DE3041044A1

DE3041044A1 - Schwungrad mit einem gewickelten rotationsring aus mit kunstharz getraenkten fasern

Info

Publication number: DE3041044A1
Application number: DE19803041044
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.-Ing. 3340 Wolfenbüttel Niederstadt; Arno 3300 Braunschweig Pabsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1982-05-19
Also published as: DE3041044C2

Description

Schwungrad mit einem gewickelten Rotationsring aus mit
Kunstharz getränkten Fasern Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwungrad mit einem aus mit Kunstharz getränkten Fasern gewickelten Rotationsring, einer metallischen Nabe und aus mit Kunstharz getränkten Fasern bestehenden Speichen.
Schwungräder der gattungsgemäßen Art kennen als Energiespeicher eingesetzt werden. Wegen der gegenüber Schwungrädern mit metallischen Rotationsringen geringen Masse einerseits und den sehr hohen. erreichbaren Drehzahlen andererseits ist es möglich, mit Schwungrädern der gatt;ungsgemäßen Art die gleiche Energie zu Speichern wie mit Schwungrädern mit metallischem RotationSrtag mit einer mehrfachen Masse. Schwungräder der gattUngsgemßen Art bieten sich daher als Energiespeicher in 9chXzeugen an. Dabei besteht noch der Vorteil, daß Zerstörungen des Rotationsringes im allgemeinen ungefährlich ablaufen.
Normal sind Ablösungen von Schichten und dabei auftretender Energieverbrauch durch Wärmeerzeugung. Es können daher auch Schwungräder der gattungsgemäßen Art in sehr viel leichteren Schutzgehäusen untergebracht werden.
Bei einem bekannten Schwungrad der gattungsgemäßen Art sind die Speichen nach Art der Speichen eines Fahrrades gewickelt, und zwar aus einem durchgehenden Faserstrang, der dabei einmal um die Achsnabe außen herum gewickelt ist, gegen die er dann Jeweils tangential herangeführt ist. Andererseits wird der Faserstrang,Uber den die Speichen gewickelt werden, außen um den Rotationsring herum geführt, der damit mittels des die Speichen bildenden Faserstranges käfigartig umschlossen ist.
Bei diesen bekannten Schwungrädern kommt es immer wieder zu ringförmigen Ablösungen innerhalb des Rotationsringes.
Aufgabeder Erfindung ist es, ein Schwungrad der genannten Art zu schaffen, bei dem Auflösungen des Rotationsringes leichter vermeidbar sind als bei den bekannten Schwungrädern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Speichen an der Innenseite des Rotationsringes durch Klebung befestigt sind und daß der Rotationsring aus Fasern mit einem Elastizitätsmodul gewickelt ist, der etwa dem Vierfachen des Elastizitätsmoduls der Fasern entspricht, aus dem die Speichen bestehen.
Die Speichen sind dabei vorzgsweise durch kreiseektorfrmig gewickelte Speichenringe gebildet, die an der Sektorspitze abgeflacht und der Sektorspitze gegendber kreiBbogen£8tmig auSgebildet sind. Die Soheibenringe sind dabei vorzugweise so ausgebildet, daß sie mit ihren radialen Schenkeln aneinanderliegend eine auf dem Umfang geschlossene Speichenscheibe bilden. Eine solche Speichenscheibe weist zweckmEßig sechs Speichenringe auf.
Die Nabe weist vorzugsweise eine umlaufende Nut auf, deren Boden als Polyeder mit einer Flächenzahl entsprechend der Anzahl der Speichenringe ausgebildet ist und für die Befestigung der Speichenringe sind in den Nabenschenkeln achsparallele Bohrungen vorgesehen, in die Befestigungsbolzen einsteckbar sind, die gegen die Innenseite der abgeflachten Spitze der Speichenringe anliegen.
Vorzugsweise weist ein Schwungrad eine Mehrzahl von nebeneinander liegenden Speichenscheiben mit je einer Nabe auf.
Es ist damit mit einem Grundelement möglich, modulartig Schwungräder mit unterschiedlichen Rotationsmassen zu fertien.
Bei der Anordnung einer Mehrzahl von Spcichsnscheiben werden zwischen den kreisbogenförmigen Abschnitten der Speichenringe benachbarter Speichenscheiben zweckmäßig Abstandsringe eingeklebt. Die Speichenscheiben können auch auf.ihrem Umfang mit einem durchgehenden Wickelzylinder für den Rotationsring verklebt sein. Vorzugsweise sind die radialen Schenkel benachbarter Speichenringe miteinander verklebt.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt in einem Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 eine achssymmetrische Hälfte eines Schwungrades gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.
Das in der Zeichnung dargestellte Schwungrad weist eine metallische Nabe 2, aus mit Kunstharz getränkten Fasern gewickelte Speichenelemente 4 und einen aus Kunstharz getränkten Fasern gewickelten Rotationsring 6 auf. Die Nabe weist eine Bohrung 8 auf mit Keilnuten zum Aufsetzen der Nabe auf eine entsprechend ausgebildete Welle. Außen ist die Nabe zylindrisch ausgefAhrt,und in der Mitte der Nabe ist eine ringförmige Nut 10 vorgesehen, deren Boden 12 als Polyeder, hier als Rechteck ausgebildet ist. Die Nabe ist weiter im Abstand radial auswärts des Nutbodens 12 mit jeweils zwei im Abstand voneinander liegenden achsparallelen Bohrungen 14 versehen.
Die Speichenelemente sind nach Art eines Kreissektora aus mit Kunstharz getränkten Fasern gewickelten Ringen ausgebildet.
