DE10161789A1

DE10161789A1 - Schwungrad mit einstellbarem Massenträgheitsmoment

Info

Publication number: DE10161789A1
Application number: DE2001161789
Authority: DE
Inventors: Heinz-Peter Loehr
Original assignee: Lindauer Dornier GmbH
Current assignee: Lindauer Dornier GmbH
Priority date: 2001-12-15
Filing date: 2001-12-15
Publication date: 2003-07-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad mit einstellbarem Massenträgheitsmoment, mit einem drehfest mit einer antreibenden Welle (3) verbindbaren Grundkörper (2, 4, 5) und mindestens zwei am Grundkörper in Bezug zur Rotationsachse radial beweglichen Teilmassen (8), wobei die radiale Position der Teilmassen während der Rotation des Schwungrades (1) durch Betätigungsmittel veränderbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß kann das Schwungrad sehr kompakt aufgebaut und dessen Trägheitsmoment im Betrieb schnell geändert werden, indem die Betätigungsmittel z. B. als durch ein Arbeitsfluid betätigte Stellelemente (13, 14) ausgebildet werden, die direkt oder indirekt auf die Teilmassen (8) wirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad mit einstellbarem Massenträgheitsmoment gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Schwungräder der genannten Art sind in den verschiedensten Ausführungsformen allgemein bekannt. Derartige Schwungräder stellen kinetische Energiespeicher dar. Von dieser kinetischen Energie macht man an den verschiedensten Arbeitsmaschinen Gebrauch, um einen gleichmäßigen Gang auch bei ungleicher Belastung zu erzielen. Die im rotierenden Schwungrad enthaltene kinetische Energie, die dem Schwungrad z. B. von einem Motor zugeführt wird, bewirkt, dass beim plötzlichen Einschalten einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einer Webmaschine, kein allzu großer Drehzahlverlust oder gar Stillstand des Motors eintritt, da ein Teil der gespeicherten kinetischen Energie des Schwungrades zur Verfügung steht, um die geforderte Arbeit zu leisten.

Die US 4,995,282 offenbart ein solches Schwungrad mit einstellbarem Massenträgheitsmoment, mit einem drehfest mit einer antreibenden Welle verbindbaren Grundkörper und mindestens zwei am Grundkörper in Bezug zur Rotationsachse radial beweglichen Teilmassen, wobei die radiale Position der Teilmassen während der Rotation des Schwungrades durch Betätigungsmittel veränderbar ist. Die Betätigungsmittel umfassen einen an der Welle angeordneten Aktuator, der über eine Hebelmechanik auf die Teilmassen wirkt. Der Nachteil des bekannten Schwungrades ist darin zu sehen, dass es eine relativ große Anzahl von Bauelementen umfasst und insbesondere in axialer Richtung ein erheblicher Platzbedarf besteht, was einen kompakten Aufbau nicht zulässt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schwungrad bereitzustellen, das sehr kompakt aufgebaut ist und dessen Trägheitsmoment im Betrieb schnell geändert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind die Betätigungsmittel integraler Bestandteil des Schwungrades und die Betätigungsmittel sind z. B. durch ein Arbeitsfluid betätigte Stellelemente, die direkt oder indirekt auf die Teilmassen wirken.

Die Stellelemente sind am Schwungrad angeordnet und rotieren zusammen mit diesem. Mit Ausnahme des Grundköpers, den Teilmassen, den Stellelementen und einer Anordnung zur Zufuhr und Verteilung eines Arbeitsfluids zu den Stellelementen werden keine zusätzlichen Bauelemente benötigt. Das Schwungrad lässt sich daher sehr kompakt aufbauen und im betriebsfertigen Zustand auf einer Antriebswelle montieren.

Als Stellelemente werden lineare fluidische Stellelemente, wie z. B. Pneumatikzylinder oder sogenannte Pneumatikmuskeln verwendet. Es ist aber auch möglich, hydraulische Zylinder oder Muskeln einzusetzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Stellelemente Pneumatikmuskeln eingesetzt. Pneumatikmuskeln bestehen im wesentlichen aus einem von einer stabilisierenden Hülle umgebenen, elastischen Schlauch, dessen Länge sich bei Zufuhr von Druckluft verkürzt. Derartige Pneumatikmuskeln werden z. B. von der Firma Festo AG & Co. hergestellt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Stellelemente an jeweils zwei sich radial gegenüberliegenden Teilmassen angelenkt. Dadurch bewegen sich die einander zugeordneten Teilmassen bei einer Betätigung der Stellelemente synchron in entgegengesetzte Richtungen. Für jedes Paar von Teilmassen werden somit nur zwei Stellelemente benötigt.

