DE2558422B2

DE2558422B2 - Schwungrad-Energiespeicher

Info

Publication number: DE2558422B2
Application number: DE2558422A
Authority: DE
Inventors: Hans Ing.(Grad.) 8012 Sauerlach Wiedemann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1978-06-22
Also published as: DE2558422C3; DE2558422A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwungrad-Energiespeicher mit einer auf einem Tragkörper aufgebrachten Schwungradwalze aus faserverstärkten Kunststoffen, bei dem die Elastizitätsmodule der für den Tragkörper und die Schwungradwalze verwendeten Werkstoffe aufeinander abgestimmt sind.

Bei der Verwendung von Schwungrädern zur Speicherung von mechanischer Arbeit ist es bereits bekannt, die Schwungräder unter Verwendung von mit Kunstharz getränkten, hochfesten Fasern herzustellen, die um einen als Nabe oder Speicherkörper ausgebildeten Tragkörper gewickelt werden. Maßgeblich für die Verwendung dieser Fasern ist neben ihrem hohen Verhältnis von Festigkeit zum spezifischen Gewicht — der sogenannten Reißlänge —, daß, je nach Art der verwendeten Fasern und der Matrix, Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen herstellbar sind.

Ein Schwungrad-Energiespeicher der eingangs genannten Art ist durch die US-PS 36 02 066 bekannt, in der bereits Überlegungen angestellt werden, wie bei schnelldrehenden Schwungrädern ein Ablösen der Schwungradwicklungen von der Schwungradnabe vermieden werden kann. Dieses soll dadurch ezielt werden, daß der Ε-Modul eines Schwungrad-Außenkranzes und eines Zwischenteils höher ist als derjenige eines inneren Tragkörpers. Als Material für die Wicklungen des Außenkranzes und des Zwischenteils werden Glasfasern und für den Tragkörper Aluminium verwendet. Da der Ε-Modul von Glas nur geringfügig größer als der von Aluminium ist, dürfte der angegebene Zweck, nämlich durch den höheren Ε-Modul von Glas gegenüber demjenigen von Aluminium das Loslösen der Wicklung von der Nabe zu verhindern, nur in Grenzen zu erreichen sein. Die Figuren zeigen die bisher typische Gestaltung der bekannten Schwungrad-Energiespeicher in Form einer dicken Scheibe. Diese Art von Schwungrädern können nur mit verhäinismäßig geringen Drehzahlen betrieben werden, und infolge der kleinen Lagerbreite und des großen Durchmessers wachsen die im Betrieb auftretenden Kreiselmomente stark an und können von den Lagern schlecht abgesetzt werden. Weiterhin ist die Materialausnutzung äußerst ungünstig, weil die achsennahen Wicklungen wenig zur Energiespeicherung beitragen können.

Der Erfindung lieg: die Aufgabe zugrunde, mit bewährten Herstellungsverfahren Schwungrad-Energiespeicher der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß alle Teile der Schwungradwalze voll zur Energieaufnahme beitragen u'id der Tragkörper so gelagert ist, daß auch bei extrem hohen Drehzahlen alle Momente

gut aufgenommen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Tragkörper als dünnwandiger Hohizylinder mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens eins und die Schwungradwalze mit etwa 1,5- bis 2fachem Durchmesser des Tragkörpers ausgebildet ist, daß an den Hohlzylinder Übergangsteile mit Lagerzapfen von gegenüber dem Tragkörper kleinem Durchmesser angesetzt sind, und daß die Schwungradwalze aus einem mit Kunstharz getränkten i^;asem gewickelten, direkt auf den Tragkörper aufgebrachten, im wesentlichen einheitlichen Körper besteht.

