DE2237247C3 - Schwungrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad aus nicht metallischen Fasern hoher Zugfestigkeit, die durch ein Matrixmaterial miteinander verbunden sina

Bei einem aus der US-PS 32 96 886 bekannten Schwungrad dieser Art sind uie Fasern in drei spulenförmigen Ringen in der Weise konzentrisch zur Rotationsachse des Schwungrads angeordnet, daß der erste innere Ring von dem zweiten und dieser von dem äußeren dritten Ring eingefaßt wird. Der Elastizitätsmodul der Faserii nimmt dabei von dem inneren zu dem äußeren Ring zu. Bei die* ,em bekannten Schwungrad unterliegen die einzelnen Rnge und die spulenartig zu diesen aufgewickelten Fasern höh » in Umfangsrichtung wirkenden Zugspannungen, die zu einer Lockerung des Aufbaus des Schwungrades und schließlich zu dessen Zerstörung führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schwungrad zu schaffen, das bei hoher erreichbarer Energiedichte eine lange Lebensdauer aufweis'..

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Schwungrad der eingangs angegebenen Art dadurcn gelöst, daß der Rotationskörper aus Gruppen von mindestens drei flach aufeinanderliegender!, senkrecht zur Rotationsachse stehenden Scheiben aufgebaut ist, die aus Schichten der parallel zueinander verlaufenden Fasern (Filamente) bestehen, daß die Fasern zweier aufeinanderfolgender Scheiben einer Gruppe unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen, der sich aus dem Quotienten 180° /Anzahl der Scheiben einer Gruppe ergibt, und daß die Fasern und Scheiben miteinander verklebt sind. Aufgrund ihrer anisotropen Eigenschaften weisen die Fasern einer jeden Schicht eine hohe Zugfestigkeit in Richtung ihrer Längserstrekkung auf. Durch den gleichmäßigen Versatz des Verlaufs der Fasern um gleiche Winkel zu den Fasern der folgenden Scheibe zeichnet sich die aus den Scheiben aufgebaute Gruppe durch eine hohe Zugfettigkeit sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung aus. Wegen der hohen Zugfestigkeit der aus den Scheiben aufgebauten Gruppen kann das erfindungsgemäße Schwungrad zum Erzeugen einer hohen Energiedichte mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Sollte das erfindungsgemäße Schwungrad nach langen Betriebszeiten durch Auftreten von Rissen einmal schadhaft werden, so vermögen diese sich nicht so schnell fortzusetzen, da daß Schwungrad explosionsartig zerstört wird, wie dies bei Schwungrädern aus isotropen Stahl oder Aluminium mit der sich daraus ergebenden Gefährdung der Umgebung zu befürchten ist Falls höchstens nach langen Betriebszeiten bei den erfindungsgemäßen Schwungrädern auftretende Risse nicht bei Inspektionen bemerkt werden sollten, können diese durch Überwachungseinrichtungen ermittelt werden, weil sich auftretende Strukturveränderungen durch Schwingungen bemerkbar machen.
Die Anzahl der Scheiben in einer Gruppe läßt sich

ίο leicht dadurch bestimmen, daß der Winkel von 180" durch die gewählte winkelmäßige Versetzung des Faserverlaufs in den einzelnen Scheiben dividiert wird, wobei lediglich darauf ai achten ist, daß der Quotient eine ganze Zahi ist

Aus der US-PS 34 43 300 sind Rollen aus einzelnen Scheiben bekannt, die aus einzelnen Fasern aufgebaut sind, deren Verlauf von Scheibe zu Scheibe winkelig versetzt ist Bei diesen Rollen handelt es sich jedoch nicht um Schwungräder, sondern um mehr oder weniger

elastische Rollen, die in landwirtschaftlichen Maschinen oder als Laufrollen verwendet werden sollen. Diese bekannten Rollen sind weder dazu geeignet noch bestimmt, als Schwungräder mit hoher Drehzahl zur Erzeugung einer großen Energiedichte betrieben zu werden.

Ein aus Metallscb?iben aufgebautes Schwungrad ist aus der US-PS 32 96 886 bekannt Dieses weist jedoch den Nachteil aller Schwungräder auf. die aus isotropem Material bestehen.

