DE3006529A1

DE3006529A1 - Energiespeicher, insbesondere mechanischer energiespeicher

Info

Publication number: DE3006529A1
Application number: DE19803006529
Authority: DE
Inventors: Lino Magnabosco; Giorgio Tangorra
Original assignee: Pirelli SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1980-02-21
Publication date: 1980-09-04
Also published as: IT7920449A0; IT1166654B; GB2046874B; US4315562A; FR2449803A1; FR2449803B1; JPS55115651A; GB2046874A

Description

Energiespeicher, insbesondere mechanischer Energiespeicher

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher, und insbesondere einen mechanischen Energiespeicher, der die gespeicherte Energie mit hoher Ausbeute bzw. mit hohem Wirkungsgrad wieder abgeben kann.

Es sind bereits mechanische Energiespeicher bekannt, die, wenn sie verformt werden, die zum Hervorrufen der Verformung aufgewendete Energie speichern und diese Energie dann zu einem gewünschten Zeitpunkt wieder abgeben, wenn die Verformung aufgehoben wird.

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Λ.

Diese bekannten Energiespeicher sind großen Änderungen ihrer Gesamtabmessungen unterworfen.

Tatsächlich ist die Menge an gespeicherter Energie proportional zu der Verformung. Aus diesem Grunde sind, wenn große Energiemengen gespeichert werder sollen, von dem verwendeten Material abhängige große Verformungen erforderlich, woraus sich große Änderungen der Gesamtabmessungen der Speicher ergeben.

Eine Art von Energiespeicher, die in dieser Weise wirkt, ist die Feder.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Energiespeicher zu schaffen, der große Mengen an Energie speichern kann, während er nur geringes Gewicht und kleine Abmessungen hat.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher .mit einem langgestreckten Körper. Gemäß der Erfindung sind bei diesem Energiespeicher elastische Mittel vorgesehen, die wenigstens entlang einer Erzeugenden des langgestreckten Körpers angeordnet sind, wenn der Speicher entladen oder entspannt ist, und weiterhin sind an wenigstens einem Ende des langgestreckten Körpers Mittel vorgesehen, um die elastischen Mittel rund um den langgestreckten Körper schraubenlinienförmig anzuordnen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. Λ zeigt einen Energiespeicher gemäß der Erfindung im entspannten bzw. entlasteten Zustand, wobei gewisse Teile fortgelassen sind.

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Fig. 2 zeigt einen Energiespeicher gemäß der Erfindung während des Spannens oder Belastens.

Pig. 3 zeigt eine Einzelheit eines Energiespeichers gemäß der Erfindung.

Gemäß dem allgemeinsten Lösungsgedenken der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Energiespeicher einen langgestreckten Körper, eine elastische Einrichtung, die in Übereinstimmung mit den Erzeugenden des langgestreckten Körpers des Speichers angeordnet ist, eine Einrichtung zum Hervorrufen des Wickeins der elastischen Einrichtung entlang des langgestreckten Körpers, und vorzugsweise auch eine Einrichtung, um eine Fläche zu "bestimmen, die an allen Stellen gleichen Abstand von der Achse des langgestreckten Körpers hat und auf der die elastische Einrichtung ruht.

Eine besondere Ausführungsform eines Energiespeichers gemäß der Erfindung ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt.

In Fig. 1 ist der Energiespeicher im entspannten bzw. entlasteten Zustand dargestellt, wobei gewisse Teile fortgelassen sind, um die innere Ausführung besser darzustellen. In Fig. 2 ist dagegen der Energiespeicher während des Belastens dargestellt.

Vie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist der Energiespeicher gemäß der Erfindung einen langgestreckten Körper 1 auf, der zwei Endteile 2 und 3 besitzt.

Die beiden Endteile 2 und 3 sind durch eine starre Stange 4-im Abstand voneinander gehalten, die in der Achse des langgestreckten Körpers 1 liegt.

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Hie Stange 4 ist mit dem Endteil 2 fest verbunden, der seinerseits beispielsweise durch eine Metallhülse gebildet ist, die einen Flansch trägt, über den der Endteil 2 mit einem Träger 5 verbunden ist, der außerhalb des Energiespeichers befestigt ist.

Diese Verbindung kann beispielsweise mittels Bolzen ausgeführt werden, deren Achse in den Pig.1 und 2 durch strichpunktierte Linien wiedergegeben ist.

