DE2552476C2

DE2552476C2 - Schwungrad mit ineinandergefügten Kränzen

Info

Publication number: DE2552476C2
Application number: DE2552476A
Authority: DE
Inventors: Johan A. West Palos Verdes Estates Calif. Friedericy; Dennis A. Huntington Beach Calif. Towgood
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1984-08-16
Also published as: CA1047803A; US4036080A; JPS528265A; GB1534395A; DE2552476A1; FR2292898A1; FR2292898B1; JPS5952307B2; GB1534394A; GB1534393A; JPS5177780A

Description

13. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 — IZ gekennzeichnet durch eine erste Armsternanordnung (92a; mit einer Vielzahl von Speichen (98), deren jede eine erste Endstütze (97) mit eine^ ersten radialen Dimension und eine zweite Endstütze (97) mit einer zweiten radialen Dimension aufweist, eine zweite Armsternanordnung {92b) mit einer Vielzahl von Speichen (98). deren jede eine erste Endstütze (97) mit der ersten radialen Dimension und eine zweite Endstützc (97) mit der zweiten radialen Dimension aufweist, eine erste rohrförmige Kranzanordnung (96) mit einer mittleren inneren radialen Dimension, die kleiner ist als die erste radiale Dimension, und mit Endteilen, die auf den ersten Endstützen der Armsterne in nichtkreisförmiger Gestalt befestigt sind, eine zweite rohrförmige Kranzanordnung (96) mit einer mittleren inneren radialen Dimension, die kleiner ist als die zweite radiale Dimension und mit Endteilen, die auf den zweiten Endstützen der Armsterne in nichtkreisförmiger Gestalt befestigt sind, und eine Vorrichtung (100) zur Befestigung der Arnt-ternanordnung (92a, 92b) mit den Speichen (98) der ersten Armsternanordnung (92aj, die mit den Speichen (98) der zweiten Armsternanordnung (92b) ausgerichtet ist.

14. Schwungrad nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß die Kranzanordnung (96) Ränder besitzt und daß die Armsterne (92a, 92i>; Mittel aufweisen, die in Reibeingriff mit den Rändern der Kranzanordnung während der Drehung des Schwungrades stehen.

15. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergefügte Kranzanordnung aus eir^r Vielzahl von individuellen Kränzen besteht und Mittel aufweist, die eine Kohäsion zwischen benachbarten Kränzen verhindern.

16. Schwungrad nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kohäsion verhindernden Vorkehrungen bahnförmiges Material sind, das zwischen benachbarten Kränzen angeordnet ist.

!7. Schwungrad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das bahnförmigc Material ein Kunststoffilm ist.

18. Schwungrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergefügte Kranzvorrichtung einen ersten, auf der Nabe befestigten Kranz und einen /weiten, auf dem ersten Kranz befestigten Kranz aufweist, und daß der erste Kranz antriebsmäliig mit dem zweiten Kranz in Verbindung steht, wenn das Schwungrad rotiert.

19. Schwungrad nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe mit dem ersten Kranz zur Rotation der ineinandergefügten Kranzanordnung in Reibeingriff steht.

Die Erfindung betrifft ein Schwungrad mit einer Nabe mit Speichen und einer Vielzahl von ineinandergefügten, iiuf den Speichen angeordneten Kränzen.

Ein Schwungrad kann als Primärenergiequclle für ein Fahrzeug oder als Hilfsenergiequelle zur Bereitstellung zusätzlicher Energie für die Beschleunigung verwendet werden. Energie wird im Schwungrad dadurch gespeichert, daß das Schwungrad mit hoher Umfangsgeschwindigkeit (häufig über 600 m/s) um eine Achse rotiert. Durch Befestigung des Schwungrades auf Lagern mit geringer Reibung und in einer evakuierten Kammer können die Energieverluste erheblich herabgesetzt werden. Die Rotation des Schwungrades treibt einen Generator an, der elektrische Energie einspeist, um einen Motor zum Antrieb des Fahrzeuges zu betreiben. Während des Bremsens funktioniert die Motor- und Generatorschaltung so, daß Energie, die normalerweise in Form von Wärme während des Bremsvorganges verloren gehen würde, dem Schwungrad wieder zugeführt und zur späteren Verwendung gespeichert wird. Das Schwungrad stellt somit eine außerordentlich wirksame und einfache Vorrichtung zur Speicherung von Energie in Fahrzeugen oder entsprechenden Vorrichtungen dar.

