DE2949125A1

DE2949125A1 - Energy storage flywheel for vehicle installation - has high-density fibre-reinforced wheel rim to increase rotational speed

Info

Publication number: DE2949125A1
Application number: DE19792949125
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Horst 7057 Weinstadt Bühl
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1981-06-11

Abstract

A high capacity flywheel for energy storage in vehicles, has a rim (3), made of material which includes high density layers, e.g. steel. The centre hub (1) of the flywheel (3) is attached to the rim by radial spokes (2). The flywheel rim which concentrates the mass of the wheel is reinforced by high tensile strength fibres. Thus the increased strength allows higher rotational speeds with improved energy storage capacity.

Description

"Schwungrad zur Energiespeicherung in "Flywheel for energy storage in

Kraftfahrzeugen" Gegenstand der Erfindung ist ein Schwungrad zur Energiespeicherung in Kraftfahrzeugen mit einer ringförmigen Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff. Motor vehicles "The invention is a flywheel for Energy storage in motor vehicles with an annular flywheel made of fiber composite material.

Schwungräder zur Energiespeicherung sind seit langem bekannt.Flywheels for storing energy have long been known.

Bei vorgegebener Masse ist als Bauform die sogenannte Massenrandform theoretisch am günstigsten, bei der die Schwungmasse einen Ring mit möglichst großem Radius darstellt. Die Menge der in einem solchen Schwungrad gespeicherten Energie ist proportional der Masse des Ringes und dem Quadrat der Drehzahl. Mit zunehmender Masse und zunehmender Drehzahl nimmt jedoch auch die Ringbeanspruchung, die sich aus der Zentrifugalkraft ergibt, zu, so daß bei einer bestimmten Drehzahl die Zugfestigkeit des Materials überschritten und der Ring zerstört wird. Bei Stahl wird die Grenze der Zugfestigkeit relativ schnell erreicht und es können, bezogen auf die Masse des Schwungrades, nur verhältnismäßig geringe Energiemengen (ca. 40 Wh .kg-1) gespeichert werden.With a given mass, the design is the so-called mass edge shape theoretically the cheapest, where the flywheel mass is a ring with the largest possible Represents radius. The amount of energy stored in such a flywheel is proportional to the mass of the ring and the square of the speed. With increasing However, mass and increasing speed also reduce the stress on the ring results from the centrifugal force, so that at a certain speed the tensile strength of the material is exceeded and the ring is destroyed. With steel, the limit becomes the tensile strength is reached relatively quickly and it can, based on the mass of the flywheel, only relatively small amounts of energy (approx. 40 Wh .kg-1) are stored will.

Wesentlich höhere Energiedichten lassen sich erreichen, wenn die Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, da sich aufgrund der extrem hohen Zugfestigkeit des Fasermaterials ganz erheblich höhere Drehzahlen verwirklichen lassen.Much higher energy densities can be achieved if the flywheel made of fiber composite material, because of the extremely high tensile strength of the fiber material can achieve considerably higher speeds.

Bei der Verwendung von Schwungrädern unter mobilen Einsatzbedingungen, d.h. in Kraftfahrzeugen, müssen die Schwungräder eine möglichst hohe Energiedichte haben. d.h. bei möglichst niedrigem Gewicht eine möglichst hohe Energiemenge speichern. Da jedoch aus einbautechnischen Gründen der Schwungraddurchmesser vorgegeben und die Drehzahl durch Lager- und Dichtungsprobleme (die Schwungräder werden zur Verminderung der Reibungsverluste im Vakuum betrieben) begrenzt ist und unterhalb der vom Material her maximal möglichen Drehzahl liegt, kann die maximal mögliche Energiespeicherkapazität nicht ausgenützt werden.When using flywheels under mobile operating conditions, i.e. in motor vehicles, the flywheels must have the highest possible energy density to have. i.e. store as high an amount of energy as possible with the lowest possible weight. Since, however, the flywheel diameter is specified and for technical installation reasons the speed due to bearing and sealing problems (the flywheels are reducing the friction losses operated in a vacuum) is limited and below that of the material is the maximum possible speed, the maximum possible energy storage capacity not be exploited.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schwungrad für die Verwendung in Kraftfahrzeugen zu finden, in dem sich bei beschränkter Baugröße und einer vorgegebenen Maximaldrehzahl eine maximale Energiemenge bei möglichst geringem Gewicht des Schwungrades speichern läßt.The object of the present invention is to provide a flywheel to be found for use in motor vehicles, in which there is a limited size and a predetermined maximum speed a maximum amount of energy at as possible can save low weight of the flywheel.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Schwungrad gelöst.This object is achieved by what is described in the claims Flywheel loosened.

