvärt bra i backig terräng genom energilagring. Att åka omkring med sandsäckar eller blytackor är en dålig idé, i synnerhet när man väl hamnar i stadstrafik. Så hur vore det att koncentrera den energilagrande barlasten i ett svänghjul i stället? Grovmatematiken jag tänker mig är att rörelseenergin hos ett svänghjul beräknas ur rotationshastigheten vid den radie som motsvarar svänghjulets radiella tyngdpunkt. Rotationen av denna radie kan direkt omvandlas till en rätlinjig rörelse och rörelseenergin är är då m*V, eller hur? Om svänghjulet har det mesta av massan längst ut på kanten, är lika stort som ett bilhjul men snurrar 10 ggr fortare och väger 1/10 av bilen borde svänghjulet ändå ha samma rörelseenergi som hela bilen.

Slarvmatte:
Hjuldiameter ca 60cm => omkrets ca 2m. ca 100 km/h = 30 m/s => hjulrotation ca 15 varv/s = 900 varv per minut.
Bilen väger 1000kg, svänghjulet 100. Vi lägger svänghjulet i reservhjulsbaljan där det passar precis och spinner sakta upp
det till galna 10.000 rpm. Håller min slarvmatte och svänghjulet kopplas till bilens drivhjul har vi nu dubblat bilens förmåga att
med enbart rörelseenergi ta sig uppför en brant backe trots dess klena motor. Ändå har bilens vikt bara ökats 10%.

Vad skulle då nyttan vara med denna fantastiska uppfinning? Tja, om man t.ex. praktiserar "jojjokörning" med en normalt överdimensionerad bilmotor skulle svänghjulet kunna förlänga intervallen. Ihop med en svag motor kan svänghjulet göra att man inte behöver växla ner lika ofta i uppförsbackarna samtidigt som man inte behöver hålla igen lika mycket när det går nerför.

Har för mig det var något experiment kring dessa principer med stadsbussar för 20-30 år sedan. Att sådant ens kostades på att testa i fullskala talar för att mer skärpta ingenjörer än jag kommit fram till att det borde fungera. Att vi inte ser sådant på dagens bussar talar för att vinsterna ändå blev ganska små eller att det var svårt att få fram en praktiskt vettig lösning ur prototyperna. Personligen föredrar jag andra mindre konstiga lösningar, men som sagt, det är kul att spåna och nu har jag i alla fall fått dumheterna ur systemet. 

(Hej grannen Jonas, nu har jag gjort det igen!    *högst internt skämt*)

[JohnA]

Jag väcker den dödfödda med en utevckling av iden:

Ett fysiskt svänghjul som roterar i hög hastighet utan större förluster och en massa dödvikt i form av komplicerade styr- och drivsystem blir förstås en klumpig konstruktion, förmodligen med en hel del dåliga kompromisser. Om man däremot tänker sig en elektrisk motsvarighet blir det mycket enklare och välbeprövad teknik kan användas rakt igenom.

I tråden om bränslebesparing genom växelvis acceleration och frirullning har det skrivits och experimenterats så pass mycket att i alla fall jag är övertygad om att man kan minska bränsleförbruknkngen med i grova slängar en tredjedel genom att bara låta motorn arbeta växelvis hårt och inte alls. Metoden har sina stora nackdelar ihop med övrig trafik och skulle fler köra på detta sätt skulle trafikmiljön haverera fullständigt!

Om man i stället för att accelerera och rulla fritt under stora hastighetsskillnader kunde hålla jämn fart under cyklerna skulle resan bli behagligare och övrig trafik skulle inte behöva störas. Där borde svänghjulsprincipen passa utmärkt i en elektrisk version!

Alltså, en elmotor på 10-20 kW kopplad direkt till bilhjul/differential, eller rent av med ett eget femte hjul direkt i gatan, och ett för elfordon väldigt litet ackumulatorpaket, samt en elektrisk styrbox med display som sköter laddning/drift efter några enkla grundprinciper. Batteriet behöver inte räcka för mer än några få kilometers körning, men det måste kunna ta emot laddning utan den elektrokemiska tröghet som finns i vanliga bly-syrabatterier. Ni-Mh antar jag är en bra kanditat om man inte vill investera i det dyraste och bästa som jag antar är något lithiumbaserat.

Hur stort och tungt skulle elmotor och matchande batteri behöva vara? Kan en elmotor med direktdrift för 80-90 km/h vara användbar även i låga hastigheter som t.ex. krypkörning vid långa köer eller blir vridmoment och verkningsgrad så usla att det bara är att glömma?

