DE2622295A1 - Schwungraeder aus hochfesten kunstfaserverbundwerkstoffen zur energiespeicherung - Google Patents

Description

• Schwungrädee aiis hob festeaKunstfaserverbund-
• werkstoffen zur Energiespeicherung 1. Problematik und Zielsetzung Der spezifische Energieinhalt in Wh/Kg eines rotierenden Rades ist proportional dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit bzw. proportional der Tangentialspannung, die aufgrund der Fliehkraftbelastung im Schwungradmaterial entsteht. Der spezifische Energieinhalt herkömmlicher Schwungräder aus Stahl liegt bei 40 Wh/kg.
• Durch die Entwicklung neuartiger Kunstfasern wie z.B, Kohlefaser,Borfaser oder Polyaramidfasern stehen Werkstoffe hoher Festigkeit zur Verfügung,mit denen sich rotierende Energiespeicher wesentlich größeren Energieinhaltes realisieren lassen. Diese Fasern zeichnen sich durch extrem hohe Zugfestigkeiten aus,so daß ein Schwungrad aus diesem Material mit Umfangsgeschwindigkeiten bis zur dreifachen Schallgeschwindigkeit betrieben werden kann.
• Bei Entwurf und Konstruktion eines aus Kunstfasern hergestellten Schwungrades haben die Eigenschaften des Werkstoffes einen maßgeblichen Einfluß auf die Gestaltung.
• Die Kunstfaser an sich kann nicht als eigenständiger Werkstoff verarbeitet werden.Sie muß zur mechanischen Fixierung in eine Kunstharzmatrix eingebettet werden.
• Problematisch ist die Tatsache,daß die mechanische Belastbarkeit des Laminates quer zur Faserrichtung nur etwa 3% der mechanischen Belastbarkeit in Faserlängsrichtung beträgt.Diese Anisotropie des Werkstoffes macht es unmöglich, die von den isotropen Werkstoffen bekannten Schwungscheibenprofile mit hohem spezifischem Energieinhalt auf das aus Kunstfaserverbundwerkstoffen gefertigte Schwungrad zu übertragen.Die bei diesen Scheibenprofilen auftretende Radialspannung (Bild 1) liegt in der Größenordnung der Tangentialspannung und würde bei dem gewählten Faserverlauf zu einer Zerstörung des Schwungrades führen. Somit kommt nur ein Profil in Frage, das eine sehr geringe Spannungsbelastung in radialer Richtung aufweist. Dies ist z.B. bei dünnen Kreisringen gegeben. Bild 2 zeigt das Verhältnis der maximalen Radial- zur Tangentialspannung eines Kreisringes als Funktion des Innenradius. Man erkennt,daß bei einem Radienverhältnis von ri/ra=0,82 die Radialspannung unkritische Werte annimmt.
• Mit einem solchen Rad-läßt sich theoretisch ein spezifischer Energieinhalt von 350 Wh/kg erreichen. Von diesem Maximalwert dürften sich beim heutigen Stand der Fasertechnologie 50% praktisch erreichen lassen, was immerhin noch dem 4-5-fachen des spezifischen Energieinhaltes z.B. einer Bleibatterie entspricht.
• Die auf das Volumen bezogene Energiedichte in Wh/l eines solchen aus einem Kreisring bestehenden Rades ist aufgrund der schlechten Volumenausnutzung verhältnismäßig gering. Ein Ziel muß es daher sein,das durch den zulässigen Durchmesser des Kreisringes gegebene Bauvolumen besser auszunutzen.
• Die Verbindung zwischen Radnabe und Kreisring durch Speichen ist seit langem bekannt. Üblicherweise wird die Speiche am Innenradius des Radkranzes befestigt. Diese Methode erweist sich aber als völlig ungeeignet bei der Verwendung von Kunstfaserverbundwerkstoffen als Konstruktionsmaterial. Die Fliehkräfte verursachen in Speiche und Radkranz unterschiedliche radiale Dehnungen, die aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen Speiche und Radkranz starke Reaktionskräfte hervorrufen. Werden die Speichen nun am Innenradius des Radkranzes befestigt, müssen die Reaktionskräfte ausschließlich von der Harzmatrix aufgenommen werden. Diese kann aber nur vernachlässigbar kleine Kräfte übertragen, so daß es zur Lösung der Verbindung von Speiche und Radkranz kommt. Ein weiteres Ziel ist es somit, die Verbindung von Radkranz und Radnabe so zu gestalten, daß eine Lösung dieser Verbindung im Betrieb nicht möglich ist.
• 2. Lösung des Problems Zur Verbesserung der Volumenausnutzung wird von uns die Anordnung von mehreren koaxialen Kreisringen vorgeschlagen, deren radiale Abmessungen durch die jeweils zulässigen Radialspannungen festgelegt sind. Zur mechanischen Fixierung und zur Übertragung der beim Betrieb des Speicherrades auftretenden Drehmomente müssen diese Ringe durch elastische Zwischenlagen (z.B. spezielle Schaumstoffe) verbunden werden. Diese Zwischenlage nimmt gleichzeitig die unterschiedlichen Dehnungen der Ringe auf, so daß diese in radialer Richtung mechanisch entkoppelt sind.
• Als Verbindung zwischen dem äußeren Kreisring und der Welle sind Speichen erforderlich, die ebenfalls aus hochfesten Fasern gewickelt werden müssen.
• Bei der von uns vorgeschlagenen Speichenwicklung wird sowohl der Radkranz als auch die Radnabe am Außenradius umschlungen. Die dadurch entstehende Querbelastung des Ringes wird durch dieWahl einer großen Speichenzahl auf unkritische Werte herabgesetzt. Als Konstruktionswerkstoff für die Speichen wird ein Kunstfaserverbundwerkstoff mit einem kleineren Elastizitätsmodul als für den Ring gewählt. Mit dieser Maßnahme lassen sich die durch die Speichen entstehenden Biegemomente im Radkranz auf ein Minimum reduzieren. Die Krümmungsradien an den Stellen,an denen die Speichen die Radnabe und den Radkranz umschlingen, müssen so groß gewählt werden, daß ein Faserbruch vermieden wird.
• Bild 3 zeigt das Wickelschema der Speichenwicklung.
• Beginnend mit der Speiche 1 werden die Speichen 2,3,4 usw.
• kontinuierlich gewickelt. In Bild 4 ist die komplette Speichenwicklung dargestellt. Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß sämtliche Speichen mit einem Faserstrang nacheinander gewickelt werden können. Der gewünschte Querschnitt der Speiche ergibt sich durch mehrmalige Wiederholung der Wickelprozedur.
• Zur Erprobung der von uns vorgeschlagenen Speichenwicklung wurde der in Bild 5 gezeigte Prototyp aus Kevlar-49 Fasern gewickelt.

Claims (2)

1. 3. Patentansprüche Auf folgende Punkte wird Patentanspruch erhoben: 1) Ein Schwungrad zur Energiespeicherung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem oder mehreren mechanisch entkoppelten konzentrischen Ringen aus hochfestem Faserverbundwerkstoff besteht, die durch eine Speichenwicklung mit geringerem Elastizitätsmodul mit der Radnabe verbunden sind.
2. 2) Eine Speichenwicklur.g nach Bild 3,4, gekennzeichnet dadurch,daß die Speichen Radkranz und Radnabe am Außenradius umschlingen, wobei der Umschlingungswinkel an der Radnabe so gewählt wird,daß die Wicklung in einem kontinuierlichen Arbeitsgang maschinell gewickelt und die erforderliche Stärke der Speichen durch mehrfache Wiederholung der Wickelprozedur erreicht werden kann.