DE2511855C3

DE2511855C3 - Schwungrad mit mehreren Kränzen aus anisotropem Material

Info

Publication number: DE2511855C3
Application number: DE2511855A
Authority: DE
Inventors: David Warren Clarksville Rabenhorst, Md.
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1981-05-21
Also published as: JPS50142971A; NL7503156A; SE7502897L; DE2511855A1; DE2511855B2; FR2265004A1; CA1014373A; FR2265004B1; SE402625B; GB1466647A; NL165262C; IT1051351B; JPS5741620B2; NL165262B

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad, bestehend aus mehreren, mindestens angenähert konzentrisch um eine Welle angeordneten Kränzen aus anisotropem Material, das in Umfangsrichtung eine große Zugfestigkeit aufweist

Bei aus der DE-OS 21 41 581, der US-PS 37 24 288 und dem Buch von N. V. Guiia »Trägheits-Energiespeieher«, 1973, Woronesch, UdSSR, bekannten Schwungrädern dieser Art besteht nicht nur das Problem, diese einwandfrei auf den diese tragenden Wellen zu befestigen, sondern bei diesen besteht auch die Gefahr, daß die Kränze aus anisotropem Material, lange bevor ίο dieses über seine Bruchfestigkeit hinaus beansprucht worden ist, unter Bildung von konzentrischen Ringen zerreißt

Dies hat seine Ursache darin, daß die Spannung in den

Kränzen mit dem Quadrat der Entfernung von der Drehachse zunimmt, so daß sich die äußeren Ringe oder Kränze weitaus stärker dehnen als die inneren, weil die elastische Dehnung des Materials der Spannung proportional ist Es ist schon versucht worden, die konzentrischen ringförmigen Kränze vollständig durch radiale Elemente einzufassen, was jedoch zu einer Gewichtserhöhung und einem entsprechend niedrigen Wirkungsgrad der Energiespeicherung führte.

Aus den US-PS 36 98 262 und 37 37 694 sind

Schwungräder bekannt, bei denen das Problem der Befestigung der rotierenden Schwungmassen an den Schwungradwellen dadurch gelöst worden ist, daß diese bürstenartig aus radial verlaufenden Borsten oder Stäben bestehen. Mit derartigen Schwungrädern läßt sich jedoch keine ausreichende Energiespeicherung erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bruchsichere Schwungräder möglichst kleinen Ausmaßes und hoher Energiedichte zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Schwungrad der eingangs angegebenen Art gelöst durch im Winkelabstand zueinander angeordnete, im wesentlichen radial verlaufende und die Kränze entgegen der Fliehkraft nach radial innen halternde Bänder. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß einzelne Bänder ausreichen, um unzulässig hohe Spannungen in den äußeren Kränzen des Schwungrads zu vermeiden. Da die Kränze außerhalb der diese halternden Bänder nicht miteinander verbunden sind, können sie sich freier ausdehnen, so daß sich bei der Energiespeicherung das Volumen und das Gewicht der Kränze besser ausnutzen läßt, ohne daß eine Zerstörung

bewirkende, unzulässig hohe Spannungen befürchtet werden müßten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in >() den Unteransprüchen 2 bis 10 beschrieben worden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen

Fig. la und Ib aus im wesentlichen konzentrischen Kränzen aufgebaute und durch jeweils vier Bänder gehalterte Schwungräder in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kranzes eines Schwungrades im ungedehnten und gedehnten Zustand,

W) F i g. 3 eine Seitenansicht eines Schwungrades mit im Schnitt dargestellten geteilten Kränzen, die durch Speichen mit der Welle verbunden sind,

Fig.4 eine Seitenansicht eines Schwungrades zur Erläuterung eines Wickelverfahrens,
b5 Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Schwungrad mit diametral angeordneten Bändern,

Fig. 6 eine Seitenansicht des Schwungrades nach F i g. 5, teilweise im Schnitt,

F i g. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Schwungrades,

Fig.8 eine Seitenansicht des Schwungrades nach F i g. 7, teilweise im Schnitt,

F i g. 9 in Draufsicht eine Verbindung der Bänder mit der Welle,

Fig. 10 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Schwungrades nach F i g. 9,

F i g. 11 eine Draufsicht auf ein Schwungrad mit einer anderen Verbindung der Bänder mit der Weile,

Fig. 12 eine Seitenansicht des Schwungrades nach F i g. 11, teilweise im Schnitt,

Fig. 13und HeinedenFig. 11 und 12entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Schwungrades in Draufsicht und im Schnitt,

Fig. 15 eine weitere Ausführungsform eines Schwungrades in Draufsicht,

Fig. 16 eine Seitenansicht des Schwungrades nach F i g. 15, teilweise im Schnitt,

F i g. 17 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Schwungrades,

Fig. 18 eine schema tische Darstellung eines Schwungrades nach F i g. 17,

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Schwungrades, bei der die einzelnen Schwungradteile nur durch ein Band zusammengehalten sind, und

F i g. 20 eine Abwandlung der Ausführungsform eines Schwungrades nach F i g. 19.