Die Konstruktion eines derartigen Schwungrades bringt jedoch erhebliche Schwierigkeiten mit sich. Beispielsweise sind bekannte Schwungräder so aufgebaut, daß sie einen kreisförmigen metallischen Kranz oder dgl. aufweisen, der über dünne Speichen mit einer Nabe verbunden ist. Die in einem solchen Schwungrad gespeicherte Energie ist porportional der Masse des Kranzes und dem Quadrat der Drehzahl. Nimmt man ein massives Schwungrad und dreht das Rad mit zunehmenden Drehzahlen, könnte im Prinzip beliebig viel Energie im Schwungrad gespeichert werden. Mit zunehmender Masse und zunehmender Drehzahl nimmt jedoch die Ringbeanspruchung, die sich aus der Zentrifugalkraft ergibt, zu, übersteigt letztlich die Zugfestigkeit des Materiales und bewirkt, daß das Schwungrad auseinanderfliegt. Dieses Problem ist bei massiven Schwungrädern noch in stärkerem Maße vorhanden. Das Material für ein Schwungrad muß somit eine sehr hohe Festigkeit sowohl in tangentialerals in radialer Richtung besitzen.

Während schwerere Materialien als für eine Schwungraokonstruktion geeigneter erscheinen, wurde festgestellt, daß eine Verringerung der Masse gestattet, das Schwungrad bei wesentlich höheren Drehzahlen bei gleicher Materialfestigkeit zu betreiben. Da die gespeicherte Energie proportional der ersten Potenz der Masse und der zweiten Potenz der Winkelgeschwindigkeit ist, ermöglicht die Verwendung leichterer Materialien vergleichbarer Festigkeit, daß Schwungräder größere Energiemengen speichern. Bei der Auswahl von Materialien für ein Schwungrad ist somit eine Hauptforderung ein hohes Verhältnis von Festigkeil zu Dichte.

Es haben sich ausgezeichnete Ergebnisse dadurch erzielen lassen, daß der Kranz aus einem Fascrmnierial hergestellt wurde, das in einer Richtung in eine Matrix gewickelt wurde. Ein Beispiel für eine derartige Konstruktion ist Fiberglas, das in einem entsprechenden Epoxydharz gewickelt wurde. Versuche mit Schwungrädern aus derartigen Materialien haben gezeigt, daß die Ringfestigkeit, die durch die gewickelte!! Fäden erzielt wurde, die tangentialen Beanspruchungen, die dem Schwungrad aufgegeben wurden, leicht überstiegen. Die radialen Beanspruchungen waren jedoch größer als die Festigkeit der Matrix, so daß das Schwungrad aufblätterte, d. h. in konzentrische Ringe aufbrach.

Man war deshalb der Auffassung, daß eine verbesserte Schwungradkutis'.ruktion eine solche Konstruktion wäre, die eine Vielzahl von ineinandergefügten konzentrischen kreisförmigen Zylindern aufweist, von denen jeder aus einem gewickelten Fasermaterial ia einer Matrix besteht. Die Dicke eines jeden Kranzteiles eines solchen Schwungrades ist begrenzt, so daß die radiale Beanspruchung an dem Teil etwa gleichförmig verläuft,

d. h. die Änderung von der inneren Oberfläche zur äußeren Oberfläche ist nicht so groß, daß ein Abblättern des Zylinders auftritt.

Während diese Konstruktion bisher als ideal angesehen wurde, war man nicht in der Lage, ein betriebsfähiges Schwungrad mit einem Mehrfachkranz zu. bauen. Da Schwungräder mit hohen Drehgeschwindigkeiten rotieren müssen, was insbesondere auf Schwungräder zutrifft, die aus einem Material geringer Dichte bestehen, ist die auf das Schwungrad einwirkende Zentrifugalkraft erheblich und nimmt gegen die äußere Oberfläche des Schwungrades wesentlich zu. Dies ergibt eine sehr hohe radiale Zunahme, wenn das Schwungrad sich der Betriebsgeschwindigkeit nähert Die Kranzabschnitte tendieren somit dazu, sich voneinander und von der Nabe zu lösen und dies führt zur Zerstörung des Schwungrades.

Bisherige Versuche zur Lösung dieses Problemes gingen von der Verwendung von Spannbändern oder anderen Einspannungen aus, um die Schwungrad-Kranzabschnitte zusammenzuhalten und die Kranzanordnung an der Nabe zu halten. Mit keiner dieser Methoden war es bisher möglich, ein Schwungrad herzustellen, das mit praktischen Energiedichtewerten betrieben werden kann.

