DE2657875A1

DE2657875A1 - Schwungrad und verfahren zur herstellung des schwungrades

Info

Publication number: DE2657875A1
Application number: DE19762657875
Authority: DE
Inventors: Albert Michael Garber; Frederick Edwin Schultz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1977-07-07
Also published as: GB1542477A; JPS5289767A; FR2336604A1; FR2336604B1; US4052913A

Description

Schwungrad und Verfahren zur Herstellung des Schwungrades

-Die Erfindung betrifft ein Schwungrad, das zur Energiespeicherung verwendbar ist, sie bezieht sich insbesondere auf den Aufbau eines dreidimensionalen, verstärkten Schwungrades mit einem äußeren Verbundbelag und einer Habe, mit einer Zwischenfläche, an der eine mechanische, feste Verbindung zwischen Nabe und äußerem Belag hergestellt ist.

Seit neuerer Zeit hat sich das Interesse an Schwungrädern belebt, da Schwungräder bei der Lösung zur Zeit bestehender Probleme von wesentlicher Bedeutung sein können. Drei spezielle Anwendungsbereiche, in denen Schwungräder hilfreich sein können, sind z.B.:

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a) die sich bei dem zunehmendem Energieverbrauch ergebenden Problembereiche;

b) die sich bei den Auswirkungen des zunehmenden Energieverbrauchs auf die Umgebung ergebenden Probleme; und

c) die bei einem wirkungsvolleren Energieeinsatz vorhandenen Problembereiche.

Bei der Lösung von Problemen innerhalb der genannten drei Anwendungsgebiete bieten Schwungräder die Möglichkeit, als Energiespeicher bei Solarenergiesystemen, mechanischen Energiesystemen und elektrischen Energiesystemen einsetzbar zu sein. So lassen sich z.B. Schwungräder wirkungsvoll zur Speicherung von Energie in großem Umfang zur Beherrschung der S pitzen-lasten in elektrischen Einrichtungen einsetzen. Zusätzlich ist in Schwungrädern Fortbewegungsenergie und Hilfsenergie für Luft-, Land-, See- und Raumfahrzeugen (wie z.B. in Zügen, Automobilen, Schleppern, Bussen, U-Booten, Flugzeugen und Raumfahrzeugen) speicherbar. Darüber -hinaus stellen Schwungräder kompakte Baueinheiten dar, um die genannten Fahrzeuge mit Energie zu versorgen.

Bis vor kurzem War die Verwendung von Schwungrädern bekannter Art wegen folgender prinzipieller i-iachteile auf einige wenige Anwendungen beschränkt» So läßt sich z.B. in bekannten Schwungrädern nicht ausreichend Energie bei den praktischen Gewichts- und Volumenbeschränkungen speichern. Außerdem sind Hochgeschwindigkeits-Verbundräder einer gewissen Auflösung unterworfen und besitzen ungünstige geometrische Abmessungen und bestimmte baulich bedingte dynamische Grenzen.

Der Umfang und die Ernsthaftigkeit dieser Nachteile ist im wesentlichen durch drei wichtige Eigenschaften der Schwungräder bestimmt j nämlich durch die Materialien, aus denen die Schwungräder aufgebaut sind, die geometrische Gestalt der Schwungräder, und bei aus Fäden gewickelten Verbundanordnungen auch durch das Ver-

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fahren, nachpem das Schwungrad hergestellt ist.

Dies hat seine Ursache darin, daß Schwungräder nach den folgenden Prinzipien arbeiten: Erstens hängt die maximal speicherbare Energiemenge in einem Schwungrad von der Masse des Schwungrades, der Masseverteilung und der maximal zulässigen Drehgeschwindigkeit des Schwungrades ab_o Zweitens hängt die gespeicherte Energie vom Quadrat der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades ab. Drittens ist die maximale Drehgeschwindigkeit durch die Festigkeit des Materials des Schwungrades begrenzt. Daraus folgt, daß ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ein Schlüsselkriterium für die Wahl des Materiales darstellt, um Schwungräder herzustellen, die eine hohe Energiespeicherung ermöglichen.

Da die Schwungräder bekannter Art aus Materialien hergestellt sind, die den genannten Kriterien nicht zufriedenstellend genügen, besitzen sie die genannten Nachteile. So besitzen z.B. Hochleistungsschwungräder aus Metall (selbst Schwungräder aus den bestem Stahllegierungen) trotz der hohen Festigkeit im

allgemeinen unbefriedigende Eigenschaften, da die meisten Schwungräder aus Metall eine hohe Dichte von etwa 8 g pro ecm besitzen. Derartige Dichten erfordern ein großes Gewicht und Volumen, um genügend Energie in derartigen Schwungrädern aus Metall zu speichern. Darüber hinaus erhöht die Verwendung von Schwungrädern aus Metall bei hohen Beanspruchungswerten die Gefahr des Katastrophenelntritts, da schadhafte Teile dabei eine hohe Energie besitzen. Aus diesen Gründen werden Schwungräder aus Metall üblicherweise nur begrenzt entweder dort verwendet, wo ein ausreichender Störungsschutz vorsehbar ist, oder wo der Betrieb bei genügend herabgesetzten Betriebsdaten stattfindet, um einen ausreichend hohen Sicherheitsabstand zu ermöglichen.

Aus ähnlichen Gründen sind die bekannten Schwungräder aus typischen verstärkten Verbundmaterialien oder zweidimensional verstärkten Kunststoffmaterialien, wie z.B. aus gewiekelten Fäden-

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anordnungen, aufgrund der geringen Festigkeitseigenschaften des

.,,.-, - . /Richtung, _τ.. , , , _π.. , Materials m einer/ senkreent zur Langsausdelinung der Facten innerhalb des Verbundmaterials ebenfalls nicht befriedigend. Radialbelastungen senkrecht zur Laufrichtung der Fasern üben eine Zugbeanspruchung auf das Harz-Matrixmaterial aus. Das Harz, das im allgemeinen ein Epoxy-Harz ist, kann derartigen Zugbeanspruchungen nur wenig wiederstehen. Aus diesem Grund bewirken Rotationsbelastungen eine Auflösung bei Geschwindigkeiten unterhalb derjenigen Grenzen, die durch das große Verhältnis von Reißfestigkeit zu Gewicht des aus Fäden gewickelten Verbundmaterials gegeben sind. Die aus Fäden oder Fasern gewickelten Verbund-Schwungräder müssen daher noch die Fähigkeiten beweisen, die aufgrund des großen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht des Verbundmaterials an sich gegeben sind.

ITm der Auflösung (Delamination) zu begegnen, wurden verschiedene Anstrengungen unternommen. So wurde z.B. die Verwendung gleichförmiger Stäbe und dünner Bänder vorgeschlagen, aufgrund derer versucht wurde, ein eindimensionales Belastungsfeld zu erzielen. Diese Anstrengungen resultierten in einer Verringerung der Auflösung, jedoch wurde dies mit einer beträchtlichen Verschlechterung der pro kg Material gespeicherten Energiemenge oder der pro Volumoneinheit gespeicherten Energiemenge urkauft.