Bei gegebenen Abmessungen und gegebener Drehzahl kann die Energiespeicherkapazität eines Schwungrades nur durch Erhöhung der Masse erhöht werden. Bei Erhöhung der Faserverbundmasse geht jedoch die ideale Massenrandform immer mehr in eine "Scheibe gleicher Dicke" über, die tatsächlich auch in einer Vielzahl von Literaturstellen beschrieben ist. Gegenüber einem Schwungrad mit Massenrandform besitzt eine Scheibe gleicher Dicke jedoch bei gleicher Masse einen geringeren Energiegehalt.Given the dimensions and the given speed, the energy storage capacity of a flywheel can only be increased by increasing the mass. When the Fiber composite however, the ideal mass edge shape is becoming more and more common in a "disk of equal thickness" over, which actually also in a variety of References is described. Opposite a flywheel with a mass rim shape a disc of the same thickness but has a lower energy content for the same mass.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwungrad kann die energetisch günstige Massenrandform beibehalten werden. Die Erhöhung der Masse erfolgt durch Einlagern von Materialien hoher Dichte in die Schwungmasse. Diese Materialien werden durch die Faserverbundmasse abgestützt. Bei einem optimierten Masseverhältnis von Faserverbundmasse zu Material hoher Dichte kann die hohe spezifische Zugfestigkeit des Faserverbundwerkstoffs auch bei geringeren Drehzahlen und kleinerem Schwungraddurchmesser voll ausgenutzt werden.In the flywheel according to the invention, the energetically favorable Mass edge shape are retained. The mass is increased through storage of high density materials in the flywheel. These materials are through the fiber composite is supported. With an optimized mass ratio of fiber composite mass The high specific tensile strength of the fiber composite material can make a material of high density fully utilized even at lower speeds and with a smaller flywheel diameter will.

Material, das eingelagert werden kann, sind Stoffe, die eine hohe Dichte und Festigkeit besitzen und sich mit dem faserverstärkten Kunststoff vertragen, z.B. Schwerspat oder Bariumtitanat in pulverisierter Form. Weniger geeignet sind "weiche Stoffe", wie Blei oder Zinn (-legierungen), da sie sich unter den Betriebsbedingungen plastisch verformen können und dadurch zu Störungen Anlaß geben können. Bevorzugt werden wegen ihres hohen spezifischen Gewichtes Metalle, insbesondere Eisen und Stahl, auch in hochlegierter Form.Material that can be stored are substances that have a high Have density and strength and are compatible with the fiber-reinforced plastic, e.g. barium or barium titanate in powdered form. Are less suitable "Soft substances", such as lead or tin (alloys), as they change under the operating conditions can deform plastically and thereby give rise to disturbances. Preferred because of their high specific weight metals, especially iron and Steel, also in high-alloy form.

Vorzugsweise wird Stahl in Form von Ringen, Bändern, Drähten oder Fasern eingelagert, da der Stahl preiswert ist und in dieser Form teilweise noch einen erheblichen Beitrag zur Festigkeit des Schwungrades leisten kann und dadurch im Gegensatz zur Einarbeitung von Material in Pulverform eine größere Metallmasse in das Schwungrad eingebracht werden kann.Preferably steel is in the form of rings, ribbons, or wires Fibers stored because the steel is inexpensive and sometimes still in this form can make a significant contribution to the strength of the flywheel and thereby in the In contrast to the incorporation of material in powder form, a larger metal mass in the flywheel can be introduced.

Prinzipiell bieten sich mehrere Konstruktionsmöglichkeiten für die Schwungmasse an: Ein Metallring, vorzugsweise ein Stahlring wird mit Umfangslagen aus Faserverbundwerkstoff umgeben; die Metallkomponente wird als Band lagenförmig in die Faserverbundwicklung eingearbeitet oder die Metallkomponente wird als Faden (Draht) oder in Faserform lagenförmig oder gleichzeitig mit der Wicklung der Faserkomponente des faserverstärkten Kunststoffs eingebracht. Da die Metallkomponente bzw. die Materialien hoher Dichte beim Betrieb des Schwungrades durch den Faserverbundwerkstoff abgestützt werden, bestehen die äußersten Schichten des Schwungkörpers zweckmäßigerweise aus Faserverbundwerkstoff ohne Einlagerungen.In principle, there are several construction options for the Flywheel on: A metal ring, preferably a steel ring, is made with circumferential layers surrounded by fiber composite material; the metal component is layered as a band incorporated into the fiber composite winding or the metal component is used as a thread (Wire) or in fiber form in layers or at the same time as the winding of the fiber component of the fiber-reinforced plastic introduced. Because the metal component or the materials high density supported by the fiber composite material during operation of the flywheel the outermost layers of the flywheel are expediently made of Fiber composite material without inclusions.

Als Fasern für den Faserverbundwerkstoff sind alle hochfesten Fasern geeignet; üblicherweise werden Fasern aus Glas, Quarz, Kohlenstoff, Bor oder Polyaramiden eingesetzt.As fibers for the fiber composite material, all are high-strength fibers suitable; Usually fibers made of glass, quartz, carbon, boron or polyaramids are used used.