Aus der DE-PS 8 70 925 ist ein Schwungrad mit einem kreisförmigen inneren Ring, der kreisförmig auf den Speichen befestigt ist. und einem auf den inneren Ring aufgeschweißten äußeren Ring bekannt, wodurch Druckbeanspruchungen auf den inneren Ring ausgeübt werden. Bei einem derartigen Schwungrad liegt der äußere Ring nicht über den gesamten Innenumfang am Innenring an, sondern besitzt mit diesem nur einige wenige Verbindungsstellen. Der innere Ring eines derartigen Schwungrades, der sowohl im Ruhezustand a's auch im Betriebszustand Kreisform hat, ist notwendigerweise unabhängig von der im Ruhezustand aufgebrachten Spannung unter hoher Beanspruchung bei Beschleunigung auf Bctriebsdrehzahl.

Des weiteren ist aus der US-PS 2 84 369 ein Schwunges rad mit einer Nabe mit Speichen und einer Vielzahl von ineinandergefügten, auf den Speichen angeordneten Kränzen bekannt. Ein derartiges Schwungrad hat sowohl im Ruhezustand als im Betriebszustand aufgrund seiner starren Konstruktion die gleiche Konfiguration,

ϋο wobei die Innenfläche der Kreisanordnung im Querschnitt als Vieleck ausgebildet ist, deren Seitenzahl der Anzahl der Speichen entspricht.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Schwungrad r.'.il Mehrfachzahnkränzen zu schaffen, bei dem im

μ Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen ein Opsimum an dynamischem Gleichgewicht und an Stabilität erzielt wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Kränze derart elastisch ausgebildet sind und in Ru-

bo hestellung des Schwungrades nicht kreisförmige Gestalt derart aufweisen, daß sie bei Erreichen der Betriebsdrehzahl des Schwungrades unter dem Einfiuß der Fliehkraft Kreisform annehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand

b5 der IJnieransprüche

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Schwungrades stehen die ineinandergefügten Ringe über ihre gesamten Oberflächen in Berührung miteinan-

der und die Ausbiegungen ergeben sich ausschließlich aus der relativen Größe von Kran/, und Speichen. Die ineinandergefügten Kränze sind dabei so auf den Speichen befestigt, daß die Kränze zu einer nichtkreisförmigen Gestalt verformt sind, damit sie auf den Speichen befestigt werden können, deren Länge größer ist als der Hälfte des Innendurchmessers der Kranzanordnung entspricht. Die relative Größe der Elemente ist so gewählt, daß der Kranz die gewünschte kreisförmige Gestalt nur bei Erreichen der Betriebsdrehzahl des Schwungrades annimmt.

Man hat bei der Konstruktion des Schwungrades nach vorliegender Erfindung festgestellt, daß es nicht immer möglich ist, die Kranzanordnung mit der exakten Gewichtsverteilung herzustellen, die für optimales dynamisches Gleichgewicht und Stabilität erforderlich ist, während das Schwungrad mit seiner Bctriebsgcschwindigkcit umläuft. Aufgrund der Konstruktion des erfindungsgemäßen Schwungrades tendiert das Schwungrad dazu, die Gleichgewichtseigenschatten während des Betriebes zu verbessern. Da keine Spanngurte oder andere Einspannmittel bei dem erfindungsgemäßen Schwungrad verwendet werden und die Kranzbauteile der Kranzanordnung nur in Reibeingriff miteinander stehen und sonst nicht miteinander befestigt sind, ist eine Drehverschiebung der Kranzbauteile innerhalb der Kranzanordnung nach physikalischen Gesichtspunkten möglich, so daß das rotierende Schwungrad eine Konfiguration annimmt, die durch das dynamische Gleichgewicht und die Stabilität bei Laufgeschwindigkeit am besten zur Wirkung bringt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Endansicht eines Schwungrades gemäß der Erfindung in Ruhestellung.

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung eines Armsternes zur Verwendung im Schwungrad nach rig. i.

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht einer Kranzanordnung zur Verwendung im Schwungrad nach Fig. 1.

Fig.4 eine Querschnittsansicht längs der Linie 4-4 der F ig. 1.

F i g. 5 eine Endansicht ähnlich der nach F i g. 1 eines mit Betriebsdrehzahl umlaufenden Schwungrades.

Fig.6 eine Endansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Schwungrades nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Endansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 8 eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig.9 eine Schnittansicht längs der Linie 9-9 der Fig. 8.

Fig. 10 eine Teilschnittansicht ähnlich der nach Fig.8 einer abgeänderten Ausfühningsform eines Schwungrades,

Fig. II und 12 Querschnittsansichten anderer Ausführungsformen gemäß der Erfindung und

Fig. 13 eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausfühningsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Schwungrad 10 gemäß der Erfindung mit einer Naben- und Speichenanordnung 12 bzw. einem Armstern Ϊ2 und einer Kranzanordnung 14.

