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Schwungrad-Energiespeicher
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Die Erfindung betrifft einen Schwungrad-Energiespeicher mit eier auf
einem Tragkörper aufgebrachten Schwungradwalze aus faserverstärkten Kunststoffen.
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BeX der verwendung von Schwungrädern zur Speicherung von mechanischer
Arbeit ist es bereits mehrfach bekannt,
die Schwungräder unter Verwendung
von hochfesten, mit Nunstharz getränkten masern herzustellen, die um einen als Nabe
oder Speicherkörper ausgebildeten Tragkörper gewickelt werden. Maßgeblich fär die
Verwendung dieser lasern ist neben ihrem hohen Verhältnis von Festigkeit zum spezifischen
Cenicht - der sogenannten Re@länge - , dar sie bei etwa gleicher Festigkeit mit
unterschiedlichen Elastizitätsmodulen herstellbar sld.
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Eine unter Anwendung dieser Kriterien hergestellte v~rrichtung zur
Energiespeicherung ist aus der D2-üS 21 4 581 bekannt, be der das Schwungrad aus
zahlreichen einzelnen am Umfang ine inatider und nebeneinander angeordneten Ringen
besteht. Gede aus nebeneinander liegenden Ringen bestehende Ringschale weist in
A@hängigkeit vom Elastizitdtsmodul und dem spezifischen Gewicht eine unterschiedliche
Faserkombination auf. Die Ringe sind in einem elastischen Füllstoff, z. B. Silikongummi,
eingebettet, der mit einem als Tragkörper dienenden Speicherrad verbunden ist. Dieser
Schwungradspeicher erfordert durch seinen Aufbau einen ungewöhnlich hohen Fertigungsaufwand.Durch
die US-PS 3 602 067 ist ein weiterer Schwungradspeicher bekannt, bei dem eine Abstimmung
der Festigkeitsverteilung mit der Beanspruchungsverteilung durch ein variierbares
Verhälntis der Faser- und Kunstharzanteile zwischen jeweils 30 WO und 70 % erreicht
werden soll. Die zugehörige Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele mit groben Durchmessern
und geringen Längen der Schwungradnabe, wobei die Konstruktion der Tragkörper nicht
gezeigt ist. Diese bisher übliche Ausführungsform vonSchwungrädern ist äußerst ungünstig,
weil die im Betrieb auftretenden Kreiselmomente durch die gen Durchmesser stark
anwachsen und dabei von den
mit kleinem Basisabstand angeordneten
Lagern schlecht abgesetzt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgahe zugrunde, mit bewehrten Herstellungsverfahren
leicht zu fertigende z.hwungrad-Energiespeicher zu schaffen, die in ihren Abmessungen
und ihrem Aufbau ein ausgewogenes verhältnis von gutem Betriebsverhalten, hohem
Speichervermögen und ginstiger Aufnahme der auftretenden Kräfte und Momente aufweisen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Schwungrad-Energiespeicher
der eingangs genannten Art dadurch, da3 der Tragkörper als dünnwandiger Hohlzylinder
mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens eins ausgebildet ist,
an den, vorzugsweise kegelig ausgeführt, Lagerzapfen tragende bergangsteile angesetzt
sind, und da'3 die chwungradwalze aus mit Kunstharz getrankten, auf den Tragkörper
gewickelten Fasern besteht, deren Dehnverhalten mit demjenigen des Tragkörpers abgestimmt
ist.
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Nach einer Ausbilduny der Erfindung weist die Schwungradwalze etwa
den 1,5- bis 2-fachen Durchmesser des Hjhlzylinders auf. Entsprechend einer Ausführungsform
der Erfindung steht der Tragkörper aus ritan urid die nchtiungradwalze aus mit Kunstharz
getränkten Kohlenstoffaser oder verketteten Einkristallfäden. Nach einer weiteren
Ausbildung der Erfindung weist der Hohlzylinder axiale Schlitze auf, die sich bis
in die Übergangsteile erstrecken.