Als Kleber werden üblicherweise Epoxiharze verwendet, dabei soll das Verhältnis Faser : Harz möglichst hoch sein.Epoxy resins are usually used as adhesives, but that should be the case Fiber: resin ratio should be as high as possible.

Die Menge der eingelagerten Materialien hoher Dichte ist abhängig von der Zugfestigkeit des Faserverbundmaterials, vom Durchmesser des Schwungrades und von der Drehzahl, mit der das Schwungrad ohne Zerstörung betrieben werden können soll, weiterhin muß ggf. auch die Zugfestigkeit des eingelagerten Materials (z.B. Stahl- oder Wolframdraht) berücksichtigt werden. Anhand der jedem Fachmann geläufigen Formeln und Methoden, die z.B. teilweise auch in den DE-OS'n 21 19 015 und 25 58 422 angeführt sind, läßt sich die unter den vorgegebenen Bedingungen jeweils maximal mögliche Menge an einzulagerndem Material leicht errechnen.The amount of high density materials stored is dependent on the tensile strength of the fiber composite material, on the diameter of the flywheel and the speed at which the flywheel can be operated without being destroyed the tensile strength of the stored material (e.g. Steel or tungsten wire) must be taken into account. Look at each Formulas and methods familiar to those skilled in the art, some of which are also found in DE-OS'n 21 19 015 and 25 58 422 are listed, the can under the given conditions Easily calculate the maximum possible amount of material to be stored.

Die Verbindung der Schwungmasse mit der Nabe erfolgt in bekannter Weise durch Verbindungselemente wie Speichen, Scheiben oder walzenförmige Nabenkörper. Diese Verbindungselemente können je nach ihrer Belastung aus Metall, Faserverbundwerkstoff oder aus mit Faserverbundwerkstoff verstärktem Metall bestehen. Die Herstellung und die Konstruktionsprinzipien von Schwungrädern sind bekannt und vielfach beschrieben, beispielsweise in DE-OS'n 25 52 476, 26 22 295, 21 19 015 oder 25 58 422. Für einen Fachmann besteht daher keine Schwierigkeit, sich eine seinen Vorstellungen entsprechende Konstruktion auszusuchen.The connection of the flywheel with the hub takes place in a known manner Way by connecting elements such as spokes, discs or cylindrical hub bodies. Depending on their load, these connecting elements can be made of metal or fiber composite material or made of metal reinforced with fiber composite material. The production and the design principles of flywheels are known and have been described many times, for example in DE-OS'n 25 52 476, 26 22 295, 21 19 015 or 25 58 422. For a There is therefore no difficulty in finding a person skilled in the art that corresponds to his / her ideas Choose construction.

Anhand der Zeichnung werden einige Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.Some exemplary embodiments are shown schematically with the aid of the drawing shown.

Es zeigen Fig. 1 einen Teilschnitt eines Schwungrads, Fig. 2 und Fig.3 einen Querschnitt durch zwei Schwungräder.1 shows a partial section of a flywheel, FIGS. 2 and 3 a cross section through two flywheels.

In Fig. 1 ist die Schwungmasse 3 durch Speichenwicklungen 2 mit der Nabe 1 verbunden. Die Speichenwicklungen laufen dabei als endloses Band um Nabe und Schwungmasse. Die Schwungmasse 3 besteht aus Faserverbundwerkstoff 4, in den Stahlringe 5 eingelagert sind. Fig. 2 zeigt eine Nabe 1, die über die Speichenwicklung 2 mit dem aus Stahlbandeinlagen 5 und Faserverbundwerkstoff 4 bestehenden Schwungmasse verbunden ist. In Fig. 3 ist ein Schwungrad dargestellt, dessen Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff mit eingelagerten Stahldrähten 6 besteht.In Fig. 1, the flywheel 3 is by spoke windings 2 with the Hub 1 connected. The spoke windings run at the same time as endless Band around the hub and flywheel. The flywheel 3 consists of fiber composite material 4, in the steel rings 5 are embedded. Fig. 2 shows a hub 1, which on the Spoke winding 2 with the steel band inserts 5 and fiber composite 4 existing Flywheel is connected. In Fig. 3, a flywheel is shown, the flywheel consists of fiber composite material with embedded steel wires 6.

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Claims

Claims 1 flywheel for energy storage in motor vehicles with an annular flywheel mass connected to a hub by connecting elements Made of fiber composite material, characterized in that materials are incorporated into the flywheel high density.

2. Flywheel according to claim 1, characterized in that metal, in particular iron or steel, is incorporated.

3. Flywheel according to claim 2, characterized in that rings, Ribbons, wires or fibers made of steel are embedded.