I landvägsfart behövs inte mycket vridmoment eller kontaktytamot vägbanan för att få grepp för 10-20 kW. Om man bygger enheten som ett femte hjul komplett med batteri och styrelektronik kanske tyngden är lagom för att pressa hjulet mot asfalten? I så fall kan man klämma fast enheten med friktion mot bilens dragkrok och endast ha en liten stötdämpare som hindrar hjulet att studsa. Någon egentlig fjädring behövs nog inte.

Manöverenheten/displayen kan bestå av endast en knapp för on/off och några lysdioder om systemet bara används som svänghjul i landsvägsfart. Kan det även tänkas fungera som primär framdrivning vid krypkörning behövs aningen mer kontrollfunktioner.

Vad skulle en sån här pryl kunna kosta att köpa i handeln och hur snart skulle en långpendlare kunna tjäna in den om den sparar 30% av den dyra bensinen? Moderna bilar med stop/start-system  kunde kanske modifieras/integreras med "stödhjulet" för maximal besparing. Mer nördiga användare nyttjar potentialen fullt ut genom mer manuell användning.

Är förresten el och batterier den mest pris-, vikt- och volymeffektiva energilagringen för de 10-20 kilowatten under endast ett par kilometer eller kan t.ex. hydraulik/pneumatik eller fysiskt svänghjul ändå vara alternativ? Det sistnämnda behöver utöver fysisk massa endast en växellåda, en koppling och ett enkelt elektroniksystem som hjälper föraren att hitta och förbereda sig på aktuellt varvtal/hastighet för svänghjulet att kopplas in.

Hur räknar man på detta egentligen?

[AkA]

Jag skulle själv vara ganska sugen på att testa detta framöver i min El-hybrid (jag har en fantastisk gul Passat 1975 ska bli körbar i vinter) där både en 30kW(40hk) BLDC-motor me-0913 (www.quadmotion.se) och en liten 500cc hondamotor med turbokokonvertering ska stå för framdrivningen, en hel del frågor kvarstår och elmotorn är inte den perfekta för jobbet.

-Självklart måste regenerativ bromsning (laddning av huvudbatteriet i nedförsbackar/inbromsning) fungera, men de blybatterier jag blir tvungen att använda
kommer inte kunna ta emot den effekt som ska bromsas upp här skulle en lösningen med elektriskt drivet svänghjul eller "super"kondensatorpaket behövas.

Har även sett någon biltillverkare (bmw?) som labbat även i modern tid, var nog en rent mekanisk historia med magnetisk lagring av själva svänghjulet. (ett projekt på 60-talet var väl att driva stadsbussarna helt och hållet med ett enormt svänghjul som roterades upp vid endstationerna och räckte (nästan) hela sträckan!!!)
Men nog minns jag att bussarna här i Linköping hade ett svänghjul som varvades upp  vid inbromsning, tidigt 90-tal kanske!

Jag är lite mer för "Trial'n error", istället för att spendera en vinter på beräkningar vill jag hellre pröva i verkligheten, gissar att man som lekman på området ändå missar en massa viktiga parametrar hur man än gör.

[JohnA]

Hurra för gula 70-talspassater! Min vardagsbrukis Saab96:an, min tonårsbil Fiat 126 (kvar i garaget) och min kära fru är alla 75:or. Prima grejor!

[JohnA]

Efter en utsvävning i tråden om "Jojjokörning" får svänghjulsfunderingarna komma tillbaka hit.

Dåliga idéer behöver ibland testas för att definitivt kunna avfärdas. Alltid lär man sig något och förhoppningsvis slår man inte ihjäl sig (eller någon annan). Det energilagrande svänghjulen kanske är en sådan idé och nyss slog det mig hur en testrigg enklast skulle kunna byggas utan att slösa onödigt mycket pengar och tid:

På bakre stötfångaren monteras en gammal växellåda/transaxel från en framhjulsdriven bil. Båda drivaxlarna får sitta kvar med delar av framvagnen kvar. På ena sidan monteras ett litet hjul som pressas ner mot asfalten med ett fjäderben. På andra sidan låser man bromsen. Differentialen dubblar då varvtalet in i växellådan. Ettan eller vad som nu är vettigast läggs i. På kopplingsaxeln fås nu ett mycket högt varvtal och det är här svänghjulet ska kopplas in. För att minska gyrokrafternas inverkan på bilens rörelser vinklas rotationen om till en vertikal axel med slutväxeln från en bakhjulsdriven bil med delad axel. Varvtalet kommer därmed att multipliceras 3-5 ggr ytterligare. På slutväxelns uppåtriktade pinjongaxel sätts ett fläskigt svänghjul, t.ex. en eller flera vikter från en skivstång. Sedan gasar man tills det rasar....

