DE19651668C2

DE19651668C2 - Schwungrad für hohe Drehzahlen

Info

Publication number: DE19651668C2
Application number: DE1996151668
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Rer Nat Taeubner; Manfred Dipl Phys Elze
Original assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Current assignee: Wtz Motoren & Maschforsch GmbH
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: DE19651668A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad für hohe Drehzahlengemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, geeignet für die Anwendung in mechanischen Anordnungen mit schnell rotierenden Teilen, wie es beispielsweise Zentrifugen, Turbinen, Pumpen oder schnellaufende Motoren sind.

Insbesondere ist der Einsatz des Schwungrades als Energiespeicher vorzugsweise geeignet für mechanische Energie, das heißt für die Speicherung von Energie in Form von kinetischer Energie der Rotation, oder durch die Kombination mit einem geeigneten Energiewandler auch für andere Energieformen, beispielsweise im Betrieb mit einem Motor-Generator für die Speicherung elektri scher Energie.

Der Einsatz von Faserverbundmaterial für Schwungräder wurde erstmalig 1970 bekannt (DE-PS 21 41 581). Jedoch konnte das Haupt problem von Faserverbundschwungrädern, nämlich die Verbindung des hoch belasteten Faserverbundringes mit der Nabe, nicht gelöst werden. Die entwickelten Schwungräder waren nicht in der Lage, die hohe Zugfestigkeit der Fasern parallel zur Faserrichtung auszunutzen, sondern versagten bereits bei niedrigeren Drehzahlen durch Überlastungen in radialer Richtung. Daher blieb die Lei stungsfähigkeit der bisher entwickelten Schwungräder gering und es kam zu keiner technischen Anwendung.

Es wurden mehrere unterschiedliche Vorschläge bekannt, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. So wurde bekannt, Schwungräder aus einer Anzahl flachgekrümmter Scheiben aufzubauen (DE-PS 25 40 625). Diese Lösung wurde für Schwungräder aus Stahl erfolg reich angewendet. Jedoch ist durch die Verwendung von Metall die Leistungsfähigkeit geringer im Vergleich zur Verwendung von Faserverbundmaterial.

Ebenso wurde bekannt, zur Ausnutzung der guten Eigenschaften des Faserbundmaterials profilierte Scheiben als Pakete form schlüssig mit zwei Nabenzapfen zu verbinden (DE-PS 26 06 577).

Als besonders geeignet wurde die "Wellen-Form" erwähnt, wobei die Dicke der einzelnen Lamellen möglichst dünn gewählt werden soll. Auf Grund von nicht lösbaren Schwierigkeiten bei der tech nischen Herstellung dieser speziell geformten Scheiben mit gerin ger Wandstärke war dieser Vorschlag nicht zu realisieren und fand bisher keine Anwendung.

Zusammenfassend läßt sich zum Stand der Technik für Faserverbund schwungräder sagen, daß die bisherigen Lösungen das Leistungsver mögen der Faserverbundmaterialien nicht ausnutzen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schwungrad zu entwickeln, dessen Leistungsfähigkeit nur durch die Festigkeit des Faserverbundmaterials parallel zur Faserrichtung begrenzt wird.

Weitere Materialparameter, wie die Festigkeit des Faserverbundma terials senkrecht zur Faserrichtung, die Festigkeit von Hilfsma terialien wie Zwischenschichten und Nabenmaterial sollen durch eine geeignete Konstruktion kein begrenzender Parameter sein. Die Vorrichtung soll weiterhin ein günstiges Schwingungsverhalten aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schwung rad für hohe Drehzahlen bestehend aus