Zusätzlich bewirken Radial-, Axial-, und Scherbeanspruchungen oftmals, daß sich die Außenzone von Schwungrädern aus Verbundmaterial von der Nabe ablöst. Dies hat seine Ursache darin, daß die gebundene und durchtränkte (bonded) Zwischenfläche zwischen dem äußeren Belag und der Nabe nicht hinreichend fest ist, um den Radial-j Axial- und Scherbelastungen unter Betriebsbedingungen ohne Fehler zu wiederstehen.

Schließlich ist der Hersteller in den Möglichkeiten, die Beanspruchungsverteilungen zu ändern oder zu beeinflussen, stark beschränkt, sofern die Schwungräder aus typischen verstärkten

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isotropen Verbundmaterialien bestehen. So hängen z.B., die Beanspruchungen bei einem rotierenden Schwungrad aus isotropen Materialien und mit gleichförmiger Dicke primär von den i·'., terialparametern, insbesondere der Dichte ab. Darüber hinaus ändern sich die Beanspruchungen nichtlinear mit dem Radius. Beim Entwurf eines isotropen Schwungrades mit gleichförmiger Dicke muß daher der Hersteller und Entwerfer von einer zugelassenen Geschwindigkeit ausgehen, bei der die zulässige Maximalbeanspruchung nicht überschritten wird, wobei die Maximalboanspruchung durch eine tangentiale Beanspruchung an der Innenkante des Rades festgelegt wird. Schwungräder aus isotropen Verbundmaterialien und mit gleichförmiger Dicke sind daher nicht voll ausfahrbar. Konstrukteure, die das isotrope Verbundmaterial wirkungsvoller einsetzen wollen, verändern daher die Dicke des Schwungrades und legen das Schwungrad dabei so aus, daß die Beanspruchungen an jedem Punkt innerhalb des Schwungrades gleich groß sind. Bei Schwungrädern aus isotropen, fadengewickelten Verbundmaterialien ist jedoch die Möglichkeit, die Belastungsverteilung zu beeinflussen, dann nicht mehr gegeben, sofern die Faser- und.Matrixmaterialien festgelegt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,, ein Verbundschwungrad anzugeben, bei denen verschiedene verstärkte Grundglieder (radiale, in Umfangsrichtung verlaufende und axiale Grundglieder) wählbar sind, um innerhalb eines breiten Spektrums möglicher Veränderungen optimale Festigkeits-, Steifheits- und Dichtewerte vorzusehen, und um dadurch eine maximale Energiespeicherkapazität für den gewebten äußeren Verbundbelag zu verwirklichen. Dabei soll die erfindungsgemäße Schwungradanordnung mit Polargewebe bei einem gegebenen Gewicht und Volumen ohne Störung eine gewisse Energiemenge wirksam speichern, die bei Schwungradanordnungen bekannter Art bisher nicht speicherbar war. Die erfindungsgemäße Schwungradanordnung mit Polargewebe soll eine Zwischenfläche zwischen Nabe und äußerem Verbundbelag von ausreichender Festigkeit besitzen, um Beschädigungen aufgrund äußerer und innerer beim Betrieb äüf-

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tretender Kräfte zu wiederstehen. Die erfindungsgemäße Schwungradanordnung mit Polargewebe soll einen verbesserten Sicherheitsabstand von dem Kathastrophenfall und der Delamination besitzen.

Die erfindungsgemäße Schwungradanordnung mit Polargewebe (d.h. einem dreidimensionalen verstärkten Verbundmaterial) enthält o.i.ne redundante, klebende, mechanisch befestigte Zwischenfläche zwischen Metallnabe und einem äußeren zylindrischen Verbundbelag aus Polargewebe. Die Zwischenflache enthält mehrere Ansätze und Ausnehmungen, die vollständig um die Nabe angeordnet sind, um hochfeste, in einer Richtung verlaufende axiale und radiale Grundglieder aufzunehmen, die in zu der Z-und der R-Polarkoordinatenachse parallellaufende! Richtungen angeordnet sind, und um hochfeste, nur in Umfangsrichtung verlaufende Grundelemente aufzunehmen, deren Tangenten an einem beliebigen Punkt senkrecht zu den Z- und R-Achsen stehen. Die Grundelemente, die in Radial-, Axial- und Umfangsrichtung verlaufen, werden als Radial-, Axial- und Umfangselemente bezeichnet. Die um die Nabe herum vorgesehenen Ausnehmungen enthalten mehrere in umfangsrichtung und in axialer Richtung verlaufende Schlitze, die in die Oberfläche der Nabe eingebracht sind. Die Ansätze enthalten mehrere Stege, die zwischen den Umfangs- und den Axialschlitzen vorhanden sind_e Verschiedene Radial-, Axial- und Umfangselemente werden aufeinanderfolgend vernetzt und mit fester Verbindung in die Umfangs- und Axialschlitze eingebettet. Auf diese V/eise besitzt die Zwischenfläche genügend Festigkeit, um vor Beschädigungen aufgrund äußerer oder innerer, beim Betrieb dar Anordnung auftretender Kräfte sicher zu sein; der äußere Belag wird auf diese Weise ein integraler Bestandteil des äußeren Polargewebebereichs.

Zur Herstellung der Zwischenfläche werden die Radialelemente unmittelbar auf der Nabe befestigt, indem die Radialelemente mit einer ersten Schicht aus Umfangselementen, die mit den Stegen

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ausgerichtet ist, in die Umfangsschlitze gezogen,' befestigt und eingebettet werden. Die erste Schicht der Umfangselemente wird dann um die Radialelemente herumgeschlungen, bis eine obere Oberfläche der Umfangselemente die Basis der Axialschlitze erreicht. Die Axialelemente werden hinzugefügt und in aen Axialschlitzen eingebettet, bis die Axialschlitze gefüllt sind. Zuletzt werden zusätzliche Umfangselemente hinzugefügt, um die vorausgehenden Axialelemente in den axialen Schlitzen zu sichern und zu befestigen, wodurch die Zwischenfläche vervollständigt ist.

Der zylindrische äußere Belag wird dann dadurch vervollständigt, daß nacheinander Schichten aus Axial-, Umfangs- und Radialelementmi hinzugefügt und verwebt werden. Diese Elemente verstärken die Anordnung und erzeugen eine Festigkeit, eine Steifheit und eine Masse in der Axial-, Umfangs- und Radialrichtung. Gewünschte Werte der Festigkeit, der Steifheit und der Dichte lassen sich in jeder gewünschten Richtung der nach Polarkoordinaten ausgerichteten Elemente über den gesamten äußeren Bereich -dadurch realisieren, daß di-j Menge, die Abmessungen und die Art der Elemente als Funktion der Richtung und des Radius verändert werden.