Das Schwungrad besitzt eine aus mehreren Kränzen oder ringförmigen Wicklungen aus Strangmaterial von hoher Zugfestigkeit bestehende Felge, welche die Schwungmasse bildet. Das Verhältnis der Festigkeit dieses Strangmaterials zu seiner Dichte ist um ein Mehrfaches größer als bei dem besten Stahl, der bisher für Schwungräder verwendet wurde. Die Kränze oder Wicklungen können aus bekanntem Faser- oder Strangmaterial hergestellt werden, das als uniaxial orientiertes Verbund-Strangmaterial mit einer Zugfestigkeit von 176 kp/mm² und einer Dichte von 1,4 g/cm³ vorliegt. Bei derartigem bekannten Strangmaterial wurden Zugfestigkeiten von mehr als 352 kp/mm² gemessen.

Dieses Strang- oder Fasermaterial wird beispielsweise bei den meisten derzeit in den USA hergestellten Flugzeugen für verschiedene Teile als tragendes Material verwendet. Dieses Material ist in hohem Maße frei von den bei Glasfasern üblicherweise auftretenden Problemen, die sich aus der statischen Ermüdung ergeben. Das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte und der Elastizitätsmodul sind bei diesem Material beträchtlich höher als bei Glas.

Gemäß den F i g. 1 a und 1 b der Zeichnung besitzt das Schwungrad eine Felge 10, welche die nachstehend angegebenen Bedingungen erfüllt.

Die Felge 10 besteht aus Wicklungen 12 aus Strangmaterial, das auf eine Welle oder auf einen Dorn aufgewickelt sein kann. Die gewickelte Felge kann dann auf verschiedenartige Weise an einer Welle befestigt werden. Das die Wicklungen bildende Strangmaterial kann auch zu bandförmigen Lagen gewickelt sein oder Verbundstäbe bilden. Wichtig ist es, daß die Wicklungen 12 in der Felge 10 durch Haltemittel, beispielsweise Bänder 14, festgelegt seih müssen. Diese radial angeordneten Bänder 14 iMngeben die Felge 10 an örtlich begrenzten Stellen ^lind halten die von ihnen umgebenen Teile der Wicklungen 12 an mindestens einem Radius, an dem ein B^:ind 14 vorgesehen ist, fest zusammen. In der Praxis sind zwei Bänder 14 an einem Durchmesser des Schwungrades angeordnet, welche die Wicklungen 12 an beiden Enden dieses Durchmessers zusammenhalten. Man kann aber auch mehr als zwei Bänder verwenden, beispielsweise gemäß Fig. la vier. Ferner werden in den Fig. la und Ib nicht gezeigte, aber nachstehend beschriebene Mittel verwendet, welche die von den Bändern 14 zusammengehaltenen Teile der Felge 10 in bezug auf die Drehachse des

ie Schwungrades festlegen. Die Bänder 14 können aus Strangmaterial bestehen, das um die Felge 10 herumgewickelt ist, und können in Kombination mit einer Einbettungsmasse verwendet werden, die im fließfähigen Zustand nur zwischen die unter den Bändern 14 befindlichen Teile der Felge 10 eingebracht worden ist

Man kann die in Fig. la und Ib gezeigte Felge 10 auf eine Welle aufschieben, deren Außendurchmesser im wesentlichen ebenso groß ist wie der Innendurchmesser der Felge 10. In diesem Fall berühren sich die Wicklungen 12 und die Welle selbst und ist die Felge 10 an ihren mit den Bändern 14 oder auf eine andere Weise zusammengehaltenen Stellen auf der Welle festgelegt Dagegen können sich die nicht festgelegten Teile der Felge relativ zueinander und zu einer Welle oder Nabe frei ausdehnen, 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 der Innendurchmesser der Felge 10. Für das Funktionsprinzip macht es keinen Unterschied, ob die Felge 10 an der Welle anliegt oder nicht

Bei der in Fig. Ib beschriebenen Ausführungsform besteht die Felge 10 aus diskreten Ringen 16 aus einem anisotropen Strangmaterial. Die radiale Breite der Ringe 16 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Drehachse des Schwungrades zu. In den beiden Ausführungsformen gemäß Fig. la und Fig. Ib ist die Felge 10 durch an oder in ihr vorgesehene, sich quer über die Ringe erstreckende oder sie umgebende Mittel so zusammengehalten, daß an den Stellen A und B eine unterschiedliche radiale elastische Dehnung der Felge 10 verhindert wird. Dagegen ist die Felge 10 im größten Teil ihrer Ausdehnung nicht durch die Bänder 14 oder andere Mittel festgelegt, sondern radial elastisch dehnbar. 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 keine Ringe

so 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 F i g. 2 sind die grundlegenden Kriterien für die elastische Dehnung der Felge in vereinfachter Form geometrisch dargestellt Man erkennt daß es bei einer Drehung der Felge 10 erwünscht ist daß diese elastische Dehnung in einer Richtung erfolgt die normal ist zu einem Durchmesser, an dem die Felge beispielsweise

bo mit den Bändern 14 in Fig. la und Ib 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 b5 Null. Daher erstreckt sich eine Speiche oder ein anderes Verbindungsglied zwischen der Felge 10 und der Welle zweckmäßig längs eines derartigen Durchmessers. In der Praxis nimmt die Felge 10 bei einer Drehung um die