Durch die DE-OS 21 41 581 ist ein äußerlich ähnlicher Schwungrad-Energiespeicher bekannt, der auch bereits aufgrund seiner baulichen Gestaltung eine hohe Energieaufnahmefähigkeit aufweist. Der wesentliche Nachteil dieses Energiespeichers ist seine äußerst aufwendige Fertigung mit zahlreichen, am Umfang ineinander und nebeneinander angeordneten Ringen. Außerdem besteht keine Abstimmung hinsichtlich der Werkstoffe des Tragkörpers und der Schwungradringe. Es werden nur die verschiedenen Möglichkeiten der Werkstoffauswahl für die Schwungradringe beschrieben, ohne Rücksicht darauf, ob die jeweiligen Werkstoffe mit den Eigenschaften des Tragkörpers verträglich sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Werkstoff für den Tragkörper, ζ. Β. Titan, einen wesentlich geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der ω Werkstoff für die Fasern, z. B. Kohlenstoffasern oder verketteten Einkristallfäden und somit Überbeanspruchungen des Tragkörpers als Radial- und Tangential-Spannungen in der Schwungradwalze aufgenommen werden. js

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlzylinder axiale Schlitze auf, die sich bis in die Übergangsteile erstrecken. Für einen derartigen Hohlzylinder wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Werkstoff für den geschlitzten Tragkörper, ζ. Β. Stahl oder Titan, einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als der Werkstoff für die Fasern, z. B. S-Glas oder Aramidfasern, und somit Überbeanspruchungen des Tragkörpers als Tangentialspannungen in der Schwungradwalze aufgenommen werden. Weiterhin kann dabei die Schwungradwalze aus einem mit Kunstharz getränkten Mischgarn aus Kohlenstoff- und Aramidfasern bestehen, wobei der Anteil der Kohlenstoffasern von innen nach außen stetig ansteigt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Schwungradwalze, vorzugsweise in der Nähe des äußeren Durchmessers, eine oder mehrere ringförmige Lagen von axial angeordneten Kohlenstoffasern aufweist. Entsprechend weiteren Ausbildungen der Erfindung sind die Übergangsteile entweder als Hohlkegel ausgeführt, an welchen die Lagerzapfen angesetzt sind oder sie sind flanschförmig ausgeführt und in den Hohlzylinder eingesetzt.

Die gekennzeichnete geometrische Gestaltung, die einer Spulenform entspricht, und die Verwendung einer t>o im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung der Fasergarne und des Kunstharzes für die Schwungradwalze sichert dem Schwungrad-Energiespeicher ein durch umfangreiche Rechnungen erhärtetes günstiges Betricbsverhalten 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 Schwungradvvalzen einen möglichst großen Durchmesser bei geringer Tiefe und zur Erzeugung großer Speicherleistungen außerdem von innen nach außen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften und -zusammensetzungen aufweisen müssen. Die durch solche bekannten, sehr fertigungsaufwendigen Schwungradspeicher erzielbaren Erhöhung an Speicherleistung beträgt nur einige Prozent gegenüber Körpern mit gleichem Speichervolumen entsprechend der Erfindung.

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. 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 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.

In Ausgestaltungen der Erfindung ist entweder die Schwungradwalze nur auf dem zylindrischen Teil des Tragkörpers angeordnet oder sind Wicklungen teilweise auch auf den Übergangsteilen angebracht. 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, daß 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 Kohlenstoff- und Aramidfasern sowohl eine Anpassung der Fasern an den Tragkörper als auch eine dem Durchmesser der Schwungradwalze angepaßte bessere Energieaufnahme erreicht werden.

Eine einfache Lösung des Kühlproblems wird entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt, daß die Übergangsteile und Lagerzapfen hohl ausgeführt sind und in Verbindung mit dem Hohlzylinder zur Aufnahme und zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit dienen. Dabei besteht die Möglichkeit, die Kühlflüssigkeit gleichzeitig zur weiteren Speicherung von kinetischer Energie zu verwenden.

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 und/oder Kupplungen und

Elektromotoren verbunden werden und in evakuierten Gehäusen umlaufen. Dabei können auch Einrichtungen zusätzlich eingebaut werden, die es in gleichfalls bekannter Weise gestatten, den Schwungrad-Energiespeicher durch die beim Bremsen frei werdende Energie wieder aufzuladen.