- einem einzigen Körper aus ringförmig gewickelten Faser verbundmaterial,
wobei in der Schnittfläche, in der die Drehachse liegt, die Tangente in dem Punkt mit dem Radius r an der nach oben zeigenden Oberfläche mit der Drehachse den Winkel ALPHA bildet
und die Tangente in dem Punkt mit dem Radius r an der nach unten zeigenden Oberfläche den Winkel BETA bildet,
wobei die Wahl der Richtung der Drehachse beliebig ist,
- und einer Nabe
mit dem Radius R in der Mitte der Wicklung des Faserverbundmaterials
und einer Höhe h der Fläche des Kontaktes zwischen der Wicklung des Faserverbundmaterials und der Nabe in axialer Richtung
folgende neuartigen Merkmale aufweist:
- die Winkel ALPHA und BETA haben für jeden Radius r außerhalb des Kontaktbereiches zwischen Nabe und dem Körper aus Faser verbundmaterial Werte zwischen 0° und 75°,
- die Differenz zwischen den Werten der Winkel ALPHA und BETA hat für jeden Radius r außerhalb des genannten Kontaktberei ches einen Wert zwischen -20° und +20°,
- der genannte Kontaktbereich erstreckt sich höchstens bis zu einem Radius von 2.(R + h).

Der entsprechende Verlauf der Schnittfläche des Körpers aus Faserverbundmatial ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die verwendeten Bezeichnungen der geometrischen Abmessungen und Winkel wurden für einen willkürlich gewählten Radius r einge zeichnet.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in den Unteran sprüchen beschrieben. Als Material für die Faserverbundwicklung wird vorzugsweise ein Grafitfaser-Epoxidharz-Verbund oder ein Glasfaser-Epoxidharz-Verbund eingesetzt.

Die Dicke des Körpers aus ringförmig gewickeltem Faserverbundma terial wird so klein gewählt, daß die Spannung in radialer Richtung bei der höchsten Drehzahl für jeden Radius unterhalb der für das Faserverbundmaterial zulässigen Spannung bleibt. Der Außenradius des Körpers aus Faserverbundmaterial wird so gewählt, daß die Spannung in tangentialer Richtung bei der höchsten Drehzahl in ihrem Maximum mit der für das Material höchstens zulässigen Spannung übereinstimmt. Der Bereich, in dem sich das Maximum der höchsten tangentialen Spannung ein stellt, liegt entsprechend der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Bereich des größten Radius des Körpers aus Faser verbundmaterial.

Als einfachste leicht herzustellende Ausgestaltung der Erfindung wird der Körper aus Faserverbundmaterial die Form eines Kegelman tels entsprechend Unteranspruch 6 haben. Hierbei haben ALPHA und BETA den gleichen Wert, der zweckmäßiger Weise zwischen 75° und 35° liegen sollte.

Ein entsprechendes Beispiel ist in Fig. 2 abgebildet und als Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.

Eine zweite zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Körper aus Faserverbundmaterial ähnlich dem soeben be schriebenen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Höhe des Körpers aus Faserverbundmaterial für kleine Durchmesser vergrößert ist. Dadurch wird eine größere Kontaktfläche zur Nabe erreicht. Diese Ausgestaltung ist in Fig. 5 dargestellt und im zweiten Ausfüh rungsbeispiel näher beschrieben.

Eine dritte zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Körper aus Faserverbundmaterial, für den die Winkel ALPHA und BETA mit wachsendem Radius ausgehend von einem Anfangswert sich immer weiter verringern. Solche Formen sind in Fig. 6 und 7 beschrieben und als drittes und viertes Ausführungsbeispiel behandelt.

Eine vierte zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Körper aus Faserverbundmaterial, der aus Teilkörpern zusam mengesetzt ist, wobei mit wachsendem Radius die Winkel ALPHA und BETA zunächst von einem Ausgangswert größer als 30° sich bis auf 0° reduzieren, dann im zweiten Teil mit weiter wachsendem Radius von 180° bis auf unter 150° fallen und dann wieder auf 180° ansteigen, in einem dritten Teil mit weiter ansteigendem Radius von 0° auf über 30° ansteigen und wieder auf 0° fallen. In Abhängigkeit von der gewünschten Gesamtabmessung können weite re Teilstücke nach außen folgen, so daß der Körper aus Faserver bundmaterial entweder aus zwei, drei, vier oder beliebig vielen Teilstücken besteht. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in Fig. 8 gegeben und als fünftes Ausführungsbeispiel be schrieben.