Der Armstern S2 ist am besten den l^: i g. 1. 2 und 4 zu entnehmen und weist einen zcntrischen oder Nabenicil 16 auf, von welchem eine Vielzahl von Speichen 18 ausgehen. Die Speichen haben eine beliebige Gcsiait. vorzugsweise jedoch eine solche Formgebung, daß die Zentrifugalbeanspruchung in den Speichen möglichst gering ist. Dies ermöglicht die Verwendung leichter Materialien, z. B. Aluminium, bei der Herstellung des Armkrcu/cs. Ein äußerer Teil 20 einer jeden Speiche 18 kann soweit vergrößert werden, daß die Befestigung der ί Kranzanordnung 14 in einer nachbeschriebenen Weise möglich ist. Eine Welle 22 kann mit dem Armstern 12 befestigt oder einteilig mit ihm ausgebildet sein, damit die Befestigung des Schwungrades auf (nicht dargestellten) Lagern geringer Reibung im Betrieb möglich ist.
ίο Die Kranzanordnung 14 ist in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigt und weist vorzugsweise eine Vielzahl von inein- ; andergeschachteltcn, rohrförmigen Kranzbauteilen 24 ^:i mit einem inneren Kran/. 24a und einem äußeren Kranz 24b auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die SS Kran/.iinordnung in der Weise aufgebaut, daß jeder Kran/, aus Fascrmatcrial auf eine geeignete Form in einem entsprechenden Matrixmaterial aufgebracht bzw. aufgezogen wird. Ist der innere Kranz 24a aufgezogen, wird er getrocknet und gehärtet. Der zweite Kranz 24 wird darm über den inneren Kranz 24« aufgebracht und die Kombination getrocknet und gehärtet. Dieser Vorgang wieder wiederholt, bis der äußere Kranz 246 aufgebracht ist. Die Herstellung der Kranzanordnung 14 wird dann durch abschließendes Trocknen und Härten Ti der gesamten Anordnung abgeschlossen. Es kann erforderlich sein, eine weitere Materialschicht, z. B. einen Kunslstoffilm zwischen die Kränze einzusetzen, um ein Haften an den Eingriffsflächen benachbarter Kränze zu verhii.üern. Die Randanordnung kann zylindrisch aufgejo baut sein. Wie nachstehend jedoch ausgeführt wird, können im Rahmen vorliegender Erfindung auch andere _f Konfigurationen gewählt werden.

Gemäß der Erfindung ist die Kranzanordnung 14 so aufgebaut, daß der innere Radius des inneren Kranzes r> 24a kleiner ist als der Radius der Speicher 18 des Armslernes 12, wenn das Schwungrad 10 stillsteht. Die Kranzanordnung 14 kann nicht einfach auf dem Armstern 12 befestig*, werden. Um eine Befestigung zu erreichen, muß die Kranzanordnung 14, die zylindrisch ausgebildet ist. in eine nichtkreisförmige Gestalt verzerrt werden, wie sie in Fi g. 1 gezeigt ist. so daß der innere Radius des inneren Kranzes 24a etwa gleich dem Radius der Speichen 18 an einer Vielzahl von Stellen 26 ist, wobei die Anzahl von Stellen 26 mit der Anzahl von Speichen 18 des Armsternes 12 übereinstimmt.

Es kann erwünscht sein, die Kranzanordnung 14 etwa in der in Fig. 1 dargestellten Gestalt zu formen, um einen großen Teil der oder die gesamte Deformation zu vermeiden, die erforderlich ist, um eine zylindrisch geformte Kranzanordnung auf den Armstern 12 aufzuziehen.

Wenn nach F i g. 5 das Schwungrad 10 durch Drehen mit der Belriebsumfangsgeschwindigkeit, die über 600 m/s betragen kann, in Betrieb ist. bewirkt die Zen- _r trifugalkraft, daß das gesamte Schwungrad in radialer Richtung expandiert und bewirkt, daß die Kranzanordnung 14 in Umfangsrichiung expandiert. Aufgrund dieser Expansion nimmt die äußere Oberfläche des Kranzes 24b eine Gestall an, die etwa kreisförmigen Querschnitt besitzt, wodurch das Schwungrad 10 eine außerordentlich stabile Konfiguration während des Laufes erhält. Der übrige Teil der Randbautciie 24, der einer j geringeren Zentrifugalkraft ausgesetzt ist, behält je- ; doch eine geringfügig nicht kreisförmige Konfiguration 'ψ. b5 bei. Es wird somit ein erheblicher Reibeingriff zwischen pi benachbarten Kränzen und zwischen dem inneren ·ά Kranz 24a sowie den äußeren Teilen 20 der Speichen 18 ΐ aufrechterhalten. Die Integrität des Schwungrades 10 ]|

wird somit ohne Verwendung von Spanngurten oder anderen speziell hierfür vorgesehenen Halterungen beibehalten, und zwar auch bei hohen Drchgcschwindigkeitcn, die erforderlich sind, damit ein Schwungrad eine effektive Energiespeichervorriehtung bilden kann.