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Fär einen derartigen Hohlzylinder wird weiter vorgeschlagen, daß der
tragkörper aus Stahl oder ritan und die Schwungradwalze aus mit Kunstharz getränkten
Fasern aus Kohlenstoff, S-las oder Aramiden oder aus einem mit
Kunstharz
getränkten Mischgarn aus Kohlenstoff- und Aramidfasern besteht, wobeiderAnteil der
Kohlenstofffasern von innen nach außen stetig ansteigt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dai die schwungradwalee,
vorzugsweise in der Nähe des äußeren Durchmessers, eine oder mehrere ringförmige
Lagen von axial angeordneten Kohlenstoffasern aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen åchwungrad-Energlespeicher kann der 1'ragkörper-Ifohlzylinder
aus hochfesten Materialien aller Art, je nach Verwendungszweck d zul'assigen Herstellungskosten
bestehen. Durch die, entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung, als Hohlkegel
ausgef;ührtenbergangsteiIe wird eine unbehinderte Ausdehnung des Hohlzylinders im
Bereich der Faserwicklung des Schwungrad -Tragkörpers erreicht.
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Die gekennzeichnete geometrische Gestaltung, die einer Spulenform
entspricht, und die Verwendung einer im wesentlichen gleichmälaigen Verteilung der
Fasergarne und des Kunstharzes für die Schwungradwalze sichert dem Schwungrad-Energiespeicher
ein durch umfangreiche Rechnungen erhärtetes günstiges Betriebsverhalten und eine
lange Lebensdauer. Es wird mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aufbau bewußt
von der Gestaltung der bisher bekannten Schwungrad-Energiespeicher abgegangen und
damit das Vorurteil ausgeräumt, daß die Schwungradwalzen einen möglichst großen
Durchmesser bei geringer Tiefe und zur Erzeugung großer peicherleistungen außerdem
von innen nach außen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und -zusammensetzungen
aufweisen müssen. Die
durch solche bekannten, sehr fertigungsaufwendigen
Schwungradspeicher erzielbare Erhöhung an Speicherleistung beträgt nur einige Prozent
gegenüber Körpern mit gleichem Speichervolumen entsprechend der Erfindung.
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Die großen Nachteile der bekannten Bauarten von Schwungradwalzen aus
faserverstärkten Kunststoffen mit Speichergehäusen von großen Durchmessern und schwer
zu beherrschenden Kreiselmomenten werden durch den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen
Schwungrad-Energiespeichers vollkommen behoben, dessen Einzelteile sowohl im Entwurf
als auch in der Ausführung sicher beherrschbar sind. Der Tragkörper bildet dabei
einen Biegeträger, auf dem die auftretenden Kräfte und Momente an den mit einer
ausreichenden Basis versehenen Lagerzapfen auf die Lager günstig absetzbar sind.
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Dabei ist es möglich, die aus Kreiselmomenten entstehenden Kräftepaare
durch den großen Abstand der Lagerzapfen klein zu halten und z. B. in Kugellagern
abzusetzen, wie es in ähnlicher Art bei ebenfalls sehr schnelldrehenden Turbinen
für Flugtriebwerke bereits erprobt ist. Bei Langzeit-Energiespeichern können die
Energieverluste durch Lagerreibung noch weiter durch Verwendung von Magnetlagen
herabgesetzt werden. Durch die als Hohlkegel ausgeführten Übergangsteile wird außerdem
sichergestellt, daß die Spannungsverteilung an den Tragkörperenden weitgehend derjenigen
in der Mitte entspricht.
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In Ausgestaltungen der Erfindung ist entweder die Schwungradwalze
nur auf dem zylindrischen Teil des Tragkörpers angeordnet ou;~ sind Wicklungen teilweise
auch auf den Übergangsteilen anyehracht. Durch diese maßnahmen und durch die Wahl
der verwendeten Werkstoffe kann erfindungsgemäß erreicht werden, daß die Tangential-
und Radialspannungen
im Tragkörper und in der Schwungradwalze
stets unterhalb der jeweiligen Bruchspannung bleiben Ein weiterer Vorteil ist darin
zu sehen, deLd die Schwungradwalzen aus homogenen, imprägnierten Fasergarnen mit
Hilfe von Wickelverfahren herstellbar sind, wie sie z, B. bei der Fertigung von
Druckbehältern bereits seit langem erprobt und bekannt sind. Dabei kann durch die
Verwendung des Mischgarnes aus Kchlenstoff- und Aramidfasern sowohl eine Anpassung
der Fasern an den Tragkörper als auch eine dem Durchmesser der Schwungradwalze angepaßte
bessere Energieaufnahme erreicht werden.