In einer anderen Ausgestaltung sind die Stellelemente am Grundköper und jeweils einer zugeordneten Teilmasse angelenkt. Pro Teilmasse werden somit zwei Stellelemente benötigt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in dem im Vergleich zur Längenänderung der Stellelemente großen erreichbaren Verstellweg der Teilmasse. Dadurch kann eine sehr schnelle Reaktionszeit der Stellbewegung erzielt werden.

Zur linearen Führung der Teilmassen in radialer Richtung werden im wesentlichen radial ausgerichtete Führungselemente eingesetzt, durch welche die Teilmassen vorzugsweise nach dem Nut-Federprinzip geführt werden.

Das Arbeitsfluid zur Betätigung der Stellelemente wird vorzugsweise über eine in der Rotationsachse des Schwungsrades angeordnete Drehkupplung zugeführt und mittels eines Verteilers und entsprechenden Versorgungsleitungen auf die einzelnen Stellelemente verteilt.

Die Steuerung der Zufuhr des Arbeitsfluids zu den Stellelementen erfolgt vorzugsweise mittels elektrisch betätigten Ventileinrichtungen, wie z. B. Magnetventile.

Zur Vermeidung einer permanenten, relativ aufwändigen und verlustreichen Druckluftführung über eine Drehkupplung ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass am Grundkörper ein Druckluftspeicher angeordnet ist, der die Stellelemente mit Druckluft versorgt. Somit können die Stellelemente zumindest zeitweise autark vom Druckluftnetz mit Druckluft versorgt werden. Von Zeit zu Zeit muss der Druckluftspeicher wieder aufgefüllt werden.