Im folgenden werden Ausführmigsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Schwungradanordnung mit Polargewebe nach den Grundsätzen dieser Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Nabe einer Schwungradanordnung mit Polargewebe nach Fig. 1, wobei die Umfangs- und die Axialschlitze dargestellt sind;

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht der Nabe nach Fig. 2 in einer längs der Linie A-A vorgenommenen Schnittdarstellung, wobei die Umfangsschlitze dargestellt sind;

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Fig. ^ eine vergrößerte Seitenansicht entsprechend der Fig. 2 mit den Axial-, Radial- und Umfangselementen einer Polargewebeanordnung, die mit den Umfangsschlitzen vernetzt ist;

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht der Nabe nach Fig. 2 in einer längs der Linie B-B erfolgenden Schnittdarstellung, wobei die Axialschlitze und die Tiefe der UmfangsschlitzL ersichtlich ist;

Fig. 6 eine vergrößerte Seitenansicht entsprechend Fig. ^₁ wobei die Axial-, Radial- und Umfangselemente einer Polargewebeanordnung dargestellt sind, die mit den Axialschlitzen vernetzt sind;

Fig. 7 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht einer weiteren Ausfuhrungsform der Nabe mit schraubenförmigen Schlitzen;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht einer Einheitszelle eines polargewebten anisotropischen V^rbundmaterials, wobei die Einheitszelle aus dem zylindrischen äußeren Polargewebobereich der Anordnung nach Fig. 1 entnommen ist; und

Fig. 9 Auslegungskurven zur Bemessung der Polargewebeanordnung nach Fig, 3.

Die in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Schwungradanordnung 1 enthält eine innere Nabe, einen Kern oder eine Achse 2, auf der ein äußerer Polargewebebereich 3 aufgebracht ist. Die Nabe 2 besitzt im allgemeinen eine zylindrische oder rohrförmige Gestalt und ist bevorzugt aus Metall hergestellt. Die Nabe 2 enthält mehrere Ansätze und Ausnehmungen, die ausschließlich Axial-, Umfangs- und Radial el einen te 7» 9 und 11 des gewebten äußeren

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Bereichs 3 aufnehmen, wie insbesondere in Fig. i+ und auf der äußeren Oberfläche 5 der Nabe in Fig. 2 ersichtlich ist.

Alle Ausnehmungen und Ansätze schaffen zusammen eine redundante, klebende, mechanische, eine feste Verbindung schaffende Grenzfläche oder Zwischenfläche 13, vgl. Fig. 1+ und 6. Die Zwischenfläche 13 befindet sich zwischen Nabe 2 und äußerem Bereich 3 und nimmt auf mechanische Weise Wicklungen der Axial-, üir>fanp;s- und Radialelemente 7, 9 und 11 auf und setzt diese Windungen fest. Die Ausnehmungen bestehen aus zwei Typen, nämlich aus Umfangsschlitzen 15, vgl. insbesondere Fig. 3, und aus Axialschlitzen 17, vgl.insbesondere Fig. 5.

Die Umfangs- und die Axialschlitze 15 und 17 lassen sich in die Nabe 2 mittels herkömmlicher Verfahren, z.B. durch Gießen, Walzen, Fräsen etc. herstellen. Die Umfangsschlitze 15 sind axial beabstandet längs der Nabe 2 angeordnet. Die Axialschlitze 17 erstrecken sich dagegen ausschließlich parallel zu der Achse der Nabe 2 und schneiden die Umfangsschlitze 15. Die Axialschlitze 17 werden also direkt in die Oberflächenbereiche oder Stege 19 eingebracht, die durch die Umfangsschlitze 15 gebildet werden. Die genaue Art und Weise, nach der die Axial- und die Umfangsschlitze 17 und 15, die Stege 19, und die Axial-, Umfangs- und Radialelemente 7» 9 und 11 auf einer bestimmten Nabe 2 untereinander beabstandet und angeordnet sind, ist eine Funktion der speziellen Schwungraddimensionierung. D.h., die Anordnung und der Abstand der genannten Elemente stellen Entwurfsvariable dar und hängen von Faktoren wie z.B. der vorgesehenen Verwendung, den Belastungsberechnungen und anderen Merkmalen, wie z.B. den Abmessungen, der Dichte und den physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien ab* Dies wird im folgenden Weiter erläutert.

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In einer weiteren Ausführungsform sind schraubenförmige Schlitze 21 anstelle der Umfangsschlitze 15 vorgesehen, vgl. Fig. 7. Die schraubenförmigen Schlitze 21 lassen sich als Schlitze mit mehreren Gängen ausbilden. Die obigen Ausführungen gelten für schraubenförmige Schlitze, die anstelle der Umfangsschlitze 15 treten, gleichermaßen. An anderer Stelle ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Verbundmaterial mit Polargewebe beschrieben, wobei bevorzugt schraubenförmige Schlitze und keine Umfangsschlitze 15 vorgesehen sind, um die gewebten Elemente des Verbundmaterials aus Polargewebe zu haltern.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform werden die Axial-, Umfangsschlitze und die schraubenförmigen Schlitze und Stege dadurch hergestellt, daß Beinen aus Dornen, Stiften oder ähnlichen Einrichtungen in die Oberfläche 5 der Nabe 2 eingelassen sind.

Die Zwischenflache 13 der Nabe 2 \vird dadurch gebildet, daß verschiedene Axial-, Umfangs- und Radialelemente 7,. 9 und 11 in die Umfangs- und Axialschlitze 15 und 17 eingebettet werden. Zuerst werden die Radialelemente 11, vgl. insbesondere Fig. if, schrittweise in und um die Nabe 2 herum vernetzt, eingebettet, gewebt und befestigt, wobei Radialelemente 11 zusammen mit den Umfangselementen 9 in die Umfangsschlitze 5 eingezogen werden. Eine erste Schicht aus Umfangselementen 9 wird direkt vernetzt, eingebettet und um die Umfangsschlitze 15 geschlungen und über die Radialfasern 11 gelegt, bis eine Spitzenfläche oder Höhe 22 der Umfangselemente 9 eine Basis 23 der Axialschlitze 17 erreicht, wie insbesondere aus Fig. 5 hervorgeht. Anschließend werden die Axialelemente 7 direkt vernetzt und in die Axialschlitze 17 eingebettet, bis die Axialschlitze 17 gefüllt sind, vgl. Fig. 6. Umfangselemente 9 werden anschließend hinzugefügt, um die Axialelemente 7 in einer Axialstellung und in den axialen Schlitzen zu sichern, zu befestigen und zu verweben.

