Vauhtipyörä on raskas levy tai pyörä, joka on kiinnitetty pyörivään akseliin. Vauhtipyörää käytetään liike-energian varastointiin: kun pyörä pyörii, se säilyttää energiaa ja vastustaa pyörimisnopeuden muutoksia. Vauhtipyörän suuri hitaus auttaa pitämään akselin pyörimisnopeuden tasaisena, mikä on hyödyllistä erityisesti silloin, kun akseliin kohdistuva vääntömomentti vaihtelee nopeasti. Epätasainen vääntömomentti voi aiheuttaa nopeuden vaihtelua; koska vauhtipyörä vastustaa nopeuden muutoksia, se tasoittaa näitä vaihteluja. Tämän vuoksi Moottoreissa, jotka käyttävät mäntiä tehon tuottamiseen, on usein vauhtipyörä tasaamassa käyntiä ja vähentämässä värähtelyjä.
Miten vauhtipyörä toimii
Pyörän (tai minkä tahansa pyörivän kappaleen) pyörimiseen tarvitaan energiaa. Jos järjestelmässä on vähän kitkaa (esim. hyvät laakerit tai magneettiset laakerit), pyörä voi pyöriä pitkään ilman merkittäviä häviöitä. Varastoitua energiaa voidaan ottaa takaisin käyttöön kytkemällä pyörä kuormaan. Tämä tekee vauhtipyörästä yksinkertaisen ja nopeasti reagoinnin mahdollistavan mekaanisen energianvaraston.
Energian määrä ja kaavat
Pyörään varastoituvan kineettisen energian määrä riippuu sen massasta, säteestä ja kulmanopeudesta. Yleinen kaava pyörivän kappaleen kineettiselle energialle on
E = 1/2 · I · ω², jossa I on kappaleen hitausmomentti ja ω on kulmanopeus (rad/s).
Yksinkertaiselle sylinterimäiselle levylle (täysi levy) hitausmomentti on I = 1/2 · M · R². Tästä seuraa, että levyvauhtipyörälle varastoitunut energia voidaan ilmaista muodossa
E = 1/2 · (1/2 · M · R²) · ω² = 1/4 · M · R² · ω².
Aluksi artikkelissa näkyneet matemaattiset merkit ja symbolit on säilytetty alkuperäisessä muodossa alla olevien elementtien mukana: ω {\displaystyle \omega}. 
(kulmanopeus) ja R (säde). Yhdistämällä kaksi alla olevaa yhtälöä saadaan ω \displaystyle \omega }. 2MR2/4.
Suunnittelu ja materiaalit
Tehokkaan vauhtipyörän suunnittelussa pyritään maksimoimaan hitausmomentti I mahdollisimman pienellä massalla ja kohtuullisella rakenteellisella rasituksella. Tärkeitä suunnittelutekijöitä ovat:
- Massan sijoittaminen kauemmas akselista lisää hitausmomenttia (rengas- tai rimmaantyyppinen rakenne usein parempi kuin massiivinen levy saman massan ja koon puitteissa).
- Korkea pyörimisnopeus (ω) kasvattaa varastoitua energiaa nopeasti, mutta lisää myös materiaalien väsytyskuormitusta ja sentrifugaalivoimia.
- Kestävä materiaali ja oikea lämpökäsittely: teräs, hiilikuitukomposiitit ja muut kevyet, vahvat materiaalit mahdollistavat suuret kierrosnopeudet ilman halkeamia.
- Laakerointi: kitkaa vähentävät laakerit (esim. magneettiset laakerit) ja tyypillisesti tyhjiökehys vähentävät ilmanvastusta.
Häviöt ja tehokkuus
Vauhtipyörien tehokkuuteen vaikuttavat: laakerihäviöt, ilmanvastus (jos pyörä pyörii ilmassa) ja sähköiset häviöt jos energia siirretään sähköisesti. Teolliset ja modernit järjestelmät suljetaan usein tyhjiöön ja käytetään magneettisia laakereita sekä tehokkaita elektronisia muuntimia (frekvenssimuuntimet tai taajuussallit) hyötysuhteen parantamiseksi. Hyvin suunnitellut järjestelmät saavuttavat korkeita kierroksia ja säilyttävät energian muutamista sekunneista tuntiin riippuen sovelluksesta; pitkäaikaiseen varastointiin akun kaltaiset ratkaisut ovat nykyisin yleisempiä.
Sovellukset
Vauhtipyöriä käytetään monissa kohteissa:
- Moottoreiden vauhtipyörinä tasaamaan vääntömomentin vaihteluita ja helpottamaan käynnistystä.
- Joukkoliikenteen energian talteenottoon ja uudelleenkäyttöön (esimerkiksi linja-autoissa tai raitiovaunuissa regeneratiivisen järjestelmän osana). Esimerkiksi joissakin linja-autoissa on vauhtipyörä, jota käytetään pysähtymiseen ja käynnistymiseen. Kun bussi pysähtyy (esim. liikennevaloihin), vauhtipyörä on kytketty pyöriin, joten pyörimisenergia siirtyy siihen ja bussi hidastuu samalla kun vauhtipyörä kiihtyy. Kun bussin on taas lähdettävä liikkeelle, se kytketään uudelleen ja energia siirretään takaisin.
- Sähkögeneraattoreiden tasoittajina ja tehoreservinä voimalaitoksissa sekä teollisuussovelluksissa.
- Pienimuotoisina tehonlähteinä UPS-järjestelmissä (lyhytaikainen varasto mikä katkaisee tehonvaiheet nopeasti).
- Tutkimuksessa ja avaruustekniikassa ohjaus- ja stabilointijärjestelmissä (flywheels/gyrostabilisaattorit).
Turvallisuus ja rajoitukset
Vauhtipyörän käyttäminen vaatii turvallisuusratkaisuja: kierrosnopeuden kasvaessa sentrifugaalivoimat voivat rikkoa pyörän, joten koneet sijoitetaan yleensä suojiin, jotka estävät fragmenttien sinkoutumisen. Lisäksi pyörän dynaamiset ja gyroskooppiset vaikutukset (suuret vääntömomentit eri asennoissa) on huomioitava rakenteessa. Myös kunnossapito, valvonta ja laadukas materiaalivalinta ovat tärkeitä.
Vertailu akkujen kanssa
Vauhtipyörät tarjoavat etuja lyhytaikaisessa, usein toistuvassa energiavarastoinnissa: ne voivat ladata ja purkaa nopeasti, kestävät satoja tuhansia syklejä ja toimivat hyvin korkeassa tehoalueessa. Akkujen etuna taas on suurempi energian tiheys ja parempi soveltuvuus pitkäaikaiseen varastointiin. Usein paras ratkaisu on yhdistää teknologiat tilanteen mukaan.
Painavaa pyörää ei tietenkään haluta raahata bussissa, joten se on tehty kevyemmästä materiaalista, joka kestää erittäin nopeaa pyörimistä. Kehittyneet komposiittivauhtipyörät ja elektroniset hallintajärjestelmät mahdollistavat nykyään aiempaa turvallisemman ja tehokkaamman käytön monissa sovelluksissa.