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Eine einfache Lösung des Kühlungsproblems wird entsprechend einer
vorteilhaften Wefterhildung der Erfindung dadurch erzielt, daß die Übergangsteile
und Magerzapfen hohl ausgeführt sind und in Verbindung mit dem Hohlzylinder zur
Aufnahme und zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit dienen. Dabei besteht die öglichkeit,
die Kühlflüssigkeit gleichzeitig zur weiteren Speicherung von kinetischer Energie
zu verwenden.
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Der Einbau der erfindungsgemäßen Schwungrad-Energiespeicher in Fahrzeugen
kann in bekannter Art zweckmäßig so erfolgen, daß zur Vermeidung von Kreiselmomenten
zwei Schwungradspeicher verwendet werden, die mit gleicher Drehzahl gegenläufig
rotieren. Die Speicher können dabei in ebenfalls bekannter Weise mit Getrieben undXoder
Kupplungen und Elektromotoren verbunden werden und in evakuierten Gehäusen umlaufen.
Dabei können auch Einrichtungen zusätzlich eingebaut werden, de es in gleichfalls
bekannter Weise gestatten, den Schwungrad-Energiespeicher durch die beim Bremsen
freiwerdende Energie wieder auf zur laden.
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In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von schematisch wiedergegebenen
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigern: Fig. t die einfachste Form eines
Schwungrad-Energiespeichers im Schnitt; Fig. 2 ein Rechenmodell £ur die Ermittlung
von Spannungsverläufen im Tragkörper und in der Schwungradwalze; Fig. 3 ein wergrößert
dargestelltes Element des Rechenmodells; Fig. 4 Spannungswerläufe einer Kontrolirechnung
zur Überprüfung eines Rechenprogrammes; Fig. 5 das Rechenmodell entsprechend Fig.
2 mit einer Spannungskurve fur den Tragkörper; Fig. 5 Auftragungen von Spannungsverläufen
in der Schwungradwalze des Schwungrad-Energiespeichers entsprechend Fig. 1; Fig.
7 ein Schwungrad-Energiespeicher mit ge-Schlitztem Tragkörper und Hohlkegel-Übergangsteilen;
Fig. 8 einen Schnitt entsprechend den Linien VIII-VIII der Fig.7;
Fig.
9 Auftragungen von Spannungsverläufen in der Schwungradwalze des chwungrad-Energiespeichers
entsprechend den Fig. 7 und 8; rig. IG und 11 weitere Ausfährungsformen von Schwungrad-Energiespeichern
mit unterschiedlichen aDergangsteieni Fig. 12 eine Anordnung entsprechend Fig. 1,
die zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit im Tragkörper geeignet ist; Fig. 13 eine
perspektivische Darstellung einer Fahrzeug-Energiespeicher und - Antriebseinheit
mit zwei gegenlaufigen Schwungrad-Energiespeichern und Fig. 14 ein der in Fig. 13
eingebauten Schwungrad-Energiespeicher.
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Ein erfindungsgemälder schngrad-Energiespeicher 11 besteht entsprechend
Fig. 1 aus einem Tragkörper 12 und einer Schwungradwalze 13. Der Tragkörper 12 besteht
in seinem Mittelteil aus einem Hohlzylinder 14, an den an beiden Enden je ein Übergangsteil
15 mit Lagerzapfen 16 angesetzt sind.
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Die Schwungradwalze 13 besteht aus mit Kunstharz getränkten Fasergarnen,
die auf dem metallischen Tragkörper 12 mit einem bekannten Spulenwickelverfahren
aufgewickelt und anschließend, z. B. in einem Autoklaven, ausgehärtet werden.
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Der gesamte Schwungrad-Energiespeicher hat eine langgestreckte Spulenform
mit einer großen Basis fUr die Lagerzapfen 16. Dieses wird in der Ausführungsform
entsprechend Fig. 1 dadurch erreicht, daß der Hohlzylinder 14 ene Länge
aufweist,
die mindestens oder großer als sein Durchmesser ist und die übergangsteile 15 als
Hohlkegel ausgeführt: sind.
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Die Spulenform wird noch dadurch hervorgehoben, daß die Schwungradwalze
13 etwa nur den zweifachen Durchmesser des Hohlzylinders 14 aufweist.