Drehachse C beispielsweise die in Fig.2 für die elastisch ausgedehnte Felge 10 dargestellte Form an. Für die Zwecke der Analyse wird angenommen, daß die Felge 10 dünn und unbegrenzt biegsam ist, weil die Tangentialbelastung per Definition an allen Umfangsstellen gleich ist und die Radialbelastung der Felge 10 ebenfalls an aller Umfangsstellen gleich ist Daher muß die elastisch gedehnte Felge einem Kreisbogen mit einem anderen Radius angenähert sein. Dabei wird angenommen, daß der elastisch gedehnte Bogen denselben Radius hat wie der ungedehnte Bogen, sein Mittelpunkt aber in einem Abstand H von dem ursprünglichen Mittelpunkt C der Felge entfernt ist. Es kann jetzt geometrisch auf einfache Weise gezeigt werden, daß eine Gerade, die den neuen Mittelpunkt A mit dem Schnittpunkt Q zwischen, dem Durchmesser und der Felge verbindet, mit dem Durchmesser einen Winkel («) einschließt, der annähernd gleich dem 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 verkleinert

In Fig.2 ist die Linie OT parallel zu der ursprünglichen Tangente an die Felge; OF_r ist die Tangente an die elastisch gedehnte Felge, und OF_S stellt die relative Belastung einer Speiche dar, die sich längs des Durchmessers erstreckt, an dem der elastisch gedehnte Ring zusammengehalten ist (Fig.4). Unter Zugrundelegung der vorstehend angegebenen Annahmen entspricht der absolute Wert dieser Belastung der Gleichung

Fs= F_r sinö
Dabei ist

F₅ die von der elastisch gedehnten Felge in der

diametralen Speiche hervorgerufene Spannung,
Fr die in der elastisch gedehnten Felge vorhandene

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

Bei einer gegebenen Spannung wird die Felge natürlich jene elastische Dehnung erfahren, die bei dem verwendeten Material der gegebenen Spannung zugeordnet ist Da diese elastische Dehnung gewöhnlich in Prozent einer gegebenen Länge definiert ist, entspricht der Abstand H demselben Prozentsatz des ursprünglichen Radius der Felge (CO=R). Durch einfache trigonometrische Methoden kann man zeigen, daß der Winkel θ gleich aresin H/Rist

In der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die im wesentlichen gemäß F i g. 1 a und 1 b ausgebildete Felge 20 durch eine Speiche 18 mit einer Welle verbunden. Die Felge 20 wird von zwei Hälften 22a und 22b gebildet, die entweder wie die Windungen 12 in Fig. la von Windungen aus Strangmateria! gebildet werden oder von diskreten Ringen, wie sie in F i g. 1 b mit 16 bezeichnet sind. Jede Hälfte 22a oder 226 ist an auf einem gemeinsamen Durchmesser liegenden Stellen, an denen die Hälften nicht aneinanderliegen, mit Bändern 24 gebunden, die einfach aus gewickeltem Strangmaterial bestehen können, das die die Hälften 22a und 22b bildenden Wicklungen oder Ringe im wesentlichen umgibt Die Speiche 18 erstreckt sich ebenfalls längs des Durchmessers, auf dem die Bänder 24 angeordnet sind. Die Speiche hält die Hälften 22a und 22b 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 die Speiche sich entlang erstreckt. Zur Befestigung an der Welle 26 ist die Speiche 18 zwischen Nabenscheiben 28 eingeklemmt, die mit der Welle 26 einstückig und in der dargestellten Weise durch Schrauben miteinander verbunden sein in können. Die Speiche 18 hält somit die Felge 20 in einer festen Stellung relativ zu der Welle 26 an jenem Durchmesser der Felge 20, in dem die Speiche 18 liegt. Man kann für diesen Zweck auch mehr als eine Speiche 18 vorsehen. Gemäß F i g. 3 nimmt die Felge 20 selbst den größten Teil der von seiner eigenen rotierenden Masse erzeugten Füehkraftbelastung auf und dehnt sie 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 Ringe oder Wicklungen der Felgenhälften 22a und 22b kein Einbettungsmaterial erforderlich oder auch nur erwünscht ist. 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 F i g. 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 Mittelpunkt zunimmt, wie dies vorstehend erläutert wurde.

