DE2511855A1

DE2511855A1 - Schwungrad mit mehreren felgenringen aus strangmaterial

Info

Publication number: DE2511855A1
Application number: DE19752511855
Authority: DE
Inventors: David Warren Rabenhorst
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1975-10-02
Also published as: GB1466647A; NL165262C; FR2265004A1; IT1051351B; NL165262B; SE402625B; JPS5741620B2; DE2511855C3; FR2265004B1; JPS50142971A; NL7503156A; DE2511855B2; SE7502897L; CA1014373A

Description

THE JOHNS HOPKINS UNIVERSITY Baltimore, Maryland (V. St« A«)

Schwungrad mit mehreren Felgenringen aus Strangmaterial

Seit einigen Jahren sind neuartige Schwungräder bekannt, in denen eine Energiedichte erzielt werden kann, die um ein Mehrfaches gx-ößer ist als in den bekannten Schwungrädern. Die neuartigen Schwungräder sind den bekannten ferner hinsichtlich der Betriebssicherheit und der Wirtschaf ti ichlceit beträchtlich überlegene Diese Vorteile werden vor allem durch die Verwendung von anisotropem Strangmaterial erzielt, beispielsweise Kohlenstoff oder Glas oder einem neuartigen Fasermaterial, das von Dupont unter der Bezeichnung Kelvar erzeugt wird» Bei allen diesen Materialien ist das Verhältnis der Festigkeit zur Dichte beträchtlich größer als bei dem besten praktisch verwendbaren Stahl« Bei der Verwendung dieser Matez'ialien in Schwungrädern ist es ferner von entscheidender Bedeutung, daß das Material in Strangform vorliegt, weil es in diesem Fall leichter ist als bei den vorher vorgeschlagenen, massiven Schwungrädern, das Schwungrad so auszubilden, daß sich Fehler nicht fortpflanzen.

Insbesondere ist schon ein verbessertes Schwungrad vorgeschlagen worden, das eine gewickelte Scheibe besitzt, deren lastaufnehmende Komponente vorwiegend aus Faserglas

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oder Stahlfolie besteht ο Derartige Schwungräder sind von N« V. Gulia in einem bei der Univei-sitätsdruckerei Woronesh in Woronesh 1973 verlegten russischen Buch unter dam Titel "Trägheits-Energiespeicher" ausführlick beschrieben« Sie hatten jedoch nur einen begrenzten Erfolg, weil es schwierig ist, die Nabe einwandfrei anzubringen. Der Erfinder hat schon versucht, das bei eine geprickelte Scheibe besitzenden Schwungrädern auftretende Problem der Nabenbefestigung dadurch zu lösen, daß er ein Schvniugrad in Form einer Kreisbürste mit radial orianxierian Borsten ο dar Stäben vorschlug, vrie es in den USA-Patents ehr if tea 3 698 2 62 und 3 737 694 angegeben ist. In manchen Fallen, wäre jedoch ein Schwungrad vorteilhaft, in dem bei einer gegebenen Drehzahl mindestens theoretisch mehr Energie pro Voltuneneinheit gespeichert werden kann als in der Kreisbürste₀

Der Hauptgrund für den nur begrenzten Erfolg der bisherigen mit gewickeltem Strangmaterial versehenen Schwungräder ist die Tatsache, daß die Spannung in dem gewickelten Strangmaterial mit dem Quadrat der Entfernung des betrachteten Materials von der Drehachse sunimmt. Da die elastische Dehnung des Strangmaterials der Spannung proportional ist, dehnt sich das Strangmaterial ebenfalls um einen Betrag, der dem Quadrat seines Drehradius proportional ist. In einer gewickelten Schwungradfelge, deren Innenradius ein Drittel ihres Außenradius beträgt, dehnt sich daher das Strangmaterial am Außenumfang um das Neunfache der Dehnung des Strangmaterials am Innenumfange Es wurde in zahlreichen Versuchen gezeigt, daß unter diesen Bedingungen das Schwungrad unter Bildung von zahlreichen konzentrischen Ringen zerreißt, lange bevor das Strangmaterial über seine Bruchfestigkeit hinaus beansprucht worden ist» Diese Erscheinung tritt natürlich nicht auf_s wenn das

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Schwungrad zusätzliche radiale Elemente zur Aufnahme der radialen Belastungen aufweist« Derartige zusätzliche Elemente erhöhen aber das Gewicht, das bei der Bestimmung der Energiedichte des Schwungrades zugrundegelegt werden muß» Dieses einfache Paradox erklärt den mangelnden Erfolg der bisher vorgeschlagenen Schwungräder mit gewickeltem Strangmaterial und mehrteiligen Felgen; die Energiespeicherkapazität dieser Schwungräder betrug meistens nur etwa 20 - JO % des theoretischen Werts.

Es ist schon vorgeschlagen worden, die unterschiedliche elastische Dehnung des Strangmaterials durch eine elastomere Einbettungsmasse aufzunehmen, die in einer mehrere Ringe aufweisenden Schwungradfelge als Abstandhalter zwischen den Ringen aus Strangmaterial angeordnet ist. Es ist jedoch nicht nachweisbar, daß das Elastomer einerseits den hohen Beschletmigungskräften gewachsen ist, die im Betrieb des Schwungrades auftreten, und andererseits in einer Richtung die erforderliche elastische Dehnbarkeit und in anderen Richtungen die erforderliche Steifheit hat. Ferner beträgt das von der elastomeren Einbettungsmasse eingenommene Volumen 30 % des Vol\imens des Strangmaterials, so daß das Volumen und Gewicht und die Kosten eines derartigen Schwungrades gegenüber dem theoretisch optimalen Schwungrad mit mehreren Felgenringen um ein Drittel größer sind als bei dem optimalen Schwungrad mit mehreren Felgenringen.

Zur Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik und zur besseren Ausnutzung der Vorteile des Schwungrades mit mehreren Felgenringen wird erfindungsgei.iäL· vorgeschlagen, die die Felge des Schwungrades bildenden Ringe bzw. Wicklungen aus Faden-, Band-, Stab- oder

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sonstigem Strangniaterial an einer minimalen Anzahl von örtlich begrenzten Stellen miteinander zu verbinden oder auf andere Weise zusammenzuhalten, beispielsweise an den Enden von einer oder melirei-en radialen Speichen_β Erfindungsgemäß ist zwischen uliverbundenen Teilen der Ringe oder Wicklungen keine Einbettungsmasse vorhanden, so daß die einzelnen Hinge oder Wicklungen sich freier ausdehnen könnenο Infolge dieser Ausbildung werden das Volumen und das Gewicht der Ringe und der Ringaufwand besser ausgenutzt· Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, schafft die Erfindung auch eine neuartige Anordnung zum Verbinden einer derart ausgebildeten Felge mit dem die Nabe und die Speiche oder Speichen umfassenden Teil des Schwungrades derart, daß der Ring nur· minimalen unerwünschten Unwuchtkräften ausgesetzt ist«

Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Schwungrades mit mehreren Felgenringen ermöglicht eine optimale Verwendung von bestimmten nackten Strangmaterialien^ beispielsweise Draht, Nylon oder Kevlar. Dies ist besonders bei relativ kleinen Schwungrädern wichtig, bei denen die aus gewickeltem Strangmaterial bestehende Felge bei stillstehendem Schwungrad unter Schwerkraftwirkung formhaltig ist. In Schwungrädern mit mehreren Felgenringen, die von nacktem Strangmaterial gebildet werden, kann man die Größe und die Kosten der Gesamtanordnung herabsetzen, wenn man insbesondere an den inneren Ringen der Felge ein billiges Ballastmaterial verwendet, weil die in jedem Ring auftretende Spannung eine Funktion des Quadrats seines Radius ist, so daß alle Ringe, mit Ausnahme des am weitesten auswärts gelegenen, nicht bis zu ihrer Iiöchstspannung und damit auch nicht bis zu ihrer vollen Energiespeicherkapazität ausgenutzt werden.

