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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwungscheibe, die in einer Schwungscheiben-Batterievorrichtung und dgl. montiert ist und die rotiert, um Trägheitsenergie zu speichern.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Es sind Schwungscheiben-Batterievorrichtungen bekannt, welche elektrische Energie in Drehträgheitsenergie umwandelt und die resultierende Energie speichert. Bezüglich des Materials für eine Schwungscheibe, welche in der Schwungscheiben-Batterievorrichtung montiert ist, ist ein Material mit einer hohen spezifischen Festigkeit erforderlich (ein Wert, welcher aus der Division der Materialfestigkeit durch die Dichte resultiert), um einer Zentrifugalkraft standzuhalten, welche während der Rotation mit hohen Geschwindigkeiten erzeugt wird. Um eine hohe Gewichtsenergiedichte zu erreichen, wird ein Teil der Schwungscheibe, welcher nur unwesentlich zur Energie beiträgt, vorzugsweise entfernt.
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Daher wurde eine Schwungscheibe vorgeschlagen, welche ein Hohlzylinder ist und welche aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgebildet ist (siehe japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H9-267402 (
JP H9-267402 A )). Die in der JP H9-267402 A beschriebene Schwungscheibe ist als ein einstückiges Teil ausgebildet und verstärkende Fasern in dem faserverstärkten Kunststoff sind in Umfangsrichtung (d. h. in Rotationsrichtung der Schwungscheibe) orientiert/ausgerichtet.
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Die Gewichtsenergiedichte der Schwungscheiben-Batterievorrichtung hängt von der äußersten Umfangsgeschwindigkeit der Schwungscheibe ab. Daher wird die Schwungscheibe für eine erhöhte Energiedichte der Schwungscheibe vorzugsweise so schnell wie möglich rotiert. Jedoch verursacht eine erhöhte Rotationsgeschwindigkeit der Schwungscheibe, dass sich die Schwungscheibe aufgrund einer Zentrifugalkraft, welche von der Rotation der Schwungscheibe resultiert, in einer Radialrichtung nach außen ausdehnt. Folglich kann die Schwungscheibe innen erheblich deformiert sein. Demzufolge können hohe Spannungen im Inneren der Schwungscheibe erzeugt werden.
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Die vorliegenden Erfinder haben sich bemüht, die Geschwindigkeit der Schwungscheibe zu erhöhen (z. B. die äußerste Umfangsgeschwindigkeit der Schwungscheibe von einem derzeitigen Wert von etwa 800 m/s auf 1500 m/s oder höher zu erhöhen). Jedoch hat die in
JT H9-267402 A beschriebene Schwungscheibe, in der die verstärkenden Fasern in Umfangsrichtung orientiert sind, in Radialrichtung eine niedrige Festigkeit. Wenn solch eine Schwungscheibe mit solch einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, ist es wahrscheinlich, dass die Höhe der Radialspannung, welche in der Schwungscheibe erzeugt wird (eine Radialkomponente der Spannung), die Materialfestigkeit übersteigt. Somit kann es fehlschlagen, eine solch hohe Geschwindigkeit zu erreichen. Daher haben sich die vorliegenden Erfinder bemüht, die Radialspannungen, welche innerhalb der Schwungscheibe während der Rotation erzeugt werden, zu reduzieren, indem sie die Struktur der Schwungscheibe verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schwungscheibe vorzusehen, welche eine Reduzierung der Radialspannungen, welche innerhalb der Schwungscheibe während der Rotation erzeugt wird, ermöglicht, was eine Rotation bei höheren Geschwindigkeiten zulässt.