In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die einfachste Form eines Schwungrad-Energiespeichers im Schnitt,

Fig. 2 ein Rechenmodell für die Ermittlung von Spannungsverläufen im Tragkörper und in der Schwungradwalze,

Fig.3 ein vergrößert dargestelltes Element des -. Rechenmodells,

Fig.4 Spannungsverläufe einer Kontrollrechnung zur Überprüfung eines Rechenprogrammes,

Fig. 5 das Rechenmodell entsprechend F i g. 2 mit einer Spannungskurve für den Tragkörper,

Fig. 6 Auftragungen von Spannungsverläufen in der Schwungradwalze des Schwungrad-Energiespeichers entsprechend Fig. 1,

Fig. 7 ein Schwungrad-Energiespeicher mit geschlitztem Tragkörper und Hohlkegel-Übergangsteilen, 2>

Fig. 8 einen Schnitt entsprechend den Linie VIII-VlII der Fig. 7,

Fig.9 Auftragungen von Spannungsverläufen in der Schwungradwalze des Schwungrad-Energiespeichers entsprechend den Fig. 7 und 8, κι

Fig. 10 und 11 weitere Ausführungsformen von Schwungrad-Energiespeichern mit unterschiedlichen Übergangsteilen,

Fig. 12 eine Anordnung entsprechend Fig. 1, die zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit im Tragkörper geeignet r> ist,

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung einer Fahrzeug-Energiespeichcr und -Antriebseinheit mit zwei gegenläufigen Schwungrad-Energiespeichern und

Fig. 14 einen der in Fig. 13 eingebauten Schwung- w rad-Energeispeicher.

Ein erfindungsgemäßer Schwungrad-Energiespeicher

11 besteht entsprechend F i g. 1 aus einem Tragkörper

12 und einer Schwungradwalze 13. Der Tragkörper 12 besteht in seinem Mittelteil aus einem Hohlzylinder 14, an den beiden Enden je ein Übergangsteil 15 mit Lagerzapfen 16 angesetzt sind. Die Schwungradwalze

13 besteht aus mit Kunstharz getränkten Fasergarnen, die auf dem metallischen Tragkörper 12 mit einem bekannten Spulenwickelverfahren aufgewickelt und ίο anschließend, z. B. in einem Autoklav, ausgehärtet werden. Der gesamte Schwungrad-Energiespeicher hat eine langgestreckte Spiilcnform mit einer großen Basis für die Lagerzapfen 16. Dieses wird in der Ausführungsform entsprechend Fig. 1 dadurch erreicht, daß der Hohlzylinder 14 eine Länge aufweist, die mindestens oder größer als sein Durchmesser ist und die Übergangsteile 15 als Hohlkegel ausgeführt sind. Die Spulenform wird noch dadurch hervorgehoben, daß die .Schwungradwalze 13 etwa nur den zweifachen Durch- mi messer des Hohlzylinders 14 aufweist.

Ausgehend von den vorgenannten Kriterien für die Gestaltung und Fertigung des Schwungrad-Energiespeichers sind die /11 verwendenden Werkstoffe für den Tragkörper 12 und die Schwungradwalzc 13 auf ihre u^r, Eignung und Kompatibilität hin zu wählen. Weil die größte Tangential- bzw. Ringspannung im Fascrwerksloff an der auf dem Tragkörper 12 aufliegenden Innenwicklung der Schwungradwalze 13 auftritt, wire das beste Betriebsverhalten dann erzielt, wenn die Werkstoffe für den Tragkörper 12 und die Schwungradwalze 13 annähernd dieselbe Dehnung e.= γ sowie dieselbe Bruchdehnung

' Bruch

" Bruch

aufweisen. Diese Forderung erfüllen hochfeste Titan Legierungen und Prepregs aus Kohlenstoffasern (nach folgend mit Karbonprepregs bezeichnet). Das für die Karbonprepegs verwendete Harz muß ebenfalls dieser hohen Beanspruchungen gewachsen sein und dabei eine genügend hohe Bruchdehnung besitzen.