Eine vom Druckluftnetz unabhängige Druckluftversorgung der Stellelemente lässt sich dadurch erreichen, dass am Grundkörper des Schwungsrades ein elektrisch betriebener Drucklufterzeuger angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die aktuelle radiale Position der Teilmassen ständig durch geeignete Messwertaufnehmer erfasst. Dies kann z. B. durch Erfassen der aktuellen Längenausdehnung der Stellelemente erfolgen. Die erfassten Messwerte werden einer Steuerungseinrichtung zugeleitet, die daraus einen Istwert für das aktuelle Massenträgheitsmoment des Schwungrades berechnet. Der Istwert wird mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Bei einer Abweichung des Istwertes vom vorgegebenen Sollwert wird die Position der Teilmassen durch eine Stellbewegung der Stellelemente entsprechend nachgeregelt, bis das gewünschte Massenträgheitsmoment des Schwungrades erreicht ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausgestaltung eines Schwungrads mit Radkranz und Führungseinrichtungen;
Fig. 1A einen Schnitt entlang A-A in Fig. 1;
Fig. 2 das Schwungrad gemäß Fig. 1 mit eingesetzten Teilmassen in Ruhestellung;
Fig. 2A einen Schnitt durch eine Teilmasse;
Fig. 3 das Schwungrad gemäß Fig. 1 mit den Teilmassen in Arbeitsstellung;
Fig. 4 das Schwungrad gemäß den Fig. 1-3 mit an den Teilmassen angelenkten Stellelementen;
Fig. 5 eine zweite Ausgestaltung eines Schwungrads mit einer außenliegenden Führungseinrichtung für die Teilmassen;
Fig. 5A einen Schnitt durch das Schwungsrad gemäß der Linie B-B in Fig. 5.
Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung eines Schwungrads mit einer anderen Anordnung der Stellelemente.
Fig. 1 zeigt ein Schwungrad 1 mit einem Bund 2, der drehfest mit einer Welle 3 verbunden ist. Der Bund 2 ist über Speichen 5 mit einem äußeren Radkranz 4 verbunden. Die Stege sind gemäß Schnitt Fig. 1A seitlich mit Führungsstegen 6 verbreitert. Zwischen den zueinander parallelen Kanten zweier gegenüberliegender Führungsstege 6 bilden sich Zwischenräume 7, die zur Aufnahme von beweglichen Teilmassen 8 dienen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Teilmassen 8 in Form eines Kreisringsegments ausgebildet. Die äußeren Kanten der segmentförmigen Teilmassen bilden Nuten 10 aus, welche die Außenkanten der Führungsstege 6 übergreifen. Um eine leichtere Montage der Teilmassen 8 zwischen den Führungsstegen 6 zu ermöglichen, können diese zwei- oder mehrteilig aufgebaut und durch entsprechende Verbindungsmittel zusammengehalten sein. In Fig. 2A ist dargestellt, dass am Grund der Nuten 10 vorzugsweise Führungs- oder Laufrollen 9 montiert sind, die auf den Außenkanten der Führungsstege 6 abrollen und eine leichte Beweglichkeit der Teilmassen 8 sicherstellen. Die Teilmassen 8 sind entlang des Radius 12 des Schwungrades 1 frei beweglich und können eine beliebige, zwischen einer inneren, nahe der Rotationsachse des Schwungrades liegenden Stellung gemäß Fig. 2 und einer äußeren, entfernt von der Rotationsachse liegenden Stellung gemäß Fig. 3 einnehmen.
Der Radius der Außenkante 11 der Teilmassen 8 entspricht vorzugsweise dem Radius der Innenkante des Radkranzes 4, so dass die Teilmassen 8 in ihrer äußeren Endstellung sicher am Radkranz 4 anliegen. In gleicher Weise entspricht der Radius der Innenkanten der Teilmassen 8 vorzugsweise dem Radius der Außenkante des Bunds 2.
Wie man in Fig. 4 erkennt, sind jeweils zwei sich radial gegenüberliege Teilmassen, z. B. 8a und 8b, vorzugsweise beidseitig durch pneumatische Stellelemente 13, 14 miteinander verbunden. Als Stellelemente werden vorzugsweise Pneumatikmuskeln verwendet.
Die Pneumatikmuskeln 13, 14 sind in der Ruhestellung der Teilmassen 8a, 8b, d. h. bei ihrem Sitz auf dem inneren Bund 2 des Schwungrades, mit Druckluft beaufschlagt und zusammengezogen (vgl. Pneumatikmuskel 13). Durch Druckminderung längen sich die Pneumatikmuskeln 13, 14 bei Drehung des Schwungrades durch die Fliehkraft, die auf die Teilmassen 8a, 8b wirkt (vgl. Pneumatikmuskel 14). Ihre äußere Endlage erreichen die Teilmassen in den gezeigten Endstellungen 8a' und 8b'.
Die Druckluft für die Pneumatikmuskeln 13, 14 wird dem Schwungrad 1 stirnseitig im Bereich der Rotationsachse über eine Drehkupplung 15 zugeführt und auf einen Verteiler geleitet. Vom Verteiler gelangt die Druckluft vorzugsweise über vier radial angeordnete Anschlüsse 16 und über Versorgungsschläuche 17 zu den Pneumatikmuskeln 13, 14.
Das Schwungrad 1 wird z. B. mit den Teilmassen 8 in Ruhestellung hochgefahren. Die Teilmassen werden bei Erreichen der Nenndrehzahl durch die Pneumatikmuskeln 13, 14 zur Verschiebung in die gewünschte Stellung freigegeben.
Eine besondere Vorrichtung zur Sicherstellung der Ruhestellung der Teilmassen 8 bei der gezeigten "fliegenden" Anordnung der Pneumatikmuskeln 13, 14 ist an sich nicht erforderlich. Es ist nur sicherzustellen, dass die Pneumatikmuskeln vor dem Start des Schwungsrades mit Druckluft beaufschlagt werden. Die bei einem vertikal ausgerichteten Schwungrad jeweils oben befindlichen Teilmassen sind in der Ruhestellung. Die unten liegenden Teilmassen werden durch ihr Gewicht und durch die kontrahierten Pneumatikmuskeln zwangsläufig ebenfalls in die Ruhestellung verlagert.
Bei einer waagerechten Anordnung des Schwungrades kann die Ruhestellung der einander zugeordneten Teilmassen dadurch sichergestellt werden, dass die kürzeste Länge der Pneumatikmuskeln bei Druckbeaufschlagung kleiner ist als der minimale Abstand der radial gegenüberliegenden Teilmassen.
Die Fig. 5 und 5A zeigen eine andere Ausgestaltung des Schwungrades 1. Hier ist jede Teilmasse 8 zwischen jeweils vier Speichen 18 aufgenommen ist, die gleichzeitig Führungsschienen für die Teilmassen ausbilden. Die Teilmassen 8 weisen parallel zu den Führungsschienen 18 ausgerichtete Nuten auf, in welche die Führungsschienen eingreifen.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform bei der die Teilmassen 22 entlang von als Führungsschienen ausgebildeten Speichen 19 des Schwungrades 1 gleiten. Jeder Teilmasse 22 sind zwei Pneumatikmuskeln 20, 21 zugeordnet, deren eines Ende jeweils am Radkranz 4 und deren anderes Ende an der zugeordneten Teilmasse 22 angelenkt sind. Diese Anordnung erlaubt eine sehr schnelle Verstellbewegung der Teilmassen 22. Bereits eine kleine Änderung Δl₁ in der Längenausdehnung der Pneumatikmuskeln 20, 21 bewirkt eine große Hubbewegung Δl₂ der zugeordneten Teilmasse 23. Weiterhin kann durch entsprechende Festlegung der Anlenkpunkte der Pneumatikmuskeln 20, 21 am Radkranz 4 und/oder den Teilmassen 22 eine Ruhestellung der Teilmassen 22 auf beliebiger Höhe zwischen dem Bund 2 und dem Radkranz 4 des Schwungsrads 1 definiert werden. Bezugszeichenliste 1 Schwungrad
2 Bund
3 Welle
4 Radkranz
S Speiche
6 Führungssteg
7 Zwischenraum
8 Teilmasse
8a Teilmasse
8b Teilmasse
8a' Endstellung
8b' Endstellung
9 Führungsrollen
10 Nut
11 Außenkante
12 Radius
13 Stellelement
14 Stellelement
15 Druckluftanschluss
16 Verteileranschluss
17 Versorgungsschlauch
18 Führungsschiene (Speiche)
19 Führungsschiene (Speiche)
20 Stellelement
21 Stellelement
22 Teilmasse