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Die Zwischenflache 13 wird auf die geschilderte Art hergestellt; und wirkt als eine integrale Grenzfläche zwischen Nabe und Rad (oder äußerern Belag). Die Zwischenfläche 13 bewirkt außerdem, daß die Nabe 2 ein integraler Teil des äußeren Belags 3 wird.

Die Zwischenfläche 13 besitzt eine genügende Festigkeit, um Beschädigungen zu wiederstehen, die aufgrund der beim Betrieb der Schwungradanordnung 1 auftretenden inneren und äußeren Kräfte entstehen könnten. Dies folgt daraus, daß die Vielzahl der Stege 19 und der Umfangs- und Axialschlitze 15 und 17 (mit den Axial-, Umfangs- und Radialelementen 7» 9 und 11, die schrittweise darin vernetzt und eingebettet sind) eine verbesserte Auflagefläche bilden. D.h., die Seiten und Spitzen (oder Oberflächenbereiche) der verschiedenen Stege 19 und der Axial- und Umfangsschlitze 17 und 15 der Nabenoberfläche 5 drücken kräftig gegen die Oberflächen verschiedener Wicklungsschichten der Axial-, Umfangs- und Radialelemente 7, 9 und 11, die in den Schlitzen eingebettet und eingewebt sindο Die genannten drei Arten der Elemente drücken ihrerseits wieder gegeneinander und sind gegeneinander vernetzt, und zwar an der Zwischenfläche 13, innerhalb des Körpers des äußeren Verbundbereichs 3 aus Polargewebe, und auf den Stegen 19 und den Umfangs- und Axialschlitzen 15 und 17. Auf diese Weise fixiert die Nabe 2 den äußeren Bereich 3 und verhindert eine Relativbewegung zwischen der Nabe 2 und düm äußeren Bereich 3·

Als Folge der geometrischen Anordnung der Zwischenfläche 13 erzeugen die auf die Anordnung 1 wirkenden äußeren und inneren Kräfte, die normalerweise eine relative Drehbewegung zwischen den aneinander anliegenden Oberflächen der Nabe 2 und des äußeren Bereichs 3 hervorrufen würden, nun Grenzflächenkräfte zwischen Nabe 2 und äußerem Bereich 3. Die Grenzflächenkräfte, die in der Zwischenfläche 13 auf die aneinander angepaßten Oberflächen wirken und von den äußeren und inneren Kräften herrühren, übertragen

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Lasten oder Beanspruchungen gleichförmig zum bzw. vom äußeren Bereich 3 zur Nabe 2 über die Vielzahl der Ansätze und Ausnehmungen, die über die gesamte Oberfläche 5 der Nabe 2 verteilt sind. Auf diese Weioe erfolgt eine gleichförmige Übertragung und Verteilung von Lasten und Beanspruchungen auch dann, wenn cie Oberfläche 5 der Nabe 2 und die Oberflächen des äußeren Bereichs nicht mittels herkömmlicher Befestigungseinrichtungen miteinander verbunden sind.

Die Übertragung der inneren und äußeren Kräfte zwischen Kabo 2 und äußerem Bereich 3 ist daher von der Klebe-Scherkapazität und der Verbindungsfestigkeit zwischen Nabe 2 und äußerem Bereich 3 unabhängig. Ferner wird aufgrund der Zwischenfläche 13 eine ungleichförmige Belastung vermieden, die normalerweise bei. bekannten Nabe/Schwungscheibe-Anordnungen vorhanden ist, die Klebstoffe, Schrauben und Muttern oder andere gleichwertige Befestigungseinrichtungen verwenden. Daraus folgt ebenfalls, daß durch die Zwischenfläche 13 ohne Beschädigung wesentlich höhere V/erte des Drehmoments, der Axiallast und ganz allgemein aller anderen spezieller -Lasten, Beanspruchungen und Kräfte (durch innere und äußere Kräfte hervorgerufen) als bei herkömmlichen Verbindungen zwischen Nabe und'Schwungscheibe erzielbar sind.

Die Nabe 2 ist in ihrer Verwendbarkeit nicht darauf beschränkt, lediglich als Zwischenfläche für Schwungradanordnungen mit Polargewebe zu dienen. Die Zwischenfläche 13 ist bei beliebigen Nabe/ Schwungscheibeverbindungen anwendbar, bei denen Faserverbundmaterialien aus Polargewebe Verwendet werden, insbesondere wenn große Drehmomente und axiale Lasten vorauszusehen sind. Die Zwischenfläche 13 ist bei folgenden Geräten, die eine unvollständige Auflistung darstellen, anwendbar: Kupplungen, Bremsen, Übertragungseinrichtungen, Turbinen und Kompressoren.

Gemäß den Fig. 1 bis 8 besitzt der äußere Bereich 3 der Anordnung in einer bevorzugten Ausführungsform eine zylindrische oder rohr-

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ft.

förmige Ausbildung mit parallelen Seitenwänden und besteht aus Verbunümaterxalien aus Polargewebe_β Der äußere Bereich 3 ist Jedoch nicht auf die genannten geometrischen Formen beschränkt, er braucht s.B. nicht zueinander parallele Seitenwände besitzen.

Das Verbundrnaterial aus Polargewebe enthält ein nicht homogenes, anisotropisches, elastisches Material und besteht aus drei Typen von Bündeln aus untereinander orthogonalen Klassen in einer Richtung ausgedehnter, verstärkter und hochfester Grundelemente. Die Grundelemente werden als Axial-, Radial- und Umfangselemente 7, 9, 11 bezeichnet, da jede einzelne Klasse der Grundelemente in axialer, radialer oder in Umfangsrichtung oder in Richtungen parallel zu den R-, Z- und Θ-Polarkoordinatenachsen verläuft.

Die inneren Axial-, Radial- und Umfangselemente 7» 11 und 9 aes äußeren Bereiches 3 sind direkt in und um die Nabe 2 gewebt, während die verbleibenden äußeren Partien der drei Elementetypen anschließend hinzugefügt und in Vielfachschichten um die Zwischenfläche 13 herum gebogen sind, bis die gewünschte Gestalt des äußeren Bereiches 3 erhalten wird. Die Grundelemente sind entweder vorimprägniert oder werden nach dem Zusammenbau imprägniert, wobei beide Herstellungsarten in der Praxis geläufig sind. Der äußere Bereich 3 läßt sich an der Zwischenfläche 13 mit der Nabe 2 klebend verbinden, obwohl bei verschiedenen Anwendungen dies nicht erforderlich sein wird_o

Sofern der äußere Bereich 3 in oben genannter Weise ausgebildet ist, stellen die Nabe 2 und der äußere Bereich 3 eine integrale Anordnung dar. Die Anordnung 1 arbeitet daher tatsächlich als ein ein3tückiger, integraler Zylinder. In anderen Ausführungsformen läßt sich der äußere Bereich 3 auch so ausbilden, daß die Anoidnung 1 entweder aus verschiedenen ineinandergesetzten Zylindern besteht oder als eine Anordnung aus radial abgesetzten Zylindern aufgebaut ist.