Ein Ausführungibeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

F i g. 1 drei axial auseinandergezogene Scheiben einer Gruppe des Rotationskörpers eines Schwungrades in

J¹· perspektivischer Darstellung. F i g. 2 einen aus Gruppen der in F i g. 1 dargestellten Art aufgebauten Rotationskörper eines Schwungrades

in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung, teilweise im

Schnitt, einer Gruppe von Scheiben, die jeweils aus mehreren Lagen parallel zueinander verlaufender Fasern bestehen,

F i g. 4 und 5 der F i g. 1 entsprechende Darstellungen mehrerer aus Scheiben aufgebauter Gruppen und

■'S F i g. 6 eine perspektivische Darstellung eines Schwungrades in auseinandergezogenem Zustand der zu den Gruppen zusammengefaßten Scheiben.

Die in F i g. 1 dargestellten Scheiben 210 bestehen aus anisotropen Fasern 212, die in den einzelnen Scheiben parallel zueinander verlaufen. Die längste Faser 212a einer jeden Scheibe 210 ist die Faser, die durch den Mittelpunkt der Scheibe verläuft. Die Faser 212a definiert eine Ebenenachse jeder Scheibe 210. Die restlichen Fasern 212 einer jeden Scheibe 210 sind

'5 Sehnen der Scheibe und haben daher eine mit ihrem Abstand von dem Mittelpunkt der Platte sich fortschreitend verringernde Länge. Die Scheiben 210 weisen im wesentlichen eine anisotrope Struktur auf, da die Scheibe in Längsrichtung der Fasern 212 die größten

μ Zugkräfte aufzunehmen vermag.

Ein Schwungrad wird durch Stapeln der Scheiben 210 gebildet, wobei deren Mittelpunkte auf der Z-Achse liegen. Die Scheiben 210 werden in der A"V-Ebene so gedreht, daß die Ebenenachse einer jeden Scheibe 210

⁶' um einen gleichen Winkel zu der Ebenenachse der folgenden Scheibe 210 versetzt ist. Die Fasern 212 einer jeden Scheibe bilden Winkel mit den Fasern 212 der angrenzenden Scheibe, die gleich der winkelmäßigen

Versetzung der entsprechenden Ebenenachsen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Richtungen der Fasern 212 in den einzelnen Scheiben 210 um 60° zueinander versetzt.

Ein Schwungrad wird aus mehreren Gruppen von Scheiben der in Fig. 1 dargestellten Art aufgebaut, wobei in jeder Gruppe auch mehr als drei Scheiben enthalten sein können. Ein Schwungrad könnte beispielsweise mit einer Versetzung von jeweils 60° zwischen den Platten 210 aus 10x3 oder 30 Schichten aufgebaut werden. Dieser im wesentlichen isotrope Charakter des sich aus diesem Aufbau ergebenden Schwungrads ist notwendig, um das zweiachsige Spannungsmuster aus radialen und tangentialen Zugspannungen aufnehmen zu können, das sich in einem is Schwungrad einstellt. Die Summierung der Spannungen, die sich an einem beliebigen Punkt des Schwungrads ergibt, wird im wesentlichen entlang der Achsen der Fasern an diesem Punkt durchgeführt, so daß die hohen in Längsrichtung vorhandenen Zugfestigkeiten des anisotropen Fasermaterials ausgenutzt werden. Üie Festigkeit der aus Scheiben aufgebauten Gruppe, die in F i g. 1 dargestellt ist, beträgt nur einen Bruoiiteil der gerichteten Zugfestigkeit sowohl der Fasern 212 als auch jeder der Scheiben 210. Diese begrenzte teilweise Ausnutzung der hohen gerichteten Zugfestigkeit liefert jedoch ein Schwungrad mit hoher Volumenausnutzung, das erheblich mehr Energie speichern kann als ein Schwungrad aus isotropem Stahl oder Aluminium.