Jetzt sei das Schwungrad gemäß F i g. 3 anhand der unter Bezugnahme auf F i g. 2 erläuterten Grundsätze betrachtet Man kann die Wechselwirkung zwischen der Speiche 18 und der Felge 20 besser verstehen, wenn man bestimmte Materialien zugrundelegt Beispielsweise beträgt die Dehnung von Epoxidharz bei 176 kp/mm² etwa 1,9%. In diesem Fall hat der Winkel θ in Fig.2 einen Wert von Γ15' und wird in der Speiche 18 in F i g. 3 eine Spannung von 334 kp/cm² hervorgerufen (wenn man dieselbe Querschnittsform annimmt). Wenn die Felge aus einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul besteht, wird in der Speiche eine entsprechend niedrigere Spannung hervorgerufen, weil die elastische Dehnung der Felge kleiner ist Daher wäre auch der Winkel θ 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 17% herabgesetzt 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 hervor.

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 '/3 des Elastizitätsmoduls des Fadenmaterials der Felge ist In diesem Fall dehnt sich die Speiche infolge der Wirkung ihrer Masse um denselben Betrag wie die Felge. Dasselbe Ergebnis kann man erzielen, wenn 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 ist. Sie wird nachstehend beschrieben.

Die in F i g. 3 gezeigte Felge 20 kann aus einzelnen diskreten Ringen oder einzelnen Wicklungen aus Strangmaterial bestehen. Die Wicklungen können nur aus Strangmaterial, Verbunddrähten, Verbundbändern oder Verbundstäben bestehen. Man kann derartiges Strangmaterial beispielsweise aus Glasfasern 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 glasfaserverstärkten Epoxidharz, das als Verbundmaterial eine Zugfestigkeit über 176kp/mm² hat. Dieses Material wird gewöhnlich in Form eines Verbundfadens geliefert, dessen Querschnitt einen Durchmesser von 1,07 mm hat.

Unter Bezugnahme auf die Fig.4 sei darauf hingewiesen, daß ein Mantel 30 mit Wicklungen 32 aus glasfaserverstärkten 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 Wicklung beginnt und auswärts fortschreitet. Der Abschluß am inneren Ende ist kein Problem, weil die höchste hier zu erwartende Spannung in dem vorliegenden Beispiel bei einer gegebenen Drehzahl nie höher sein kann als etwa ¹At der Spannung in der äußersten Wicklung. Nach dem üblichen Wickelverfahren wird die Wicklung 32 gewöhnlich am Außenumfang der Felge 30 abgeschlossen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren beginnt die Wicklung 32 ebenfalls am Innenumfarig (R,) der Felge 30 und führt sie bis zum Außenumfang (R₀). Von diesem Punkt R₀ aus wird die Wicklung durch eine einzige Wicklungslage 34 fortgesetzt, die einwärts bis zu einem Punkt auf dem Innenumfang (Ri) führt. Dort beträgt bei einer

(R Ϋ
gegebenen Drehzahl die Spannung das ^-=^- fache der Spannung am Außenumfang R₀.

Man kann dasselbe Ergebnis natürlich auch erzielen, wenn der sich einwärts erstreckende Wicklungsteil 34 aus zahlreichen Wicklungslagen besteht oder sogar 50% der Hauptwicklung beträgt Die Verwendung nur einer einzigen einwärtsgewickelten Lage ist jedoch zu bevorzugen, weil das Einwärtswickeln mit automatischen Maschinen Viel Schwieriger iS'u

In den F i g. 5 —18 sind verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schwungrädern mit mehreren Felgenkränzen 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 18 in Fig.3 entspricht diametral um eine Schwungradfelge 42 herumgewickelt ist In den Bereichen, in denen das Band 40 die Felge 42 kreuzt sind alle Strangmaterialelemente der gewickelten Felge miteinander und mit den Enden des Speichenbandes 40 verbunden. In der in den Fig.5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist ein geeigneter Abstandhalter 44 vorgesehen, an dem mit Flanschen 48 und Schrauben 50 eine Welle 46 befestigt ist. Das Band 40 tritt durch eine diametrale Nut 52 in jedem der Flansche 48.

Das in den F i g. 7 und 8 gezeigte Schwungrad mit mehreren Kränzen ähnelt dem soeben anhand der

¹J F i g. 5 und 6 beschriebenen, mit dem Unterschied, daß die Felge 62 gemäß F i g. 7 und 8 aus zahlreichen einzelnen, diskreten Ringen 64 besteht, die in der vorstehend beschriebenen Weise aus anisotropischem Material gewickelt sind. Ferner sind in der Felge 62 jene

ίο Stellen, an denen die einzelnen Kränze 64 miteinander und mit einer Speiche 66 verbunden sind, mit einem geeigneten, uniaxial orientierten Verbundmaterial 68 umwickelt worden, bevor die Speiche 66 um diese Stellen herumgewickelt und daran angebracht worden

ι ^r> ist. Das Verbundmaterial 66 könnte sich gegebenenfalls auch zwischen Lagen erstrecken, die von den Ringen 64 (oder Wicklungen gemäß F i g. 5) gebildet werden.