Der gegenüberliegende Endteil 3, der ebenfalls durch eine Metallhülse gebildet ist, ist im Gegensatz dazu an der Stange 4 frei bewegbar angeordnet, und zwar beispielsweise unter Zwischenschaltung eines nicht dargestellten Schublagers.

Der Endteil 3 stellt eine besondere Ausführungsform der Einrichtung dar zum Wickeln der elastischen Einrichtung rand um den langgestreckten Körper 1, wobei die elastische Einrichtung entlang wenigstens einer Erzeugenden des langgestreckten Körpers 1 angeordnet ist.

Bei einer nicht dargestellten abgewandelten Ausführungsform eines Einergiespeichers gemäß der Erfindung ist die Stange 4 gelenkig bzw. gegliedert, und ist insbesondere eine biegsame Stange unveränderlicher Länge, von welcher beide Endteile mit gewissen äußeren Trägern des Speichers verbunden sind, wobei wenigstens einer der Endteile sich mit Bezug auf seinen Träger frei drehen kann. Die Träger sind in festem Abstand voneinander gehalten.

Insbesondere bei Energiespeichern mit sehr kleiner axialer Gesamtabmessung kann die Stange 4 fortgelassen werden.

Die elastische Einrichtung bei der besonderen Ausführungsform gemäß den Pig. 1 und 2 weist Streifen 6 aus elastomerem Material auf, die mit den Endteilen 2 und 3 verbunden sind.

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Die Streifen 6 können im Schnitt rechtwinklig zu ihrer größeren Abmessung irgendeine geeignete Gestalt haben, beispielsweise Kreisgestalt, elliptische Gestalt oder rechtwinklige Gestalt.

Die Streifen 6 aus elastomerem Material sind mit den Endteilen 2 und 3 mittels einer Gelenkeinrichtung verbunden, die nachstehend im einzelnen beschrieben wird.

Die Länge der Streifen 6 vor ihrer Anordnung zwischen den Endteilen 2 und 3 ist kleiner als der Abstand zwischen den beiden Endteilen 2 und 3, so daß als Folge die Streifen 6 aus elastomerem Material sich unter Spannung befinden, wenn sie an den Endteilen 2 und 3 angebracht sind. Diese Spannung oder Dehnung der Streifen 6 ist vorzugsweise nicht kleiner als 10 %.

Als Alternative zu den Streifen 6 aus elastomerem Material kann die elastische Einrichtung auch Spiralfedern bzw. Schraubenfeder, einen einzelnen Schlauch bzw. ein einzlnes Rohr aus elastomerem Material gleichachsig zu dem langgestreckten Körper 1 oder auch andere Elemente aufweisen, die gespannt werden können.

Auch diese abgewandelten elastischen Einrichtungen können unter Vorspannung zwischen den beiden Endteilen 2 und 3 angeordnet werden.

Die Streifen 6 aus elastomerem Material sind vorzugsweise aus einer elastomeren Masse mit geringer Hysterese gebildet, wobei das Material auch einen ausgezeichneten Widerstand gegen Ermüdung unter Zugbeanspruchung hat.

Die Streifen 6 aus elastomerem Material ruhen auf einer Fläche, die an allen Stellen in gleichem Abstand von der Achse

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des langgestreckten Körpers liegt, und diese Fläche ist "bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 aus einer Mehrzahl von dünnen Scheiben 7 gebildet, die an der Stange 4- in enger Berührung miteinander und beweglich angeordnet sind (siehe Fig. 1).

Die benachbarten Scheiben 7 sind vorzugsweise aus verschiedenen Materialien gebildet, um die Reibung zu verringern, die an den ebenen Berührungsflächen zwischen den Scheiben 7 hervorgerufen bzw. erzeugt wird.

Ein geeignetes Material für den genannten Zweck ist beispielsweise irgendein reibungsarmes Metall oder ein geeignetes reibungsarmes Kunststoffmaterial.

Alternativ können die ebenen Berührungsflächen der verschiedenen Scheiben 7 niit Schichten oder Lagen aus einem geeigneten Material bedeckt sein, beispielsweise mit Polytetrafluoräthylen.