Grundsätzlich kann jedes anisotrope Fasermaterial verwendet werden, jedoch ist der Zugfestigkeit/Dichte-Quotient zu beachten. Das Grundmaterial, das sowohl die Fasern in jeder Scheibe 210 hält als auch die Scheiben zusammenhält, muß eine große Festigkeit aufweisen und mit dem Fasermaterial kompatibel sein. Borfasern in einem Epoxi- oder Magnesiumgrundmaterial, Graphitfasern in Epoximaterial und Glasfasern in einem Epoxi- oder Polyestergrundmaterial sind Beispiele für Faser/Grundmaterial-Kombinationen, die zur Herstellung von Schwungrädern geeignet sind. Der Faserdurchmesser hängt von der Art des Materials ab, so daß es häufig erforderlich ist, eine gewisse Anzahl von Lagen von Fasern 212 zu verwenden, um eine Scheibe 210 aufzubauen, damit diese eine Stärke erhält. die eine praktische Herstellung des Schwungrads ermöglicht. Gewisse Fasern sind genügend stark, so daß eine einzige Lage aus Fasern ausreicht, um eine Scheibe 210 zu bilden. Fiberglas mit einem hohen Anteil an orientierten Glasfasern kann für den Aufbau der Scheiben verwendet werden.

E Glas oder S-Glas-Fasern in einem Epoxi- oder Polyestergrundmaterial sind geeignete und kostengünstige Materialien zur Herstellung von Schwungrädern. Diese Materialien können erst in dünne zylindrische Stangen geformt werden. Die Stangen oder Stränge werden dann zu Scheiben 210 zusammengesetzt. In einigen Fällen kann eine Vielzahl von Lagen aus diesen Strängen oder Stangen verwendet werden, um eine Scheibe 210 zu bilden. Zum Schutz der Glasfasern sowohl gegen physikalische als auch gegen Beschädigungen durch Wasser können diese mit einem Epoxi-Polysulfit-Überzug beim Ausziehen des Glasfadens versehen werden. Dadurch wird die ausnutzbare Zugfestigkeit des Materials vergrößert. Hochreiner Quarz, geschmolzenes Silicium, verschiedene organi- «5 sehe Fasern und eine Vielzahl von auf Whiskern basierenden Materialien sind andere anisotrope Fasermaterialien, aus denen die Scheiben hergestellt werden können.

Das in Fig.2 dargestellte Schwungrad besteht aus einer Vielzahl von Scheiben 222, die aus parallelen Fasersträngen 224 hergestellt sind. Zum Zwecke der Darstellung bestehen die Scheiben 222 nur aus einer Schicht von Fasern 224. Obwohl eine einzige Lage aus parallelen Fasern 224 bei Fasern mit großem Durchmes ser praktisch ist, wird jede Schicht 222 gewöhnlich durch mehrere Lagen aus parallelen Fasern hergestellt. Die Fasern 224 werden in jeder Schicht 222 durch ein geeignetes Klebe- oder Grundmaterial 226 zusammengehalten. Die Scheiben 222 haben eine senkrechte Mittellinie gemeinsam, die senkrecht zu den ebenen Flächen der Scheiben 222 verläuft und die auch die Drehachse des Schwungrades ist Unter der Annahme, daß diese Drehachse die Z-Achse eines dreidimensionalen Koordinatensystems ist, sind die Scheiben 222 winkelmäßig zueinander in der XY-Ebene versetzt. Die Ebenenachse jeder Scheibe wird um einen vorgegebenen Winkel gegenüber den Ebener... thsen eier angrenzenden Scheiben 222 gedreht Wenn dt von ausgegangen wird, daß die Ebenenachse der obersten Scheibe 222 in der 0°-Richtung in der ΧΎ-Ebene verläuft dann schließt die zweite Scheibe 222 mit ihrer Ebenenachse einen Vinkel von 30° zu der ersten ein. Die dritte Scheibe 222 ist dann um einen Winkel von 30° zu der zweiten Scheibe 222 angeordnet also mit einem Winkel von 60° zu der oberen Scheibe 222. Diese regelmäßige winkelmäßige Versetzung setzt sich bh> in die folgende Scheibe 222 fort die dann wie die oberste Scheibe 222 orientiert ist.

Für 30°-Versetzungen werden sechs Scheiben 222 benötigt, um eine Gruppe zu bilden. Bei einer Versetzung von 45° besteht eine Gruppe aus vier Scheiben. Ein beliebiges Vielfaches dieser Gruppen kann verwendet werden, um ein Schwi ngrad zu bilden.

Jede gleichmäßige winkelmäßige Versetzung von mindestens drei Scheiben führt zu einer Gruppe, die eine isotropenartige Wirkung aufweist Die Scheiben 222 werden durch das Grundmaterial 226 miteinander verounden, um eine einheitliche Struktur zu erhalten. Das Grundmaterial 226, das die oberste Scheibe 222 überdeckt, ist als durchsichtiges Material dargestellt, so daß die Orientierung der Fasern 224, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, ersichtlich ist.