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Eine Schwungscheibe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung rotiert um eine vorbestimmte Rotationsachse, um Trägheitsenergie zu speichern und beinhaltet einen Ringteil und einen Nabenring, welcher in das Ringteil eingepasst ist. Der Nabenring berührt einen inneren Umfang des Ringteils zumindest während die Schwungscheibe rotiert mit Druck.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorhergehenden und weiteren Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Zahlen dazu verwendet werden gleiche Elemente zu repräsentieren und wobei:
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1 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Konfiguration einer Schwungscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet;
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2 eine Schnittansicht der Schwungscheibe ist;
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3 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Konfiguration eines in der Schwungscheibe enthaltenen geteilten Elements bzw. Unterteilungselements abbildet;
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4 eine schematische Darstellung ist, welche eine Konfiguration eines in dem Unterteilungselement enthaltenen Kohlenstofffaser-Prepreg abbildet;
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5 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Konfiguration eines in einem Nabenring enthaltenen Unterteilungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet;
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6 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Konfiguration eines in einem Nabenring enthaltenen Unterteilungselements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet;
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7 eine perspektivische Ansicht ist, welche eine Konfiguration einer Schwungscheibe gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet;
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8 eine Schnittansicht einer Schwungscheibe gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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9 ein Graph ist, welcher die Ergebnisse des Eigenspannungstests gemäß einem Beispiel darstellt; und
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10 ein Graph ist, welche die Ergebnisse des Eigenspannungstests gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration einer Schwungscheibe 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet. 2 ist eine Schnittansicht der Schwungscheibe 1. 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines in der Schwungscheibe 1 enthaltenen geteilten Elements bzw. Unterteilungselements 7 abbildet. 4 ist eine schematische Darstellung, welche eine Konfiguration eines in dem Unterteilungselement 7 enthaltenen Kohlenstofffaser-Prepreg 8 abbildet.
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Die Schwungscheibe 1 ist hohl und im Allgemeinen zylindrisch, und ist in einer (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Schwungscheiben-Batterievorrichtung montiert. In der Schwungscheiben-Batterievorrichtung ist die Schwungscheibe 1 so vorgesehen, dass sie in einer Horizontalorientierung z. B. um eine vertikale Rotationsachse 2 rotierbar ist. Komponenten, wie bspw. eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Rotationswelle welche sich entlang der Rotationsachse 2 erstreckt, und elektrische Komponenten sind in einem hohlen Abschnitt der Schwungscheibe 1 untergebracht. Da die Komponenten in dem hohlen Abschnitt der Schwungscheibe 1 untergebracht sind, ist die Schwungscheiben-Batterievorrichtung kompakt.
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Die Schwungscheibe 1 beinhaltet einen Zusammenbau aus einem Radring (Ringteil) 3 und einem Nabenring 4, welcher in den Radring 3 eingepasst ist. Der Radring 3 und der Nabenring 4 sind koaxial um die Rotationsachse 2 vorgesehen. Eine Richtung, in welche sich die Rotationsachse 2 erstreckt, wird nachfolgend als eine Axialrichtung z bezeichnet. Eine Radialrichtung der Schwungscheibe 1 wird nachfolgend als eine Radialrichtung r bezeichnet. Die Radialrichtung r stimmt mit einer Richtung des Bahnradius der Schwungscheibe 1 überein. Darüber hinaus wird eine Umfangsrichtung der Schwungscheibe 1 (Radring 3 und Nabenring 4) nachfolgend als eine Umfangsrichtung θ bezeichnet. Eine ”Radialanspannung”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine ”Radialkomponente der Spannung” und eine ”Umfangsspannung”, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine ”Umfangskomponente der Spannung”.
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Der Radring 3 ist zylindrisch. Der Radring 3 hat einen Außendurchmesser von etwa 450 mm. Der Radring 3 ist aus CFK ausgebildet, welches ein Beispiel für einen faserverstärkten Kunststoff ist. Kohlenstofffasern in dem Radring 3 sind überwiegend in der Umfangsrichtung θ orientiert. Das heißt, dass im Wesentlichen keine Kohlenstofffasern in dem Radring 3 in der Axialrichtung z oder in die Radialrichtung r orientiert sind. Somit hat das Scheibenrad 3 eine hohe Steifigkeit und eine hohe Festigkeit in der Umfangsrichtung θ und eine niedrige Steifigkeit und eine niedrige Festigkeit in der Radialrichtung r. Der Radring 3 wird in einem so genannten Faserwickelverfahren (Filament-Winding-Verfahren) ausgebildet, indem Tows (ungedrehte lange Faserbündel, welche eine große Anzahl an Filamenten beinhalten), welche mit Harz imprägniert sind, um einen Zylinder oder einen Druckbehälter gewickelt und anschließend gehärtet werden.
