DE2441555C3 - Leichtes Steuerschwungrad - Google Patents
Leichtes SteuerschwungradInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein leichtes Steuerschwungrad
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches leichtes Steuerschwungrad ist insbesondere für
die Steuerung von Raumfahrtzeugen vorgesehen, wobei bestimmte Korrekturen mittels Reaktionen des Steuer-Schwungrads,
die durch Einwirkung auf dessen Umlaufgeschwindigkeit hervorgerufen werden, bewirkt werden.
Aus der DE-OS 21 19 015 ist bereits ein leichtes Steuerschwungrad bekannt, bei dem der Radkranz
mittels zahlreicher endloser elastischer Seilringe mit der Achse des Steuerschwungrads über eine oder mehrere
auf dieser Achse angeordneter Scheiben verbunden ist, an welchen Scheiben besondere Haken oder Aussparungen
vorgesehen sind, die der Seilbefestigung dienen.
Zum Spannen der Seilringe können die Scheiben gegeneinander verdreht und dann verriegelt werden.
Nachteilig bei diesem bekannten leichten Steuerschwungrad ist, daß diese Haken bzw. Aussparungen
Massenansammlungen bzw. Massenfehlstellen darstellen, die insbesondere bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten
des Steuerschwungrads zu ganz erheblichen Unwuchten und damit zu einem ungleichmäßigen Lauf
führen können, so daß sich ein Steuerschwungrad dieser Ausgestaltung nicht zur Steuerung von Luft- bzw.
Raumfahrzeugen eignet. Auch bringt dieses bekannte Steuerschwungrad wegen der Aufhängung des
Schwungrades an massiven Scheiben gewichtsmäßige Nachteile, so daß es sich nicht für eine Verwendung in
der Raumfahrttechnik eignet, bei der besonderes Augenmerk auf die Leichtbauweise gerichtet ist.
Aus der US-PS 34 33 435 ist zwar ebenfalls eine starre Fadenhüllstruktur zwischen zwei konzentrisch zueinander
angeordneten Elementen bekannt. Dieses Gebilde aus einem massiven Zylinderkörper und einem leichten
äußeren Ring sowie einer zwischen diesen Elementen verspannten Fadenhüllstruktur betriff; jedoch einen
Raumflugkörper bzw. ein Flugobjekt, bei dem die Masse im Bereich der Symmetrieachse, nämlich im eigentlichen
Flugkörper, konzentriert ist und der äußere Ring
r>n lediglich als flugstabilisierendes Leitwerk dient. Eine
Vorrichtung dieser Art ist als Steuerschwungrad undenkbar, weil hier nicht die Masse im Radkranz
sondern im eigentlichen Flugkörper konzentriert ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
'Λ möglichst leichtes Steuerschwungrad zu finden, das
trotz seines geringen Gewichts große Energien speichern und abgeben kann und zudem eine große
Eigensteifigkeit bzw. -Stabilität aufweist. Außerdem soll es für eine vorgegebene Masse einen möglichst großen
6(1 Radius aufweisen, wobei die besonderen Eigenschaften
der axialen Aufhängung beibehalten weiden sollen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten
Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
'" der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten wesentlichen Merkmal der Erfindung wird ganz auf eine Nabe im Zentrum des
Steuerschwungrads verzichtet, so daß das Steuer-
schwungrad nur aus einem Radkranz und einer eigensteifen FadenhüHstruktur besteht, die vorzugsweise
aus einem einzigen Faden gewickelt worden ist und deren Eigensteifigkeit durch Tränken mit einem Harz
und anschließendes Aushärten des Harzes erhalten worden ist.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist im Zentrum des Steuerschwungrades eine Leichtbaunabe
vorgesehen wobei der Faden zwischen dieser Nabe und dem Radkranz gespannt ist und der größte Teil der
Fadensegmente zwischen der Nabe und dem Radkranz im Bereich der Nabe tangential und über den größeren
Bereich der Fadenlänge nahezu radial verläuft Auch hier wird die Eigensteifigkeit der FadenhüHstruktur
durch Tränken mit einem Harz erzeugt
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist db FadenhüHstruktur beiderseits der Nabe, im Normalschnitt
gesehen, zwei Hüllstrukturbereichc auf, die im Bereich der Nabe jeweils einen größeren Abstand
voneinander aufweisen, der in Richtung auf den Radkranz abnimmt, so daß die Fadensegmente auf den
Radkranz zu geneigt sind. Dadurch können die Spannungen in der Nähe der Nabe besser aufgefangen
und mithilfe des Abstands der Hüllstrukturbereiche variable mechanische Eigenschaften eingestellt werden.
Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäß aufgebauten Fadenhüllstruktur besteht darin, daß durch
die tangentiale und nahezu radiale Ausrichtung der Fadensegmente zwischen der Nabe und dem Radkranz
variable mechanische Eigenschaften als Funktion des Radius des Steuerschwungrads eingestellt werden
können und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Kreuzungswinkel der Fadensegmente nicht überall
gleich ist.
Außerdem kann die axiale Starrheit der Fadenhüllstruktur dadurch verbessert werden, daß der Abstand
der Kegelspitzen der beiden Hüllstrukturflächen entsprechend der zur Verfügung stehenden Höhe der Nabe
gewählt wird.
Zum Auffangen besonders hoher Trägheitskräfte und Spannungen sind auch mehrere Fadenhüllstrukturflächen
denkbar.
Da beim erfindungsgemäßen Steuerschwungrad die Fadenhüllstruktur aus wenigstens einem einzigen
endlosen Faden gewickelt ist, sind besondere Befestigungselemente für den Faden, wie z. B. Haken oder
Aussparungen, die bei bekannten Schwungradspeichern für die Aufhängung des Radkranzes mittels Seilringen
verwendet werden, nicht nötig, so daß bei der Rotation des Steuerschwungrades keinerlei durch solche Elemente
verursachte unerwünschte Massenverschiebungen auftreten.
Infolge des geringen Gewichts des Fadens, der aus einem zusammengesetzten Material hoher Festigkeit,
wie z. B. Kohlenstoff oder Bor, besteht, ist nahezu die gesamte Masse des Steuerschwungrads im Radkranz
konzentriert. Auf diese Weise wird die größtmögliche Trägheit für eine vorgegebene Masse erreicht.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mn den Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht von der einen Hälfte des Steuerschwungrades;
F i g. 2 einen Grundriß des Steuerschwungrades; und
Fig.3 eine perspektivische Ansicht des Steuerschwungrades.
Das in F i g. 1 bis 3 dargestellte Steuerschwungrad umfaßt einen Radkranz 1, in dem der größere Teil der
Trägheitsmasse konzentriert ist, und eine Nabe 2, die koaxial zu der theoretischen Achse des Radkranzes
angeordnet ist und auf der die Aufhängungsmittel befestigt werden können, die von mechanischen
Flüssigkeitslagern, elektromagnetischen Lagern usw. gebildet werden können. Zwischen der Nabe 2 und dem
Radkranz 1 und beiderseits des Radkranzes 1 (F i g. 1) ist eine Fläche oder FadenhüHstruktur angeordnet die aus
einer oder mehreren Fadenschichten 3 zusammengesetzt ist Diese Fadenhüllstruktur bildet zwei Fadenhüllstrukturbereiche
4 und 5, deren Abstand nach der erforderlichen Starrheit und Stabilität des Steuerschwungrades
gewählt werden kann. Jeder Fadenhüllstrukturbereich 4 oder 5 weist in der Nähe der Nabe 2
eine größere Dicke als an dem Radkranz 1 auf, um in einem gleichen Sektor eine bestimmte Anzahl Fäden
unterzubringen, wobei auf diese Weise die Spannungen in der Nähe der Nabe 2 ausgehalten werden.