[Ex.]

... och det som rasar först är differentialen som är spärrad åt ena hållet eftersom dom små kugghjulen inte är byggda för detta   

[JohnA]

Absolut bra med felanalys och konstruktiv kritik! Det blir onekligen ett sjujäkla snurr på de delar av växellådan som normalt är närmast motorn. De koniska kugghjulen i en differential är så vitt jag sett i stort sett alltid glidlagrade och normalt blir där inga snabba rörelser annat än kortvarigt. Vad som händer om diffen tvingas snurra kontinuerligt och hantera kanske 10-30 hästkrafter är rena gissningar men det skulle förvåna mig om det är hållbart i längden. Mer orolig för plötsliga haverier där metallflisorna sprutar är jag faktiskt för växellådans lager på ingående axel t.ex. Tror kulor och rullar har sämre förutsättningar att klara höga hastigheter långvarigt.

Det kan också bli så att smörjningen strejkar när kugghjulen snurrar superfort och då ligger extradiffen närmast svänghjulet extra risigt till. Den tänkte jag för övrigt spärra med svets så att den fungerar som en ren vinkelväxel. Absolut hemskast kan det kanske bli för pinjonglagringen på extradiffen som inte bara ska bära axialbelastningen av ett kanske 50 kg tungt svänghjul, utan även stå ut med brytkrafterna som uppstår ur gyroverkan mot bilens rörelser. Horisontellt placerat svänghjul borde dock lindra dessa krafter ganska väsentligt, samt även minska risken för ett vilt skenande svänghjul i trafiken...

Av säkerhetsskäl bör svänghjulet utöver vertikal axel ha slätast möjliga yta, sakna utstickande detaljer och helst inte heller ha några ekrar eller andra håligheter som kan riva omkring ifall det kommer löst med ett brak. Något slags uppfångande bur eller låda kan vara klokt. Absolut hemskast vore nog om svänghjulet exploderar! Därför bör man kanske undvika gjutgods, eller åtminstone inte svetsa eller borra i det. Skivstångsvikter antar jag brukar vara av svarvat gjutgods och kan därför vara en risk.

50 kg slät stålskiva som spinner i 10.000 rpm är nog ingen större katastrof om den fångas upp i en bur och spinner den horisontellt far den nog inte iväg så galet i trafiken heller. Om den däremot klyvs i två eller flera halvor kan det bli helt förödande. Ärligt talat är detta något som skrämmer mig, för jag känner mycket väl till vilka krafter ett svänghjul kan lagra. Fel- och riskanalys är mycket relevant inför ett eventuellt fullskaleexperiment. Så mycket matematisk grund har jag inte heller, tänker mest att massan vid ett svänghjuls "radiella tyngdpunkt" borde bära exakt lika mycket energi som samma massa i samma hastighet vid en rätlinjig rörelse. Om man vill dubbla bilens rörelseenergi (för att ungefär halvera accelerations- och rullningscyklerna) med ett svänghjul som väger en tiondel av bilen borde det snurra med en tiofaldig tangentiell hastighet.

80kg svänghjul till 800 kg bil i 80 km/h innebär 800 km/h rotationshastighet. Om svänghjulet har sin radiella tyngdpunkt ca 20 cm ut från centrum kommer hastigheten där bli 2 x 0,2 x 3,14 = 1,25m omkrets. (alltså fortfarande en god bit in från svänghjulets ytterkant)
800 km/h / 1,25 = 640 rps x 60 = aj, hoppsan... 38.000 rpm! Ett jämntjockt svänghjul har kanske sin radiella tyngdpunkt 2/3 ut från centrum?
I så fall blir ytterdiametern 50-60 cm vilket ger en periferihastighet på ca 1000 km/h... oj! Har jag räknat helt fel någonstans?

SHITPÅMMFRITT!    Tror inte jag bygger denna djävulsmaskin!

Om det över huvud taget håller ihop länge nog att få upp den hastigheten på svänghjulet kan det bara inte sluta i annat än katastrof. Åtminstone inte utan inblandning av mer exakt matematik, ingenjörskonst och materiallära. Det vore förstås spännande att bygga den för radiostyrning i någon avlyst grusgrop bara för att se HUR det havererar, men någon DIY-lösning på energilagringen är det INTE.