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Der Nabenring 4 hat einen zylindrischen Nabenring-Hauptkörper 5, welcher einstückig mit einem Paar scheibenförmiger Flansche 6 ausgebildet ist. Der Nabenring-Hauptkörper 5 wird in einer Orientierung senkrecht zur Rotationsachse 2 (Horizontalorientierung) gehalten. Die Flansche 6 stehen in Radialrichtung r in der Nähe der in der Axialrichtung z gegenüberliegenden Enden des Nabenring-Hauptkörpers 5 nach außen vor. Ein Gehäuseraum 11, in dem der Radring 3 untergebracht ist, wird durch eine Außenumfangsoberfläche 10 des gesamten Nabenring-Hauptkörpers 5, außer dessen in der Axialrichtung z gegenüberliegende Enden, und innerhalb von Hauptoberflächen des Flanschpaares 6 (eine untere Oberfläche des oberen Flanschs 6 und eine obere Oberfläche des unteren Flanschs 6) definiert. Mit dem in dem Radring 3 eingepassten Nabenring 4, ist die Außenumfangsoberfläche 10 des Nabenring-Hauptkörpers 5 mit einer Innenumfangsoberfläche 9 des Radrings 3 in Anschlagkontakt oder ist der Innenumfangsoberfläche 9 in einem sehr kurzen Abstand zugewandt.
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Der Abstand zwischen dem Paar scheibenförmiger Flansche 6 in der Axialrichtung z ist äquivalent zu der Länge des Radrings 3 in der Axialrichtung z festgelegt. Ein Außenumfangsende des Paars der Flansche 6 ist in der Radialrichtung r innerhalb einer Außenumfangsoberfläche 12 des Radrings 3 positioniert. Das heißt, ein Außendurchmesser der Flansche 6 ist kleiner als ein Außendurchmesser des Radrings 3 und z. B. zu etwa 300 mm festgelegt. Ein Außendurchmesser des Naben-Hauptkörper 5 ist äquivalent zu einem Innendurchmesser des Radrings 3 und z. B. zu etwa 240 mm festgelegt.
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Der Nabenring 4 ist aus CFK ausgebildet. Kohlenstofffasern in dem Nabenring 4 sind zumeist in der Radialrichtung r orientiert. Das heißt, die Kohlenstofffasern in dem Nabenring 4 sind nicht in der Axialrichtung z oder der Umfangsrichtung θ orientiert. Daher hat der Nabenring 4 eine hohe Steifigkeit und eine hohe Festigkeit in der Radialrichtung r und eine geringe Steifigkeit und eine geringe Festigkeit in der Umfangsrichtung B. Der Nabenring 4 ist in eine Vielzahl an gleichen Stücken geteilt (in 1 z. B. 24 gleiche Stücke). Mit anderen Worten ist der Nabenring 4 unter Verwendung von zu der Umfangsrichtung θ senkrechten Trennflächen 7A (siehe 3) in der Umfangsrichtung θ in Stücke aufgeteilt. Das Teilen des Nabenrings 4 in der Umfangsrichtung θ in Stücke ermöglicht eine weitere Reduzierung der Steifigkeit des gesamten Nabenrings 4 in der Umfangsrichtung θ. Dies ermöglicht unter Einsatz von einer relativ einfachen Konfiguration dem Nabenring 4 mit einer reduzierten Steifigkeit in der Umfangsrichtung θ eingebaut zu sein.