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Ausgehend von den vorgenannten Kriterien für die Gestaltung und Fertigung
des Schwungrad-Energiespeichers sind die zu verwendenden Werkstoffe fir den Fragkörper
12 und die Schwungradwalze 13 auf ihre Signung und Kompatibilität hin zu wählen.
Weil die gröl'te Tangential- bz@. Ringspannung im Faserwerkstoff an der auf dem
Tragkörper 12 aufliegenden Innenwicklung der Schwungradwalze 13 auftritt, wird das
beste Betriebsverhalten dann erzielt, wenn die Werkstoffe für den Tragkörper 12
und die Schwungradwalze 13 annähernd dieselbe Dehnung ' , sowie dieselbe Bruchdehnung
Bruch = Bruch/E aufweisen. Diese Forderung erfüllen hochfeste Titan-Legierungen
und Prepregs aus Kohlenstoffasern (nachfolgend mit Karbonprepregs bezeichnet). Das
für die Karbonprepregs verwendete Harz mui: ebenfalls diesen hohen Beanspruchungen
gewachsen sein und dabei eine genügend hohe Bruchdehnung besitzen, Zur Untersuchung
der an Schwungrad-Energiespeichern auftretenden spannungen und zur Erarbeitung der
erfindungsgemä@en Ausführungsformen wurden moderne, mit der ED durchzuf:hrende FLnite-Elemente-Programme
verwendet. Das dabei ausgewahlte Finite-Elemente-rogramm NASTRAN der NASA besitzt
ein rotationssymmetrisches Dreieckselement TRiAX 6, mit dem sich umfassend alle
rotationssymmetrischen Strukturen sehr genau analysieren lassen. Danit wurde die
aus Reihenuntersuchungen entwickelte Ausführungsform der Fig. 1 entwickelt.
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,lür die Durchführung des NASTRAN-Programmes genügt es, da
der
Schwungrad-Energiespeicher symmetrisch aufgebaut ist, die Spannungsrechnung anhand
des in Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Ausschnittes II vorzunehmen. Dieser Ausschnitt
ist in Fig. 2 als ein Finite- Element-Modell gezeigt, in dem Fasern, Harze und Tragkörper
mit unterschiedlich gekennzeichneten TRIAX 6-Elementen idealisiert sind. Die gestrichelten
TRIAX 6-Elemente 7 stellen Metallteile dar, diejenigen ohne trichelung 8 stellen
Fasern, die senkrecht gestrichelten 9 Bindeharz und die waagerecht gestrichelten
10 rrennharz dar. Eines der dargestellten TRIAX 6-Elemente 8 ist, stellvertretend
auch für die anderen Elemente 7, 9 und 10, in der Fig 3 vergrößert dargestellt;
es weist sechs Elementenknotenpunkte 1 bis 6 auf, an denen die Spannungenermittelt
werden.
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Für die Rechnungen wurde entsprechend F;g. 2 eLn Nodell mit nachfolgenden
Abmessungen gewählt: a - 300 mm, b = 220 mm, c = 140 mm, d - 90 mm. Hierbei sind
a und c von der Drehachse 17 ausgehende Radien. Außerdem wurde für die ãchwungradwalze
67 % Faseranteil und 33 flarzanteil zugrundegelegt. Zur Erprobung des NADTRAN -Programmes
und zur Bestätigung der getroffenen Annahmen wurde eine Kontrollrechnung für die
Tangential-Spannungen durchgeführt, bei der anstelle von Harz die Werte für Gummi
eingesetzt wurden, bei denen der Elastizitätsmodul E praktisch gleich Null ist.
Nachfolgende Materialien und deren Kennwerte wurden in die Rechnung eingesetzt:
Pitan-Tragkörper (Elemente 7) mit E = 1,1 x 106 daN/cm² @ = 4,50 g/cm³, # bruch
= 11000/daN/cm²; Kohlenstoffaser (Elemente 8) mit E = 1,9 x 106 daN/cm2, = = 1,74
g/cm = 24000 daN/cm2; 2 Gummi (Elemente 9 und 10) mit E = 211 daN/cm 3 = = 1,14
g/cm
Die für eine Drehzahl n = 3s000 u/min durchgeführte Etechnung
mit dem NASTRAN-Programm ergibt in dem Diagramm Kg 4 die Kurve 18. Weil bei dieser
Rechnung der Elastizitätsmodul für Gummi, welches an Stelle des Harzes eingesetzt
wurde, nahezu Null ist, konnte die Kurve 18 durch eine vergleichsrechnung, bei der
die Eangential-Cpannung nur eines Faser-Einzeiringes errechnet wurde, sehr gut nach
der bekannten Formel # = #. w². R² überprüft werden. Wie die Auftragung der Rechnung
durch die Kurve 19 zeigt, ergibt sich durch ihren etwa parallelen Verlauf die Bestätigung
der Richtigkeit des NASTRAN-Programmes, wobei sich die höheren Werte der Kuve 18
durch die mit in die Rechnung eingehende Gummimasse ergeben.