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Der Aufbau des äußeren Bereiches 3 ist nicht auf die Verwendung spezieller Arten von Materialien beschränkt, er wird jedoch bevorzugt aus Fasern oder Drähten aus folgenden Materialien durchgeführt: Graphit, Kevlar, Glas, Silicium, Bor, Beryllium, Wolfram, etc. Matrix- oder Imprägniermaterialien bestehen bevorzugt aus EpoxidjPolymid, aus Phenolmasse, aus Aluminium und Titan, etc.

Zusätzlich zu dem geschilderten Aufbau lassen sich äußerer Bereich 3 und Nabe 2 so ausbilden und konstruieren, daß erstens ein breiter Bereich von Steifheits- und Festigkeitswerten in den R-, Θ- und Z-Polarkoordinatenrichtungon erzielt wird, wobei die R-, θ-und Z-Richtungen die Hauptrichtungen der am rotierenden Schwungrad angreifenden Kräfte darstellen, daß zweitens die Anordnung 1 einer etwa gleichförmigen Beanspruchungsverteilung in den R-,Θ- und Z-Richtungen ausgesetzt ist, und daß drittens eine Energiespeicherkapazität erzielt wird, die bei bekannten Ausfuhrungsformen aus mit Metall verstärkten Anordnungen oder zweidimensional verstärkten Kunststoffanordnungen nicht erzielt wurden. Eine Untersuchung der Einheitszelle 27 erläutert dies, wobei die Zelle 27 die kleinste unterscheidbare charakteristische Einheit des Verbundmaterialsystems aus Polargewebe darstellt.

Die Zelle 27 enthält drei Bündel aus Axial-, Umfangs- und Radialklassen untereinander orthogonaler Elemente 7, 9 und 11. Die Elementebündel in der Umfangsposition sind sogenannte Umfangselemente 9i deren Tangenten an jedem beliebigen gegebenen Punkt normal zu den R- und Z-Achsen verlaufen. Die Elementenbündel in Axialposition werden aus axialen Fasern sfäxnaiie'gen und verlaufen parallel zu der Z-Achse. Die Elementenbündel in Radialposition werden durch Radialfasern 11 gebildet und befinden sich und verlaufen parallel zu der R-Achse.

Die Zelle 27 enthält außerdem Zwischenräume 29 zwischen den zum Aufbau verwendeten Elemente, die aus drei Klassen gebündelter Elemente bestehen. Die Zelle 27 enthält ferner eine Axial-, eine

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Umfangs- und eine Radial-^inheitszellenlänge 3"1B, 3"IA und 31C. Die Einheitszellenlängen 3IA, 31B und 31C stellen die -Entfernung vom Mittelpunkt zum Mittelpunkt benachbarter Bündel ähnlicher Elemente in den Θ-, Z- und R-Richtungen dar. Die Radiallänge 31C stellt z.B. die Entfernung vom Mittelpunkt eines Axialbündels bis zum Mittelpunkt eines benachbarten Axialbündels in radialer Richtung dar. Die Axiallänge 31B gibt den Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Umfangselemente in Axialrichtung wieder, und die ümfangslänge 31B gibt den Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Radialelemente in Umfangsrichtung wieder. Die Abmessungen oder Dimensionen der Zelle 27 stellen eine Entwurf svariable dar, im allgemeinen sind die Längen 31A, 31B und 31C etwa in der Größenordnung von 2,5 mm.

Das Verbundmaterial der Einheitszelle 27 des äußeren Bereiches aus Polargewebe enthält ein nicht homogenes, anisotropes elastisches Materialsystem, Das Verbundmaterial aus Polargewebe besteht deshalb aus anisotropischem Material, da die Steifheits-, Festigkeits-, Dichte- und Gestalteigenschaften des Materials in jeder der R-, 0- und Z-Koordinatenrichtungen nicht gleich ist, diese Materialparameter lassen sich ferner als Funktion des Radius der Anordnung 1 verändern. Die nicht homogenen, anisotropen Eigenschaften (oder die Anisotropie)der Anordnung 1 ist tatsächlich eine Funktion der genannten Materialparameter, Dies bildet einen Gegensatz zu isotropen Materialien, wie z.B. Aluminium, bei denen die Materiaiparameter in allen Koordinatenrichtungen gleich sind. Die in einem aus Aluminium aufgebauten Schwungrad auftretenden Belastungen sind folglich primär nur von einem Materialparameter, der Dichte, abhängig.

Die Anisotropie der Zelle 27 hängt in großem Maße von folgenden physikalischen Proportionen und Materialeigenschaften ab: den relativen Volumina der drei Klassen von untereinander orthogonalen Elementenbündel, dem Gesamtvolumen jeder Einheitszelle 27, den ehemischen Stoffen und Matrixmaterialien, die zur Herstellung der

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Zelle 27 verwendet werden, und der Art des eingesetzten Gewebes.

Aufgrund der Anisotropie der Einheitszelle 27 läßt sich die Verteilung der Beanspruchungen innerhalb der Anordnung 1 dadurch ändern und beeinflussen, daß die Einheitszelle und der Federungswiderstand der Elementebündel-Anordnung als eine vorgegebene Funktion des Radius gesteuert wird. Die Anisotropie der Anordnung 1 läßt sich auch dann verändern, wenn die Herstellungsmaterialien und die Matrixmaterialien vorgegeben sind. Die Einheitszelle und der Federungswiderstand der Elementebündel-Anordnurv sind durch die Materialeigenschaften und die gewünschten physikalischen Verhältnisse der Einheitszelle 27 festgelegt, sie werdun außerdem dadurch bestimmt, daß die drei Felder der Bündelelemente 7, 9 und 11 in einer gewünschten Anordnung verlaufen, um die bei einer in Aussicht genommenen Anwendung zu erwartenden Beanspruchungen auszuhalten (d.h. die Verhältnisse des axialen, radialen und des UmfangsfederungswiderStandes zueinander und bezüglich des Radius müssen entsprechend ausgelegt werden). Der Federungswiderstand besitzt im allgemeinen dann einen zufriedenstellenden Y/ert, wenn die Anordnung 1 angemessene Festigkeit, Steifheit und Dichte besitzt, um einerseits den in Richtung der Polarachse wirkenden Kräften zu widerstehen und um andererseits eine Ablösung in Richtung der v/irkenden Kräfte und der Polarachse zu vermeiden. Gleichermaßen v/erden die internen Beanspruchungen so bemessen, daß sie in der gesamten Anordnung 1 kontrolliert und optimiert auftreten.