Um eine solche Fläche oder Fadenhüllstruktur zu realisieren, teilt man eine geeignete Länge von einem
einzigen Faden 6 ab, der beispielsweise aus einer zusammengesetzten Fasermasse hoher Festigkeit wie
Kohlenstoff, Bor usw., gebildet ist. Eine Masse 7 zur
provisorischen Verbindung bildet das Verbindungsorgan zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 während
der Bewicklung. Es sei bemerkt, daß diese Masse 7 zur provisorischen Verbindung aus einem Material besteht,
daß durch jedes geeignete Mittel nach Beendigung der Bewicklung entfernt werden kann. Diese Masse kann
aus Gips oder einem löslichen Material bestehen. Der einzige Faden 6 umgibt teilweise die Nabe und wird
dann so geführt, daß er die Nabe tangential verläßt und in nahezu radialer Richtung auf den Radkranz 1 gelangt.
Dann umhüllt er den Radkranz teilweise und wird in nahezu radialer Richtung gegen die Nabe 2 auf einen
dem vorhergehenden Berührungspunkt diametral entgegengesetzten Punkt hin zurückgeführt, so daß er die
Nabe 2 tangential berührt, bevor er erneut gegen den Radkranz 1 geführt wird. Die Wicklung wird fortgesetzt
to bis die gewünschte FadenhüHstruktur erhalten wird, die dann den Radkranz 1 umhüllt. Dies ermöglicht die
Umfangsspannungen, die in den Fäden in der Nähe des Radkranzes entstehen, nahezu vollständig zu eliminieren
und in radiale oder nahezu radiale Richtungen zurückzuführen. Selbstverständlich kann die so durchgeführte
Bewicklung verschiedene Formen annehmen, auch mit zweckmäßig gewickelten Gewebebändern. Die
zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 befindlichen Fadensegmente können parallel sein, wobei die
5» Kreuzung in Höhe der Nabe 2 erfolgt, oder zwischen
der Nabe 2 und dem Radkranz 1 gekreuzt werden. Man kann auch einen Teil des Fadens um einen Teil des
Radkranzes wickeln, ohne daß dieser Fadenteil an der Nabe aufgehängt oder festgelegt wird, wenn man einen
Teil des Steuerrades verstärken will, beispielsweise durch Vergrößerung oder Verteilung der Trägheitsmasse
auf einem Teil des Radkranzes.
In derselben Weise kann ein Teil oder die Gesamtheit
der Fadensegmente geneigt verlaufen, anstatt nahezu
W) radial gemäß der erstrebten Wirkung zu verlaufen. In
allen Fällen werden die Fadenschichten durch ein Bindemittel, wie ein Harz, versteift.
Schließlich kann man einen Radkranz mit einem Spalt 8 versehen, um sich an die Verlängerungen der
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gewickelten Fläche oder Fadenhüllstruktur anzupassen, die dann allein die Spannungen aushält. Selbstverständlich
kann der Radkranz mitbeansprucht werden, indem ein geeignetes Material gewählt wird. Es können aber
auch die Kräfte in den Radkranz vermindert werden, indem durch die Bewicklung eine Vorspannung in dem
Radkranz hergestellt wird. Diese Vorspannung wird durch die Spannung der Fäden realisiert, die offensichtlich
als Funktion der erstrebten Wirkung variabel ist.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf ein Steuerschwungrad, das eine Nabe und einen Radkranz
aufweist. Man kann aber auch leicht einen anderen Steuerschwungradtyp realisieren, der keine Nabe
besitzt. Für diesen Zweck genügt es, die Bewicklung wie vorher durchzuführen, jedoch mit Hilfe einer aus Gips
oder einem löslichen Material bestehenden Nabe, die entfernt wird, wenn die Fläche oder Hüllstruktur
gebildet und beispielsweise mit einem Harz versteift ist.