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Daher hat die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Schwungrad zu schaffen, dessen Felge aus mehreren Ringen oder mehreren Strangmaterialwicklungen besteht, die nur an einer minimalen Anzahl von Stellen miteinander verbunden oder auf andere Weise zusammengehalten sind,,

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schwungrades, dessen Felge aus mehreren Hingen oder Wicklungen besteht, zwischen denen keine Einbettungsmasse vorgesehen ist«

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer rotierenden Energiespeicher- oder Schwungradanordnung, in der anisotropes Strangmaterial verwendet wird und die pro Volumen- und Gewichtseinheit eine höhere Energiespeicherkapazität hat als die bekannten Schwungrädern

Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Verbinden der Felge mit dem aus der Nabe und der Speiche oder den Speichen des Schwungrades bestehenden Teil desselben zu schaffen, so daß die Felge eine gewisse Bewegungsfreiheit hat, wenn sie vom Stillstand auf eine hohe Drehzahl beschleunigt wird.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer rotierenden Energiespeicher- oder Schwungradanordnung, die sich durch eine höhere Energiespeicherkapazität pro Volumen- und Gewichtseinheit, niedrigere Koston und höhere Betriebssicherheit auszeichnet_β

Die rotierende Energiespeicher- oder Schwungradanordnung gemäß der Erfindung besitzt eine Felge, die von mehreren Ringen oder Wicklungen aus einem Strangmaterial

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von hoher Zugfestigkeit gebildet wird« Die iiinge oder Wicklungen sind an einer vorherbestimmten Anzahl von örtlich begrenzten Stellen miteinander verbunden, beispielsweise an den entgegengesetzten Enden von einer oder mehreren radialen Speichen, so daß bei rotierendem Schvmngrad der größte Teil jedes Hinges oder jeder Wicklung sich unter minimaler Behinderung ausdehnen l:aim_a

¥ei-tere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung tuid den beigefügten Zeichnungen hervor. In diesen erläutern

Fig» 1 a und 1 b schematisch die Grundgedanken der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten schematisclien Darstellung in übertriebener Form einen einzelnen Felgenring des erfindungsgemäßen Schwungrades in seinem Ausgangs- oder Ruhezustand und in seinem rotierenden, elastisch gedehnten Zustand. Anhand dieser Darstellung wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schwungrades beschrieben.

Fig« 3 zeigt in Ansicht eine Ausfuhrungsform, in der eine mehrteilige Felge durch eine Speiche mit einer i/el-Ie verbunden ist„

Figo 4 erläutert schematisch ein Uickelverfahren für die Herstellung bestimmter Ausführungsbeispiele der Erfindung 0

5 zeigt in einer Dratifsieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem uniaxial orientierten, gewickelten Verbundmaterial, das in dem Schwungrad eine diametrale Speiche bildet, welche die Elemente

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der Felge an einander* diametral entgegengesetzten Stellen zusammenhalt und sie mit der Nabe oder der Welle des Schwungrades verbindet.

Figo 6 zeigt in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten, die Ausführungsform gemäß Figo 5% ■

Fig. 7 zeigt in einer weiteren Aus führung s form ein nehrore Felgenringe besitzendes Schwungrad, das dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten ähnelt, in dem jedoch der Bereich, in dem die Speiche mit der Felge verbunden ist, vor dom Anbringen der Speiche mit uniaxial orientiertem Verbundmaterial umhüllt worden ist»

Fig. 8 zeigt in einer Seitenansicht, teilweise (geschnitten, die Ausführungsform gemäß Fig. 7»

Fig« 9 iⁿ einer Draufsicht eine weitere Möglichkeit der Verbindung zwischen der Speiche und der Felge,

Fig« 10 in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten, die Aus fühmmgs form gemäß Fig. 9 und

Fig. 11 eine weitere Möglichkeit einer Verbindung zwischen der Welle und der aus mehreren Ringen bestehenden Felge dos erf indungrigemäß en Schwungrades mit Hilfe eines einzigen biegsamen, ringförmigen Bandes.

Fig. 12 zeigt in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten, die Ausführungsform gemäß Fig. 11.

Fig. 13 zeigt eine gegenüber den Figuren 11 tmd nu:;c,!ac!orte Ausf ührungsf orm, in der anstelle des einzigen ring!örMigoii Bandes gemäß den Figuren 11 und 12 zwei

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einander diametral entgegengesetzte biegsame ringförmige Bänder, die zwischen der Welle und der Felge des Schwungrades angeordnet sindo

Pigt lA zeigt in einer Seitenansicht, teilweise geschnitten, die Ausführungsform gemäß Figo 13·

Fig. 15 zeigt in einer Draufsicht eine andere Ausführungsform der Erfindungo In dieser Ausfuhrungsform wird die aus mehreren Ringen bestehende Felge von übereinanderliegenden ringförmigen Scheiben gebildet, von denen jede aus mehreren Ringen oder ringförmigen Wicklungen aus Strangmaterial besteht, wobei die einander benachbarten Felgenscheiben durch Speichenlamellen voneinander getrennt sind.

Fig« 16 zeigt in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die Ausführungsform gemäß Fig. 15»

Figo 17 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Speichen,

Fig. l8 zeigt schematisch eine Möglichkeit der Befestigung einer das Schwungrad durchsetzenden Welle an einer Speiche des Schwungrades.

Fig. 19 zeigt eine andere Möglichkeit der Befestigung einer das Schwungrad durchsetzenden Welle an einer Speiche, die von biaxial orientiertem Stranginaterial gebildet wirdo

Fig. 20 a und 20 b erläutern scheniatisch das Wickeln einer Felge.

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Fig« 21 zeigt in einer Dravifsieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der das Schwungrad Ballast enthält und seine Außenumfangsflache eine vorteilhafte Ausbildung hat«

Figo 22 erläutert schematise!! die Herstellung des in Fig. 21 gezeigten Schwungrades.

Fig. 23 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwungrades mit nur einer Speiche₀

Figo 24 zeigt ebenfalls schomatisch ein erfindungsgemäßes Schwungrad mit nur einer Speiche«

Das erfindungsgeinäße Schwungrad besitzt eine aus mehreren Ringen oder ringförmigen Wicklungen aus Strangmaterial von hoher Zugfestigkeit bestehende Felge₀ Das Verhältnis der Festigkeit dieses Strangmaterials zu seiner Dichte ist un ein Melirfaches größer als bei dem besten Stahl, der bisher für Schwungräder vorgeschlagen worden ist. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann man die Hinge oder Wicklungen der Felge des erfindungsgemäßen Schwungrades auch atis dem von DuPont unter der Bezeichnung Devlar vertriebenen Strangmaterial herstellen, das in Form eines uniaxial orientierten Verbund-Strangmaterials eine Zugfe-

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stigkeit von I76 kg/mm und das eine Dichte von 1,4 g/cnr hat. Bei dem nackten Strangmaterial wurden Zugfestigkeiten

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von mehr als 352 kg/mm gemessene Dieses Fasermaterial wird in den meisten derzeit in den Vereinigten Staaten hergestellten Flugzeugen in den verschiedenartigsten Bestandteilen als tx^agendes Material verwendet. Es ist in hohem Maße frei von

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den bei Faserglas gewöhnlich auftretenden Problemen der statischen Ermüdung₀ Oft wird es bis zii einem hohen Prozentsatz seiner Zugfestigkeit beansprucht₀ Das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte und der Elastizitätsmodul sind bei diesem Material beträchtlich hoher als bei Glas.

Gemäß den Figuren 1 a und 1 b der Zeichnvingen besitzt das erfindungsgemäße Schwungrad eine Felge 10, welche die nachstehend angegebenen, allgemeinen Bedingtingen erfüllte Bestimmte Ausführungsbeispiele dieser Grundgedanken sind nachstehend erläutert. Gemäß Figo 1 a besteht die Felge 10 aus Wicklungen 12 aus Stranguaterial» Dieses Strangmaterial kann als nacktes Stran^material auf eine Welle oder einen Dorn aufgewickelt sein» Die gewickelte Felge kann dann auf verschiedenartige Weise an einer »/eile befestigt werden. Das die Wicklungen bildende Stranjs.:aterial kann auch zu bandförmigen Lagen gewickelt sein oder Verbunds täbe bilden. Wichtig ist es, daß die Wicklungen 12 in dei Felge 10 durch Haltemittel, beispielsweise Beinder Ik₁ festgelegt sein müssen. Diese radial angeordneten Bänder Ik umgeben die Felge 10 an örtlich begrenzten Stellen und halten die von ihnen umgebenen Teile dex" Wicklungen 12 an mindestens ein era Radius, an dem ein Band Ik vorgesehen ist, fest zusammen. In der Praxis sind zwei Bänder Ik an einem Durchmesser des Schwungrades angeordnet, welche die Wicklungen 12 an beiden Enden dieses Durchmessers zusammenhalten_a Man kann aber auch mehr als zwei Bänder verwenden, beispielsweise gemäß Fig. 1 a vier von ihnen«, Ferner werden in den Figuren 1 a und 1 b nicht gezeigte, aber nachstehend beschriebene Ilittel verwendet, welche die von den Bändern Ik zusammengehaltenen Teile der Felge 10 in Bezug auf die Drehachse des Schwungrades festlegen. Die Bänder Ik können aus Strangmaterial bestehen, das tun die Felge 10 herumgewickelt ist,

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und können in Kombination mit einer Einbettungsinasse verwendet werden, die iin fließfähigen Zustand nur zwischen die unter den Bändern lA befindlichen Teile der Fol;;e 10 eingebracht worden ist. Man kann eine ReIatd-A'ljev,-egung der Wicklungen 12 längs eines oder mehrerer Durchmesser eines Schwungrades auch dadurch verhindern, daß man anr>teile der Bänder tk eine Einbettiuys- oder Vergußmasse verwendet.