Wenn das Schwungrad 10 bis zum Stillstand verzögert wird, kehrt die Randanordnung 14 in die in F i g. I gezeip'e. Konfiguration zurück. Wird das Schwungrad mit einer Drehzahl betrieben, die kleiner ist als die Betriebsdrehzahl, liegt die angenommene Gestalt der Kranzanordnung 14 zwischen den in den Fig. I und 5 dargestellten Konfigurationen.

Bei der Herstellung eines Schwungrades gemäß vorliegender Erfindung hängen die Dimensionen der verschiedenen Komponenten von einer Reihe von Veränderlichen ab, einschließlich der Materialien, aus denen der Armstern 12 und die Kranzanordnung 14 aufgebaut sind, von der zu speichernden Energiemenge, der gewünschten Drehgeschwindigkeit und der Gewichtsverteilung des Schwungrades.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend eine praktische Ausführungsform eines Schwungrades nach vorliegender Erfindung erläutert, im Rahmen der Erfindung können jedoch wesentliche Abweichungen in den angegebenen Parametern vorgenommen werden.

Das Schwungrad 10 nach den Fig. I bis 5 kann vollständig aus leichten Materialien aufgebaut sein. Wenn die Speichen 18 so ausgestaltet sind, daß die Zentrifugalbeanspruchungen auf ein Minimum herabgesetzt werden, '/ie nach der Form nach Fig. 1, kann der Armstern 12 aus Aluminium hergestellt sein. Die Kränze 24 der Kranzanordnung 14 sind aus Fäden aus Glasfaser der Art, die als £-Glas in einer Epoxydmatrix bekannt sind. Jeder Kranz ist etwa 0,625 cm dick. Die Kranzanordnung 14 besteht aus vier Kränzen 24 und besitzt einen Außendurchmesser von etwa 64 cm und einen Innendurchmesser von etwa 59 cm.

Die Drehzahl dieses Schwungrades ist so gewählt, daß die tangentiale Beanspruchung aufgrund der Drehung auf 690 N/mm² in der äußeren Trommel begrenzt wird. Damit wird die Umfangsgeschwindigkeit auf etwa 570 m/s festgelegt.

Beim Betrieb mit 570 m/s treten verschiedene Dimensionsänderungen auf, deren jede ohne Schwierigkeiten berechnet werden kann. Der äußere Kranz 246 erfährt eine Radiuszunahme von etwa 0,45 cm; zusätzlich erfährt die Kranzanordnung 14 eine Abnahme der Dicke um etwa 0,008 cm aufgrund der hohen Tangentialbeanspruchung bei dieser Geschwindigkeit. Der Armstern aus Aluminium erfährt bei dieser hohen Drehgeschwindigkeit eine Zunahme des Radius von etwa 0,042 cm. Dies ist erheblich kleiner als die Zunahme des Radius der Kranzanordnung 14. Damit muß der Außendurchmesser des Armsternes 12 in Ruhestellung wesentlich größer sein, damit die Zunahme bei Betriebsgeschwindigkeit aufgenommen werden kann, so daß der Kranz in Kontakt mit den Speichen bleibt Zusätzlich ist es erwünscht, eine Sicherheit von 5% einzubauen, so daß eine Trennung nicht auftreten kann, bis das Schwungrad 10 einen Wert von 105% der Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat Demnach wird der Armstern mit einem Außendurchmesser von 60 cm hergestellt Dies übersteigt den Innendurchmesser der Kranzanordnung 14 um etwa 03 cm und verhindert, daß die Kranzanordnung 14 auf dem Armstern 12 in Kreisform befestigt ist, jedoch genügend nahe, damit eine Befestigung der Kranzanordnung 14 bei der in F i g. 1 dargestellten Konfiguration möglich ist.

Bei der Festlegung der Anzahl von Kränzen 24 und der Dicke eines jeden Kranzes ist es stets erforderlich, wie weiter oben angedeutet, die Verteilung der radialen Beanspruchung über den Kranz zu berücksichtigen, so daß ein Abblättern verhindert wird, das sonst auftreten kann. Bei der Auslegung eines Schwungrades nach vorliegender Erfindung ist es jedoch auch erforderlich, zu berücksichtigen, daß die Kranzanordnung 14 eine Konto figuration für den Zusammenbau des Schwungrades nach F i g. 1 annehmen muß, ferner eine etwa kreisförmige Konfiguration bei Betriebsgeschwindigkeit. Somit dürfen die Kränze 24 nicht so dick sein, daß sie eine Tendenz /um Brechen zeigen oder sonst während der physikalischen Deformicrung beschädigt werden.