In den Fig.9 und 10 ist eine mehr oder weniger übliche Speiche 70 gezeigt, die eine zentrale Öffnung zur

:ii Aufnahme einer durchgehenden Welle 72 besitzt und an beiden Enden mit verdickten Anschlußteilen 74 für die Verbindung, z. B. Verschweißung, mit Haltebändern 76 versehen ist, welche die Ringe bzw. Strangmaterialwicklungen der Felge an örtlich begrenzten Stellen umgeben und zusammenhalten, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die Verbindungen zwischen der Speiche und der Felge und zwischen der Speiche und der Welle können gelenkig oder starr sein. Bei der Verwendung von Gelenken kann sich das Schwungrad etwas schrägstellen, was jedoch wahrscheinlich zu Schwingungen mit einer dem Auslenkungswinkel proportionalen Amplitude führen würde.

Die Ausführungsform gemäß den F i g. 11 und 12 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäß den Fig.9 und 10, doch wird jetzt als Speiche kein starres Glied, sondern ein dünner, biegsamer Ring 80 verwendet, der aus jedem geeigneten Material bestehen kann, beispielsweise aus Metall, oder aus demselben Verbundstrangmaterial wie die Felge 86. In beiden Fällen ist der Speichenring 80 vorzugsweise so ausgebildet, daß er sich zwischen dem Stillstand und der Rotation des Schwungrades nur minimal verformt und daß jede Hälfte des Speichenringes die Form einer annähernd parabolischen Kettenlinie besitzt wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Man kann den Speichenring 80 an der Welle 82 und den Halteringen oder -bändern 84 mit Hilfe von verschiedenen, üblichen Maßnahmen befestigen.
Ein etwas abgeändertes Schwungrad ist in den F i g. 13 und 14 gezeigt. Hier sind anstelle eines einzigen Speichenringes zwei diametral fluchende Speichenringe 90 ind 92 vorgesehen, die zwischen einander entgegen-

angeordnet sind. Man kann die Speichenringe 90 und 92 mit der Felge 98 und der Welle 94 beispielsweise einfach dadurch verbinden, daß das Band 96 das äußere Ende des Speichenringes umgibt 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 Fig. 11 und 12 oder von zwei Speichenringen gemäß den Fig. 13 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 Felge bei der Auslegungsdrehzahl um ihren Schwerpunkt rotiert anstatt um ihren geometrischen Mittelpunkt.

Eine andere Art der Verbindung der verschiedenen Teile des erfindungsgemäßen Schwungrades mit mehreren Felgenringen ist in den F i g. 15 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 100 fluchten rechtwinklig zu der Drehachse, und ihre einander entgegengesetzten Enden sind zwischen ringförmigen Lagen 102 von diskreten Ringen oder Strangmaterialwicklungen angeordnet, die zusammen die Felge 104 des Schwungrades bilden. Die Welle und der Abstandhalter können im wesentlichen so angeordnet sein, wie dies vorstehend anhand der F i g. 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 Speichenbänder 100 geschlitzt.

Die in den F i g. 15 und 16 gezeigte Ausführungsform bietet verschiedene Vorteile. Die Konstruktion ist relativ einfach und erfordert für die gewickelte Felge 104 nur eine minimale Menge Strangmaterial. Wichtig ist es auch, daß die Ringe in den Lagen 108 der Felge 104 gleichmäßiger abgestützt sind. Daher ist diese Ausführungsform für Schwungräder von großer axialer Dicke vorzuziehen.

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. Der in F i g. 17 mit 140 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. 17 gezeigte Felge 135 besteht aus diskreten konzentrischen Ringen 136. Dabei sind die Abstände zwischen den Ringen in Fig.21 übertrieben groß dargestellt, so daß man den auf der Innenseite jedes Ringes 136 vorhandenen Ballast 140 leicht erkennen kann. Man könnte die Felge 135 auch aus Strangmaterialwicklungen herstellen, auf deren Innenfläche Ballast vorgesehen ist Wichtig ist auch die Ausbildung der Nabenspeichen 138 und die Ausbildung der Felge 135. Diese Merkmale werden nachstehend ausführlich erläutert Aus der nachstehenden Diskussion gehen die Vorteile der Verwendung von Ballast 140 klar hervor.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, ist die in jedem einzelnen Ring oder jeder einzelnen Wicklung hervorgerufene Spannung eine Funktion des Quadrats des Radius des betreffenden Felgenelements. Daher kann nur der äußerste Ring oder die äußerste Wicklung bis zu der Höchstspannung beansprucht werden, während die Energiespeicherkapazität der anderen Ringe oder Wicklungen nicht voll ausgenutzt wird. Wenn R,-= '/3 R₀ ist, kann die Energiespeicherkapazität 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 ist, kann man die Masse verneunfachen, ehe die in den Fasern hervorgerufene Spannung den rechnungsmäßigen Höchstwert erreicht. Wenn nun ein Ballast 140 von unendlich großer Dichte (Null-Volumen) verwendet werden würde, könnte man das Schwungrad so aufbauen, daß in allen Ringen oder Wicklungen die rechnerische Höchstspannung hervorgerufen und die rechnerische Höchstenergiemenge gespeichert werden kann, wenn man zu jedem Ring oder jeder Wicklung Ballast in einer Menge hinzufügt, die dem Verhältnis (R₀ZR_x)¹ proportional ist, wobei R_x der Radius des mit Ballast versehenen Felgenelements ist. In jedem Fall ist die erforderliche Ballastmenge um so kleiner, je größer der Radius des betrachteten Rings oder der betrachteten Wicklung ist. Als Ballast kann man beispielsweise massives Blei, Uran oder Stahlstaub in einer relativ biegsamen Grundmasse, beispielsweise aus Blei, verwenden.