Die Möglichkeit, die Einheitszelle 27 in den gewünschten physikalischen Verhältnissen auszubilden und die gebündelten Elemente 7, 9 und 11 in gewünschter Anordnung anzubringen, wird umgekehrt durch die Anisotropie der Einheitszelle 27 bestimmt. Gemäß dem angegebenen erfindungsgemäßen Konzept hängt der Grad der Auslegbarkeit und der Beeinflussung der Belastungsverteilungen von dem speziellen Aufbau der Anordnung ab. Ebenso ist die genaue Form

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unci die Abmessungen der Anordnung 1 eine Konstruktionsveränaerliche. Ferner stellt die Optimierung der Einheitszelle und des Federwiderstands der Elementebündel-Anordnung beim Entwurf einer Anordnung 1 für einen speziellen Zv/eck einen Hauptfaktor dar.

Anhand des folgenden Beispiels v/erden die genannten Merkmale der Erfindung - die Anordnung der drei Klassen von Elementen um die Nabe 2, und die Zuordnung der drei Elementeklassen untereinander und zur Zwischenfläche 13 - näher erläutert. In diesem Beispiel besitzt die Wabe 2 einen Durchmesser von 5>75 em (2,28 inch). Die gewünschte Axiallänge und Umfangslänge 31B und 3"1A von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der in der Zelle 27 benachbart liegenden Bündel aus Radialelementen 11 beträgt 2^ mm am Umfang des äußeren Bereiches 3j wo die Anordnung 1 einen Durchmesser von etwa"if6»5 cm (18,3 inch) besitzt. Gewünscht ist eine minimale Schwankung der Umfangslänge 31A, um die Anisotropieeigenschaften dieses Beispiels zu beeinflussen. Die Nabe 2 besitzt Umfangsschlitze 15 und keine schraubenförmigen Schlitze 21.

Unter den genannten Bedingungen liegen alle Radialelemente 11 in Ebenen senkrecht zur Längsachse 33 der Nabe 2 und werden dort festgehalten. Die Radialebenen fluchten axial mit den Stegen zwischen den Umfangsschlitzen 15» die entsprechend der oben festgelegten Axiallänge 3VB ebenfalls einen Abstand von 2p mm zwischen Mittelpunkt und Mittelpunkt in Axialrichtung Z besitzen. Daraus folgt, daß die Axialabmessungen, d.h. die Dicke der Anordnung 1 die Anzahl der erforderlichen Radialebenen bestimmt. Eine etwa 7 5 mm dicke Anordnung 1 würde daher ungefähr 30 Radialebenen und etwa 31 Umfangsschlitze 15 in der Nabe 2 erfordern.

Die Anordnung der Radialelemente 11 in einer beliebigen Radialebene ist identisch mit der Anordnung der Radialelemente in anderen Rädialebeneni Die Radialelemente 11 fluchten ebenfalls in Axialrichturig Z. Wenn daher M^ Rädialelemente 11 in jeder Radialebene vorgesehen sind, so beträgt die Umfangslänge 31Δ

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an der Oberfläche der Wabe 2 etwa 0,1^ ram, sofern der Durchmesser 5j75 mm beträgt.

Die Anzahl der erforderlichen Axialschlitze 17 ist gleich der Anzahl der Radialelemente 11 in einer Radialebene mit 5>73 mm Durchmesser. In dem vorliegenden Beispiel sind IVf Axialschlitze erforderlich. Die Abmessungen der Axialschlitze 15 und der Stege 19 innerhalb der Umfangslänge 31A mit 1,3 mm ist eine Frage der konstruktiv bedingten Auswahl.

Durch aufeinanderfolgende Hinzufügung von Schichten aus Axial- und Umfangselementen 7 und 9 schreitet die Fertigstellung des Webgeflechts der Zwischenfläche 13 und des äußeren Bereiches 3 fort. Dabei wächst der Durchmesser des äußeren Bereiches 3 an. Ferner nimmt die Umfangslänge 31A zwischen Radialelementen 11 zu. Wenn der Durchmesser der Anordnung 1 auf einen Wert von etwa 115 mm angewachsen ist, ist die Umfangslänge 31A auf den Wert 0,25 mm angewachsen. Bei diesem Durchmesser von 115 mm werden IVf Radialelemente 11 neu zwischen die ursprünglich in jeder Ebene vorhandenen 1Vf Radialelemente eingefügt, um die Umfangslänge 31A zwischen-Radialelementen 11 auf etwa Ij25 mm zu reduzieren. Anschließend werden Axial- und Umfangsschichten aus den Elementen 7 und 9 hinzugefügt, bis der Durchmesser des äußeren Bereiches 3 auf einen Wert von etwa 23 m angewachsen ist, wobei dann die Umfangslänge 31A von Mittelpunkt zu Mittelpunkt etwa 0,25 cm beträgt. Bei diesem Durchmesser von etwa 23cm werden weitere 288 Radialelemente 11 hinzuaddiert, um die Anzahl der Radialelemente 11 zu verdoppeln und erneut die Umfangslänge auf 0,13 cm zu reduzieren. Auf diese V/eise wird durch beständige Hinzufügung von Axial- und Umfangsschichten aus Elementen 7 und der Durchmesser des äußeren Bereiches 3 auf den gewünschten Wert von etwa 46 5 mm erhöht, wobei sich dann eine von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessene resultierende Umfangslänge 3IA von etwa 0,025 cm zwischen den Bündeln aus Radialelementen 11 ergibt.

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Bei dem ausgeführten. Beispiel wurden die Abmessungen und die Anordnungen der Elemente etc. so ausgewählt, daß ein Muster entsteht, bei dem die Anzahl der Radialelemente 11 jedesmal verdoppelt wird, wenn sich der Durchmesser des äußeren Bereiches 3 verdoppelt. Dies ist jedoch für die Herstellung der Anordnung 1 kein zwingendes Erfordernis. Ein größerer Durchmesser der verwendeten. Nabe 2 hätte im oben geschilderten Webmuster lediglich einen Effekt auf die Umfangslänge 31A zwischen den Radialelementen Π an der Oberfläche der Nabe 2. Sofern es als Ergebnis von Berechnunge'n, der Materialauswahl und der Bemessung vorteilhaft ist, den Grad der Anisotropie-Eigenschaften der Anordnung 1 zu ändern, lassen sieh Radialelemente 11 bei Durchmessern der Anordnung 1 hinzufügen, die entweder größer oder kleiner als im angegebenen Beispiel sind. Darüber hinaus läßt sich jede beliebige Anzahl von Elementen bei jedem beliebigen Durchmesserwert hinzufügen, um die Festigkeit und Steifheit der Anordnung 1 zu erhöhen.

Bei der Bemessung der Anordnung 1 für einen speziellen Anwendungszweck lassen sich Entwurfskurven für das Polargewebe verwenden, die den in Fig. 9 dargestellten Kurven entsprechen, um folgende Werte zu erhalten! die gesamte gespeicherte Energie, die Energiedichtej den Durchmesser, die axiale Länge, das Gewicht und die Anzahl der Umdrehungen pro Minute.