Diese Ringe sind an der Sektorspitze mit einem abgeflachten Abschnitt 16'versehen, mit dem sie gegen eine der Flächen am Boden der Ringnut anliegen. Die achsparallelen Bohrungen in der Nabe 2 sind dabei so angeordnet, daß in sie Bolzen-18 einsteckbar sind, die dann im Bereich der Krümmung zwischen dem abgeflachten Abschnitt 16 und den radialen Abschnitten 20 gegen den abgeflachten Abschnitt 16 anliegend einsteckbar sind. Durch die Bolzen werden damit die Speichenringe an der Nabe gehaltert, wobei über die Bolzen gleichzeitig die Drehmomente in die Speichen eingeleitet werden.
Der Sektorspitze gegenüber liegt ein kreisbogenförmiger Abschnitt 22 des Speichenringes. Die Speichenringe sind so ausgebildet und so in die Nabe eingesetzt, daß sie mit den Außenseiten ihrer radialen Schenkel 20 gegeneinander liegen.
In diesem Bereich sind die radialen Schenkel 20 benachbarter Speichenringe 4 vorzugsweise miteinander verklebt. Bei der Herstellung werden die Speichenringe vor dem Aushärten des Kunstharzes zweckmäßig in einer Vorrfantung mit ihren Spitzen in die Ringnut der Nabe eingeschoben. Durch die beim Wickeln unvermeidliche geringe Wölbung der radialen Schenkel 20 auf ihrer Außenseite kommt es dabei zu einer Pressung an den Außenseiten, wodurch der Kontakt unterstützt wird. Sofern das Tränkharz nicht ausreicht für eine Klebeverbindung, kann auf den Außenseiten der radialen Schenkel ein Klebstoff aufgebracht werden. Nach dem Zusammenbau werden die so gebildeten Speichenscheiben dann in bekannter Weise durch Wärmeeinwirkung oder dergleichen ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird dann eine Mehrzahl von derart ausgebildeten Speichenscheiben in Achsrichtung mit den Naben aneinanderliegend zusammengesteckt und Rnschließend im Bereich ihres äußeren Umfangs miteinander verbunden. Diese Verbindung kann wie in Fig. 2 dargestellt durch Zwischenringe 24 erfolgen, die jeweils zwischen'den Abschnitten 22 der Speichenringe im Bereich des äußeren Umfangs der Speichenscheiben eingeklebt werden. Zusätzlich werden zweckmäßig an den Schwungradenden Ringe 26 angeklebt, die dann frei vorstehen. Auf den so gebildeten Außenzylinder des Schwungradkerns mit den Speichen wird dann der Rotationsring 6 gewickelt. Es ist auch möglich, außen auf die Speichenscheiben einen Wickelzylinder aufzusetzen, der dann mit dem äußeren Umfang der Speichenscheiben verklebt wird und auf den dann der Rotationsring 6 gewickelt wird.
Wesentlich für das beschriebene Schwungrad ist die Paarung der Fasern, aus denen einmal die Speichenrinp:e und zum andern der otationsring gewickelt ist Für den Rotationsring werden dabei Fasern mit einem ElaStizltMtsmodul verwendet, der vierfach gröber ist als der E1astizittsmodul der Fasern, aus denen die Speichenringe gewickelt werden. Für das Wickeln des Rotationsringes können beispielsweise hochfeste Kohlefasern vom Typ HT verwendet werden mit einem Elastizitätsmodul im Verbund von 135.000 N/mm2, während für das Wickeln der Speichenringe Fasern verwendet werden, die im Verbund einen Elastizitätsmodul von 34".000 N/mm2 ergeben, wie beispielsweise Aramidfasern, die unter der Bezeichnung "Kevlar" vertrieben werden. Andere Materialpaarungen sind möglich, sofern das erwähnte Verhältnis der Elastizitätsmodule eingehalten wird.
Durch die Verwendung von unterschiedlichen Fasern, von denen die für das Wickeln des Rotationsringes verwendete Faser einen vierfach höheren Elastizitätsmodul hat als die Fasern, aus denen die Speichenringe gewickelt sind, wird erreicht, daß die radiale Dehnung der radialeS Schenkel der Speichenringe,durch die die eigentlichen Speichen gebildet werden, gleich der radialen Dehnung des Rotationsringes ist, und zwar ueber den gesamten Geschwindigkeitsbereich. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Umfang der Speichenscheiben und dem Rotationsring nur in Umfangsrichtung durch die zu Ubertragenden Drehmomente belastet, nicht jedoch in radialer Richtung. Eine radiale Belastung, beispielsweise dadurch, daß die radiale Dehnung des Rotåtionsringes größer ist als die radiale Dehnung der Speichen, würde zu einem Abschälen im Bereich der bogenförmigen Ringecken am Übergang der radialen Schenkeln in den kreisbogenrörmigen Abschnitt 22 führen und damit zu einem Lösen der Verbindung auf dem Umfang der Speichenscheiben. Würde die radiale Dehnung der Speichen größer sein als die des Rotationsringes, würden sich diese krümmen, so daß die radiale Zentrierung des Rotationsringes gefährdet wäre.
Die Ausbildung der Speichen durch die beschriebenen Speiohenringe ermdglicht eine einfache und mit hoher Genauigkeit reproduzierbare Fertigung der Speichensheib'en. Grundsätzlich wären aber auch andereSpeichenausbi1dungen möglich, sofern die obengenannten Bedingungen hinsichtlich der Materialpaarung eingehalten werden. Da die Speichen keine Zugkräfte übertragen, werden sie ausschließlich auf Biegung beanSprucht. Das notwendige Widerstandsmoment im Bereich der Speichen läßt sich dabei leicht durch entsprechende Auslegung der Dicke dieses Ringes festlegen. Grundsätzlich nicht ausgeschlossen ist die Anordnung von radialen Zwischenstücken zwischen den radialen Schenkeln der Speichenringe, die dann beispielsweise beim Zusammensetzen der Speichenscheiben zwischen die radialen Schenkel eingeklebt werden.
Leerseite