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Die Eiig. 5 zeigt ein gleiches idealisiertes Finite-Element-Modell
wie die Fig. 2. Darüber sind in der Fig. 6 Spannungsverläufe aufgetragen, die sich
mit ttilfe des NA-STRAN-Programmes für eine tatsächliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schwungradwalze nach Fig. 1 ergeben. Es sind der Rechnung für die E'Lg. 6 die nachfolgenden
Werkstoffe und Kennwerte zugrundegelegt: @itantragkörper aus TI-6A6-6V-ZSN, Kohlenstoffaser
aus HYFIL 2730 (Hersteller rollos Roycei, beide mit Werkstoffkennwerten wie für
das Diagramm Fig. 4; Kunstharz Erla 4617/DDM (Hersteller Union Carbride) mit E =
48200 daN/cm², @ = 1,24 g/cm³. # Bruch = 131 daN/cm³.
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Das Kunstharz weist eine Bruchdehnung von 6 % auf; trotzdem sein E-Modul
nur etwa 4 % desjenigen der Kohlenstoffaser beträgt, treten im Betrieb des Schwungradspeichers
sehr hohe Radialspannungen im Harz auf, welche die Verwendung dieses sehr hochwertigen
Harzes erfordern, das eine 2- bis 3-fach höhere Zugfestigkeit und Bruchdehnung gegenüber
üblichen
Epoxy- und ehenolharzerl bei einm vergleichbaren E-Modul
aufweist.
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Die mit iiilfe des NASTRAN-Programms bei einer Drehzahl von 33 GCC
u/min errechneten und in der Fg. 6 aufyetragenen 'ipãnnungskurven sollen nachfolgeiid
erläutert werden. Die Kurven 20 und 21 stellen Verläufe von 2angential- bzw.
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Ring spannungen für die Kohlenstoffasern in der obersten und untersten
Reihe der TRIAX 6-Elemente 22 und 23 dar.
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Die Kurven 24 und 25 zeigen Radialspannungen für das Kunstharz in
den Reihen 22 und 23. Schließlich zeigen die Kurven 26 und 27 rangentialspannungsverläufe
für das Kunstharz ebenfalls für die Reihen 22 und 23 der TRIAX 6-Elemente.
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Weiterhin ist noch mit der Geraden 28 die Bruchfestigkeit des Harzes
e.ngetragen.
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itnliche Werte ergeben sich für Kohlenstoffasern mit höheren Elastizitätsmodulen
und höheren Bruchfestigkeiten. Man ersieht aus den Auftragungen der Fig. 6, daß
die Drehzahl auch noch er angesetzt werden kann, ohne die Bruchfestigkeit des Harzes
zu erreichen. Die Grenze liegt bei der angegebenen Bruchfestigkeit über 40 000 u/min.
Weiterhin ersieht man, daß die Bruchfestigkeit der Kohlenstoffasern mit 24 000 daN/cm2
noch lange nicht erreicht wird. Sollten also noch bruchfestere Harze entwickelt
werden, können auch noch höhere Drehzahlen erreichbar sein. Die Rechnungen sowie
vorliegende Erfahrungen und Versuche mit dem vorgesehenen Karbonfaserprepreg lassen
für die erfindungsgemäl:e Ausführung des nchwungrad-£rlergiespeichers ein einwandfreies
Betriebsverhalten erwarten. Vor allem ist die Gefahr der Delamination der Schwungradwalge
von dem Tragkörper nahezu ausgeschlossen, so daß mit einer langen Lebensdauer zu
rechnen ist.
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In der Fig. 5 sind weiterhin über die Drehachse 17 des Schwungrad-Energiespeichers
als bszisse die im Hohlzylinder 14 und Übergangsteil 15 auftretenden Tangential-Spannungen
29 aufgetragen, wobei die bereits oben bei der Fig. 6 genannten Werte zugrundeliegen.