Man kann die in Fig ο 1 a und 1 b gezeigte Felge 10 auf eine Welle aufschieben, deren Außendurchinesser im wesentlichen ebensogroß ist wie der Innendurchmesser der Felge 10. In diesem Fall berühren die Wicklungen 12 die Welle selbst und ist die Felge 10 an ihren mit den Bändern lk oder auf andere Weise zusammengehaltenen Stellen auf der Welle festgelegte Dagegen icömien sich die nicht festgelegton Teile der Felge relativ zueinander und zu einer Welle oder Nabe frei atisdehnen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Man kann die Felge 10 auf einer Welle mit verschiedenartigen Naben montieren, wenn der Außendurchmesser der Welle kleiner ist als dei- Innendurchmesser der Felge 10, Für das Funktioiisprinzip macht es keinen Unterschied, ob die Felge 10 an der Welle anliegt oder nicht.

Jetzt sei kurz die in Fig. 1 b gezeigte Anordnung beschrieben, die dex- in Fig. 1 a gezeigten vollkommen analog ist. Dabei besteht jedoch die Felge 10 aus diskreten Hingen aus einem anisotropen Strangiiaterialo Die radiale Breite der iiiixge l6 niniiiit mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Schwungrades zu. In den beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 1 a iind Figo 1 b ist die Felge 10 durch an oder in ihr vorgesehene,

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sich quer über die Ringe erstreckende oder sie umgebende Mittel so zusammengehalten, daß an den Stel3.en A lind B eine unterschiedliche radiale elastische Dehnung der Felge verhindert wird« Dagegen ist die Felge 10 im größten Teil ihrer Ausdehnung nicht durch die Bänder 14 oder andere Mittel festgelegt, sondern radial elastisch dehnbare In diesen nicht festgelegten Teilen der Felge 10 braucht diese daher nicht durch eine Einbettungsmasse zusammengehalten zu werden» Insbesondere sei darauf hingewiesen, daß in diesen Schwungrädern Leine Ringe oder Wicklungen mit verschiedenen Dichten oder Moduln erforderlich sind, sondern alle Wicklungen 12 oder alle diskreten Ringe 16 einer Felge 10 aus ein und demselben Material hergestellt werden können.

In Figo 2 sind die grundlegenden Kriterien für die elastische Dehnung der Felge in vereinfachter Form geometrisch dargestellte Man erkennt, daß es bei einer Drehung der Felge 10 erwünscht ist, daß deren elastische Dehnung in einer Richtung erfolgt, die normal ist zu einem Durchmesser, an dem die Felge beispielsweise mit den Bändern Ik in Fig. 1 a und 1 b zusammengehalten ist. In diesem Fall ist die von der Felge auf diesen Durchmesser ausgeübte Belastung gleich Null und ist auch die an den Enden dieses Durchmessers auf die Felge 10 ausgeübte, zusätzliche Biegespannung gleich Null» Daher erstreckt sich eine Speiche oder ein anderes Verbindungsglied zwischen der Felge 10 und einer Welle zweckmäßig längs eines derartigen Durchmessers ο In der Praxis nimmt die Felge 10 bei einer Drehung um die Drehachse C beispielsweise die in Fig. 2 für die elastisch gedehnte Felge 10 dargestellte Form an. Für die Zwecke der Analyse wird angenommen, daß die Felge 10 dünn und unbegrenzt

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biegsam ist, weil die Tangentialbelastung per Definition an allen Umfangsstellen gleich ist und die Radialbelastung der Felge 10 ebenfalls an allen Unifangsstellen gleich ist. Daher muß die elastisch gedehnte Felge einem Kreisbogen mit einen anderen Radius angenähert sein» Dabei wird angenommen, daß der elastisch gedehnte Dogen denselben Radius hat wie der ungedehnte Bogen, sein Mittelpunkt aber in einem Abstand H von dein ursprünglichen Mittelpunkt C der Felge entfernt isto Es kann jetzt geometrisch auf einfache Weise gezeigt werden, daß eine Gerade, die den neuen Mittelpunkt A mit dem Schnittpunkt 0 zwischen dem Durchmesser und der Felge verbindet, mit dem Durchmesser einen Winkel (-^) einschließt, der annähernd gleich dein größten Winkel (Θ) ist, den eine elastisch gedehnte Felge mit einem Durchmesser einschließt, an dem sie festgelegt ist. In der Praxis wird dieser Winkel proportional der elastischen Dehnung der Speiche verkleinerte In Figo 2 ist die Linie OT parallel zu der ursprünglichen Tangente an die Felge} OF ist die Tangente an die elastisch gedehnte Felge; und OF stellt die relative Belastung einer Speiche dar, die sich längs des Durchmessers erstreckt, an dem der elastisch gedehnte Ring zusammengehalten ist (Figo 4)« Unter Zugrundelegung der vorstehend angegebenen Annahmen entspricht der absolute Wert dieser Belastung der Gleichung

F m F sin θ
s r

Dabei ist

F die von der elastisch gedehnten Felge in der diametralen

Speiche hervorgerufene Spannung,

F die in der elastisch gedehnten Felge vorhandene Spannung, r

θ die annähernde Größe des Winkels zwischen der elastisch gedehnten Felge und der Normalen auf die diametrale Speiche *

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Bei einer gegebenen Spannung wird die Felge natürlich jene elastische Deliming erfahren, die bei dem verwendeten Material der gegebenen Spannung smgeordnet isto Da diese elastische Dehnung gewöhnlich in Prοsent einer gegebenen Länge definiert ist, entspricht der Abstand II demselben Prozentsatz des ursprünglichen Radius der Felge (CO β R). Durch einfache trigonometrische Uethoden kann man zeigen, daß der Winkel Q gleich aresin H/R ist.

In der in Figo 3 gezeigten Ausführungsforin der Erfindung ist die im wesentlichen gemäß Figo 1 a und i b ausgebildete Felge 20 durch eine Speiche Iu r.iit einer !/eile verbunden· Die Felge 20 wird von zwei Pelgenhälfton 22 a und 22 b gebildet, die entweder wie die Windungen 12 in Figo 1 a von Windungen aus Strangmaterial gebildet werden oder von diskreten Ringen, wie sie in Fig» 1 b mit l6 bezeichnet sind. Jede Felgenhälfte 22 a oder 22 b ist an auf einem gemeinsamen Durchmesser liegenden Stellen, an denen die Felgenhälften nicht aneinanderllegen, mit Bändern 2k gebunden, die einfach aus gewickeltem Strangmaterial bestehen können, das die die Felgenlxälften 22 a und 22 b bildenden Wicklungen oder Ringe iu wesentlichen umgibt ο Die Speiche 18 erstreckt sich ebenfalls längs des Durchmessers, auf dem die Bänder 2k angeordnet sind» Die Speiche hält die Felgenhälften 22 a wad 22 b auseinander und ist an ihnen befestigt. Man kann die Speiche 18 aus anisotropem Strang- oder Fasermaterial herstellen, das sich in der Speiche in einer Richtung erstreckt, die parallel ist zu jenem Durchmesser des Schwungrades, an dem eich die Speiche entlang erstreckt. Zur Befestigung an der Welle 2b ist die Speiche Io zwischen

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Nabeiißcheiben 28 eingeklemmt, die mit der Welle 26 einstückig und in der dargestellten Weise durch Schrauben miteinander ver· bundon ε ein können. Die Speiche 18 hält somit die Felge 20 in einer Testen Stellung relativ zu der Welle 26 an jenem Durchmesser der Felge 20, in dem die Speiche 18 liegt. Man kann für diesen Zweck aticli mehr" als eine Speiche 18 vorsehen« Gemäß Fi_u. 3 nimmt die Felge 20 selbst den größton Teil der von ihrer eigenen rotierenden Masse erzeugten Fliehkraftbelastung auf und dehnt nie sich unter dieser Belastung elastisch auswärts· Nur ein kleiner Teil dieser Belastung wird von der Speiche 18 aufgenommen. Es sei hier betont, daß zwischen nicht festgelegten Teilen der einzelnen Hinge oder Wicklungen der Felgenhälften 22 a und 22 b kein Einbettungsinaterial erforderlich oder auch nur erwünscht isto Auch in diesem Fall können sich die einzelnen Ringe und Wicklungen im größten Teil ihrer Ausdehnung frei elastisch dehnen, wenn das Schwungrad rotiert, wie dies in Fig. 2 beschrieben ist, so daß dann die äußeren Ringe oder Wicklungen stets im Abstand von den inneren liegen, weil ihre elastische Dehnung mit dem Quadrat des Abstandes von dem 1-Iittelpunkt zunimmt, wie dies vorstehend erläutert wurde.