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Wie in 3 und 4 abgebildet ist, wird jedes der Unterteilungselemente 7 in einem Prepreg-Verfahren ausgebildet. Insbesondere ist das Unterteilungselement 7 durch das Zusammenlaminieren von Prepregs 8 in der Umfangsrichtung θ ausgebildet. Jeder Kohlenstofffaser-Prepreg 8 ist als eine Schicht geformt und beinhaltet Carbonfasern, welche mit einem Matrixharz imprägniert sind (z. B. Epoxidharz). Jeder Kohlenstofffaser-Prepreg 8 hat eine Form, welche mit der Querschnittsform des Unterteilungselements 7 entlang der Radialrichtung übereinstimmt. Die Kohlenstofffasern in dem Kohlenstofffaser-Prepreg 8 sind nur in einer Breitenrichtung des Kohlenstofffaser-Prepregs 8 orientiert (Richtung orthogonal zu einer Längsrichtung). Das in 3 abgebildete Unterteilungselement 7 wird erhalten, indem die Kohlenstofffaser-Prepregs 8 nur in der Umfangsrichtung θ laminiert werden und anschließend der resultierende Kohlenstofffaser-Prepreg 8 unter Verwendung von einem Matrixharz (z. B. Epoxidharz) ausgehärtet wird. Folglich kann das Unterteilungselement 7, welches aus CFK ausgebildet ist und in welchem die Kohlenstofffasern nur in der Radialrichtung r orientiert sind, unter Verwendung von einer relativ einfachen Konfiguration erhalten werden.
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Wenn die Schwungscheibe 1 hergestellt wird, werden die Unterteilungselemente 7 z. B. einzeln/Stück für Stück in den Radring 3 eingepasst, sodass all die Unterteilungselemente 7 schließlich in der Umfangsrichtung θ angeordnet sind, und somit den Nabenring 4 einschließlich Ringelemente ausbilden. Folglich kann ein Nabenring 4 in den Radring 3 eingepasst werden. In diesem Zustand ist die Außenumfangsoberfläche 10 des Naben-Hauptkörpers 5 in Anschlagkontakt mit der inneren Umfangsoberfläche 9 des Radrings 3 oder ist der Innenumfangsoberfläche 9 in einem sehr kurzen Abstand zugewandt. Darüber hinaus ist der untere Flansch 6 von unten mit dem Radring 3 in Oberflächenkontakt, um den Radring 3 zu lagern. Dies ermöglicht dem Radring 3 daran gehindert zu werden, von dem Nabenring 4 zu fallen/rutschen.
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In der (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Schwungscheiben-Batterievorrichtung wird die Schwungscheibe 1 um die Rotationsachse 2 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit rotiert (z. B. hat die Schwungscheibe 1 eine äußerste Umfangsgeschwindigkeit von 1.200 m/s oder höher (z. B. etwa 1.500 m/s)). In diesem Fall hat die Schwungscheibe 1 eine Gewichtsenergiedichte von etwa 200 Wh/kg. Wenn sie mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, ist die Schwungscheibe einer Zentrifugalkraft ausgesetzt, welche aus der Rotation der Schwungscheibe 1 resultiert, und dehnt sich in der Radialrichtung r nach außen aus. Demzufolge ist die Schwungscheibe 1 innerlich deformiert, was eine Zugspannung innerhalb des Radrings 3 erzeugt. Die Steifigkeit des Nabenrings 4 in der Umfangsrichtung θ ist niedriger festgelegt als die Steifigkeit des Radrings 3 in der Umfangsrichtung θ. Folglich ist es wahrscheinlicher, dass sich der Nabenring-Hauptkörper 5 in der Radialrichtung nach außen ausdehnt als der Radring 3, wenn sie einer Zentrifugalkraft ausgesetzt sind, welche während der Rotation der Schwungscheibe 1 erzeugt wird. Dadurch berührt der Nabenring-Hauptkörper 5, welcher in der Radialrichtung r mehr nach außen ausgedehnt ist, während die Schwungscheibe 1 rotiert, einen inneren Umfang des Radrings 3 mit Druck.