Es zeigt sich, daß bei dieser Drehzahl im Bereich des Teil stückes 30 des Spannungsverlaufes
die mit 31 bezeichnete Bruchgrenze des Titans überschritten wird. Im Bereich dieses
Stückes des Übergangsteils 15 ist folglich eine Verstärkung erforderlich, die am
besten durch eine zusätzliche Wicklung vorgenommen wird, die durch gestrichelte
Linien 32 angedeutet ist.
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Die Tangentialspannungen werden weiterhin durch den Werkstoff des
Tragkörpers beeinflußt. Bei einem Werkstoff mit höherem spezifischen Gewicht, wie
z. B. Stahl, entstehen selbstverständlich wesentlich höhere Tangentialspannungen
in den inneren Fasern als bei litan. In dem vorliegenden rall müsten bei einem .ta,l-
ragkorDer entweder niedrigere Oretzahlen zugelassen, der cergengsteil 15 weiter
verstärkt oder eine andere :esar.tkonstruktion vörgeschlagen werden.
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Die in den bisher beschriebenen Figuren vorgeschlagene Ausführungsform
der erfindung mit dem tragkörper 11 aus Titan und der Schwungradwalze 13 aus Karbonprepreg
ergibt ein etwa 6-faches Energie-Gewichtsverhältnis gegenüber einem gleich gestalteten
Stahlschwungrad mit hochfesten Stahllamellen Diese Optimallösung ist jedoch zur
Zeit noch sehr teuer.
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Bel der Verwendung von hochfestem Stahl als Tragkörper und
S-Glasfãsern
oder Fasern aus aromatischen Kunststoffen (Aramideni ergibt sich zwar nur ein etwa
4-faches Energie-Gewichtsverhältnis gegenüber eirem 3tahlschwungrad, die Kosten
betragen aber zur Zeit nur ein Zehntel derjenigen der Ausführung Titan/Kohlenstoffaser.
Weil, wie aus der Fig. 6 an den Kurven 20 und 21 ersichtlich ist, die größte Tangential-
bzw. Ringspannung im Faserwerkstoff an der Innenwicklung, also am Tragkörper auftritt,
müssen - wie bereits ausgeführt - Bruchdehnungen der beiden Werkstoffe etwa gleich
sein, um den Faserwerkstoff voll auszunutzen. Während dieses bei den Werkstoffen
Titan/Kohlenstoffaser zutrifft, sind die entsprechenden Werte für Stahl/S-Glas sehr
unterschiedlich, insbesondere hat S-Glas einen E-Modul von nur 740 000 daN/cm².
die Bruchdehnung von S-Glas beträgt somit ein Vielfaches derjenigen von Stahl und
auch Titan, wodurch lange vor Erreichen der Bruchspannung der S-Glasfasern ein Bruch
des Tragkörpers eintreten würde.
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Für Faserwerkstoffe mit niedrigem E-Modul wird deshalb die Ausführungsform
der F.g. 7 vorgeschlagen, bei der der Tragkörper 12 mit über den Umfang verteilten
Längsschlitzen 35 versehen ist. Dadurch werden im Tragkörper 12 die Tangentialspannungen
auf Null herabgesetzt und die Radialkräfte der zwischen den Schlitzen 35 verbleibenden
Streifen 36 von den inneren Fãserwicklungen der Schwungradwalze 13 aufgenommen,
wodurch sich allerdings deren Tangentialspannungen etwas erhöhen. Durch radiale
Umwicklungen 37 der Übergangsteile 15 des Tragkörpers 12 mit den für die Schwungradwalze
13 verwendeten Faserprepregs werden für den Tragkörper 12 die Festigkeitseigenschaften
des in der Fig.
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1 dargestellten ungeschlitzten Hohlkörpers wieder hergestellt. Es
werden dabei im Betrieb des Schwungrad-Energiespeichers 11 die Querkraft und der
Torsionsschub durch das Harz übertragen und die Streifen 36 nehmen die Biegespannungen
auf.
Die Fig. 8 zeigt einen Schnitt entsprechend den Linien VIII-VIII der Fig. 7, woraus
eine vorteilhafte Ausführungsform des geschlitzten ftohlzylinders 14 ersichtlich
ist.