Um die Reibung zwischen benachbarten Scheiben 7 und zwischen den Scheiben 7 und der Stange 4 zu verringern, können in an sich bekannter Weise Stahlkugeln derart angeordnet werden, daß die Gleitreibung durch Rollreibung ersetzt wird. Weiterhin werden bei der besonderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Stange 4 nicht vorhanden ist, die Scheiben 7 durch die Streifen 6 in ihrer Lage gehalten.

Wie zuvor erwähnt, stellt der Endteil 3₅ der durch eine Metallhülse gebildet ist, eine besondere Ausführungsform der Einrichtung dar, mittels welcher die Streifen 6 aus elastomerem Material rund um die durch die Scheiben 7 definierte Fläche des langgestreckten Körpers 1 gewickelt werden.

TJm die Streifen 6 rund um diese Fläche zu wickeln, wird der Endteil 3 mit einer Welle 8 verbunden.

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Die Welle 8 kann beispielsweise bei Vorhandensein eines geeigneten mechanischen Getriebes (nicht dargestellt) eine Motorwelle sein, wenn der Energiespeicher gespannt oder belastet wird, oder sie kann die Welle eines Verbrauchers sein, wenn der Speicher die während der vorhergehenden Belastungsphase gespeicherte Energie freigibt.

Auf die Welle 8 kann eine nicht dargestellte Bremse wirken, um den Energiespeicher zu blockieren, damit er sich nicht von selbst entspannt oder entlastet.

Bei einer anderen abgewandelten Ausführungsform des Energiespeichers gemäß der Erfindung ist der Energiespeicher der zuvor beschriebenen Ausführungsform sehr ähnlich, wobei jedoch ein Unterschied darin besteht, daß zwei Wellen 8 vorgesehen sind, die vorzugsweise entlang der gleichen Achse angeordnet sind und von denen je eine mit dem Endteil 2 bzw. dem Endteil 3 des langgestreckten Körpers 1 verbunden ist, so daß eine Welle 8 die Funktion der Motorwelle oder Antriebswelle, und die andere Welle 8 die Punktion der Welle des Verbrauchers ausüben kann. Jede dieser Wellen kann auch die beiden genannten Funktionen zu unterschiedlichen Zeiten ausüben, und zwar je nach der besonderen Anwendung des Energiespeichers.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausfohrungsform der Anlenkeinrichtung dargestellt, die dazu dient, die elastische Einrichtung mit den Endteilen 2 und 3 zvl verbinden.

In Fig. 3 ist ein Ende eines Streifens 6* aus elastomerem Material dargestellt, welches abwechselnd über und unter öffnungen verläuft, die an einem Ende eines Schlosses, einer Spange 9 oder dgl. vorgesehen sind, die an ihrem gegenüberliegenden Ende an einem Stift 10 angelenkt ist, der sich an der Außenfläche des Endteiles 3 befindet.

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Eine ähnliche Anlenkeinrichtung befindet sich an einem weiteren Stift 10, der sich an der Außenseite des Endteiles 2 befindet, und mit dieser zweiten Anlenkeinrichtung ist das gegenüberliegende Ende des Streifens 6' aus elastotnerem Material verbunden.

Auf diese Weise können die beiden Enden des Streifens 6¹ aus elastomerem Material sich mit Bezug auf ihre Ruhelage drehen, so daß es ermöglicht ist, daß der Streifen 6¹ be- · trächtliche Zugbeanspruchungen erfährt.

Offensichtlich darf die gerade beschriebene Ausführungsform der Anlenkeinrichtung zum "Verbinden der Streifen 6 mit den Endteilen 2 und 3 nicht als Beschränkung angesehen werden, weil die beschriebene Anlenkeinrichtung durch andere bekannte Einrichtungen ersetzt werden kann, mit denen eine Anlenkverbindung zwischen den Streifen 6 und den Endteilen 2 und 3 gebildet werden kann derart, daß die Streifen 6 sich um ihre Ruhelage drehen können und dadurch im wesentlichen nur Zugbeanspruchung unterworfen werden.

Die Arbeitsweise eines EnergieSpeichers gemäß der Erfindung ist wie folgt.

Beim Beginn der Phase des Sparm ens oder Belastens des Energiespeichers gemäß der Erfindung befindet sich der Energiespeicher in der in Fig. 1 wiedergegebenen Stellung.