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Der Druckkontakt des Nabenrings 4 mit dem inneren Umfang des Radrings 3 verursacht Druckspannungen, welche auf den Radring 3 in der Radialrichtung r aufgebracht werden. Der Nabenring 4, welcher eine hohe Steifigkeit in der Radialrichtung r hat, berührt die Innenumfangsoberfläche 9 des Radrings 3 in der Radialrichtung r. Dies ermöglicht den Druckspannungen in der Radialrichtung r effizient auf den Radring 3 aufgebracht zu werden. Die Druckspannungen, welche somit in der Radialrichtung r aufgebracht werden, entfernen einen Abschnitt der Zugspannungen in dem Radring 3 in der Radialrichtung r. Demzufolge nimmt die Spannung in dem Radring 3 in der Radialrichtung r ab. Deshalb, verglichen mit einem Fall, in dem die Schwungscheibe 1 als ein einstückiges Teil vorgesehen ist, ermöglicht die vorliegende Ausführungsform eine Reduzierung in der Spannung, welche innerhalb der Schwungscheibe 1 in der Radialrichtung r erzeugt wird, während die Schwungscheibe 1 rotiert.
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Da der in der Schwungscheibe 1 enthaltene Nabenring 4 eine geringe Steifigkeit in der Umfangsrichtung θ des Nabenrings 4 hat, kann die Spannung in der Umfangsrichtung θ reduziert werden, welche innerhalb der Schwungscheibe 1 erzeugt wird, während die Schwungscheibe 1 rotiert. Darüber hinaus, da der Nabenring 4 die Vielzahl an Unterteilungselementen 7 beinhaltet, welche in der Umfangsrichtung θ angeordnet sind, kann die Steifigkeit des gesamten Nabenrings 4 in der Umfangsrichtung θ reduziert werden. Folglich kann die Spannung, welche innerhalb der Schwungscheibe 1 erzeugt wird, während die Schwungscheibe 1 rotiert, weiter reduziert werden.
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Wie vorstehend beschrieben, kann die Spannung (sowohl die Spannung in der Radialrichtung r als auch die Spannung in der Umfangsrichtung θ) reduziert werden, welche innerhalb der Schwungscheibe 1 erzeugt wird, während die Schwungscheibe 1 rotiert. Folglich kann die Schwungscheibe 1 vorgesehen werden, welche Rotationen mit höherer Geschwindigkeit ermöglicht. Zusätzlich haben die Flansche 6, welche in dem Nabenring 4 enthalten sind, jeweils den reduzierten Außendurchmesser, was ermöglicht die auf dem Nabenring 4 wirkende Zentrifugalkraft zu unterdrücken. Dies ermöglicht die Verhinderung eines Anstiegs in der Spannung, welche in der Schwungscheibe 1 im Zusammenhang mit den Flanschen 6 des Nabenrings 4 erzeugt wird. Eine Änderung in dem Außendurchmesser des Flanschs 6 ermöglicht ebenfalls die auf den Nabenring 4 wirkende Zentrifugalkraft geeigneterweise anzupassen.
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Da die Richtung, in der die Kohlenstofffasern in dem Radring 3 orientiert sind, die Umfangsrichtung θ ist, hat der Radring 3 eine hohe Steifigkeit und eine hohe Festigkeit in der Umfangsrichtung θ. Dadurch, selbst wenn die Steifigkeit des in der Schwungscheibe 1 beinhalteten Nabenrings 4 in der Umfangsrichtung θ gering festgelegt ist, kann die Schwungscheibe 1 als Ganzes immer noch eine hohe Steifigkeit und eine hohe Festigkeit in der Umfangsrichtung θ aufweisen. 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines in einem Nabenring 24 enthaltenen Unterteilungselements 27 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet.
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Der Nabenring 24 ist in eine Vielzahl von gleichen Stücken geteilt (z. B. 24 gleiche Stücke). Mit anderen Worten ist der Nabenring 24 in der Umfangsrichtung θ durch Trennflächen 27A senkrecht zu der Umfangsrichtung θ in die Stücke geteilt. Demzufolge beinhaltet der Nabenring 24 die Vielzahl an (z. B. 24) Unterteilungselementen 27. Das Unterteilungselement 27 gemäß der zweiten Ausführungsform ist von dem Unterteilungselement 7 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 1 oder ähnliches) darin verschieden, dass das Unterteilungselement 27 durch Verwendung einer von dem Prepreg-Verfahren verschiedenen Technik ausgebildet ist.