Zur Untersuchung der an Schwungrad-Energiespeichern auftretenden Spannungen und zur Erarbeitung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen wurder moderne, mit der EDV durchzuführende Finite-Elemente-Programme verwendet. Das dabei ausgewählte Finite-EIemente-Programm NASTRAN der NASA besitzt ein rotationssymmetrisches Dreieckselement TRlAX 6, mit dem sich umfassend alle rotationssymmetrischen Strukturen sehr genau analysieren lassen Damit wurde die aus Reihenuntersuchungen entwickelte Ausführungsform der Fig. 1 entwickelt. Für die Durchführung des NASTRAN-Programmes genügt es da der Schwungrad-Energiespeicher symmetrisch aufgebaut ist, die Spannungsrechnung anhand des in F i g. 1 gestrichelt gezeichneten Ausschnittes Il vorzunehmen Dieser Ausschnitt ist in Fig. 2 als ein Finite-Element-Modell gezeigt, in dem Fasern, Harze und Tragkörper mit unterschiedlich gekennzeichneten TRIAX 6-EIementen idealisiert sind. Die gestrichelten TRlAX 6-EIemente 7 stellen Metallteile dar, diejenigen ohne Strichelung 8 stellen Fasern, die senkrecht gestrichelten 9 Binderharz und die waagerecht gestrichelten IC Trennharz dar. Eines der dargestellten TRIAX 6-EIemente 8 ist, stellvertretend auch für die anderen Elemente 7, 8 und 10, in der Fig.3 vergrößert dargestellt; es weist sechs Elementenknotenpunkte 1 bis 6 auf, an den die Spannungen ermittelt werden.

Für die Rechnungen wurde entsprechend Fig. 2 ein Modell mit nachfolgenden Abmessungen gewählt: ,7 = 300 mm, 6=220 mm, c= 140 mm, d= 90 mm. Hierbei sind a und c von der Drehachse 17 ausgehende Radien. Außerdem wurde für die Schwungradwalze 67% Faseranteil und 33% Harzanteil zugrundegelegt. Zur Erprobung des NASTRAN-Programmes und zur Bestätigung der getruffenen 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:

Titan-Tragkörper(Elementc 7) mit

E = 1,1-1 O^ daN/cm²,

γ = 4,50 g/cm³,

«iinidi = 11 000daN/cm^?;
Kohlenstoffaser( Elemente 8) mit

E = i.g-IOMaN/cm?,

)' = 1,74 g/cm³,

onrm-ii = 24 000 da N/cm';
Gummi (Elemente 9 und 10) mit

/:= 211 daN/cm².

γ = 1,14 g/cm³.

Die für eine Drehzahl η = 33 000 U/min durchgeführte Rechnung mit dem NASTRAN-Programm ergibt in dem Diagramm Fig.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 Tangential-Spannung nur eines Faser-Einzelringes errechnet wurde, sehr gut nach der bekannten Formel

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 r> Werte der Kurve 18 durch die mit in die Rechnung eingehende Gummimasse ergeben.

Die Fig. 5 zeigt ein gleiches idealisiertes Finite-Element-Modell wie die F i g. 2. Darüber sind in der F i g. 6 Spannungsverläufe aufgetragen, die sich mit Hilfe des 2» NASTRAN-Programmes für eine tatsächliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schwungradwalze nach F i g. 1 ergeben. Es sind der Rechung für die F i g. 6 die nachfolgenden Werkstoffe und Kennwerte zugrunde gelegt: 2^r)

Titantragkörper aus TI-6A6-6V-ZSN,
Kohlenstoffaser beide mit Werkstoffkennwerten wie für das Diagramm F i g. 4;
Kunstharz mit

E= 48 200 daN/cm², ³⁽⁾

γ = 1,24 g/cm³,

on™.·!,= 1310 daN/cm³.

