CN101678746A - 高速飞轮的密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于车辆的高惯量飞轮(2)，其包括周界由轮缘(6)环绕的轮毂(4)和外壳(70)，其中至少一个环形圈(54a、56a)被提供在飞轮的任何一侧上，因此，当飞轮振荡时，飞轮的接触表面抵靠环形圈的接触表面，从而引起摩擦。

Description

高速飞轮的密封装置
技术领域
本发明涉及飞轮，特别涉及用于车辆中的高速飞轮。
背景技术
飞轮典型地包括较重的质量，被设置为绕轴旋转。提供轴承将轴可旋转地与外壳连接。飞轮在车辆中的使用是已知的，例如用作车辆加速或减速的辅助设备。还已知的是将飞轮用作电池，从而飞轮的动能被转化为电能。飞轮的动能与转动惯量以及角速度的平方直接成比例。在车辆中用于能量存储的飞轮必须实现质量、惯量和转速的最佳平衡。飞轮被制造成旋转的越快，对于给定存储容量将越小且越轻。
固定式飞轮能够在例如高于100,000转每分钟的高速下运转。然而，由于某些约束，用在车辆中的飞轮典型地在大约20,000转每分钟或更低的速度下运转。首先，车辆内的飞轮能够运行的速度受到对车辆运行时引起的振动的敏感性限制，这会在飞轮支座和轴承上引起显著的应力，从而增加摩擦和磨损并降低飞轮的效率，此外还构成潜在的安全风险。飞轮对振动的敏感性能够通过提供具有高固有振动频率的飞轮而被最小化。
由于以上原因，车辆中的飞轮必须遵守严格的安全标准，包括有利的或至少可控的失效模式的规定。在达到主失效模式时，即在最低转速下发生的模式时，飞轮和其外壳必须被设计成封闭飞轮部件破碎时产生的所有碎片。
当飞轮失效时，轮毂的破裂发生在裂纹部位，引起飞轮和轴承之间的连接的刚度损失。结果，飞轮变得不稳定，致使其在轴上振荡。如果振荡不受限制，则将逐渐变得更大，从而在裂纹部位产生过度应力，并使裂纹变长，直到发生飞轮的完全失效，即轮缘从轴承脱离。
当飞轮失效时，存储在飞轮中的大量动能迅速消散，并在飞轮外壳内产生大的瞬时压力。因此必须封闭失效所产生的碎片，这需要大且重的密封装置。在飞轮失效以及封闭碎片时所遇到的问题通过能量消散所用的短时间量来减轻。
本发明的目的是为了解决飞轮失效时遇到的问题，特别是为了增加飞轮能量消散所用的时间。
发明内容
于是，本发明提供如所附权利要求的权利要求1所要求的高惯量飞轮。
本发明的一个优点是，当飞轮失效时，飞轮破裂所用的时间被延长，并且能量通过更长的时间释放。因此更易于安全地封闭产生的碎片，并可以使控制系统具有充分的时间来安全地降低失效飞轮的速度。
优选地，环形圈被提供在设置于外壳上的法兰上，使得接触环形圈的表面位于周界的内表面上。其优点在于，当轮毂在飞轮振荡时接触所述圈时，表面速度以及由摩擦接触产生的能量远小于接触发生在轮缘的外侧上的表面速度和能量。
环形圈可设置有向内和/或向外突出的法兰，从而法兰具有与周界端面、腹板或一些其他基本径向表面极接近的邻接面。在环形圈上提供具有邻接面的法兰的优点为，当飞轮失效时，飞轮被引起与增加的表面面积接触，因此引起更大量的摩擦，从而导致飞轮速度下降更大。而且，如果飞轮的失效发展到轮缘和轴分离或连接的刚度充分恶化的状态，飞轮轮缘的轴向运动被控制，并且轮缘基本上在其原始位置围绕轴的原始中心线旋转的时间被延长，从而进一步消散能量。
表面涂层可以被应用到环形圈和/或当飞轮振荡时轮毂与圈接触的部分上。表面涂层能够被选择例如用于控制减速率或热生成。例如制动衬面的具有高摩擦系数的涂层将提供高减速率，这在一些应用中是适用的。在其它应用中，例如类金刚石(DLC)的具有低摩擦系数的涂层将降低减速率并使热生成最小化。
优选地，轮毂的设计为最大应力位于将轴连接到轮缘的腹板中，导致飞轮的主失效模式为由于破裂引起的金属轮毂失效。将确保主失效模式为金属轮毂破裂的特定设计特征能够包括，例如在不同半径处的特定质量分布。当飞轮旋转时发生在腹板中的应力也受腹板的厚度影响。例如，由于当飞轮旋转时远离中心的部分的质量有效地拉伸位于中心的部分的影响，基本恒定厚度的腹板将导致最高应力朝飞轮的中心发生。
飞轮的主失效模式为轮毂的破裂的优点为，当轮毂由于破裂失效并破碎时，具有相当大强度储备的复合材料轮缘用于封闭产生的碎片。
附图说明
图1是根据本发明的飞轮的侧视图。
图2是图1的飞轮沿着线II-II的剖视图。
图3和图4是图1的飞轮的可替代实施例沿着线II-II的剖视图。
图5和图6分别是图3和4的实施例的局部细节图。
具体实施方式
参见图1和图2，飞轮2包括具有缠绕式碳复合纤维材料的轮缘6的钢制轮毂装置4。
轮毂4由两个半部8、10形成，每个半部均具有周界16、18。轮毂的两个半部8、10的直径相等，并且轮缘6的内径被选择为当其安装到轮毂装置4的外侧上时形成径向过盈配合，由此确保轮缘6在高运行速度下保持压紧轮毂4。
所述轮毂形成有从周界的内表面向飞轮的中心延伸的腹板20、22。由于飞轮旋转产生在腹板中的应力高于在轮缘的径向厚度中的应力，使得飞轮的主失效模式将是由于腹板破裂导致的轮毂的失效。
飞轮2被包含在外壳70中，该外壳70包括两个端盖50、52，并在外壳内保持真空。
环形圈54a、56a被提供在飞轮2的任何一侧上，并且通过过盈配合安装在环形肩58、60上，环形肩58、60提供在设于每个端盖50、52上的法兰62、64上。在每个环形圈54a、56a和轮毂的每个半部8、10之间具有小间隙，使得环形圈54a、56a紧密靠近但不接触轮毂4。
如果飞轮2在车辆运行时例如由于振动引起振荡，将致使周界16、18内侧上的接触表面66、68接触环形圈54a、56a，因此振荡被控制。轮毂4和接触表面66、68之间的小间隙确保环形圈54a、56a上的力不太大，并确保即使微小的振荡也被控制。
当飞轮2由于轮毂4破裂开始失效时，也将引起飞轮2的振荡，再次致使接触表面66、68接触环形圈54a、56a。产生在接触表面66、68和环形圈54a、56a之间的摩擦将导致飞轮2的速度减小。轮毂4中裂纹部位的应力因此将被控制，并且裂纹的扩散将缓慢发生。因此，当裂纹扩散导致轮毂破碎时，在飞轮外壳内产生的瞬时压力小于裂纹以更快的速度扩散产生的瞬时压力。因此，失效产生的碎片能够更容易地由飞轮的轮缘6封闭。
环形圈可以具有可替代的剖面形式。图3和图5的实施例图示的环形圈54b、56b均具有远离飞轮2的中心向外突出的法兰76、78。当飞轮失效及随后振荡时，法兰76、78的邻接面80、82接触轮毂周界18、20的端面84、86，因此由于表面80、82和周界的端面84、86之间的摩擦使得飞轮的速度进一步减小。法兰76、78在飞轮失效破碎时还提供轴向约束。
在图4和图6的实施例中，环形圈54c、56c均设有朝飞轮2的中心向内突出的法兰88、90。倒角92还提供在环形圈54c、56c和法兰88、90的外部接合处。当飞轮2在失效时开始振荡时，致使腹板20、22接触邻接面94、96，因此由于表面94、96和腹板20、22之间引起的摩擦使飞轮的速度进一步减小。
在图3和图4的实施例中，如果飞轮2的失效发展到轮缘6和轴脱离，或连接刚度已经充分恶化的状态，邻接面可以延长轮缘6基本上在正确的位置上围绕其原始中心线旋转的时间，从而进一步消散能量。
控制系统(未示出)可被用于检测飞轮失效的开始，并相应地以控制方式减小飞轮的速度。
所述控制系统能够被设置以测量飞轮的速度变化率的量，并且当惯量已知时，系统能够计算任意时刻产生或吸收的功率。通过将该功率与在输出轴处的测量功率比较，能够确定任何从预期状态的瞬时偏差，并且作为响应飞轮的速度能够被减小。
可替代地，所述控制系统能够被设置以测量靠近环形圈的外壳的温度，从而当轮毂接触环形圈时由摩擦导致的任何温度的突然上升能够被检测，并且作为响应飞轮的速度能够被减小。
一旦所述控制系统检测到飞轮的速度必须被减小，速度减小能够以正常方式通过动力传递来实现。可替代地，速度能够通过向外壳中注入某种物质来减小，例如水或油，其吸收当飞轮破碎时释放的能量，并通过变热和/或改变状态安全地消散能量。由于飞轮在真空中运转，该物质的注入不需要泵，并且能够是几乎瞬时的，因此当开启电磁阀时，该物质将迅速地流到外壳中。