Das Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Schwungrades einschließlich seiner Varianten ist erfindungsgemäß gekennzeich net durch die Verwendung einer Wickelform, die Vertiefungen enthält, die nicht von den Fasern ausgefüllt werden. Eine zweck mäßige Ausgestaltung der Vertiefungen in der Wickelform geschieht durch regelmäßig quer zur Faserrichtung angeordnete Gräben mit einem Dreieckquerschnitt mit einer Tiefe von etwa 0,2 bis 2 mm und einer Breite von 1 bis 4 mm.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung sind:

- Die Leistungsfähigkeit des Schwungrades wird nur noch durch die Festigkeit des Faserverbundmaterials in tangentialer Richtung begrenzt und läßt sich damit wesentlich über den bisherigen Stand der Technik steigern. Durch die Wahl der geometrischen Form und Abmessungen gemäß der Erfindung ist gewährleistet, daß der Ausgleich der un terschiedlichen Dehnungen zwischen dem Bereich der höchsten tangentialen Spannung im äußersten Durchmesser und der gerin gen Dehnung der Nabe ohne das Auftreten hoher radialer Span nungen erfolgen kann.
- Für Schwungräder mit Belastungen durch hohe Drehmomente kann entsprechend des Unteranspruchs 7 eine Verstärkung im unmit telbaren Kontaktbereich zur Nabe erfolgen, so daß die auftre tenden Scherkräfte genügend gering bleiben.
- Für Schwungräder mit höchstem Speichervermögen, kann durch die Form entsprechend Unteranspruch 8 der äußere Bereich des Körpers aus Faserverbundmaterial einen wesentlich größeren Anteil am Gesamtgewicht erhalten, so daß eine bessere Annähe rung an das theoretisch mögliche Energiespeichervermögen ent steht.

Die vorteilhafte Wirkung des Verfahrens der Herstellung besteht darin, daß durch die im Anspruch 9 beschriebenen Vertiefungen nach der Aushärtung und Entkernung des Körpers aus ringförmig gewickeltem Faserverbundmaterial an einer Oberfläche entsprechend dem Abdruck dieser Vertiefungen Stege aus Epoxidharz existieren.

Diese lassen sich vorteilhaft für einen Materialabtrag zur Aus wuchtung des Wickelkörpers benutzen, ohne dabei die Festigkeit des Faserverbundes zu beeinträchtigen. Dadurch ist die Auswuch tung schnell und ohne zusätzliche technologische Behandlung des Wickelkörpers möglich.

Ausführungsbeispiele

Im folgenden werden vier Ausführungsbeispiele an Hand von Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - Allgemeine Darstellung des Schwungrades

Fig. 2 - Schwungrad des ersten Ausführungsbeispiels

Fig. 3 - Größe der tangentialen Spannung im ersten Beispiel

Fig. 4 - Größe der radialen Spannung im ersten Beispiel

Fig. 5 - Schwungrad des zweiten Ausführungsbeispiels

Fig. 6 - Schwungrad des dritten Ausführungsbeispiels

Fig. 7 - Schwungrad des vierten Ausführungsbeispiels

Fig. 8 - Schwungrad des fünften Ausführungsbeispiels

Die für den Aufbau des Schwungrades benutzten Materialien werden in der Tabelle 1 mit ihren wesentlichen Eigenschaften darge stellt. Sie sind für alle Ausführungsbeispiele gleich gewählt worden.

Tabelle 1

Erstes Beispiel

Das Erste Ausführungsbeispiel ist entsprechend der Ansprüche 1 und 6 gestaltet, wobei als höchste Arbeitsdrehzahl 60000 Um drehungen pro Minute festgelegt wurde. Die Winkel ALPHA und BETA wurden konstant über den ganzen Körper zu 45° gewählt. Dadurch ist die Wickelform einfach herzustellen und auch eine Nacharbeit des Wickelkörpers auf Maßhaltigkeit ist einfach und mit hoher Genauigkeit möglich.