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Das Unterteilungselement 27 ist aus einem dreidimensionalen Kohlenstofffasergewebe ausgebildet. Das Unterteilungselement 27 wird durch das Ausführen eines konvergierenden Prozesses (Überlagerungsprozess) von Kohlenstofffasern, dem Weben der resultierenden Garne bzw. Fäden zu Kohlenstofffasergewebe, dem Zusammenlaminieren einer Vielzahl von Kohlenstofffasergeweben, dem Zusammennähen der Kohlenstofffasergewebe unter Einsatz von Garnen in der gleichen Ebene im Zusammenhang mit einem Bildverarbeitungsnähverfahren und schließlich dem Ausführen eines Reinigungsprozesses des resultierenden Gewebes erhalten. Wie das Unterteilungselement 7 ist das aus dem dreidimensionalen Kohlenstofffasergewebe ausgebildete Unterteilungselement 27 so vorgesehen, dass die Kohlenstofffasern in der Radialrichtung orientiert sind.
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Die zweite Ausführungsform bietet vorteilhafte Effekte, welche äquivalent zu jenen sind, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben werden. 6 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration eines in einem Nabenring 34 enthaltenen Unterteilungselements 37 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Nabenring 34 ist in eine Vielzahl von gleichen Stücken (z. B. 24 gleiche Stücke) in der Umfangsrichtung θ geteilt. Mit anderen Worten ist der Nabenring 34 in der Umfangsrichtung θ durch Trennflächen 37A senkrecht zu der Umfangsrichtung θ in Stücke geteilt. Demzufolge beinhaltet der Nabenring 34 die Vielzahl an (z. B. 24) Unterteilungselementen 27.
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Das Unterteilungselement 37 gemäß der dritten Ausführungsform ist von den Unterteilungselementen 7 und 27 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform (siehe 1 und 5) darin verschieden, dass das Unterteilungselement 37 aus einem Stahlmaterial ausgebildet anstatt aus CFK ist. Ein spezifisches Beispiel des Stahlmaterials sind höherfeste Stähle. Die dritte Ausführungsform bietet vorteilhafte Effekte, welche äquivalent zu jenen sind, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben werden.
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Ein Material für das Unterteilungselement 37 könnte ein von dem Stahlmaterial verschiedenes Metallmaterial, z. B. eine Aluminiumlegierung mit hoher Festigkeit, sein. In der ersten bis dritten Ausführungsform wurde die Konfiguration beschrieben, in der die Unterteilungselemente 7, 27 oder 37 durch Teilen des entsprechenden Ringelements in 24 gleiche Stücke in der Umfangsrichtung θ ausgebildet sind. Jedoch ist die Anzahl an gleichen Stücken nicht auf 24 begrenzt und eine unterschiedliche Anzahl von z. B., 2, 3, 4, 6 oder 12 Stücken kann ausgebildet sein. Alternativ können die Unterteilungselemente durch das Teilen des Ringelements in ungleiche Stücke ausgebildet werden.