Claims

Anspruche 1.Schwungrad mit einem aus mit Kunstharz getränkten Fasern gewickelten Rotationsring, einer metallischen Nabe und aus mit Kunstharz getränkten Fasern bestehenden Speichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (20) an der Innenseite des Rotationsringes (6) durch Klebung befestigt sind und daß der Rotationsring aus Fasern mit einem ElastizitStsmodul gewickelt ist, der etwa dem Vierfachen des Elastizitätsmoduls der Fasern entspricht, aus dem die Speichen bestehen.
2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (20) durch kreissektorförmig gewickelte Speichenringe (4) gebildet sind, die an der Sektorspitze abgeflacht und der Sektorspitze gegenüber kreisbogenförmig ausgebildet sind.
3. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichenringe (4) so ausgebildet sind, daß sie mit ihren radialen Schenkeln (20) aneinander liegend eine auf dem Umfang geschlossene Speichenscheibe bilden.
4 Schwungrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichenscheibe sechs Speichenringe (4) aufweist.
5. Schwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (2) eine umlaufende Nut aufweist, deren Boden (12)'als Polyeder mit einer Flächenzahl entsprechend der Anzahl der Speichenringe (4) ausgebildet-ist und daß für die Befestigung der Speichenringe in den Nabenschenkeln (10) achsparallele Bohrungen (14) vorgesehen sind, in die Refestimllngsbolzen (18) einsteckbar sind, die gegen d-ie Innenseite der abFeflachten Spitze (16) der Speichenringe anliegen.
6. Schwungrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von nebeneinanderliegenden Speichenscheiben mit je einer Nabe vorgesehen ist.
7. Schwungrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den kreisbogenförmigen Abschnitten (22) der Speichenringe (4) benachbarter Speichenscheiben Abstandsringe (24) eingeklebt sind.
8. Schwungrad nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichenscheiben mit ihrem Umfang mit einem durchgehenden Wickelzylinder für den Rotationsring verklebt sind.
9. Schwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Schenkel (20) benachbarter Speichenringe (4) miteinander verklebt sind.