Även om det finns otäcka krafter i elektrokemiska batterier känns t.o.m. de explosiva lithiumvarianterna betydligt säkrare för amatörmässig DIY. Med tanke på vad det kostar med 20 kW elmotor/generator och tillhörande kraftelektronik och ackumulator är det mycket mer vedbodmässigt att koppla in en extra förbränningsmotor i bilen och välja den så att den bara aningen överskrider behovet vid marschfart på plan mark.

Skönt på något vis att ha lyckats avliva en galen idé innan tid lagts på att bygga domedagsmaskinen!

[JohnA]

Näää, nu räknade jag nog fel i fulmatten...
Fullt så domedagsmässigt blir inte varvtalet, den här gången hamnade jag på 11.000 rpm, vilket motormässigt är nästan inom normala trimningsregionerna. Å andra sidan har man ju hört om exploderande kopplingar i höfthöjd på föraren och mitt svänghjul innehåller någon tiopotens med godis...

Så nej, inte ens efter korrigeringen tänker jag bygga maskinen!

[Ex.]

Nej, svetsade diffar har en väldigt kort livslängd just för att de små koniska kugghjulen bara är glidlagrade och normalt knappt snurrar i det lagret.

Jag svetsade diffen på en bil en gång för att kunna göra extra långa 'burnspår' och den höll bara för burnande i nån kvart.. 

[JohnA]

Så som både jag och andra svetsat diffar resulterar det i att de koniska kugghjulen sitter fast och då spelar glidlagringen ingen roll. Det jag sett haverera är drivknutar till följd av de mycket större brytkrafterna i framvagnen. På en bakhjulsdriven bil med stel axel kan jag tänka mig att drivaxelbrott inte är ovanligt.  Den sprödhet och stänken som uppstår vid svetsningen kan nog ge en del lösa partiklar i oljan som kilar in sig i lager, kronhjul och pinjong... snurrar det sedan på i 11.000 rpm som i min domedagsmaskin kan det bli intressant...

[torbjorn]

En liten kommentar om svänghjulsmaskinerier kan läsas på
http://www.postvagnen.com/forum/index.php?id=871662

[JohnA]

Svänghjul och spända fjädrar är otäcka saker när de kommer upp i storlek. Tidernas mest destruktiva stridsmaskin i Robot Wars, Hypnodisc, hade ett stort platt 20-kilos svänghjul med två svetsade klor på. Excenterpressar i industrin ,redan för 100 år sedan, hade inte funkat utan svänghjulen.

En fjäder kan bara spännas till en viss gräns men ett svänghjul med samma storlek eller vikt har ingen principiell gräns för hur mycket energi det kan lagra. Begränsningen sitter i förluster och materialets hållfasthet. Det sistnämnda är en skrämmande faktor...

11.000 rpm är rejält med snurr, men inget extremt egentligen. Många högpresterande tvåtaktsmotorer snurrar på i den farten med kilovis av metallskrot strax under rumpan på föraren men det är sällan en MC-förare skadas av en havererande motor. Kopplingen i racingbilar är nog läskigare saker i så fall.

11.000 rpm på en 50-100kg tung stålskiva med någon halvmeters diameter är en HELT annan sak! Någon som är bättre än jag på matematik kan säkert räkna om energin hos ett sådant svänghjul som spricker, till vad det motsvarar i sprängkraft hos X kilo dynamit. Att två snabbt roterande halvmånar av 40 kg stål vardera kommer orsaka skada behövs ingen matematik för att begripa. Frågan är om det rent av vore straffbart att som privatperson experimentera med sådant? Det ska nog proffs till för att komman undan med sådana högriskprojekt på allmän plats...

Det nu pågående amerikanska projektet med svänghjul via en variator på växellådan har ett svänhjul av kompositmaterial. Kan tänka mig det är vad som krävs för att hålla ihop i 80.000 rpm.... Å andra sidan brukar väl hjulen till fartrekordbilar i överljudsklassen ha hjul av svarvat stål? Det funkar säkert, men det innebär knappast en garanti för att gamla gjutna skivstångsvikter håller ihop vid varvtal motsvarande 800 km/h...

 "Gyrosläpvagnen Killing Moon gör grekiska gyro's av fotgängarna" känns som en säljande slogan! "
Förutom 80 kg svänghjul bör man kanske omsluta det med några 100-tal kg sandsäckar som energiabsorbent utifall det går galet... På köpet får man extra massa för lagring av rörelseenergin!