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7 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Konfiguration einer Schwungscheibe 41 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abbildet. Komponenten in der vierten Ausführungsform, welche mit denen in der ersten Ausführung übereinstimmen, sind durch die gleichen Bezugszeichen wie jene in 1 bezeichnet und werden nachfolgend nicht mehr beschrieben. Eine Schwungscheibe 41 gemäß der vierten Ausführungsform ist von der Schwungscheibe 1 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform darin verschieden, dass die Schwungscheibe 41 einen Nabenring 44 statt des Nabenrings 4 und 24 beinhaltet (siehe z. B. 1 und 5 oder ähnliches). Der Nabenring 44 ist aus einem einstückigen Teil statt aus einer Vielzahl an Unterteilungselementen ausgebildet. Wie die Nabenringe 4 und 24 ist der Nabenring 44 so vorgesehen, dass die Richtung, in der die Kohlenstofffasern orientiert sind, die Radialrichtung r ist. Der Nabenring 44 ist aus einem dreidimensionalen Kohlenstofffasergewebe ähnlich wie die in dem Nabenring 24 enthaltenen Unterteilungselemente 27 ausgebildet. Der Nabenring 44 wird durch Ausführen des konvergierenden Prozesses (Überlagerungsprozess) von Kohlenstofffasern, dem Weben der resultierenden Garne zu Kohlenstofffasergewebe, dem Zusammenlaminieren einer Vielzahl an Kohlenstofffasergeweben, dem Zusammennähen der Kohlenstofffasergewebe unter Verwendung von Garnen in der gleichen Ebene in Zusammenhang mit dem Bildverarbeitungs-Nähverfahren und anschließendem Ausführen des Reinigungsprozesses des resultierenden Gewebes erhalten.
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Die vierte Ausführungsform bietet vorteilhafte Effekte, welche äquivalent zu jenen sind, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben werden, außer vorteilhafte Effekte bezogen auf das Unterteilungselement 7. Wenn das Metallmaterial, wie etwa ein Stahlmaterial als ein Material für den Nabenring verwendet wird, ist es nicht bevorzugt, dass der Nabenring ein einstückiges Teil ist, wie es der Fall in der vierten Ausführungsform ist. Das heißt, wenn das Stahlmaterial als ein Material für den Nabenring verwendet wird, hat der Nabenring vorzugweise eine geteilte Struktur. Denn ein Nabenring, welcher aus dem Stahlmaterial ausgebildet ist, hat eine hohe Steifigkeit in der Umfangsrichtung θ und der Nabenring, welcher als ein einstückiges Teil konfiguriert ist, versagt darin, eine ausreichende Reduzierung in der innerhalb der Schwungscheibe erzeugten Spannung zu ermöglichen, während die Schwungscheibe rotiert.
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8 ist eine Schnittansicht einer Schwungscheibe 51 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Komponenten der fünften Ausführungsform, welche denen in der ersten Ausführungsform entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen wie die in 1 versehen und werden nachfolgend nicht mehr beschrieben. Die Schwungscheibe 51 gemäß der fünften Ausführungsform ist von der Schwungscheibe 1 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 1 oder ähnliches) darin verschieden, dass der Nabenring 4 (siehe 1 oder ähnliches) durch einen Nabenring 54 ersetzt ist, welcher ein Paar Flansche 56 mit äußeren Umfangsenden aufweist, welche in der Radialrichtung r von einer Außenumfangsoberfläche 12 des Radrings 3 nach außen vorstehen.
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Der Außendurchmesser des Flanschs (Flansch 6 oder 56) wird geändert, um eine Anpassung der Größe der Zentrifugalkraft zu ermöglichen, welche auf den Nabenring (Nabenring 4 oder 54) wirkt. Das heißt, ein reduzierter Außendurchmesser des Flanschs resultiert in einer reduzierten Zentrifugalkraft, welche auf den Nabenring wirkt. Ein erhöhter Außendurchmesser des Flanschs resultiert in einer erhöhten Zentrifugalkraft, welche auf den Nabenring wirkt. Der Außendurchmesser des Flanschs 56 gemäß der fünften Ausführungsform ist größer als der Außendurchmesser des Flanschs 6 gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 2 oder ähnliche). Somit ist die Zentrifugalkraft, welche auf den Nabenring 54 gemäß der fünften Ausführungsform einwirkt, höher als die Zentrifugalkraft, welche auf den Nabenring 4 gemäß der ersten Ausführungsform wirkt. In diesem Fall ist die Spannung, welche in dem Nabenring 54 in der Umfangsrichtung θ erzeugt wird, während die Schwungscheibe 51 rotiert, größer als die Spannung in dem Fall des Nabenrings 4.