Jetzt sei das Schwungrad gemäß Fig. 3 anhand der unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterten Grundsätze betrachtet. Man kann die Wechselwirkung zwischen der Speiche 16 und der Felge 20 besser verstehen, wenn man bestii;imte Materialien zugrundelegt_c Beispielsweise beträgt die Dehnung von Kevlar-Epoxidharz bei I76 kg/mm etwa 1,9 ^c/o. In diesem Fall hat der Winkel θ in Fig. 2 einen Viert von 1 I5 ' und wird in der Speiche 18 in Fig. 3 eine Spannung von 33 ± kg/cm" hervorgerufen (wenn man dieselbe Querschnittsform annimmt). Wenn die Felge

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aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul "besteht, wird in der Speiche eine entsprechend niedrigere Spannung hervorgerufen, weil die elastische Dehnung der Felge kleiner ista Daher wäre auch der Winkel ö kleiner. Die elastische Dehnung der Speiche bewirkt jedoch, daß die in ihr von der elastisch gedehnten Felge hervorgerufene Spannung herabgesetzt wird. Wenn die Speiche aus demselben Material besteht und denselben Querschnitt hat wie die Felge, wird durch die elastische Dehnung der Speiche die von der Felge in der Speiche hervorgerufene Spannung um etwa 1? >u herabgesetzte Wenn die Speiche so ausgebildet ist, daß sie sich in der radialen Richtung um denselben Betrag elastisch dehnt wie die Felge, ruft die elastische Dehnung der Felge in der Speiche keine Spannung hervoi".

Dieses Ergebnis kann durch eine von zwei ziemlich einfachen Maßnahmen erzielt werden« Da bei einer gegebenen Drehzahl das Spannungsverhältnis zwischen Felge und Speiche etwa 3*1 ist, kann man die Speiche aus einem Material herstellen, dessen Elastizitätsmodul etwa 1/3 des Elastizitätsmoduls des Fadeninaterials der Felge ist β In diesem Fall dehnt sich die Speiche infolge der Wirkung ihrer Masse um denselben Betrag wie die Felge₀ Dasselbe Ergebnis kann man erzielen, indem man die Speiche so ausbildet, daß sie radial biegeelastisch ist. Die zweite Maßnahme zur Herabsetzung der Belastung der Speiche durch die Felge besteht darin, den Ring beim Zusammensetzen auf einen größeren Speichenradius auszudehnen, so daß der Ring bei seiner durch die Drehung verursachten elastischen Dehnung Kreisform annimmt und daher der Winkel θ und die Beanspruchung gleich Null werden <■ Man kann annehmen, daß diese Lösung optimal isto Sie wird nachstehend beschrieben»

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Die in Fie« 3 gezeigte Felge 20 kann aus einzelnen diskreten Hingen oder einzelnen Wicklungen aus Strangmaterial bestellen. Die Y7icl;lungen können avis nacktem Strangmaterial, Verbtinddrähten, Verbundbändern oder Verbundstäben bestehen. Man kann derartiges Strangi.iaterial beispielsweise aim Faserglas oder Kohlenstoffasern in einer Grundmasse aus einem Polymerisat herstellen, oder aus Metall, Fasern oder Whiskers in einer Grundmasse aus einem Polymerisat oder einem Metall, oder aus Holz, Bambusrohr usw. Ein Beispiel eines derartigen Strangmaterials besteht aus einem faserglasverstärkten Epoxidharz, das von der Firma Condex Corporation hergestellt wird und das als Verbundmaterial eine Zugfestigkeit über I76 kg/nun hat. Dieses Material wird gewöhnlich in Form eines Verbundfadens geliefert, dessen Querschnitt einen Durchmesser von 1,07 mm hat. Es ist sehr schwierig, diesen Faden mit einem mechanischen Anschlußteil abzuschließen, wenn dar Faden bis fast auf seine Zugfestigkeit beansprucht werden soll (dies wäre natürlich für ein optimales Verhalten eines Schwungrades erwünscht, dessen Felge mehrere Ringe aus diesem Material besitzt). Für große Schwungräder benötigt man noch dickere Fäden, deren Abschluß noch schwieriger ist« Diese Schwierigkeiten werden durch das nachstehend beschriebene Herstellungsverfahren beträchtlich herabgesetzt, durch das in zahlreichen Schwungrädern das Problem des Abschlusses vollkommen gelöst wird.

Unter Bez^^gnaIlme auf die Fig» ^li sei darauf hingewiesen, daß eine Felge 30 mit Wicklungen 32 aus faserglasverstärkten Epoxidharzfäden normalerweise hergestellt wird, indem man die Scheibe bis zum Erreichen der gewünschten Abmessungen (einschließlich der axialen Dicke) und Form wickelt, wobei man mit der innersten V/icklung beginnt und auswärts fortschreitet. Der Abschluß am inneren Ende ist kein Problem, weil die höchste

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- Io —

hier zu erwartende Spannung in dem vorliegenden Beispiel bei einer gegebenen Drehzahl nie höher sein Lärm als etwa 1/4 der Spannung in der eiußersten Wicklung < > Nach deu üblichen Wickelverfahren wird die Wicklung 32 gewöhnlich am Außenumfang der Felge 30 abgeschlossen. In dem erfindungsgemäßen. Verfahren beginnt die Wickltmg 32 ebenfalls am Innenumfang (R. ) der Felge 30 und führt sie bis zum Außenumfang (R ) ° Von diesem Punkt R axis wird die Wicklung durch eine einzige Wicklungslage 34 fortgesetzt, axe einwärts bis zu einem Punkt auf dem Innenuiuf ang (Il. ) führte Dort beträgt bei einer gegebenen Drehzahl die Spannung das

.. ..... fache der Spannung am Außenumfang R < >

H. O

Man kann dasselbe Ergebnis natürlich atich erzielen, wenn der sich einwärts erstreckende Wicklungsteil 34 aus zahlreichen Wick^mgslagen besteht oder sogar 50 >o der Hauptwicklung beträgt» Die Verwendung nur einer einzigen einwärtsgewickelten Lage ist jedoch zu bevorzugen, weil das Einwärtswickeln mit automatischen Maschinen viel schwieriger ist»

In den Figuren 5 ~ IQ sind verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schwungrädern mit mehreren Felgenringen schematisch dargestellt»

Fig» 5 zeigt eine Lage oder ein Band 40, das aus einem uniaxial orientierten Verbundstrangmaterial besteht, beispielsweise einem der vorstehend beschriebenen Materialien, und das zur Bildung einer Speiche, die der Speiche Iu in Fig. 3 entspricht, diametral um eine Schwungradfelge herumgewiekelt ist. In den Bereichen, in denen das Band die Felge 42 kreuzt, sind alle Stranginaterialelemente der gewickelten Felge miteinander und mit den Enden des Speichenbandes 4o verbunden« In der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist ein geeigneter Abstandhalter

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vorgesehen, an dem rait Flanschen 48 und Schrauben 50 ci:ic Jelle 46 befestigt ist. Das Band 40 tritt durch eine (lianctrale Wut 5-1 in jedejii der Flansche 40.