Der die theoretische Achse des Radkranzes umgebende Raum, der durch die Wegnahme der Nabe frei bleibt
wird ausgenutzt, um die magnetischen Lager oder eir ganz anderes Aufhängungsorgan anzuordnen. Mar
kann auch die Lager in der Masse der Fadenhüllstruktui während der Bewicklung versenken. Gemäß diesel
Ausführungsvariante können die Fadensegmente zwi sehen der theoretischen Achse des Radkranzes und den
äußeren Kranz des Radkranzes entweder parallel sein wobei sie sich nur in Höhe der theoretischen Achsf
kreuzen, oder in der gleichen Weise wie in dem Fall de; Steuerschwungrades mit einer Nabe und einen
Radkranz gekreuzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Leichtes Steuerschwungrad, bestehend aus einem Radkranz, in welchem die Masse des
Steuerschwungrads konzentriert ist, und aus einer aus fadenförmigen Elementen gebildeten Hüllstruktur,
die die äußere Oberfläche des Radkranzes mindestens teilweise in direktem Kontakt umgibt
und die sich von dieser äußeren Oberfläche des Radkranzes aus bis in die Nähe der Symmetriachse
des Radkranzes erstreckt, insbesondere tür Raumfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß
die FadenhüHstruktur (4, 5) aus wenigstens einem Fader. (6) gewickelt ist, wobei die Fadensegmente
jeweils ein Teilstück der sich von der äußeren Oberfläche des Radkranzes (I) bis nahe an die
Symmetrieachse erstreckenden Fadenhüllstruktur bilden und jedes der Fadensegmente von einem
Punkt nahe der Symmetrieachse nahezu strahlenförmig zum Radkranz (1) hingeführt ist und die
einzelnen Fadensegmente sich nahe der Symmetrieachse im Bereich zwischen dieser Achse und dem
Radkranz (1) kreuzen.
2. Leichtes Steuerschwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich um die
Symmetrieachse eine Nabe (2) angeordnet ist, wobei der Faden (6) zwischen dieser Nabe (2) und dem
Radkranz (1) gespannt ist und der größte Teil der Fadensegmente zwischen der Nabe (2) und dem
Radkranz (1) im Bereich der Nabe (2) tangential und über den größeren Bereich der Fadenlänge nahezu
radial verläuft.
3. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fadenhüllstruktur (4, 5) mehrere Schichten aufweist, die durch mehrfache Wicklung
des Fadens (6) um den Radkranz (1) herum hergestellt und durch ein Bindemittel versteift sind.
4. Leichtes Steuerschwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (6) bei der
Herstellung der Fadenhüllstruktur so geführt ist, daß er einesteils die Nabe (2) teilweise umgibt, bevor er
tangential die Nabe (2) verläßt, und dann nahezu radial in Richtung auf den Radkranz (1) geführt ist,
und daß er andernteils um die radial außen liegende Querschnittshälfte des Radkranzes (1) herumläuft,
von wo aus er nahezu radial zu der Nabe (2) zurückgeführt und tangential an dieser festgelegt ist.
5. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fadenhüllstruktur (4, 5) beiderseits der Nabe (2), im Normalschnitt gesehen, zwei Hüllstrukturbereiche
(4 bzw. 5) bildet, die jeweils eine größere Dicke nahe der Nabe (2) und eine abnehmende
Dicke in Richtung des Radkranzes (1) aufweisen, so daß die Fadensegmente auf den Radkranz (1) zu
geneigt sind.
6. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fäden (6) der Fadenhüllstruktur (4, 5) von einer zusammengesetzten Fasermasse hoher
Festigkeit, wie Kohlenstoff oder Bor, gebildet sind.
7. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Radkranz (1) mit einem Spalt (8) versehen ist, der in Umfangsrichtung von innen nach außen verläuft.
8. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Radkranz (1) im Ruhestand einer Vorspannung unterworfen ist, die durch die Fäden
(6) hergestellt ist und die bei einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit des Steuerschwungrades aufgehoben
ist.
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