Der durch die Verwendung von Ballast erzielte Vorteil einer höheren Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit bedingt jedoch eine etwas herabgesetzte Energiespeicherkapzität pro Gewichtseinheit. Im Idealfall wäre diese Herabsetzung gleich Null, und zwar dann, wenn der Ballast keinen Raum einnehmen würde, weil die Energiespeicherkapazität dem Gewicht proportional ist, wenn die anderen sie bestimmenden Faktoren, der Radius und die Drehzahl, nicht verändert werden. Daher erhält man die höchste Energiespeicherkapzität pro Volumeneinheit, wenn das Ballastgewicht im Verhältnis zu dem Gewicht des Strangmaterials so groß wie möglich ist. Dies wäre der Fall bei einem 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 Holzes. In zahlreichen bisher untersuchten Anwendungsfällen von Schwungrädern ist die geringe Herabsetzung der Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit ohne Bedeutung. In den meisten Fällen ist die Erhöhung der Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit nicht so wichtig 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 Strangmaterialien.

Die Dicke jeder Ballastlage 140 soll zwar möglichst dem Quadrat des Radius umgekehrt proportional sein, doch genügt es in der Praxis, wenn die Ballastmenge mit zunehmendem Radius abnimmt.

Der Außenumfang 144 der in Fig. 17 im Stillstand gezeigten Feige i35 ist zwischen den vier Urnfangsstellen, an denen die Felge mit Bändern 146 zusammengehalten ist, nicht vollkommen kreisförmig. Wenn die Felge 135 um die Drehachse 142 rotiert, dehnen sich die zwischen den Bändern 146 vorhandenen Außenumfangsteile der Felge in die Stellung aus, die bei 148 strichpunktiert angedeutet ist. Die Felge ist daher so vorgeformt daß sie bei ihrer Rotation eine Form annimmt bei der sie in den Nabenspeichen 138 nur eine minimale Spannung hervorruft Diese Herabsetzung der Spannung wird dadurch erzielt daß die Ringe 136 bei der Nenndrehzahl der Felge 135 mit dem Befestigungs-

b5 punkt jedes Bandes 146 bzw. mit der Längsachse jedes Bandes 146 einen Winkel unter 90° einschließen. Im Stillstand sind die Ringe 136 nur angenähert kreisförmig und ist die Bogenlänge der Ringe 136 zwischen den

Bändern 146 kleiner als die Länge eines Kreisabschnitts zwischen den Bändern 146.

Der Betrag der Abweichung jedes Ringes 136 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 Solldrehzahl 4,6% beträgt, muß die Umfangslänge der Felge 135 im Stillstand um 4,6% kleiner sein als der Umfang eines vollkommenen Kreises mit demselben Radius.

Zum Herstellen einer gemäß Fig. 17 ausgebildeten 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 erhält Die Ausbildung dieses Doms wird anhand der Fig. 18 erläutert. Man erkennt die nur angenähert kreisförmige, ringförmige Linie 144, die dem Außenumfang 144 in Fig. 17 entspricht und deren Umfangslänge um 4,6% kleiner ist als die des um diesen Außenumfang umgeschriebenen Kreises 148. Dieser hat den Radius DG, der natürlich gleich CG ist. Der angenähert kreisbogenförmige Bogen DAC wird dann in eine geeignete Anzahl von Abschnitten, hier neun, geteilt. Die Felge selbst erstreckt sich von einem gewünschten Nenn-Nabenradius EG über eine radiale Gesamtbreite EC=FD. Zur Bestimmung 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 Bögen in den anderen Quadranten bestimmen eine vollständige Dornfläche 150, auf der eine nur 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.