Eine andere Ausführungsform des Schwungrades nach vorliegender Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt; hierbei isi eine Kranzanordnung 14 eines Schwungrades 10/4 auf einem Armstern 12.4 befestigt, der ähnlich dem Armstern 12 nach Fig.2 ausgebildet ist, mit der Ausnahme, duß er drei Speichen 18 besitzt. Die Kranzanordnung 14 ist in einer nicht kreisförmigen Konfiguration auf dem Armstern 12/4 befestigt und expandiert in eine etwa kreisförmige Konfiguration, wenn das Schwungrad 10Λ seine Betriebsgeschwindigkeit erreicht.

In F i g. 7 ist ein Schwungrad 10ß dargestellt, dessen Kranzanordnung 14 auf einem Armstern I2ß befestigt ist, der zwei Speichen 18 besitzt. Während der Ruhesteljo lung unterscheidet sich die Kranzanordnung 14 wiederum von dem anderen dargestellten Ausführungsbeispiel. Theorie und Wirkungsweise des Schwungrades lOßsind jedoch die gleichen.

Während es theoretisch möglich ist. Schwungräder J5 mit einer beliebigen Anzahl von Speichen 18 zu bauen, wird durch die Forderung, daß der Innenradius der Kranzanordnung 14 kleiner als der Radius der Speicher 18 und trotzdem auf die Speichen aufgesetzt sein muß, stets eine Grenze nach oben gesetzt. An einer bestimmten Stelle abhängig von dem dimensionsmäßigen Unter schied zwischen diesen Radien, die durch die Betriebsparametcr des Schwungrades erforderlich sind, ist es nicht möglich, zusätzliche Speichen vorzusehen und dann noch die Kranzanordnung auf dem Armstern ohne Beschädigung aufzuziehen. Aus Gründen der Befestigung und der Stabilität wird ein Armstern mit drei oder vier Speichen 18 bevorzugt.

Eine Methode, nach der die durch ein Schwungrad zu speichernde Energiemenge erhöht werden kann, besteht darin, das Schwungrad längs seiner Achse zu ver längern, so daß seine Masse vergrößert wird, was zur Energiemenge, die gespeichert werden kann, beiträgt Die Fig.8—12 zeigen verschiedene Ausführungsformen, mit denen dies mit dem Schwungrad nach der Erfindung erzielt werden kann.

Die F i g. 8 und 9 zeigen ein Schwungrad 30 mit einem Armstern 32 und einer Kranzanordnung 34; wie am besten der F i g. 9 zu entnehmen ist, ist der Aufbau des Schwungrades 30 etwa der gleiche wie der des Schwungrades 10, mit der Ausnahme, daß die Kranzanordnung 34 und ein Nabenteil 36 sowie Speichen 38 des Armsternes 32 in eine Richtung längs der Achse des Schwungrades verlängert sind.

Eine ähnliche Konstruktion kann durch Verwendung von weniger Material innerhalb des Armsternes erzielt werden, indem ein Schwungrad 40 nach Fig. 10 mit einer Armsternanordnung 42 und einer Kranzanordnung 44 vorgesehen wird. Die Armsternanordnung 42 besteht

aus einer Vielzahl von Armsternteilen 42a, die in unmittelbarer Nähe voneinander angeordnet sind und Speichen 48 aufweisen, die damit ausgerichtet sind. Die Armsternteile sind durch einen Sparinbolzen 50 befestigt, der in ausgerichteten axialen Bohrungen 52 in den Armsternteilen 42a angeordnet ist. Zwei Muttern 54 sind auf den Spannbolzen 50 aufgeschraubt und halten die Armsternanordnung 42 zusammen. Endteile 50a des Spannbolzens 50 können als Befestigungswelle für das Schwungrad dienen.

Bei dieser Konstruktion kann das Schwungrad 40 mit beliebiger Länge ausgeführt werden, indem einfach die Anzahl von Armsternteilen 42a, die bei der Konstruktion der Armsternanordnung 42 miteinander verbunden sind, verändert werden. Die Kranzanordnung 44 wird dann in einer entsprechenden Länge hergestellt und auf den Speichen 48 befestigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine einwandfreie Ausrichtung der Speichen 48 benachbarter Armsternteile kritisch, da eine FehlausrichiüMg einen Zusammenbau des Schwungrades 40 voll ständig verhindern könnte. Somit sind eine Vielzahl von Führungsgliedern 50i> auf dem Spannbolzen 50 in Führungen 53 angeordnet, um eine Ausrichtung der Armsternteile zu gewährleisten.