Das in den Figuren 7 Und ο gezeigte Schwungi'ad ι iit r.ichroren Felgenringen ähnelt den soeben anhand der Fij-roii - und 6 beschi-iebeiien, mit den Unterschied, daß die Folge 6l2 gei.ülß Fig. ?' und. ύ aus zahlreichen einzelne:!, diskreten Hingen 64 besteht, die in der vorstehend beschriebenen »/eise aus anisotropischeu Material gewickelt siiii.1. Ferner sind in der Felge b2 jene Stellen, an denen die einzelnen Felgenringe 64 miteinander und mit einer Speiche ί>υ verbunden sind, mit einem geeigneten, uniaxial orientierten Verbunduaterial bö umwickelt woruoa, bevor die Speiche 66 um diese Stellen herumgewickelt und daran angebracht worden ist. Das Verbundinaterial 66 1-önnte sich gegebenenfalls auch zwischen Lagen erstrecken, die von den Ringen 64 (oder Wicklungen gemäß Fig. 5) gebildet werdenο

In den Figuren 9 und 10 ist eine mehr oder weniger übliche Speiche 70 gezeigt, die eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer durchgehenden Welle 72 besitzt und an beiden Enden i.iit verdickten Anschlußteilen 74 für die Verbindung, z. B. Verneinte iüung, K-it Ilaltebändern 7*J versehen ist, welche die Ringe hz-'Λί c Strangmaterialwicklungen der Felge an örtlich begrenzten Stellen umgeben iuid zusammenhalten, wie dies vorstehend beschrieben wurde β Die Verbindungen zwischen der Speiche und '„er Felge und zwischen der Speiche und der Welle können gelenkig o'jer starr sein. Bei der Verwendung von Gelenken kann sich cas Schwungrad etwas schrägstellen, was jedoch wahrscheinlich zu Schwingungen mit einer dem Auslenkungswinkel proportionalen Anrplitude führen würde.

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Die Ausführung form gemäß den Figirren 11 und 12 entspricht im wesentliehen der Ausfülirungsform gemäß den Figuren 9 und 10, doch v;ird jet;:t als Speiche kein starres Glied, sondern ein dünner, biegsamer Ring öO verwendet, der aus jedem geeigneten Material bestehen kann, beispielsweise aus Metall, oder axis demselben Verbundstrangmaterial wie die Felge ö6_e In beiden Fällen ist der Speiclieiiring oO vorzugsweise so ausgebildet, daß er sich zwischen dem Stillstand und der rotation des Schwungrades nur minimal verformt und daß jede Hälfte des Speiclienringes die Form einei" annähernd pai~abolischen Kettenlinie besitzt, wie dies in Figo 11 gezeigt isto Man kann den Speichenring 80 an der Welle £2 und den Halteringen oder -bändern 84 mit Hilfe von verschiedenen, üblichen Maßnahmen befestigen.

Ein etwas abgeändertes Schwungrad ist in den Figuren 13 und 14 gezeigte Hier sind anstelle eines einzigen Speichenringes zwei diametral fluchtende Speichenringe 90 und 92 vorgesehen, die zwischen einander entgegengesetzten Stellen der Welle 94 und den Haltebändern 96 angeordnet sind. Man kann die Speichenringe 90 und 92 mit der Felge 90 und der" Welle 94 beispielsweise einfach dadurch verbinden) daß das Band 96 das äußere Ende des Speichenringes timgibt und das innere Ende des Speichenringes an der Welle 94 beispielsweise angeschweißt oder mit ihr durch ein geeignetes Halteband verbunden ist, das sich in der Längsrichtung der Welle 94 erstreckt und an ihr befestigt ist.

Die Verwendung des einzigen biegsamen Speichenringes gemäß den Figuren 11 und 12 oder von zwei Speichenringen gemäß den Figuren I3 und 14 zur Verbindung der Welle mit der Felge des Schwungrades hat den Vorteil, daß das Schwungrad nicht so genau ausgewuchtet zu werden braucht, weil diese Verbindungselemente in der Radialrichtung so biegsam sein können, daß die

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Felge bei der Kechnungsdrehzahl um ihren Schwerpunkt rotiert anstatt um ihren geometrischen Mittelpunkt·

Eine andere Art der Verbindung der verschiedenen Teile des erfindimgsgemäßen Sclwungrades mit mehreren Felgenringen ist in den Figuren 1$ und 16 gezeigt. Hier besteht die Speiche aus mehreren Bändern 100 aus einem einfachen, uniaxial oder biaxial orientierten Verbundmaterial oder aus einem geeigneten Metall oder einem anderen Material. Diese Bänder fluchten rechtwinklig zu der Drehachse, und ihre einander entgegengesetzten Enden sind zwischen ringförmigen Lagen 102 von diskreten Hingen oder Strangmaterialwicklungen angeordnet, die 2USaminen die Felge lO-'l des Schwungrades bilden«. Die Welle und der Abstandhalter können im wesentlichen so angeordnet sein, wie dies vorstehend anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben worden ist, wobei einzelne Speichenbänder oder -lamellen 100 den Abstandhalter. 106 in der dargestellten Weise durchsetzen. Der Abstandhalter kann entweder einstückig sein oder aus mehreren übereinanderliegenden Teilen bestehen und ist zur Aufnahme der Speichenbändex" 100 geschlitzt.

Die in den Figuren I5 und l6 gezeigte Ausführungsform bietet verschiedene Vorteile₀ Die Konstruktion ist relativ einfach und erfordert für die gewickelte Felge lo4 nur eine minimale 1-ienge Strangmaterial. Wichtig ist es auch, daß die Ringe in den Lagen 1Oo der Felge 104 gleichmäßiger abgestützt sind. Daher ist diese Ausführungsform für Schwungräder von großer axialer Dicke vorzuziehen„

Eine Abänderung der Ausführungsform gei.uiß den Figuren 15 und l6 ist in Fig. I7 erläutert. Hier ist eine ••■roße Zahl von axial dünnen Felgenscheiben 110 vorgesehen,

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von denen jede in der vorstellend laachrieLeneii 'ieiso av..3 mehreren ringförmigen Lagern IOC besteht und die von derselben Anzahl von Speichen ilü abgestützt sinda Zum Unterschied von Figj 15 lieg Sn gemäß ;^?i^o i? die Felgenscheiben jedoch nicht vorder Bildung; eiuer ^,esclilosoenen Feige aneinander, sondern Hind die Felgenschsiöen 110 voneinander getrennt und l.it je einer Speiche 112 abgestützte Dabei lcann jede Speiche 112 axial und/oder x'adial elastisch biegsam ur.d/oder torsions elastisch sein, so daß sich die Felge^sctexbsL. 110 bis zxx einem kleinen Winkel von IG * odsr 15 schrägstellen l:önneiio Diese Anordnung %^Γθλΐ elastisch auf gehängten, dünnen Scheiben ermöglicht nur eine geringfügige ScirrlLgstellung des Schwungrades, so daß dieses in seiner Gehäuse nur wenig Spielraum benötigt und I:eine e;u starken S chwingungen auf tr e t en ₃

In den Figtiren Iu und I9 sind andere Mittel zum Verbinden einer Speiche mit einer sie durchsetsenden Welle dargestellt. Die Speiche 120 in Fig, Iu besteht ^xS einem uniaxial orientierten Verbundstrangmaterial, das um die Welle 122 herumgewickelt ist. Qemüij Figo 19 besteht die Speiche 12^i aus einer.; biaxial orientierten Verbundstrangmaterial ο tian könnte auch Metalle verwenden. Man kann jede dieser Anordnungen von Speich-:; und Wolle gegebenenfalls anstelle von Anordnungen u.it Speichen verwenden, welche die Schwungradwelle durchsetzen, oder anstelle von Anordnungen mit einer mehrteiligen Welle»

Wie vorstehend angegeben wurde, hat das orfiiiaui^.s gemäße Schwungrad mit mehreren Folgenringen auch den 7crt.iil, daß es eine optimale Vorwondung von nacktem Stranguaterial er möglicht, insbesondere ioei einem relativ kleinen Schvmii^rad,

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ciar; so ::ioin ist, daß der Stranggutwickel durch die Einwirkung tier Sein:or traft nicht geschädigt wird. Dies kann in manchen Fi -\.1gj: y,v, einer Erhümm^; der Energiespeicherkapazität des Sc-TiniJi.-jrados pro Gewiclits- und Volumeiieinheit führen. J3ei-Gpxeit5i:eiiJo besteht uns vorstellend erwähnte Material Kevlar :.t ct..α '.-■'} )'a aus Faserrnaterial und im übrigen aus einer Ei^o-

o r::'.u-;:u·^- ,:'j-duasse, Seine verwertbare Festigkeit von I76 kg/mm beitrügt u: -jo Γ uhr die Hälfte der Festigkeit, die das Material ch:ie die Grundr.iasse, bei Verwendung nur dei" nackten Fäden ha- !Xi..; λ. !;._"'.o. Bei den meisten Straiiginaterialien beträgt aus ver-Ecbieceiinn Gründen die. Festigkeit des Verbundmaterials nur et-' v::; die j ^.Ifte der Fäden allein, selbst verm der Anteil der Pä-■Je" in den Vorbundnaterial größer ist als JjO %. In dem erfinilun^sgemäßen Schvningx*ad mit mehreren Felgenringen ist jedoch weder zwischen den einzelnen Ringen der Schwungradfelge noch ;ivrisclien den Fäden eine Einbettungsmasse erforderlich. Die Verdoppelung do« Verhältnisses der ausnutzbaren Festigkeit iiii der Dichte führt natürlich dazu, daß die Energiedichte verdopi:>elt wird, die Kosten halbiert werden und das VoIu-]..e} lialbiert wird, sofern sich die Fäden in den großen eriLordez^lichen Langen einwandfrei verhalten. Diese Forderung wii-d beispielsweise von Fäden aus Nylon, Dacron, Kevlar, ketall erfüllt. Dagegen wix-d die Forderung normalerweise nicht erfüllt von Fäden aus Faserglas, Kohlenstoff · (Graphit), Asbests, verschiedenen ^ihiskermaterialien usw.