Das Kunstharz weist eine Bruchdehnung von 6% auf; trotzdem sein Ε-Modul nur etwa 4% desjenigen der y> 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 3fach höhere Zugfestigkeit und Bruchdehnung gegenüber üblichen Epoxy- und Phenolharzen bei einem vergleichbaren Ε-Modul aufweist.

Die mit Hilfe des NASTRAN-Programms bei einer Drehzahl von 33 000 U/min errechneten und in der F i g. 6 aufgetragenen Spannungskurven sollen nachfol- vi gend erläutert werden. Die Kurven 20 und 21 stellen Verläufe von Tangential- bzw. Ringspannungen für die Kohlenstoffasern in der obersten und untersten Reihe der TRIAX 6-Elemene 22 und 23 dar. Die Kurven 24 und 25 zeigen Radialspannungen für das Kunstharz in w den Reihen 22 und 23. Schließlich zeigen die Kurven 26 und 27 Tangentialspannungsverläufe für das Kunstharz ebenfalls für die Reihen 22 und 23 der TRIAX 6-EIemente. Weiterhin ist noch mil der Geraden 28 die Bruchfestigkeit des Harzes eingetragen. τ,

Ähniche Werte ergeben sich für Kohlenstoffasern mit höheren Elastizitätsmodulen und höheren Bruchfestigkeiten. Man ersieht aus den Auftragungen der Fig.6, daß die Drehzahl auch noch höher angesetzt werden kann, ohne die Bruchfestigkeil des Harzes zu erreichen, wi Die Grenze liegt bei der angegebenen Bruchfestigkeil 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, w, können auch noch höhere Drehzahlen erreichbar sein. Die Rechnungen sowie vorliegende Erfahrungen und Versuche mit dem vorgesehenen Karbonfascrprcprcg lassen für die erfindungsgemäße Ausführung des Schwungrad-Energiespeichers ein einwandfreies Betriebsverhalten erwarten. Vor allem ist die Gefahr der Delamination der Schwungradwalze von dem Tragkörper nahezu ausgeschlossen, so daß mit einer langen Lebensdauer zu rechnen ist.

In der Fig.5 sind weiterhin über die Drehachse 17 des Schwungrad-Energiespeichers als Abszisse die im Hohlzylinder 14 und Übergangsteil 15 auftretenden Tangential-Spannungen 29 aufgetragen, wobei die bereits oben bei der F i g. 6 genannten Werte zugrunde liegen. Es zeigt sich, daß bei dieser Drehzahl im Bereich des Teilstückes 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.

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 Titan. In dem vorliegenden Fall müßten bei einem Stahl-Tragkörper entweder niedrigere Drehzahlen zugelassen, der Übergangsteil 15 weiter verstärkt oder eine andere Gesamtkonstruktion vorgeschlagen werden.

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 6faches Energie-Gewichtsverhältnis gegenüber einem gleich gestalteten Stahlschwungrad mit hochfesten Stahllamellen.

Diese Optimallösung ist jedoch zur Zeit noch sehr teuer. Bei der Verwendung von hochfestem Stahl als Tragkörper und S-Glasfasern oder Fasern aus aromatischen Kunststoffen (Aramiden) ergibt sich zwar nur ein etwa 4faches Energie-Gewichtsverhältnis gegenüber einem Stahlschwungrad, die Kosten betragen aber zur Zeit nur ein Zehntel derjenigen der Ausführung Titan/Kohienstoffaser. Weii, 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 Tilan/Kohlenstoffaser zutrifft, sind die entsprechenden Werte für Stahl/S-Glas sehr unterschiedlich, insbesondere hat S-Glas einen £-Modul von nur 740 000 da/N/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.