Claims

1. Schwungrad mit einstellbarem Massenträgheitsmoment, wobei das Schwungrad aus einem drehfest mit einer antreibenden Welle (3) verbindbaren Grundkörper (2, 4, 5) und aus mindestens zwei am Grundkörper relativ zur Rotationsachse radial beweglichen Teilmassen (8) besteht und wobei die radiale Position der Teilmassen während der Rotation des Schwungrades (1) durch Betätigungsmittel veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel integraler Bestandteil des Schwungrades sind und dass die Betätigungsmittel Stellelemente (13, 14) umfassen, die direkt oder indirekt auf die Teilmassen (8) wirken.

2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (13, 14) vorzugsweise durch ein Arbeitsfluid beaufschlagt sind.

3. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stellelement (13, 14) an jeweils zwei radial gegenüberliegenden Teilmassen (8) angelenkt ist.

4. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Stellelement (20, 21) am Grundköper (2, 4, 19) und an jeweils einer zugeordneten Teilmasse (22) angelenkt ist.

5. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper im wesentlichen radial ausgerichtete Führungselemente (6; 18; 19) zur Führung der Teilmassen (8; 22) vorgesehen sind.

6. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den mit Arbeitsfluid beaufschlagten Stellelementen (13, 14; 20, 21) das Arbeitsfluid über eine in der Rotationsachse des Grundköpers angeordnete Drehkupplung (15) zugeführt und mittels eines Verteilers und entsprechenden Versorgungsleitungen (17) an die einzelnen Stellelemente verteilt wird.

7. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch betätigbare Ventileinrichtungen vorgesehen sind, welche die Zufuhr des Arbeitsfluids zu den Stellelementen (13, 14; 20, 21) steuern.

8. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (13, 14; 20, 21) als längenveränderliche Pneumatikzylinder oder Pneumatikmuskeln ausgebildet sind.

9. Schwungrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper ein Druckluftspeicher angeordnet ist, der die Stellelemente (13, 14; 20, 21) mit Druckluft versorgt.

10. Schwungrad nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper ein elektrisch betriebener Drucklufterzeuger angeordnet ist.

11. Schwungrad nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (13, 14; 20, 21) als längenveränderliche Hydraulikzylinder oder Hydraulikmuskeln ausgebildet sind.