Man kann die Felgen der erfindungsgemäßen Schvruncrüuor ähnlich wickeln wie eine Garnspule, wobei wit eine;:; konstanten Modul und konstanter Dichte ijeai-beitet wii^d und zwischen den Wicklungen kein elastisches iiaterial erfoi"derlich ist. Man kann derartige ^cwiclrelte Schwungräder auch ohne Verwendung von

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Speichen oder Naben herstellen. Wie vorstehend angedeutet e, kann man das Strangmaterial direkt auf eine Welle

wickeln, bis man auswärts fortschreitend den Radius £i

erreicht. Bei einer derartigen Anordnung betrüge die Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit nur JO % des optimalen Wertes, der bei einem unendlich dünnen Ring erzielt wird, und etwa 75 % der Snergiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit bei einem Schwungrad κι it mehreren Felgenringen und einem zweckmäßigen Vex-hältnis von R./R von 5" %* Wenn raaii daher den Ring aus einem Stahldrahtrohr herstellt·, das direkt auf die Welle gewickelt wird, würde die Energiespeicherkapazxtät etwa 15)4 Wh pro I:g betragen» Dagegen hat e±n sait Speichen \xnd einer Nabe versehenes Schwungrad, bei dem R. = 5c % R

χ ' ο

ist, eine Energiespeicherkapazität von etwa i'9,6 Mh/kgo Wenn das Felgeiimaterial 0,45 Währungseinheit pro kg kostet, würde die auf die Welle gewickelte Felge eines Schwungrades für 1 kWh 64 Währungseinheiten kosten, bei einein Schwungrad mit Speiche und Nabe dagegen nur 50 Währungseinheiten· Wenn nun die Speichen und die Nabe teurer sind als die Differenz von 14 Währungseinheiten zwischen den Kosten der beiden Felgen, wäre es natürlich wirtschaftlicher·, anstelle des Schwungrades mit Speiche und Nabe das auf die Welle gewickelte Schwungrad zu verwenden, obwohl es weniger Energie speichern kann.

In einem derartigen Schwungrad mit auf die Welle gewickelter Felge wickelt man gewöhnlich 7orteilhafterweise einander kreuzende ringförmige Lappen (overlapping level-wind technique)₃ Dieses Verfahren ist in der Garnerzeugung weit verbreitet₃ Aus der Fig. 20 a geht hervor, daß Straiigmaterial I30 unter einem kleinen Winkel zu dei- zu der Welle I32 zior-•naleii Ebene gewickelt und die Neigungsriclitiiiig Jedesmal

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umgekehrt wird, wenn eine Stirnfläche der auf diese Weise erhaltenen Felge 134 erreicht wird. Der Viinkel zwischen den Windimgen einer Lage und den Windungen einer benachbarten Lage kann dann ohne weiteres so gewählt v/erden, daß ein stabiler Aufbau erzielt wird, ohne daß eine besondere Abstützung an den Stirnflächen der Felge erforderlich ist. Wenn gemäß Fig« 20 b dieser Winkel 15 ° beträgt, viie dies in der Industrie häufig der Fall ist, beträgt der Verlust der ausnutzbaren Festigkeit des Strangmaterials I30 weniger als 1 Ji₁ d. h, 1 - cos 7,5 ° (* 0,99145). Dies stellt den einfachsten Wicklungsaufbau für das Schwungrad nit mehreren Felgenringen dar j er kommt vor allem bei billigem, nacktem Strangmaterial in Frage, beispielsweise bei Papier, Schnur, Draht, Nylon, geringwertigem Faserglas, Bambusrohr, Holz

Man kann auch aus diskreten konzentrischen Ringen ohne Einbettungsmasse eine Felge herstellen, deren Ringe sich ebenfalls bei rotierendem Schwungrad elastisch dehnen können. Besonders interessant ist es, daß Schwungräder gemäß der Erfindung zwischen den Ringen oder ringförmigen Wicklungen der Felge Ballast enthalten können, wodurch die Kosten und das Volumen des Schwungrades herabgesetzt werden. Für einen einwandfreien Betrieb ist jedoch kein Ballast erforderlich. Dei* in Fig. 21 mit l40 bezeichnete Ballast kann in einer beliebigen Menge bis zu einem Höchstwert verwendet werden, bei dem in allen rotierenden Felgenelementen dieselbe Zugspannung vorhanden ist, wobei der Ballast so verteilt ist, daß seine Menge dem Quadrat des Radius der Felge umgekehrt proportional ist.

Die in Fig. 21 gezeigte Felge I35 besteht aus diskreten konzentrischen Ringen I36· Dabei sind die Abstände zwischen den Ringen in Fig. 21 übertrieben groß

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dargestellt, so daß man den auf der Innenseite jedes Ringes I36 vorhandenen Ballast l40 leicht erkennen kann» Man könnte die Felge 135 auch atis Strangiüaterialwicklun.-gen herstellen, auf deren Innenfläche Ballast vorgesehen ist«, Wichtig ist auch die Ausbildung der !Tabenspeichen I und die Ausbildung der Felge 135° Diese Merkmale werden nachstehend ausführlich erläutert. Aus der nachstehenden Diskussion gehen die Vorteile der Verwendung von Balleist klar hervor·

Wie' vorstehend ausgeführt wurde, ist die in jede,.. einzelnen Ring oder jeder einzelnen Wicklung hervorgerufene Spannung eine Funktion des Quadrats des Radiiis des betreffenden Felgenelements. Daher kann nur der äußerste Ring oder die äußerste Wicklung bis zu der Höchst spannung beanspimclit werden, während die Energiespeicherkapazität der anderen Ringe oder Wicklungen nicht voll ausgenutzt wird» Wenn R. = I/3 Λ ist, kann die Energiespeicherlcapazität der Felge nur bis zu einem Neuntel ausgenutzt werden, weil alle Ringe oder Wicklungen dieselbe Drehzahl und dieselbe Dichte haben» Da die Energie nicht nur eine Funktion des Quadrats des Radius, sondern auch eine Funktion der Masse 1st, kann man die Masse yerneunfachen, ehe die in den Fasern hervorgerufene Spannung den rechnungsmäßigen Höchstwert erreicht 0 Wenn nun ein Ballast lAo von unendlich großer Dichte (Null-Volumen) verwendet werden würde, könnte man das Schwungrad so aufbauen, daß in allen Ringen oder Wicklungen die rechnerische Hochstspannung hervorgerufen und die rechnerische Höchstenergiemenge gespeichert werden kann, wenn man zu jedem Ring oder jeder Wicklting Ballast in einer Menge hinzufügt, die dem Verhältnis (R /R ) proportional ist, wobei R der Radius des mit Ballast versehenen Felgenelements ist. In jedem Fall ist die erforderliche Ballastmenge umso kleiner, je größer der Radixis des

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betrachteten Ringes oder der betrachteten Wicklung ist. Als Ballast kann man beispielsweise massives Blei, Uran oder Stahlstattb in einer relativ biegsamen Grundinasse, beispielsweise aus Blei, verwenden»

Der durch die Verwendung von Ballast erzielte Vorteil einer höheren Enorgiespeicherkapazität pro VoIumeiieinheit bedingt jedoch eine etwas herabgesetzte Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit· Im Idealfall wäre diese Herabsetzung gleich Null, und zwar dann, wenn der Ballast keinen Raum einnehmen würde, weil die Energie Speicherkapazität dem Gewicht proportional ist, wenn die anderen sie bestimmenden Faktoren, der Radius und die Drehzahl, nicht verändert werden. Daher erhält man die höchste Energiespeicherkapazität pro Voluneneinheit, wenn das Ballastgewicht im Verhältnis zu dem Gewicht des Strangimaterials so groß wie möglich ist. Dies wäre der Fall bei einen Schwungrad mit mehreren Felgenringen, die aus Holz bestehen, und mit einem Ballast aus Uranstaub in einer Grundmasse aus Blei. In diesem Fall betrüge die Ballastdichte das Dreißigfache der Dichte des IIoIt'Ce c In ζ all Ir* eich en bisher untersuchten Anwendungsfällen von Schwungrädern ist die geringe Herabsetzung der Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit ohne Bedeutung* In den meisten Fällen ist die Erhöhung der iSnei-giespeichex*kapazität pro Volumeneinheit nicht so -.nichtig wie die Tatsache, daß ein mit Ballast versehenes Schwungrad mit mehreren Felgenringen zu einem Bruchteil der Kosten eines ballastfreien Schwungrades hergestellt werden kann, weil Ballastmaterialien verwendet werden können, die viel billiger sind als die üblichen Strangi:»aterialien.