Ein Klebemittel 228, das dasselbe Material wie das Grundmaterial 226 sein kann, wird verwendet, um die Nabenplatten 230 mit den gegenüberliegenden ebenen Endflächen des Schwungrades 220 zu verbinden. Wellen 232, die zweckmäßiperweise einstückig mit den Platten 230 sind, erstrecken sich von den Platten weg, wobei ihre geometrische Mittellinie mit der Drechachse des S-hv. grades 220 zusammenfällt Die Nabenplatten 230 weisen etwa ein Drittel des Durchmessers des Schwungrades 22t auf, damit genügend Oberfläche vorhanden ist um die Platten an dem Schwungrad zu befestigen bzw. nnt diesem zu verkleben.

F i g. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Schwungrades 220, bei dem jede der Scheiben 222 aus einer Vielzahl von Lagen 234 von Fasern 224 gebildet ist. Die Fasern 224 in jeder Lage 234 sind untereinander und auch zu den Fasern in den anderen Lagen 234 parallel, die eine spezielle Scheibe 222 bilden. In diesem Ausführungsbeispiel sind alle Fasern 224 in einer. Scheibe 222 parallel zueinander, liegen jedoch nicht in derselben Ebene.

Bei der Darstellung der F i g. 4 liegt jede Scheibe 236 in einem vorgegebenen Abstand über der Mittelebene

239 des Schwungrades und weist eine identische Scheibe 236 auf, die denselben Abstand zur Mittelebene aufweist. Die Scheiben 236a sind sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer Orientierung identisch. Statt aus einer einzigen Lage könnte die Scheibe 236 auch aus mehreren Lagen von Fasern 238 aufgebaut sein. Die Scheiben 236 sind in der Weise orientiert, daß sie relativ zueinander jeweils um einen Winkel von 60° versetzt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen drei Scheiben 236 über der Mittelebene 239 und drei Scheiben spiegelbildlich zu diesen darunter. Die Scheibenpaare 236a, 236b und 236c weisen jeweils Fasern mit derselben Orientierung auf.

In Fig. 5 ist schematisch ein weiterer Aufbau eines Schwungrades dargestellt, das aus einer ungeraden Zahl von Scheiben 237 besteht. Bei diesem Schwungrad wird die Mittclebene 239 durch die mittlere Scheibe 237c gebildet, wobei eine gleiche Anzahl von Scheiben 237 net sind. Je zwei Scheiben 237, beispielsweise das Scheibenpaar 237a, liegen unter einem vorgegebenen Abstand auf gegenüberliegenden Seiten der mittleren Scheibe 237c und weisen einen identischen Aufbau > sowie einen identischen Faserverlauf auf. Die symmetrische Anordnung der Scheiben zu einer Mittelebenc führt zu einem Ausgleich von Spannungen und vermindert daher ein Verziehen aus der Ebene heraus, so daß sich ein dynamisch stabilerer Aufbau erreichen

ίο läßt.

In F i g. 6 ist ein Schwungrad 240 dargestellt, bei dem sich die Durchmesser der Scheiben ausgehend von dessen mittlerem Bereich zu den mit den Wellen 254 verbundenen Nabenplatten 252 hin verringern. In den

i'i einzelnen Scheiben 242 weisen die Fasern 244 die beschriebenen Orientierungen auf. Zur Veranschaulichung sind in Fig. 6 die Scheiben der unteren Schwungradhälfte auseinandergezogen worden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schwungrad aus nichtmetallischen Fasern hoher Zugfestigkeit, die durch ein Matrixmaterial miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (220,240) aus Gruppen von mindestens drei flach aufeinanderliegender senkrecht zur Rotationsachse fZJ stehenden Scheiben (210, 222, 236, 237, 242) aufgebaut ist, die aus Schichten (234) der parallel zueinander verlaufenden Fasern (212, 224, 244) (Filamente) bestehen, daß die Fasern zweier aufeinanderfolgender Scheiben einer Gruppe unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen, der sich aus dem Quotienten !80°/Anzahl der Scheiben einer Gruppe ergibt, und daß die Fasern und Scheiben miteinander verklebt sind.