Claims (15)

1、一种用于车辆的高惯量飞轮，包括轮毂，所述轮毂的周界被轮缘环绕，和外壳，其中至少一个环形圈被提供在所述飞轮的任何一侧上，当所述飞轮振荡时，所述飞轮的接触表面抵靠所述环形圈的接触表面，从而引起摩擦。
2、根据权利要求1所述的高惯量飞轮，其中所述至少一个环形圈具有的直径小于所述轮毂的所述周界的直径，并且，所述环形圈以过盈配合安装在提供于所述外壳上的法兰上，以使所述环形圈与所述轮毂的周界极接近，并且所述飞轮的所述接触表面在所述轮毂的周界上。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的高惯量飞轮，其中所述至少一个环形圈具有向内突出的法兰，所述向内突出的法兰具有与所述飞轮的基本径向表面极接近的邻接面。
4、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，其中所述至少一个环形圈具有向外突出的法兰，所述向外突出的法兰具有与所述飞轮的基本径向表面极接近的邻接面。
5、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，所述高惯量飞轮包括控制系统，用来在失效时减小所述飞轮的速度。
6、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，其中涂层被应用于所述环形圈的所述接触表面。
7、根据权利要求3所述的高惯量飞轮，其中涂层被应用于所述邻接面。
8、根据权利要求6或权利要求7所述的高惯量飞轮，其中所述涂层具有高摩擦系数。
9、根据权利要求8所述的高惯量飞轮，其中所述涂层为制动衬面材料。
10、根据权利要求6或权利要求7所述的高惯量飞轮，其中所述涂层具有低摩擦系数。
11、根据权利要求10所述的高惯量飞轮，其中所述涂层为类金刚石。
12、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，其中涂层被应用于所述飞轮的所述接触表面。
13、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，其中所述飞轮组件的设计使得主失效模式为所述金属轮毂的破裂。
14、根据以上任意一项权利要求所述的高惯量飞轮，其中所述至少一个环形圈由钢形成。
15、一种基本如上所述且参照附图的高惯量飞轮。
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