Die Nabe wurde als Hohlnabe aus der beschriebenen A1-Legierung ausgeführt. Die geometrische Form des Schwungrades ist rotations symmetrisch. Ein beliebiger Schnitt durch die Rotationsachse ist in der Fig. 2 dargestellt. Die dabei benutzten Abmessungen sind in der Tabelle 2 enthalten.

Tabelle 2

Die mit dem Schwungrad des ersten Ausführungsbeispiels erreichten Daten sind in der Tabelle 3 enthalten. Es wurden die Spannungs verteilungen des Beispiels mit einem FEM-Programm berechnet und in den Fig. 3 und 4 für die höchste Drehzahl dargestellt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Im zweiten Beispiel wurde die Höhe des Schwungrades im Kontaktbe reich der Nabe vergrößert, wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist. Die geometrischen Hauptabmessungen sind ebenfalls wieder in der Tabelle 2 eingetragen. Der Winkel der nach unten zeigenden Oberfläche BETA beträgt wie im ersten Ausführungsbeispiel über den gesamten Radius 45°. Der Winkel ALPHA ändert sich jedoch von 38° mit steigendem Radius auf 45°. Durch die größere Höhe des Kontaktbereiches zwischen Nabe und Fasermaterial ergibt sich ein größeres übertragbares Drehmoment und günstigere Schwin gungseigenschaften. Die Leistungsdaten sind in der Tabelle 3 wiedergegeben.

Drittes Ausführungsbeispiel

Im dritten Beispiel wurden die Winkel ALPHA und BETA mit wachsen dem Radius von 45° bis auf 10° reduziert. Dadurch bekam das Schwungrad eine größere Höhe im Vergleich zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen. Die als drittes Ausführungsbeispiel ge wählte Anordnung hat das größte Energiespeichervermögen der drei beschriebenen Beispiele. Auch sind bei dieser Anordnung die Spannungen in axialer Richtung besonders gering. Um eine möglichst zugspannungsfreie Grenzfläche zwischen A1-Nabe und dem Faserverbundmaterial zu erhalten, wurde hierbei die A1-Hohl- Nabe im Kontaktbereich mit einer leichten Schräge versehen, wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist.

Tabelle 3

Die Formen der Ausführungsbeispiele sind ohne Schwierigkeiten auf größere Abmessungen und niedrigere Drehzahlen übertragbar. So ergibt beispielsweise die Dimensionierung des dritten Ausfüh rungsbeispiels für einen Durchmesser von 1900 mm die höchste zulässige Drehzahl von 11000 Umdrehungen pro Minute eine gespei cherte Energie von über 60 kWh.

Ebenso kann an Stelle der Hohlnabe auch eine Welle ohne Innenboh rung verwendet werden. Weiterhin kann die Nabe auch aus anderen Metallen gefertigt werden, ohne daß sich eine Einschränkung der Funktion des Schwungrades ergibt.

Viertes Ausführungsbeispiel

Das vierte Ausführungsbeispiel wurde die Form des Schwungrades aus dem dritten Ausführungsbeispiel bis zum Übergang von ALPHA und BETA zu 0° fortgesetzt, so daß das Schwungrad in einen Be reich übergeht, in dem das Faserverbundmaterial die Form eines Rohres hat, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist. Dadurch entsteht eine besonders leistungsfähige Schwungradform mit dem höchsten Energiespeichervermögen. Hierbei ist jedoch die axiale Länge des Schwungrades nicht zu groß zu wählen, da sonst kritische Schwingungen zum Ausfall des Schwungrades vor der Erreichung der Höchstdrehzahl führen können.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Das fünfte Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 dargestellt, hier sind zur Erreichung einer geringen Höhenausdehnung einzelne Ringe mit ALPHA und BETA-Werten zwischen 0° und 45° als erstes und zwischen 180° und 135° als zweites und dann sich wiederholend aneinander gefügt. Dadurch kann eine relativ kleine flache Struk tur des Schwungrades erreicht werden.