Für Faserwerkstoffe mit niedrigem Ε-Modul wird deshalb die Ausführungsform der F i 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 Faserwicklungen der Schwungradwalze 13 aufgenommen, wodurch sich allerdings deren Tangentuilspannungcn etwas erhöhen. Durch radiale Umwicklungen 37 der Übergangsteile 15 des Tragkörpers 12 mil den für die Schwungradwal/.c 13 verwendeten Faser-

prepregs werden für den Tragkörper 12 die Festigkeitseigenschaften des in der Fig. 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 F i g. 8 zeigt einen Schnitt entsprechend den Linien VIII-VIII der F i g. 7, woraus eine vorteilhafte Ausführungsform des geschlitzten Hohlzylinders 14 ersichtlich ist.

In der Fig. 9 sind ähnlich wie in der Fig.6 Spannungsverläufe für einen Schwungrad-Energiespeicher mit geschlitztem Tragkörper 12 entsprechend den F i g. 7 und 8 aus den nachfolgend aufgeführten Werkstoffen und bei einer Drehzahl u=27 000 U/min aufgetragen.

Stahl-Tragkörper mit

«Bruch = 12 000 daN/cm²;
S-Glasfaser mit

£=0,74 -106 daN/cm²,

γ = 2,48 g/cm³ und

«Bruch = 30 000 daN/cm²;
Kunstharz mit

E = 48 000 daN/cm²,

γ = 1,24 g/cm³,

«Bruch = 1310 daN/cm-'.

Weil die Spannungen in der Mitte der Schwungradvalze 13 stets etwas größer sind (s. in der F i g. 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: Tangentialspannungeri der Glasfaser 38, Tangentialspannungen des Harzes 39 und Radialspannungen des Harzes 40. Die Gerade 28 stellt wiederum die Bruchspannung des Harzes 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. Dieses bewirkt eine Gesamtverringerung der Harz-Radial-Zugspannungen, wodurch eine höhere Beanspruchung des Schwungrad-Energiespeichers und damit eine höhere Energiedichte ermöglicht wird.

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 F i g. 7 und 8 Karbonfaserlagen mit axialer Faserrichtung 41 ringförmig im Bereich der äußeren radialen Wicklungen angeordnet. Durch die Karbonfasern, die einen hohen Ε-Modul haben, wird ein großes Trägheitsmoment erreicht, und zusammen mit dem hohen Ε-Modul eine bessere Biegesteifigkeit. Die zusätzliche Belastung der äußeren radialen Glasfasern durch die axialen Karbonfasern wirken sich nicht störend aus, weil die Radialspannungen nach außen hin stark abfallen (s. F ig. 9, Kurve 40).

Die F i g. 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 Übergangsteil 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 44angeordnet 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 F i g. 7, auch auf den Übergangsteil 42.

Sowohl für die ungeschlitzte Bauweise des Schwungrad-Energiespeichers 11 nach den F i g. 1 und 10 als auch für die Bauweise mit geschlitztem Tragkörper 12 nach den F i g. 7 und 11 können wahlweise andere Werkstoffe und Werkstoffkombinationen 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 Durchbrechungen 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 das Genannte aber nur einem etwa lOfach geringeren £-Modul verwendet wird. Diese Modifikationen mit speziell für Schwungrad-Energiespeicher noch zu entwickelnden Werkstoffen sind bei den Ausführungsformen der Erfindung mit eingeschlossen.

jo 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 und Aramidfasern zeigen, daß mit

Vi ansteigendem Karbonfaseranteil in den äußeren Wicklungen durch den ansteigenden Ε-Modul auch die mit diesen Fasern häufig verwendeten Epoxyd-Harze verwendet werden können. Dabei wird für den gesamten Schwungrad-Energiespeicher eine noch höhere Energiedichte erzielt.