Es sei zum■: Beispiel--die Aufgabe gestellt, in einer Anordnung 1 eine Energie von 35 KWh zu speichern, wobei eine Energiedichte von li-5 Wh/O,k5k kg als gewünschter Wert des Wirkungsgrades verwendet wird. Anhand der Kurven A läßt sich dann für eine Energie von 35 KWh im äußeren Bereich 3 ein bestimmter Durchmesser und eine bestimmte Länge festlegen. Die Länge und der Durchmesser der Anordnung 1 lassen sich aus den Kurven B und C bestimmen, nachdem die gewünschte Normalbetrieb-Umdrehungszahl (jjmdrehungen pro Minute) gewählt wurde. Als Lösung der gestellten Aufgäbe ergibt sich, daß die Anordnung 1 einen Durchmesser von

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etwa 106 era, ein Gewicht von etwa 3A-0 kg und eine Dicke von etwa 25 cm besitzt, wobei der Betrieb bei einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 20000 Umdrehungen pro Minute erfolgt.

Die Anordnung 1 enthält, wie schon erwähnt, einen äußeren Bereich 3 aus irgendeiner Kombination der zuvor genannten Elemente und Materialarten. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist jedoch der äußere Bereich 3 aus aromatischen Polyamidfasern hergestellt (wie z.B. PRD-A-9, unter dem Handelsnamen "Kelv^-ar¹¹ evtl. besser bekannt, der dem PRD-A-9 von Dupont gegeben wurde), wodurch Energiedichten im Bereich zwischen A-O bis 60 Wh/0,A-5 kg erzielbar sind. Es sei darauf hingewiesen, daß KeIvar etwa das Siebenfache der Energie pro Gewichtseinheit des Wertes legierter Stähle speichern kann; dieses Material besitzt ferner eine hohe Festigkeit, geringe Dichte, es ist leicht und kann mit wesentlich höherer Geschwindigkeit als Metallschwungräder geschleudert werden, bevor KeIvar die Zugspannungsgrenze erreicht. Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die Anordnung 1 eine hohe Festigkeit und eine verbesserte Scherkapazität in allen Richtungen besitzt; daß die Anordnung 1 wirksam bei geometrischen Formen und unter Lastbedingungen arbeitet, bei denen die Richtungen der Hauptbeanspruchung mit einem Polarkoordinatensystem zusammenfallen (d.h. derartige Lastbedingungen und Belastungsrichtungen sind üblicherweise beim Schleudern von Schwungrädern gegeben); daß die mit einem Polargewebe aufgebaute Anordnung 1 eine einfache geometrische Form besitzt, die eine wirkungsvolle Packung ermöglicht und mehrere dynamische Probleme bekannter Schwungräder eliminiert; daß die Anordnung 1 einen breiten Bereich von Steifheits-, Festigkeits- und Dichtewerten in den R-, 9- und Z-Richtungen vorsieht; daß die Anordnung 1 so bemessen werden kann, daß nahezu eine gleichförmige Beanspruchungsverteilung bei einem zylindrischen äußeren Bereich 3 mit parallelen Seiten vorliegt; daß ein mit parallelen Seiten versehener, zylindrischer Außenbereich 3 mit Polargewebe im wesentlichen eine konstante Beanspruchsverteilung besitzt; daß die Anordnung

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1 eine maximale Energiespeicherkapazität besitzt, die bei typisch verstärkten Verbundmaterialien bisher nicht erzielbar waren; daß die Anordnung 1 im wesentlichen ein einziger fester integraler Körper über den gesamten Frequenzbetriebsbereich darstellt, wodurch die natürlichen Schwingungsmoden in der Anordnung 1 in der Nähe der Betriebsgeschwindigkeiten eliminiert sind; daß die Möglichkeit vorhanden ist, die Menge, die Abmessungen und die Arten der zur Herstellung dur Anordnung 1 verwendeten Elemente ,und Materialien als Funktion des Radius der Anordnung 1 zu verändern, wodurch sich etwa eine Verbesserung von 50% in der Energiedichte gegenüber uniformknisotropischen Schwungrädern bekannter Art ergibt; daß die steuerbaren und veränderlichen, inhomogenen und anisotropischen Eigenschaften, die durch das Verbundmaterial aus Polargewebe gegeben sind, höhere Werte der Gewichts- und Voluraenwirkungsgradfaktoren ermöglichen, als das bei Schwungrädern aus in zwei Richtungen unterteiltes Verbundmaterial bekannter Art der Fall ist; daß die Zwischenfläche 13 die schwierigen Probleme bei der Befestigung des äußeren Bereiches 3 auf der Nabe 2 des Schwungrades verringert bzw. eliminiert, da die Nabe 2 einen integralen Teil der Anordnung 1 darstellt, der während des gesamten Herstellungsprozesses und der gesamten Betriebazeit mit dem äußeren Bereich 3 zusammenbleibt.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich für vielerlei Zwecke einsetzen. Einige dieser Einsatzmöglichkeiten sind im folgenden aufgelistet: große Schwungräder mit Polargewebe lassen sich zur Energiespeicherung in elektrischen Netzen einsetzen; kleinere Schwungräder mit Polargewebe lassen Sich zur Fortbewegung fast aller möglicher Fahrzeugstypen verwenden; Schwungräder mit Polargeweba lassen sich als Torpedoantrieb und als Antrieb für Schaufel· geräte verwenden; Schwungräder mit Polargewebe lassen sich schließlich bei elektrischen Entladelaser-Systemen und bei hohen Spitzenleistungsanwendungen einsetzen, wie z.B. bei einem mittels elektrischer Entladung durchgeführten Metall-Explosivumformverfahren.

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Claims

Patentanüprücne

1.: Schwungrad,

^v ' gekennzeichnet durch

eine innere Nabe (2), und

einen äußeren Verbundbereich (3), der in enger, fest umschließender Verbindung mit der Nabe (2) gewebt ict und eine Vielzahl von drei untereinander orthogonalen Grundelemente-Bündel (7, 9» 11) enthält, wobei aie Grundglieder-Bündel (7, 9, 11) je in Richtungen parallel zu den Polarkoordinatenachsen ausgefluchtet und angeordnet sind.

2. Schwungrad nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse des Axial-, Umfangs- und Radialfederwiderstands des äußeren Verbundbereiches (3) untereinander in einer vorgegebenen Abhängigkeit vom Radius veränderlich sind.

