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Vorrichtung zur Speicherung kinetischer Energie"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung kinetischer
Energie, bestehend aus einem um eine feste Achse drehbar gelagerten Rotationskörper,
der aus einzelnen in axialer Richtung aneinandergereihten, kreisringförmigen Scheiben
gleicher Dicke und gleichen Durchmessers zusammengesetzt ist.
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Mechanische Energiespeicher, deren Speicherwirkung auf der kinetischen
Energie eines um eine ortsfeste Achse rotierenden Körpers beruht, sind seit langem
bekannt. Als Energiespeicher wurden Vollscheibenmit oder ohne Bohrung, meist aus
Stahl oder Holz, verwendet. In neuerer Zeit wurden aus führliche Untersuchungen
im Rahmen der Energieverknappung und der Umweltbelastung an Schwungrädern durchgeführt.
Aufgrund dieser Untersuchungen wurden spezielle Bauformen für die Schwungräder entwickelt.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Schwungradanlagen unter Vakuum zu betreiben,
um
die Verluste durch Luftreibung zu unterdrücken.
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Die Leistungsfähigkeit eines Schwungrades läßt sich durch das Energiegewicht
und das Energievolumen beurteilen.
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Unter Energiegewicht ist die pro Gewichtseinheit speicherfähige Energiemenge
zu verstehen, wobei bei der Berechnung des Gewichtes neben dem Schwungradgewicht
auch das Gehäusegewicht mit zu berücksichtigen ist. Das Energievolumen ist als die
pro Volumeneinheit speicherfähige Energiemenge zu definieren, wobei als Volumen
das umhüllende Volumen einzusetzen ist.
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Die in den US - Patentschriften 3 672 241, 3 698 262 und 3 737 694
vorgeschlagenen Bauformen besitzen nur eine geringe Energiespeicherfähigkeit wegen
ihrer schlechten Volumenfüllung (Radvolumen/bestrichenes Volumen). Sie eignen sich
deshalb schlecht zum Einsatz in mobilen Anlagen, beispielsweise straßen- und/oder
schienengebundene Fahrzeuge. In der US - PS 3 788 162 werden Bauformen für Schwungräder
beschrieben, die aus winkelversetzten laminierten Fadenebenen aufgebaut sind.
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Die Fadenebenen bestehen hierbei aus parallel gelegten Einzelfäden.
Diese Fadenebenen werden am günstigsten zu einer Scheibe gleicher Festigkeit zusammengesetzt,
da hierbei eine optimale Ausnutzung der Werkstoffestigkeit stattfindet.
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Diese Ausbildungsform besitzt - besonders bei Hintereinanderschaltung
einzelner Scheiben auf einer gemeinsamen Welle -ein ungünstiges Energievolumen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen,
die eine optimale Ausnutzung der Festigkeitseigenschaften eines isotropen Werkstoffes
gestattet, ohne dabei zu einer schlechten Voluffienfüllung zu gelangen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Rotationskörper
das aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinander geschalteter, flachgekrümmter Scheiben
besteht.
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Der Krümmungsradius der einzelnen Scheiben ist so auszulegen, daß
sich bei Betriebsdrehzahl ein Zustand gleicher Festigkeitsbeanspruchung an allen
Stellen der Scheiben einstellt. Aufgrund dieser Anordnung läßt sich ein Schwungrad
schaffen, das bei Verwendung isotroper Werkstoffe ein hohes Energiegewicht (speicherfähige
Energiemenge bezogen auf das Gesamtgewicht)bei gleichzeitig optimaler Volumenfüllung
erreicht. Die einzelnen, zum Aufbau des Schwungrades benötigten Scheiben lassen
sich relativ einfach ohne großen maschinentechnischen Aufwand herstellen, beispielsweise
durch Drücken bzw. kreisförmiges Walzen oder Flachwalzen mit nachfolgendem Formprägen.
Durch die geringe notwendige Wandstärke der einzelnen Scheiben läßt sich eine hohe
Festigkeit erreichen. Ferner ist dadurch eine gute Kontrolle der Werkstoffqualität
möglich, so daß eine hohe Sicherheit gegen Zerstörung durch Bruch während des Betriebes
gegeben ist. Aufgrund der vorteilhaften Aneinanderreihung einzelner Scheiben läßt
sich das Schwungrad an unterschiedliche Größen-und Leistungsanforderungen feinstufig
anpassen. Als Einsatzgebiet eignen sich sowohl mobile als auch ortsfeste Anlagen.Das
Energiegewicht läßt sich bei dieser Anordnung bei gleichem umhüllendem Volumen gegenüber
der Stahlscheibegleicher Festigkeit um rund 95% steigern.