Die erfidungsgemäße 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 Kühlflüssigkeit speichert gleichzeitig kinetische Energie auf und somit zur Erhöhung der Kapazität für die Energiespeicherung. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit 46 wird durch einen

■j5 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

W) zugleich die Abdichtung der zu kuppelnden Teile vornimmt. Die Kupplung 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

h^r) gepumpt und mittels einer gleichen, nicht dargestellten Kupplung am oberen Lagerzapfen 16 den Reservebehalter im Kreislauf wieder zugeführt wird. In der Fig. 12 ist weiterhin nuf dem unteren Lagerzapfen 16

11 12

ein Rotor 52 angedeutet, der in bekannter Weise als speicher 11 eingebaut, die mit ihren Lagerzapfen 16 in Elektromotor oder Generator laufen kann. den Flanschen 54 gelagert und an einem Ende mit Fig. 13 zeigt eine beispielsweise Ausführung einer Aggregaten 55 gekoppelt sind, die sowohl als Elektro-Fahrzeug-Energiespeicher und -Antriebseinheit. Dabei motore als auch Generatoren betrieben werden können, sind zwei torsionssteife Vakuumzylinder 53 an ihren > Die Fig. 14 zeigt einen der eingebauicii Schwungrad-Enden in Flansche 54 eingebaut. In den Vakuumzylin- Energiespeicher 11 in der Gesamtansicht,
dem 53 sind zwei gegenläufige Schwungrad-Energie-

Hieiv.u 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwungrad-Energiespeicher mit einer auf einem Tragkörper aufgebrachten Schwungradwalze aus faserverstärkten Kunststoffen, bei dem die Elastizitätsmodule der für den Tragkörper und die Schwungradwalze verwendeten Werkstoffe aufeinander abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (12) als dünnwandiger Hohlzylinder (14) mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens eins und die Schwungradwalze (13) mit etwa 1,5- bis 2fachem Durchmecser des Tragkörpers ausgebildet ist, daß an den Hohlzylinder Übergangsteile (15, 42) mit r> Lagerzapfen (16) von gegenüber dem Tragkörper kleinem Durchmesser angesetzt sind, und daß die Schwungradwalze (13) aus einem mit Kunstharz getränkten Fasern gewickelten, direkt auf den Tragkörper aufgebrachten im wesentlichen einheitliehen Körper besteht.

2. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff für den Tragkörper (12), ζ. Β. Titan, einen wesentlich geringeren Elastizitätsmodul aufweist als der Werkstoff für die Fasern, z. B. Kohlenstoffasern oder verketteten Einkristallfäden, und somit Überbeanspruchungen des Tragkörpers als Radial- und Tangentialspannungen in der Schwungradwalze (13) aufgenommen werden.

3. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (14) axiale Schlitze (35) aufweist, die sich bis in die Übergangsteile (15,42) erstrecken.

4. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff für den geschlitzten Tragkörper (12), ζ. Β. Stahl oder Titan, einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als der Werkstoff für die Fasern, z. B. S-Glas oder Aramidfasenv und somit Überbeanspruchungen des Tragkörpers als Tangentialspannungen in der Schwungradwalze (13) aufgenommen werden.

5. Schwungrad-Energiespeicher nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradwalze (13) aus einem mit Kunstharz getränkten Mischgarn aus Kohlenstoff- und Aramidfasern besteht, wobei der Anteil der Kohlenstofffasern von innen nach außen stetig ansteigt.

6. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradwalze (13), vorzugsweise in der Nähe des äußeren Durchmessers, eine oder mehrere ringförmige Lagen (41) von axial angeordneten Kohlenstofffasern aufweist.

7. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsteile (15) als Hohlkegel ausgeführt sind, an welche die Lagerzapfen (16) angesetzt sind. bo

8. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsteile (42) flanschförmig ausgeführt und in den Hohlzylinder (14) eingesetzt sind. b^r>

9. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungradwalze

(13) nur auf dem zylindrischen Teil des Tragkörpers (32)angeordnet ist.

10. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungen (32, 37) ganz oder teilweise auch auf den Übergangsteilen (15) angebracht sind.

11. Schwungrad-Energiespeicher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsteile (15, 42) und die Lagerzapfen (16) hohl ausgeführt sind und in Verbindung mit dem Hohlzylinder (14) zur Aufnahme und zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit (46) dienen.