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In der Fig. 9 sind ähnlich wie in der Fig. 6 Spannungsverläufe für
einen Schwungrad-Ewergiespeicher mit geschlitztem Tragkörper 12 entsprechend den
Fig. 7 und 8 aus den nachfolgend aufgeführten Werkstoffen und bei einer Drehzahl
u = 27 000 u/min aufgetragen.
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Stahl-Tragkörper mit @bruch = 12 000 daN/cm² S-lasfaser mit E = 0,74
10 daNjcm # = 2,48 g/cm³ und b Bruch = 30 000 daN/cm²; Kunstharz Erla 4617/DDM mit
E = 48 000 daN/cm² γ = 1,24 g/cm³, b Bruch = 1310 daN/cm².
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Weil die Spannungen in der Mitte der Schwungradwalze 13 stets etwas
größer sind (s. in der Fig. 6 die Spannungsverläufe 21, 24 und 27 für Reihe 23 der
TRIAX-6-Elemente), wurden hier bei der Auftragung der Spannungskurven nur diese
berücksichtigt. Nachfolgende Kurven sind aufgetragen: Tangentialspannungen der Glasfaser
38, Tangentialspannungen des Harzes 39 und Radialspannungen des Harzes 40. Die Gerade
28 stellt wiederum die Bruchspannug des Harzes Erla 4617 dar. Es ist ersichtlich,
daß infolge der Radialkräfte der zwischen den Schlitzen 35 übrig gebliebenen Streifen
36 die Tangentialspannungen 38 bei den inneren Faserwicklungen gegenüber dem ungeschlitzten
Tragkörper erhöht sind, wodurch aber bei weitem nicht die kritische Bruchgrenze
der Glasfasern erreicht wird. Weiterhin ist interessant, daß die Kurve
40
der Radialspannungen im Harz infolge der Zentrifugalkräfte des geschlitzten Tragkörpers
in den Druckbereich übergeht. D;eses bewirkt eine Gesamtverringerung der Harz-Radial-Zugspannungen,
wodurch eine höhere Beanspruchung des Schwungrad-Energiespeichers und damit eine
höhere Energiedichte ermöglicht wird.
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Bei horizontal eingebauten Schwungrad-Energiespeichern von großer
Länge kann die kritische Drehzahl leicht unterhalb der maximalen Drehzahl liegen.
Um dieses zu verhindern, werden entsprechend den FLg. 7 und 8 Karbonfaserlagen mit
axialer Easerrichtung 41 ringförmig im Bereich der äußeren radialen Wicklungen angeordnet.
Durch die Karbonfasern, die einen hohen E-Modul haben, wird ein großes Trägheitsmoment
erreicht, und zusammen mit dem hohen E-Modul eine bessere Biegesteifigkeit. Die
zusätzliche Belastung der äueren radialen Glasfasern durch die axialen Karbonfasern
wirken sich nicht störend aus, weil die Radialspannungen nach außen hin stark abfallen
(5. Fig. 9, Kurve 40).
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Die Fg. 10 und 11 zeigen Endteile von Schwungrad-Energiespeichern,
bei denen in die Hohlzylinder 14 anders gestaltete Übergangsteile eingesetzt sind.
In der Fig. 10 ist ein flanschartiger vbergangsteil 42 im Hohlzylinder 14 eingesetzt
und mit mehreren, am Umfang angeordneten Senkschrauben 43 verschraubt. Die Schwungradwalze
13 kann dabei, je nach auftretenden Kräften, bis an das Ende des Hohlzylinders 14
in Stufen 44 angeordnet werden. Bei der Fig. 11, die einen Hohlzylinder 14 mit Schlitzen
35 zeigt, ist ein ebenfalls flanschförmiger Übergangsteil 42 mit dem Hohlzylinder
14 durch eine rundumlaufende Schweißnaht 45 verbunden. Die Schlitze 35 erstrecken
sich, ähnlich wie bei der Fig. 7, auch auf den Übergangsteil 42.