In F i g. 11 ist ein Schwungrad 60 dargestellt, das einen Armstern 62 und eine Vielzahl von Kranzanordnungen 64 aufweist. Der Armstern 62 besitzt eine längliche Welle 66. Speichen 68 sind in versetzten Abständen längs der Welle angeordnet und gehen radial von diesen Speichen aus. Die Speichen sind so ausgelegt, daß jede Gruppe von Speichen 68 eine Anordnung bildet, die ähnlich den Armsternen 12,12/\ oder 12ß ist, welche in den Fig. 1, 6 und 7 dargestellt ist. Ein Vorteil des Schwungrades 60 ist, daß jede der Kranzanordnungen 64 identisch ist. Eine Änderung der Länge des Schwungrades 60 macht keine Änderung des Aufbaues der Kranzanordnung notwendig. Es ist nur erforderlich, eins zusätzliche Kranzanordp.ung 64 an einen angefügten Satz von Speichen 68 hinzuzufügen.

F i g. 12 zeigt ein Schwungrad 70 mit einer Armsternanordnung 72 und einer Kranzanordnung 74. Bei dieser Ausführungsform weist die Armsternanordnung 72 eine Vielzahl von Armstei meilen 76 auf, deren jede eine Vielzahl von Speichen 78 besitzt. Die Armsternteile an jedem Ende der Armsternanordnung 72 besitzen vorzugsweise ein Wellenteil 80 auf einer Seite. Verbindungsteile 82 auf den Armsternteilen 76 sind in solcher Weise befestigt bzw. verschraubt, daß die Armsternanordnung 72 gebildet wird. Auch hier ist wieder darauf zu achten, daß die Speichen 78 auf benachbarten Armsternteilen 76 ausgerichtet sind, so daß die Kranzanordnung 74 darauf befestigt werden kann.

Jedes Paar von Kranzanordnungen 74 kann aus einer Vielzahl von Kränzen 84 gebildet sein. Die Kranzanordnung 74 zeigt eine versetzte Zylinderanordnung, wobei Kranzbauteile unterschiedlicher Längen verwendet werden, wobei die Kranzbauteile einer Lage sich überlappen und in Reibeingriff mit zwei oder mehr Kranzbauteilen auf der darunterliegenden Lage stehen. Durch Verwendung einer versetzten Anordnung in Verbindung mit der geschweißten Armsternanordnung kann ein Schwungrad 70 beliebiger Länge bei Verwendung einer geringen Anzahl von Normteilen aufgebaut werden.

F i g. 13 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der ein Schwungrad 90 ein Paar von Armsternen 92a und 92b besitzt, die eine Kranzanordnung^ aufnimmt; individuelle Kranzbauteile 96 der Kranzanordnung sind dabei an ihren Endteilen durch Endträger 97 auf Speichen 98 der Armsterne 92a und 92f> abgestützt. Jeder Armstern kann aus mehreren Teilen bestehen, z. B. der Armstern 92a oder aus einem einzigen Stück bestehen, wie z. B. der Armstern 92b: vorzugsweise kann ein Spannbol/.cn 100 verwendet werden, der durch die Mutter 102 gegen eine Mctallscheibe 104 festgezogen wird, die die Steifigkeit der Anordnung ergibt. Führungsteile 100a des Spannbolzens 100 sind in Führungen 106 in den Armslerncn 92a und 92b angeordnet, um eine einwandfreie Ausrichtung zu erreichen.

Bei dieser Konfiguration können die Kranzbauteile 96 an benachbarten Kranzbauteilen in der Kranzanordnung 94 anliegen oder im Abstand davon angeordnet sein; jedes Kranzbauteil wird dabei individuell abgestützt und in einer nichtkreisförmigen Konfiguration an den Endicilen gehalten, wenn das Schwungrad 90 stillsteht.