Claims

1. Schwungrad für hohe Drehzahlen bestehend aus

1. einem einzigen Körper aus ringförmig gewickelten Faser verbundmaterial, wobei in der Schnittfläche, in der die Drehachse liegt,
die Tangente in dem Punkt mit dem Radius r an der nach oben zeigenden Oberfläche mit der Drehachse den Winkel ALPHA bildet
und die Tangente in dem Punkt mit dem Radius r an der nach unten zeigenden Oberfläche den Winkel BETA bildet,
wobei die Wahl der Richtung der Drehachse beliebig ist,
2. und einer Nabe
mit dem Radius R in der Mitte der Wicklung des Faserverbund materials
und einer Höhe h der Fläche des Kontakts zwischen der Wick lung des Faserverbundmaterials und der Nabe in axialer Richtung

gekennzeichnet dadurch, daß

1. die Winkel ALPHA und BETA für jeden Radius r außerhalb des Kontaktbereiches zwischen Nabe und dem Körper aus Faserverbundmaterial Werte zwischen 0° und 75° haben,
2. die Differenz zwischen den Werten der Winkel ALPHA und BETA für jeden Radius r außerhalb des genannten Kontakt bereiches einen Wert zwischen -20° und +20° hat,
3. der genannte Kontaktbereich sich höchstens bis zu einem Radius von 2 . (R + h) erstreckt.

2. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Körper aus ringförmig gewickeltem Faserver bundmaterial aus Grafitfasern und Epoxidharz oder Glasfasern und Epoxidharz bestehen.

3. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach Anspruch 1 oder 2 gekenn zeichnet dadurch, daß Körper aus ringförmig gewickeltem Faser verbundmaterial aus unterschiedlichen Faserverbundmaterialien besteht, wobei außen das mit der höchsten Festigkeit in Faser richtung angeordnet wird.

4. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach Anspruch 1 oder 2 gekenn zeichnet dadurch, daß die Mantelstärke des Körpers aus ring förmig gewickeltem Faserverbundmaterial so gering gewählt wird, daß die sich bei der höchsten Drehzahl einstellende Spannung in radialer Richtung stets unter der für das ver wendete Material charakteristischen höchsten zulässigen Span nung in Richtung senkrecht zur Faserrichtung liegt.

5. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach Anspruch 1 oder 2 gekenn zeichnet dadurch, daß der größte Außendurchmesser des Körpers aus ringförmig gewickeltem Faserverbundmaterial so groß ge wählt wird, daß das sich für die höchste Drehzahl im Bereich des größten Durchmessers einstellende Maximum der Spannung in tangentialer Richtung stets der Größe der für das verwen dete Material charakteristischen höchsten zulässigen Spannung parallel zur Faserrichtung entspricht oder kleiner ist.

6. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 gekennzeichnet dadurch, daß die Winkel ALPHA und BETA für jeden Radius r außerhalb des Kontaktbereiches zwischen Nabe und dem Körper aus Faserverbundmaterial grund sätzlich einen konstanten Wert zwischen 75° und 35° haben.

7. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 gekennzeichnet dadurch, daß die Mantelstärke des Körpers aus ringförmig gewickeltem Faserverbundmaterial mit sich verringerndem Durchmesser zur Nabe hin ansteigt.

8. Schwungrad für hohe Drehzahlen nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 gekennzeichnet dadurch, daß die Winkel ALPHA und BETA von einem Anfangswert zwischen 75° und 35° mit zunehmendem Radius sich verringern.

9. Verfahren zur Herstellung des Schwungrades für hohe Drehzahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gekennzeichnet durch die Verwendung einer Wickelform, die im Bereich der Fläche, die mit Fasermaterial bewickelt wird, Vertiefungen enthält, die nicht von den Fasern ausgefüllt werden.