Die Dicke jeder Ballastlage lAO soll zwar i.iöglichst den «iuadrat des Radius umgekehrt proportional sein, doch genügt es in der Praxis, wenn die ,j lli.r.n ti.iCK. e i.:it ::v:.icin lc.idei.i xia'Aius abnimmt.

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Der Außenumfang lkk dci" in Fis» 21 ±u Stillstand gezeigten Folge 135 ist zwischen den vier Uinfangs stellen, an denen die Felge mit Bändern l4ö zusammengehalten ist, nicht vollkommen kreisförmig ₀ Wenn die Felge 133 nui die Drehachse 1^2 rotiei^t, dehnen sich die zwischen den Bändern IkG vorhandenen Außenuiaf angst eile der Felge in die Stellung aus, die bei l4o strichpunktiert angedeutet ist. Die Felge ist daher so vorgeformt, daß sie bei ihrer Rotation eine Form annimmt, bei der sie in den Nabenspeichen 13ü nur eine minimale Spannung hervorruft_o Diese Herabsetzung der Spannung wird dadurch ersielt, daß die Hinge I36 bei der Neiindrehsahl der Felge 135 mit dem Befestigungspunkt jedes Bandes IkG bzw. uit der Längsachse jedes Bandes ikb einen Winkel unter 90 einschließen. Im Stillstand sind die Ringe nur angenähert kreisförmig und ist die Bogenlänge der Ringe I36 zwischen den Bändern lA-6 kleiner" als die Länge eines Kreisabschnitts zwischen den Bändern 146»

Der Betrag der Abweichung jedes Ringes I36 von der Kreisform ist eine direkte Funktion der elastischen Dehnung des Ringmaterials, die bei der Nenndrehzahl der Felge auftritt. Wenn die elastische Dehnung des Materials bei der Solldrelisahl k,6 % beträgt, muß die Umfangslänge der Felge I35 iia Stillstand um 4,6 % kleiner sein als der Umfang eines vollkommenen Kreises mit demselben Radius»

Zum Herstellen einer gemäß Fig. 21 a^lsgebildeten Felge durch Wickeln von Stranggut oder durch Verformen eines aus diskreten Ringen bestehenden Körpers muß man einen besonders geformten Dorn verwenden, damit die fertige Felge die gewünschten Abmessungen und die gewünschte Form erhalte Die Ausbildung dieses Dorns wird anhand der Fig. 22 erläuterte lian erkennt die nur angenähei-t kreisförmige, ringförmige Linie ±^lkk_t

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die del.: AuDeinuifcUiii' l44 ill Fig. 21 entspricht und deren υΐ:ίΓη:ι_ο·βlunge tu.: 4,0 >ί i:leiner ist als die des ui: diesen Außenuiizang umgeschriebenen lZreises 146. Dieser hat den liadius DG, der natürlich gleich CG ist. Der angenähert kreisbogenförnige Bogen DAC wird dann in eine geeignete Anzahl von Abschnitten, hier neun, geteilt. Die Felge selbst erstreckt sich von einem gewünschten Neun-NabenraditiK EG über eine radiale Gesamtbreite EC = FD. Zur DestiiiUiung der Nabenbögen FBE (CE = AB usw» ) braucht man daher nur diese radiale Breite von den Endpunkten jedes Segments aus einwärts abzumessen. Der Bogen FBE und die drei mit ihm identischen Bogen in den anderen Quadranten bestimmen eine vollständige Dornfläche 150, auf der eine ixui- angenähert kreisförmige Felge, beispielsweise die Felge 135» gewickelt werden kann« Auf ähnliche Weise kann man Dorne erhalten, auf denen Felgen gewickelt werden können, die bei gleich ausgebildetem Außenumfang 144 eine größere radiale Breite haben. Wenn der Dornradius etwa 1/10 des Außenradius der Felge beträgt, hat bei Verwendung von vier Bändern der Dorn einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt. 1-lan könnte daher die Nabe für eine derartige Felge so ausbilden, daß ihre Außenumfangsfläche, d. h., die von den Wicklungen oder Ringen umgebene Fläche, die für den Dorn gewünschte Form hat. Dorne für Felgen, die von zwei, drei oder mehr als vier Haltebändern 146 zusammengehalten werden, können auf ähnliche Weise konstruiert werden. Dies braucht hier nicht beschrieben zu werden.

Aus der Fig. 21 geht hervor, daß der Innenradius dex- Felge 135 5& Ά des Außenradius beträgt, damit ein optimales Verhältnis zwischen der Energiespeicherkäpazität pro Volumeneinheit und der Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit erhalten wird. Man erkennt, daß die radiale Breite der

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Felge im Stillstand üb er ti 11 gleich ist. Box der iieniidrohiia,.:. ist nur aer äußerste iiing Ij6 oder die üva.. erste .vic.:l.aij Iireisförmig, weil die olc\stische Dehnung Joc.es ilinges de;; Quadi'-at seines Radius proportional ist. Die Summe cilleiliadial^raftvektoren aller¹ rotierenden iün^o I36 licit daher stets einen kleinen negativen Wert, do h.,, die resultierende Kraft ist e;u der Drehachse 142 Lin gerichtet, so daß die Verbindung zwischen Speiche und iia.be vereinfacht wird. In Figo 21 erkennt uan ferner Ausgleichsgewichte IbO, die am Außeimmfang und an Iimentuiifang der Felge 135 vorgesehen sind. Diese Gewichte lGO sind zwar für den Betrieb des Schwungrades nicht erforderlich, erleichtern jedoch das Auswuchten des Schwungrades« Sie führen nicht zu besonders hohen Spannungen, weil die Belastungen an diesen Stellen relativ l:lein sind» Man kann die Gewichte I60 an den ϋέύκίοπι au Innen- oder Außenunifang oder, wie dargestellt, am Innen- und Außenumfang anbringen»

Fig» 23 zeigt eine Felge l?0, die nur aux einer Seite, mit einer Hai te einrichtung versehen ist» Die Felgo 1"₍ 0 besitzt einen Ilauptteil 172 > der aus mehreren StaiJoln von Ringen oder ./icklungen l'/k bestehen kann und von einei.i einzigen Halteband I76 zus auraeng eil alt en wird, dessen Länge gloic. der radialen Breite oder einem Teil der radialen Breite der Felge ist» Der Ilauptteil I72 ist zwischen dünneren Seitenteilen I78 angeordnet, die in den Abmessungen und in Gewicht untereinander* gleich und die gegenüber dem Ilauptteil 172 etwas versetzt sind. Jedez' Seitenteil I78 hat ein einziges Halteband l80, das ähnlich aiifgebaut ist wie das Band 17^, sich aber in der entgegengesetzten itichtung erstreckt. Der liauptteil I72 ist doppelt so dick wie jeder Seitenteil I70 „ Die

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je.itejitoile V(C dienen ::i i:: Ausgleich der elastischen J'_·!:. --lij rler Felge l'/Ü, deren Haupttoil nur mit einen ■.::^:.:i:.;i;;ün Halte'i.^Ml 1','G ;:usai,:iiiengehalten wird. Nachstehend \.^τχΐ'α erläutert, wainu : die Felge aus drei Teilen • esteilt xuid jeder der beii.ca Seitenteile nur die Hälfvo < er Hasse des nittleron Teils besitzt«

Xn dei" vorstehend beschriebenen Ausbildung i;;it nur einer Speiche dehnt sich der nicht abgestützte Teil jü.-'ec Ringes an allen Stellen von der urspininglicheii Drehachse weg auswärts, während die unter der einzigen Speiche liegenden Stellen festgehalten werden. ]Jei zuiicIiKieii.'.'ier Drehzahl treten daher in einer derartigen einteiligen Felge zunehmend Unwuchten auf. ./oma jctr.t auf derselben Welle eine mit der zuerst betrachteten Felge fluchtende Felge angeordnet imd mit einer Speiche versehen wird, die der Speiche für die erste Felge genau entgegengesetzt ist, ist das Schwungrad unter allen Betriebsbedingungen statisch ausgewuchtet, weil die auf einen Satz von sich austloiniendeu Ringen avisgeübte Radialkraft der auf den anderen Sat:.: ausgeübten Radialkraft gegengleich ist_e