Wird das Schwungrad 90 bei hohen Drehgeschwindigkeiten betrieben, expandiert ipdc-sder Kranzbauteile % in radialer Richtung und nimmt eine etwa kreisförmige Konfiguration an. Wenn die Randbauteile 96 in der in Fig. 13 dargestellten Weise versetzt sind, ergibt sich ein Reibeingriff zur Aufrechterhaltung der Drehgeschwindigkeit eines jeden Kranzbauteiles nicht aufgrund eines Reibeingriffcs zwischen benachbarten Kranzbauteilen. In diesem Fall wird jedes Kranzbauteil an den Endteilen durch die Armsterne 92 beaufschlagt, so daß die bauliche Integrität des Schwungrades aufrechterhalten wird. Man hat bei der Konstruktion des Schwungrades nach vorliegender Erfindung festgestellt, daß es nicht immer möglich ist, die Kranzanordnung mit der exakten Gewichtsverteilung herzustellen, die für optimales dynamisches Gleichgewicht und Stabilität erforderlich ist, während das Schwungrad mit seiner Betriebsgeschwindigkeit umläuft. Aufgrund der Konstruktion des erfindungsgemäßen Schwungrades tendiert das Schwungrad dazu, die Gleichgewichtseigenschaften während des Betriebes zu verbessern. Da keine Spanngurte oder andere Einspannmittel bei dem erfindungsgemäßen Schwungrad verwendet werden und die Kranzbauteile der Kranzanordnung nur in Reibeingriff miteinander stehen und sonst nicht miteinander befestigt sind, ist eine Drehverschiebung der Kranzbauteile innerhalb der Kranzanordnung nach physikalischen Gesichtspunkten möglich, so daß das rotierende Schwungrad eine Konfiguration annimmt, die das dynamische Gleichgewicht und die Stabilität bei Laufgeschwindigkeit am besten verwirklicht.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwungrad mit einer Nabe mit Speichen und einer Vielzahl von ineinandergefügten, auf den Speichen angeordneten Kränzen, dadurch gekennzeichnet, daßdie Kränze (14,24,24a. 24i>; 34,44,64,72,84,96) derart elastisch ausgebildet sind und in Ruhestellung des Schwungrades (10, 10A, 1OB, 30, 40, 60, 70, 90) nicht kreisförmige Gestalt derart aufweisen, daß sie bei Erreichen der Betriebsdrehzahl des Schwungrades unter dem Einfluß der Fliehkraft Kreisform annehmen.

2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergefügten konzentrischen ι* Kränze (24) die gleiche nichtkreisförmige Gestalt aufweisen und daß die Innenfläche der Vielzahl von Kränzen eine Vielzahl von erweiterten Stellen (26) besitzt, deren Anzahl gleich der Anzahl der Speichen (18) ist. ^w

3. Schwuagrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innenfläche der Kranzanordnung an jeder der erweiterten Stellen (26) eine radiale Dimension besitzt, die etwa gleich der radialen Dimension der Speichen (18) ist

4. Schwungrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei axial nebeneinander liegenden Nabenanordnungen (42, 42a; 92a, 92b), eine Vielzahl von Speichen (48, 98) auf jeder Nabenanordnung, und eine Vorrichtung (50,52; 100,102) zur Befestigung der Nabenanordnungen aneinander, wobei die Speichen auf den einzelnen Nabenanordnungen bezüglich ihrer WinMlage aufeinander ausgerichtet sind.

5. Schwungrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von ineinandergefügten Kränzen (44; 96) auf den Speichen (48; 98) aller Nabenanordnungen angeordnet sind.

6. Schwungrad nach Anspruch 4. gekennzeichnet durch zusätzliche, ineinandergefügte Kränze, die auf den Speichen aller Nabenanordnungen angeordnet sind.

7. Schwungrad nach einem der Ansprüche I bh b, gekennzeichnet durch mindestens zwei Armstcrnvorrichtungen (42,42a: 62; 72, 76; 92a, 926; und eine 4S Wellenanordnung (50, 50a. 66, 80, 100). die die Naben der Armsternvorrichtungen miteinander verbindet.

8. Schwungrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenanordnung (66) einteilig mit ->o den Armsternvorrichtungen (62) ausgebildet ist.

9. Schwungrad nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Nabe ein Wellcnteilslück (82) ausgebildet ist, und daß die Wellenteilstückc zu der Wellenanordnung verbunden sind. ^r>^r>

10. Schwungrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergefügten Kränze (44,64,84) auf den Speichen (48,68,78) der Armslcrne befestigt sind.

11. Schwungrad nach Anspruchs dadurch gc- m> kennzeichnet, daß die ineinandergefügte Kran/.nnordnung (96) eine erste Vielzahl von ineinandergefügten Kränzen, die auf den Speichen eines der Armsterne (92a, 92t; befestigt ist. und eine /weile Vielzahl von ineinandergefügten Kränzen, die auf ilen tv, Speichen (98) des anderen Armsternes befestigt sind, aufweist.

12. Schwungrad mich Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergefügte Kranzanordnung (74) eine Vielzahl von ineinandergefügten Kranzschichten (84) aufweist, von denen eine Schicht zwei Kranzsegmenge und eine andere der Schichten zwei Kranzsegmente, die die Kranzsegmente der einen Schicht überlappen, aufweist