3. Schwungrad, nach Anspruch I₃
gekennzeichnet durch

eine innere Nabe (2) mit einer Vielzahl sich überschneidender Ansätze (19) und Ausnehmungen (15, 17)₉ einen zylindrischen äußeren Bereich (3) aus einem dreidimensional verstärkten, anisotropischen Verbundmaterial, wobei der Verbund eine Vielzahl von drei untereinander orthogonalen Grundelemente-Bündel (7, 9, 11) enthält, die in Richtungen parallel zu den Koordinatenachsen (R, Θ, Z) fluchten und angeordnet sind, und wobei die Verhältnisse aus Axial-, Umfangs- üiid Radial-Federungswiderstand untereinander in einer vorgegebenen Funktion vom Radius des Schwungrades abhängen^ um eine angemesscns

7 0 9 8 2 7/0285 °*Wnal inspb_CTBd

Steifheit und Dichte zu erzielen und Bearispruchun/^oV-irteilungen in den Richtungen der Polarkoordinatenaciujen zu widerstehen, und um eine Ablösung in den Kichtunken der Polarkoordinatenachsen und in den Richtungen der auf das Schwungrad einwirkenden Beanspruchungen zu vermelden',

und eine Zwischenfläche (13) zwischen der wabe (2) und dem äußeren Bereich (3) aus Verbundmaterial, wobei uie Zwischenfläche (13) die Elemente (7, 9, 11) der Bündel mechanisch einbettet und eine feste Verbindung mit üou sich überschneidenden Ausnehmungen (15₅ 17) und Ansätze (19) herstellt.

l\. Schwungrad nach Anspruch 3_S

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (15, 17) Umfangsschlitze (150 und Axialschlitze (17) enthalten.

5. Schwungrad nach Anspruch l+,

dadurch gekennzeichnet,

daß die innere Nabe (2) rohrförmig ausgebildet ist.

6. Schwungrad nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Bereich (3) mit parallelen Seiten versehen ist.

7. Schwungrad nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ansätze (19) als Stege ausgebildet sind.

8. Schwungrad nach Anspruch 7»

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausnehmungen (17> 21) schraubenförmige Schlitze

(21) und Axiaiochlitze (17) enthalten.

709827/0285 oriqinal inspected

9. Schwungrad nach Anspruch δ,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Elemente (7, 9, 11) aus aromatischen Polymiufsoern in einer Epoxy-Kunstharzmatrix bestehen.

10. Schwungrad nach Anspruch 7>

dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Graphitfasern in einer Epoxy-Kunststoffmatrix bestehen.

11. Verfahren zur Herstellung eines Schwungrads,

das eine innere Nabe enthält, an der ein zylindrischer äußerer Bereich befestigbar ist,
gekennzeichnet durch das Einbetten und Weben einer dreiüimensional verstärkten Verbundmatrix aus drei Klassen von untereinander orthogonalen Elementen, die in Richtungen parallel zu den Polarkoordinatenachsen fluchten, in mehrere Ausnehmungen und Ansätze der Nabe, um eine Zwischenflache zwischen der Nabe und dem äußeren Bereich mit genügender Festigkeit herzustellen, die Beschädigungen wiedersteht, wenn sie den beim Betrieb des Schwungrades auftretenden inneren und äußeren Kräften ausgesetzt ist, das aufeinanderfolgende Hinzufügen und Aufweben aufeinanderfolgender Schichten von verschiedenen der drei Element·, klassen um die Zwischenfläche, bis der äußere Bereich eine zylindrische Gestalt gewünschter Abmessung besitzt, und wobei der äußere Bereich die Beanspruchung aufgrund der beim Betrieb wirkenden Kräfte im wesentlichen auf die gesamte Anordnung uniform verteilt und dabei eine Loslösung (Delamination) in Richtung der auf die Anordnung wirkenden Kräfte vermeidet, und
einen gewünschten Federungswiderstand der drei Elemente-

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ldassen, um das Schwungrad mit angemessener Festigkeit, Steifheit und Dichte zu versehen, damit das Schwungrad den in Richtung der Polarkoordinatenachsen angreifenden Kräfte wiedersteht, damit eine Loslösung (Delamination) in Sichtung der Polarkoordinatenachsen unterbleibt, und damit.die internen Beanspruchungen gleichförmig über die gesamte Anordnung verteilt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniswerte des Federungswiderstandes bezüglich <->ines vorgegebenen Radius des äußeren Bereiches veränderlich sind, um die in der Anordnung entwickelten inneren Beanspruchungen zu steuern, verändern und optimieren.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß die drei Elernenteklassen aus Bündeln bestehen, die mit Harz imprägniert sind und Umfangs-, Axial- und Radial fasern enthalten, und daß die drei Elementeklassen die Anordnung in den Richtungen der Polarkoordinatenachsen verstärken, wodurch die inneren Beanspruchungen der Anordnung gesteuert, verteilt und optimiert werden.

1if. Verfahren nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Verhältniswerte der Federungswiderstände durch Veränderung des Materials, der Anzahl und der Abmessung eines beliebigen Bündels aus Umfangs-, Axial- oder Radialfasern in Abhängigkeit vom Radius des äußeren Bereiches erfolgt, um den äußeren Bereich mit inhomogenen, anisotropen, elastischen Materialeigenschaften zu versehen, Wobei die Anisotropieeigenschaften es ermöglichen, daß die inneren Beanspruchungen beeinflußbar uftri veränderlich siful, um tfie gesteuert«* Busm«

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spruchungsverteilung, die hohe Festigkeit und Steifheit und Dichte für irgend eine beliebige Auslegung der Anordnung zu erzielen.

15. Verfahren nach Anspruch 1^.,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen als Umfangsschlitze und Axialschlitze und die Ansätze als Stege ausgebildet sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15₅
gekennzeichnet durch

das Anordnen und Weben der Radialfasern zur Ausbildung einer festen Verbindung mit der Nabe und den Umfangsfasern, wobei die Radialfasern mit einer ersten Schicht aus Umfangsfasern in die Umfangsschlitze gezogen, eingebettet und festgesetzt werden,

Anordnen und V/eben der Umfangsfäden zur Herstellung einer festen Verbindung mit der Nabe und den Radialfasern, wobei die erste Schicht der Umfangsfasern in und um die Umfangaschlitze geschlungen und eingebettet und befestigt werden, bis eine obere Oberfläche der ersten Schicht der Umfangsfasern die Basis der Axialschlitze erreicht, Anordnen, Weben und Einbetten der Axialfasern zur Herstellung einer festen Verbindung mit der Nabe und den Umfangs- und Radialfasern, wobei die Axialschlitze mit den Axialfasern gefüllt werden, und

die Vervollständigung der Zwischonflache, wobei die Axialfasern in den Axialschlitzen und um die Radialfasern mittels zusätzlicher Umschlingungen der Umfangsfasern festgehalten werden und wobei die vollendete Zwischenfläche einen integralen Teil des äußeren Bereiches darstellt.

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17. Verfahren nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen schraubenförmige Schlitze und Axialschlitze enthalten, und daß die Ansätze als Stege ausgebildet sind.

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