In den angegebenen Ausführungsbeispiel sind jedoch unter der Annahme homogener Dichte diese gegengleichen Kraftvektoren axial um die Axialdicke einer Folge gegeneinander versetzt, so daß eine dynamische Unwucht entsteht, das heißt, daß die Drehachse eine Nickbewogung ausführen könnte, wenn sie nicht festgelegt ist. Man .;aun diese Unwucht vermeiden, wenn l.ian eine dieser Felgen in zwei gleiche Teile teilt und die-•:;e LuIften auf je einer Seite der anderen Felge anordi'tc J;v!.::t ist die Summe aller drei Vektoren gleich Null

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(statisches Gleichgewicht) und liegen diese drei Vektoren in derselben Ebene (dynamisches Gleichgewicht) (Fig. 23)· Vie mi überall dasselbe Ringmaterial verwendet wird, eraielt man dieses statische und dynamische Gleichgewicht auch, v/erui infolge der unterschiedlichen Radien der Ringe kleine Foi-Liunterschiede zwischen ihnen vorhanden sindo Dieselben Übei~- legungen sind auf eine Felge anwendbar, die atis zahlreichen Scheiben besteht und eine größere axiale Dicke hat als die aus drei Scheiben bestehende Felge gemäß Fig. 23, sofern die Masse der beiden Endscheiben, die Hälfte der Ilasse jeder der Zwischenscheiben beträgt, die beiden Endscheiben mit je einer Speiche versehen sind, die sich parallel zu.-einander in derselben Richtung erstrecken, und bei einer ungeraden Anzahl von Scheiben diese S£>e ich einrichtung der Richtung der Speichen der jeweils benachbarten Scheiben entgegengesetzt ist. Diese zieulich komplizierte Bedingung geht aus Figo 24 hervor. Die uia₆-eradzaliligen Scheiben I90 sind wit je einer Speiche I92 versehen. Alle Speichen I92 erstrecken sich in derselben Richtung. Bei den geradzahligen Scheiben I9 6 fluchten die Speichen 194 miteinander, während sie den Speichen 192 der ungeradzahligen Scheiben entgegengesetzt sindo Ohne die dünnen Endscheiben I98 ist eine ungerade Anzahl von Scheiben vorhandene, Durch das Hinzufügen der untereinander gleichen, dünnen Endscheiben erhält man die Kraftvektorensumme, die theoretisch :-:u eineu; statischen und dynamischen Gleichgewicht führte Gemäß Figo 23 und 24 sind die einander benachbarten Scheiben in der Richttmg ihrer Speichen radial versetzt, doch ist dies für einen einwandfreien Betrieb nicht erforderliche Diese Versetzung erleichtert nur die Erläuterung und zeigt, daß man durch eine derartige Versetzung bewirken kann, daß der äußerste Ring bei dor Nenndrehzahl

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nicht nur loreisförinig, sondern auf der Drehachse zentriert ist. In diesem Fall ist im Betrieb der Biegewinkel des Rin-SGC (Win'rel 0 in Fin;. 2) natürlich gleich Null. Wenn nun der äußerste iiing kreisförmig ist, sind die inneren Hinge nicht n-eisiöi'uig und nicht auf der Drehachse zentriert _o Beide Beaingungen führen dazu, daß an der Stelle, an der die Felge an der einzigen Speiche befestigt ist, ztisätzliche Spannungen auftreten» Man kann jedoch annehmen, daß diese zusätzlichen Spannungen relativ klein sind gegenüber den Spannungen, die in vergleichbaren Schwungrädern mit mehreren Speichen ciuftreten, Infolge von in Innenebenen auftretenden Asymmetrien ist es sein" schwierig, ein Schwungrad mit mehreren Felgenringen und einer einzigen Speiche zum Vergleich mit anderen Schwxmgrädern mit mehreren Felgenringen hinsichtlich der örtlichen Spannungen zu analysieren»

Diese scheinbar kompliziert aufgebaute Felge wird deshalb für zweckmäßig gehalten, weil sie zu Vorteilen führen kann, die mit anderen Ausführungsformen nicht erzielt werden können« Beispielsweise ist bei sonst gleichen Bedingtingen eine einzige Speiche oder ein einziges Halteband billiger als eine Anordnung mit mehreren Speichen oder Bändern. Wichtiger ist jedoch die Tatsache, daß man bei nur einer Speiche oder nur einem Halteband einen kleineren Biegewinkel erhält als bei mehreren Speichen oder Ilaltebändern, wenn dasselbe Material verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche:

!Ι» ^Trägheits-Energiespeichervorrichtung mit einer Welle,' tun deren Achse die Vorrichtung drehbar ist, gekennzeichnet durch eine Felgenanordnung mit mehreren ringförmigen Felgenelementen, die aus im wesentlichen anisotropem Matex^ial bestehen, das in Richtung seiner Längsachsen eine beträchtliche Zugfestigkeit besitzt, durch eine Felgenhalte^uig, welche die Felgenelemente a:i gewählten Stellen der Felgenanordnung ztisaniiienhält, iuid durch eine an der Welle befestigte Nabenanordnung, welche die Felgenhalterung tragt <>

2« Trägheits-Energiespeichervoi-richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenelemente aus Verbund-Fasermaterial bestehen«

3» Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenelemente aus Strangmaterialvficklimgen bestehen,

4o Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenelemente diskrete Ringe sind«

5ο Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch zwischen Felgenelementen angeordnetes Ballastinaterialo

6ο Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Felgenhalterung längs eines einzigen Durchmessers der Vorrichtung erstreckt und mit ihren entgegengesetzten Enden die Felgenanordnung an nur zwei Befestigungspunkten hält·

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Yc Trägheits-Energiospexchervorrxchtuns nach 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenhaltcrim^ aus Verbund-Strangniaterial besteht, das diametral uii die Felgenanordnung herumgewickelt ist.

■J ο Trägheits-Energiespcichervorrichtung nach A-ispruch o, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenelei.onte an j cden; Defestigungspunkt aneinander befestigt

9· Trägheits-Energxespeichervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Felgerhaltcr ill,.; längs des genannten Dur*chmessers dehnbar ist.

1Oe Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Felgenhaltei-u;ivon z\:e± elastisch biegsamen Bandringon gebildet wird, αχό an einander diametral entgegengesetzten Stellen zwei einander diainetx-al entgegengesetzte Stellen der UeHe an je einem der Defestigungspunkte mit der Fclgenanordnung verbinden*

11. Trägheits-Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 9i dadurcli gekennzeichnet, daß die Felgenhalterung von einem einzigen elastisch biegsamen Bandring gebildet wird, der in einer zur Drehebene der Felgenanordnung rechtwinkligen Ebene angeordnet ist und an einander diauetral entgegengesetzten Stellen an den Befestigungspunkten mit der Felgenanordnung verbunden ist.

12 c Trägheits-Energiespeichervorrichtuaig nach Ai-sjruch 11 j dadurch gekennzeichnet, dai: die i/elle den Dein<-lring längs eixaer Geraden durchsetzt, die zu einer eic jJcrcstigungspunkte verbind enden Geraden rechtxvink-Ii;: i.'?t.

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13 « Trägheits-Energiespeichervorriclitung nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet ₅ daß die Felgeneloineiite aus Yerbund-Paseririaterial bestehen raid nur an den beiden einander diametral ent^e^en^esetaten Befestigung^- pujiirton befestigt sind -und daß die Felgenlialterung einen elastisch biegsamen Bandaging ausreist , r-ar iiit seissii äiißearen Enden an den beiden Beiesti^iiii^spvuiJiten nii'b der

Ί-i ο Traglieits-Snergiesx.eicheri/orrioiitung nacL. Anspriich i, dadurch gshannseielmet, daß die FelgGiianord iiung azi ilirein Auiienuni?ang begeniörmigo Obers?laohsntsile besitzt und fooi stillstsliender Torriolitun^ der izn disse OborlTläehentGile ULibeschriebeno Kreis denselben iiadius hat ivis dio bei siner vorhsrbes ^iu:;i;t-3n Drolisaiil der Vor richtung "νοϊί den genannten Gberxlächsnteilen gebildete

15« Tragheits-ISnergiespeicIiervorrichtung nac Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß an Uniangsflachen der I^falgenanordnnng Ausgleichsgewichte angeordnet