Aus der F i g. 17 geht hervor, daß der Innenradius der Felge 135 58% des Außenradius beträgt, damit ein optimales Verhältnis zwischen der Energiespeicherkapazität pro Volumeneinheit und der Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit erhalten wird. Man erkennt, daß die radiale Breite der Felge im Stillstand überall gleich ist. Bei der Nenndiehzahl ist nur der äußerste Ring 136 oder die äußerste Wicklung kreisförmig, weil die elastische Dehnung jedes Ringes dem Quadrat seines Radius proportional ist. Die Summe aller Radialkraftvektoren aller rotierenden Ringe 136 hat daher stets einen kleinen negativen Wert d.h., die resultierende Kraft ist zu der Drehachse 142 hin gerichtet, so daß die Verbindung zwischen Speiche und Nabe vereinfacht wird. Ir. Fig. !7 erkennt man ferner Ausgleichsgewichte 160, die am Außenumfang und am Innenumfang der Felge 135 vorgesehen sind. Diese Gewichte 160 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 klein sind. Man kann die Gewichte 160 an den Bändern am Innen- oder Außenumfang oder, wie dargestellt am Innen- und Außenumfang anbringen. Fig. 19 zeigt eine Felge 170, die nur auf einer Seite mit einer Halteeinrichtung versehen ist Die Felge besitzt einen Hauptteil 172, der aus mehreren Stapeln von Ringen oder Wicklungen 174 bestehen kann und von einem einzigen Halteband 176 zusammengehalten wird, dessen Länge gleich der radialen Breite oder einem Teil der radialen Breite der Felge ist. Der Hauptteil 172 ist zwischen dünneren Seitenteilen 178 angeordnet, die in den Abmessungen und im Gewicht untereinander gleich und die gegenüber dem Hauptteil 172 etwas versetzt sind. Jeder Seitenteil 178 hat ein einziges Halteband 180, das ähnlich aufgebaut ist wie das Band 176, sich aber in der entgegengesetzten Richtung erstreckt Der Hauptteil 172 ist doppelt so dick wie jeder Seitenteil 178. Die Seitenteile 178 dienen zum ίο Ausgleich der elastischen Dehnung der Felge 170, deren Hauptteil nur mit einem einzigen Halteband 176 zusammengehalten wird. Nachstehend wird erläutert, warum die Felge aus drei Teilen besteht und jeder der beiden Seitenteile nur die Hälfte der Masse des mittleren Teils besitzt

In der vorstehend beschriebenen Ausbildung mit nur einer Speiche dehnt sich der nicht abgestützte Teil jedes Ringes"^ an allen Stellen von der ursprünglichen Drehachse weg auswärts, während die unter der einzigen Speiche liegenden Stellen festgehalten werden. Bei zunehmender Drehzahl treten daher in einer derartigen einteiligen Felge zunehmend Unwuchten auf. Wenn jetzt auf derselben Welle eine mit der zuerst betrachteten Felge fluchtende Felge angeordnet und 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 ausdehnenden Ringen ausgeübte Radialkraft der auf den anderen Satz ausgeübten Radialkraft gegengleich ist.

In dem angegebenen Ausführungsbeispiel sind jedoch unter der Annahme homogener Dichte diese gegengleichen Kraftvektoren axial um die Axialdicke einer Felge gegeneinander versetzt so daß eine dynamische Unwucht entsteht das heißt daß die Drehachse eine Nickbewegung ausführen könnte, wenn sie nicht festgelegt ist Man kann diese Unwucht vermeiden, wenn man eine dieser Felgen in zwei gleiche Teile teilt und diese Hälften auf je einer Seite der anderen Felge anordnet Jetzt ist die Summe aller drei Vektoren gleich Null (statisches Gleichgewicht) und liegen diese drei Vektoren in derselben Ebene (dynamisches Gleichgewicht) (Fig. 19). Wenn überall dasselbe Ringmaterial verwendet wird, erzielt man dieses statische und dynamische Gleichgewicht auch, wenn infolge der unterschiedlichen Radien der Ringe kleine Formunterschiede zwischen ihnen vorhanden sind. Dieselben Überlegungen sind auf eine Felge anwendbar, die aus zahlreichen Scheiben besteht und eine größere axiale so Dicke hat als die aus drei Scheiben bestehende Felge gemäß Fig. 19, sofern die Masse der beiden Endscheiben die Hälfte der Masse jeder der Zwischenscheiben beträgt, die beiden Endscheiben mit je einer Speiche versehen sind, die sich parallel zueinander in derselben Richtung erstrecken, und bei einer ungeraden Anzahl von Scheiben diese Speichenrichtung der Richtung der Speichen der jeweils benachbarten Scheiben entgegengesetzt ist Diese ziemlich komplizierte Bedingung geht aus F i g. 20 hervor. Die ungeradzahligen Scheiben sind mit je einer Speiche 192 versehen. Alle Speichen 192 erstrecken sich in derselben Richtung. Bei den geradzahligen Scheiben 196 fluchten die Speichen miteinander, während sie den Speichen 192 der ungeradzahligen Scheiben entgegengesetzt sind. Ohne die dünnen Endscheiben 198 ist eine ungerade Anzahl von Scheiben vorhanden. Durch das Hinzufügen der untereinander gleichen, dünnen Endscheiben erhält man die Kraftvektorensumme, die theoretisch zu einem