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Bei der Verwendung einer größeren Anzahl einzelner Scheiben wird in
einer erfindungsgemäßen Weiterbildung vorgesehlagen, den Rotationskörper aus zwei
koaxial hintereinander angeordneten und gegensinnig geschalteten Paketen aufzubauen,
die jeweils aus einer Anzahl gleichsinnig hintereinandergeschalteter, flachgekrümmter
Scheiben bestehen, wobei zwischen den
Paketen ein bikonvexgeformter
Hohlraum entsteht. Dadurch wird ein im wesentlichen geschlossener und symmetrischer
Rotaionskörper gebildet, so daß sich ein günstigeres Anlaufverhalten bis zum Erreichen
der Betriebsdrehzahl einstellt.
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Um bei diesem so aufgebauten Rotationskörper das Energievolumen zu
optimieren, wird gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen, in dem von den zwei Paketen gebildeten
Hohlraum einen massiven Zwischenkörper einzubringen. Dieser Zwischenkörper erhält
durch die Form des Hohlraumes die Kontur eines Körpers gleicher Festigkeit, so daß
das so gebildete Schwungrad sowohl ein großes Energiegewicht wie auch ein großes
Energievolumen besitzt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1: einen Querschnitt eines gemäß der Erfindung
aufgebauten Schwungrades; Fig. 2: einen Querschnitt durch eine einzelne Scheibe.
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In Fig. 1 wird das Schwungrad zwischen den festen, drehbar gelagerten
Wellenzapfen 1 und 2, deren dem Schwungrad zugewandten Ende als Flansch ausgebildet
ist, durch nicht dargestellte Befestigungselemente befestigt. Das Schwungrad ist
aus zwei zueinander gegensinnig, koaxial ihrer Rotationsachse angeordneten Scheibenpaketen
aufgebaut. Jedes Scheibenpaket besteht aus den flachgekrümmten Scheiben 3.Die einzelnen
Scheiben 3 bestehen beispielsweise-wie in Fig. 2 dargestellt -aus
einzelnen
parallel zueinander angeordneten, fadenförmigen Elementen, deren Verband durch einen
geeigneten Matrix-Werkstoff gewährleistet wird. Als Alternative zu diesem quasiisotropen
Werkstoff, zu dem auch Schichtholz gezählt werden kann, bieten sich die isotropen
Werkstoffe wie Stahl, Titan, Berillium, Aluminium - Legierung oder andere Knetlegierungen
an. Der zwischen den beiden Scheibenpaketen vorhandene bikonvex geformte Hohlraum
wird von einem massiven Zwischenkörper 4 ausgefüllt, dessen Oberfläche der Form
des Hohlraumes angepaßt ist.
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Bei Rotation einer ebenen Scheibe gleicher Dicke entsteht ein progressiver
Anstieg der Radial- und Tangentialspannungen nach innen.Ist diese Scheibe aus einzelnen
konzentrisch zueinander angeordneten Ringen ohne Radialverbund aufgebaut, so nimmt
umgekehrt die Tangentialspannung mit dem Quadrat des Radius nach außen zu. Durch
das Aufbringen einer bestimmten flachen Krümmung auf eine dünne Scheibe gleicher
Dicke ist ein Radialverbund gegeben, bei dem für alle Ring zonen gleiche Vergleichsspannungen
der zweiachsigen Spannungszustände bei Rotation der Scheibe,erreicht werden kann,
weil sich durch Aufweiten der flachen Krümmung gegen die Scheibenebene geometrische
Durchmesserverformungen einstellen; das bedeutet, die radial angreifenden Fliehkräfte
bilden Kraftkomponenten senkrecht zur gekrümmten Scheibenfläche, so daß dadurch
die Scheibe flacher verformt wird und eine Vorspannung aufgeprägt erhält, die die
primäre Spannungsverteilung der ebenen Scheibe ausgleicht. Dabei ist es entscheidend,
daß die Vorspannung sekundär aus dem Aufbau der Fliehkraftbelastung selbst entsteht.
Durch Variation der Krummungsformen lassen sich auch andere Spannungsverteilungen
einstellen, beispielsweise geringere Spannungen im Befestigungsbereich der Welle.
Die notwendige Krümmung richtet sich nach der Betriebsdrehzahl der Vorrichtung.