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Die fünfte Ausführungsform bietet vorteilhafte Effekte, welche äquivalent zu jenen sind, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben werden, außer vorteilhafte Effekte bezogen auf eine Reduzierung des Außendurchmessers des Flanschs 6 des Nabenrings 4. Die fünfte Ausführungsform kann mit der zweiten bis vierten Ausführungsform kombiniert werden. Nun werden Eigenspannungstests beschrieben.
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In einem Beispiel und einem nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel werden die Spannungen, welche innerhalb der Schwungscheibe während der Rotation mit hohen Geschwindigkeiten erzeugt werden, durch Analysen basierend auf einer Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmt. Eine Rotationsgeschwindigkeit für jede der Schwungscheiben wurde auf 60.000 rpm festgelegt (die äußerste Umfangsgeschwindigkeit in diesem Fall wurde auf 1.400 m/s festgelegt).
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Beispiel: Ein Messobjekt war die Schwungscheibe 51 gemäß der fünften Ausführungsform. Die Innendurchmesserabmessungen des Nabenring-Hauptkörpers 5 wurde auf 220 mm festgelegt, die Außendurchmesserabmessungen des Flanschs 56 wurden auf 260 mm festgelegt und die Dicke des Flanschs 56 in der Axialrichtung z wurde auf 10 mm festgelegt. Die Innendurchmesserabmessung des Radrings 3 wurde auf 240 mm festgelegt, die Außendurchmesserabmessung des Radrings 3 wurde auf 500 mm festgelegt und die Abmessung des Radrings 3 in der Axialrichtung z wurde auf 200 mm festgelegt.
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Vergleichsbeispiel: Ein Messobjekt war eine Schwungscheibe, welche aus CFK ausgebildet und als ein einstückiges Teil konfiguriert ist. Die Innendurchmesserabmessung der Schwungscheibe wurde auf 240 mm festgelegt, die Außendurchmesserabmessung der Schwungscheibe wurde auf 450 mm festgelegt und die Abmessung der Schwungscheibe in der Axialrichtung z wurde auf 200 mm festgelegt. Unter diesen Bedingungen wurde die Verteilung der Spannung in der Radialrichtung r in der Nähe einer Mittenposition in einer Ebene in dem Radring (Schwungscheibe) in der Axialrichtung z arithmetisch bestimmt. 9 stellt die Verteilung der Spannung in der Radialrichtung r in einer Ebene in dem Beispiel dar und 10 stellt die Verteilung der Spannungen in der Radialrichtung r in einer Ebene in dem Vergleichsbeispiel dar. In 9 und 10 ist die Rotationsachse 2 eine Referenz für eine Radialposition (d. h. ”0”).
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Die in 9 dargestellten Ergebnisse geben an, dass in dem Beispiel die Spannung in der Radialrichtung r geringer ist als ein oberer Festigkeitsgrenzwert an allen Positionen in der Radialrichtung r. Andererseits geben die in 10 dargestellten Ergebnisse an, dass, in dem Vergleichsbeispiel, die Spannung in der Radialrichtung r höher ist als der Festigkeitsgrenzwert an einem Mittenabschnitt der Schwungscheibe in der Radialrichtung r. Die fünf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden beschrieben. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Ausführungsformen implementiert werden.
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Zum Beispiel ist CFK als faserverstärkter Kunststoff vorzuziehen. Jedoch können faserverstärkte Kunststoffe als ein Basismaterial für den Radring 3 und/oder den Nabenringen 4, 24, 34, 44 oder 54 verwendet werden, welche von Karbonfasern verschiedene Fasern, wie Glasfasern, Borfasern oder Aramidfasern, enthalten. Das Epoxidharz wurde als ein Beispiel für das Matrixharz des faserverstärkten Kunststoffs hergenommen. Jedoch kann das Matrixharz ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Vinylestherharz, ein Epoxidharz, ein Phenolharz, ein Polyamidharz, ein Polyimidharz, ein Furanharz, ein Maleemidharz, ein Acrylharz oder ähnliches sein.
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Verschiedene Änderungen können an den Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der Ansprüche vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 9-267402 A [0003, 0005]