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Sowohl für die ungeschlitzte Bauweise des Schwungrad-Energiespeichers
11 nach den Fig. 1 und 10 als auch für die Bauweise mit geschlitztem Tragkörper
12 nach den Fig.7 und 11 können wahlweise andere Werkstoffe und Werkstoffe kombinationen
Tragkörper/Schwungradmasse als auch Fasergarn/Kunstharz gewählt werden. Weit höhere
Energiedichten lassen sich z. B. mit einem Titan-Tragkörper erzielen, der mit einer
Schwungradwalze aus verketteten Einkristallfäden, z. B. aus Siliziumkarbid, versehen
ist. Wie Durchrechnungen mit dem NASTRAN-Programm ergeben haben, kann die Drehzahl
bei geschlitzten Stahl-Tragkörpern auf annähernd 40 000 u/min erhöht werden, wenn
ein noch zu entwickelndes Harz mit etwa gleichem spezifischen Gewicht und gleicher
Bruchdehnung wie Erla 4617/DDM aber nur einem etwa 10-fach geringeren E-Modul verwendet
wird. Diese Modifikationen mit speziell für Schwungrad-Energiespeicher noch zu entwickelnden
Werkstoffen sind bei den Ausführungsformen der Erfindung mit eingeschlossen.
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Weiterhin kann die Schwungradwalze 13 entweder aus Garnen mit gleichen
Fasern oder auch aus Garnen mit Mischfasern gewickelt werden. Untersuchungen an
einer Schwungradwalze aus einem Mischgarn aus Karbonfasern (z. B. Thornel 100) und
Aramidfasern (z. B. PRD 49) zeigen, daß mit ansteigendem Karbonfaseranteil in den
äußeren Wicklungen durch den ansteigenden E-Modul auch die mit diesen Fasern häufig
verwendeten Epoxyd-Harze verwendet werden können.
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Dabei wird für den gesamten Schwungrad-Energiespeicher eine noch höhere
Energiedichte erzielt.
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Die erfindungsgemäßen Schwungrad-Energiespeicher können durch ihre
Bauart mit einem als dünnwandigen Hohlzylinder
ausgebildeten Tragkörper
gut gekühlt werden. Fig. 12 zeigt schematisch ein Beispiel eines Kühlverfahrens,
bei dem der Hohlraum des Tragkörpers 12 mit einer Kühlflüssigkeit 46 gefüllt ist,
deren Zu- und Ablauf über Bohrungen 16a in den Lagerzapfen 16 erfolgt. An beiden
Enden der Lagerzapfen 16 sind federbelastete Ventile 47 eingebaut, welche ein Austreten
der Kühlflüssigkeit 46 aus den Bohrungen 16a verhindern. Die mitrotierende Kühlflussigkeit
speichert gleichzeitig kinetische Energie auf und dient somit zur Erhöhung der Kapazität
für die Energiespeicherung. Die Temparatur der Kühlflüssigkeit 46 wird durch einen
Infrarotsensor 48 laufend überwacht. Nach dem Erreichen einer vorgegebenen Temperatur
veranlaßt der Infrarotsensor 48 das Heranführen von einer in einem Gehäusedeckel
49 eingebauten Kupplung 50 an den unteren Lagerzapfen 16, wobei die Kupplung 50
zugleich die Abdichtung der zu kuppelnden Teile vornimmt. Die Kuppiung 50 ist mit
einem nicht dargestellten Reservebehälter für Kühlflüssigkeit verbunden, aus dem
abgekühlte Kühlflüssigkeit 46 unter Druck in Richtung eines Pfeiles 51 in den Tragkörper
12 gepumpt und mittels einer gleichen, nicht dargestellten Kupplung am oberen Lagerzapfen
16 den Reservebehälter im Kreislauf wieder zugeführt wird. In der Fig. 12 ist weiterhin
auf dem unteren Lagerzapfen 16 ein Rotor 52 angedeutet, der in bekannter Weise als
Elektromotor oder Generator laufen kann.
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Fig. 13 zeigt eine beispielsweise Ausführung einer Fahrzeug-Energiespeicher
und -Antriebseinheit. Jabei sind zwei torsionssteife Vakuumzylinder 53 an ihren
Enden in Flansche 54 eingebaut. In den Vakuumvylindern 53 sind zwei gegenläufige
Sch-çulDgrad-Energiespeicher
11 eingebaut, die mit ihren Lagerzapfen 16 in den Flanschen 54 gelagert unc an einem
Ende mit Aggregaten 55 gekoppelt sind, die sowchi als Elektromotore als auch Generatoren
betrieben werden können. Die Fig. 14 zeigt einen der eingebauten Schwungrad-Energiespeicher
11 in der Gesamtansicht.
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- Patentansprüche -
L e e r s e i t e