statischen und dynamischen Gleichgewicht führt Gemäß F i g. 19 und 20 sind die einander benachbarten Scheiben in der Richtung ihrer Speichen radial versetzt, doch ist dies für eir-ΐη einwandfreien Betrieb nicht erforderlich. Diese Versetzung erleichtert nur die Erläuterung und zeigt, daß man durch eine derartige Versetzung bewirken kann, daß der äußerste Ring bei der Nenndrehzahl nicht nur kreisförmig, sondern auf der Drehachse zentriert ist. In diesem Fall ist im Betrieb der Biegewinkel des Ringes (Winkel θ in Fig.2) natürlich gleich NuIL Wenn nun der äußerste Ring kreisförmig ist, sind die inneren Ringe nicht kreisförmig und nicht auf der Drehachse zentriert Beide Bedingungen führen dazu, daß an der Stelle, an der die Felge an der einzigen Speiche befestigt ist, zusätzliche Spannungen auftreten. Man kann jedoch annehmen, daß diese zusätzlichen Spannungen relativ klein sind gegenüber den Spannungen, die in vergleichbaren Schwungrädern

mit mehreren Speichen auftreten. Infolge von ir Innenebenen auftretenden Asymmetrien ist es sehi schwierig, ein Schwungrad mit mehreren Felgen unc einer einzigen Speiche zum Vergleich mit anderer Schwungrädern mit mehreren Felgenringen hinsichtlicl der örtlichen Spannungen zu analysieren.

Diese scheinbar kompliziert aufgebaute Felge wire deshalb für zweckmäßig gehalten, weil sie zu Vorteilet führen kann, die mit anderen Ausführungsformen nich erzielt werden können. Beispielsweise ist bei sons gleichen Bedingungen eine einzige Speiche oder eii einziges Halteband billiger als eine Anordnung mi mehreren Speichen oder Bändern. Wichtiger ist jedod die Tatsache, daß man bei nur einer Speiche oder nui einem Halteband einen kleineren Biegewinkel erhält al: bei mehreren Speichen oder Haltebändern, wem dasselbe Material,verwendet wird.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwungrad mit einer die Schwungmasse bildenden Felge aus mehreren mindestens angenähert konzentrisch um eine Welle angeordneten Kränzen aus anisotropem Material, das in Umfangsrichtung eine große Zugfestigkeit aufweist, gekennzeichnet durch im Winkelabstand zueinander angeordnete, im wesentlichen radial verlaufende und die Kränze entgegen der Fliehkraft nach radial innen halternde Bänder (14; 18; 40; 76; 84; 96; 100; 146; 176,180; 192,194).

2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bänder (40, 76, 84,100) längs eines einzigen Durchmessers der Felge (42, 78, 86, 98,104) erstrecken und mit ihren äußeren Enden die Felge nur an zwei Befestigungspunkten halten.

3. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (40, 76, 84, 96, 100) aus Verbund-Strangmaterial bestehen, das diametral um die Felge (42,78,86,98,104) herumgewickelt ist.

4. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Felge bildenden Kränze an jedem Befestigungspunkt aneinander befestigt sind.

5. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (40, 76, 84, 96, 100) längs des Durchmessers der Felge (42, 64, 78, 86, 98, 104) dehnbar sind.

6. Schwungrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (96) an elastischen Ringen (90,92) befestigt sind, die an diametral gegenüberliegenden Stellen mit der Welle (94) verbunden sind.

7. Schwungrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (84) an diametral gegenüberliegenden Seiten eines einzigen elastischen Ringes befestigt sind, der mit der Welle (82) verbunden ist und in einer durch die Drehachse der Felge (86) verlaufenden Ebene liegt.

8. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze der Felge (86, 98) aus Verbund-Fasermaterial bestehen und deren Bänder (84, 96) an einander diametral gegenüberliegenden Punkten an elastischen, mit der Welle (82, 84) verbundenen Ringen (80,90,92) verbunden sind.

9. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schwungmasse bildende Felge (135) aus Sektoren aufgebaut ist, deren Radien ausgehend von den äußeren Radien zu den Winkelhalbierenden der Sektoren bei stillstehender Felge abnehmen und deren Umfangslinien (144) bei Nenndrehzahl einen Kreis (148) bilden.

10. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kränzen bestehende, die Schwungmasse bildende Felge (170) scheibenförmig aufgebaut ist und einen größeren Innenteil (172) besitzt, der zwischen zwei kleineren Seitenteilen (178) eingeschlossen ist und daß die scheibenförmigen Teile (172, 178) der Felge (170) jeweils nur durch ein längs eines Radius verlaufendes Band (176, 180) gehalten sind.