Die mechanische Energie wird auf den Speicher mittels der Welle 8 übertragen, welche den Endteil 3 dreht, während der Endteil:_2, der festgelegt ist, sich nicht drehen kann.

Als Folge werden die Streifen 6 aus elastomerem Material, die zwischen den beiden Endteilen 2 und 3 gespannt sind, rund um den langgestreckten Körper 1 gewickelt.

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Damit sie gewickelt werden können, müssen die Streifen 6 gespannt werden, so daß die über die Welle übertragene Energie in den Streifen 6 gespeichert wird.

Weiterhin befinden die Streifen 6 sich in Berührung mit den Scheiben 7» und während ihrer Wickelbewegung rund uin den langgestreckten Körper 1 ziehen sie auch die Scheiben mit sich und bewirken, daß die Scheiben 7 sich ebenfalls rund um die Stange 4 drehen.

Auf diese Weise werden irgendwelche Gleitbewegungen zwischen den Streifen 6 und den Scheiben 7 im wesentlichen vollständig vermieden mit der Ausnahme einer sehr kleinen Gleitbewegung zufolge von relativer Drehung zwischen den Streifen 6 und den Scheiben 7·

Das Spannen oder Belasten des Energiespeichers setzt sich fort, bis die verschiedenen Streifen 6 aus elastomerem Material derart gewickelt und gespannt sind, daß sie die gesamte Fläche des langgestreckten Körpers 1 bedecken, welche durch die Scheiben 7 gebildet ist, d.h. bis die Seitenkanten zweier benachbarter Streifen 6 in Berührung miteinander kommen.

An dieser Stelle ist für den Energiespeicher maximale Spannung oder Belastung erreicht, und die Drehung der Welle kann unterbrochen werden, und die Welle 8 kann mittels einer Bremse blockiert werden, die auch den Endteil 3 blokkiert und irgendein Entspannen oder Entlasten des Speichers verhindert.

Während des Entspannens oder Entlastens wird die Welle 8 mit dem Verbraucher verbunden, und die die Welle 8 blockierende Bremse wird gelöst.

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Der Speicher beginnt demgemäß die während des Spannens der Streifen 6 gespeicherte Energie wieder abzugeben.

Die Abgabe von Energie setzt sich fort, bis die Streifen 6 in ihre ursprüngliche Lage zurückgekehrt sind, in der sie jeweils mit einer Erzeugenden des langgestreckten Körpers 1 übereinstimmen, oder bis die Welle 8 wiederum durch die Bremse blockiert wird.

Es ist somit ersichtlich, daß mit einem Energiespeicher gemäß der Erfindung die eingangs genannten Zwecke erreicht werden.

Insbesondere ist es zufolge der für den Energiespeicher gemäß der Erfindung gefundenen Lösung möglich, eine große Energiemenge zu speichern, während die Gesamtabmessungen konstant bleiben und während der Speicher kleines Gewicht hat.

Da die Streifen 6 aus elastomerem Material nur Zugbeanspruchungen unterworfen und rund um einen zylindrischen Kern gewickelt werden, können sie in großem Ausmaß verformt werden, so daß sie als 3?olge eine groJ3e Menge an Energie speichern können, ohne daß sich die Abmessungen des Speichers ändern.

Weiterhin ermöglicht die besondere Ausführung für den Speicher gemäß der Erfindung die Konstruktion von sehr leichten Speichern, die große -Energiemengen speichern können, während sie nur sehr kleine Gesamtabmessungen haben.

Weiterhin ergibt sich zufolge der Verwendung der Anlenkeinrichtungen zum Verbinden der Streifen 6 aus elastomerem Material mit den Endteilen 2 und 3 der große Vorteil, daß die Streifen 6 im wesentlichen nur Zugbeanspruchungen unterworfen

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werden, so daß sie als Folge weder Torsionsbeanspruchung noch Scherbeanspruchungen unterworfen werden. Aus diesem Grunde ist der Gesamtbeanspruchungszustand der gespannten Streifen 6 so gering wie möglich - bei Betrachtung der gleichen Menge an gespeicherter Energie -, so daß gute Ergebnisse hinsichtlich der Betriebsiebensdauer der Streifen 6 erhalten werden.

Weiterhin sind die Hystereseverluste in dem Kautschuk und auch die Verluste zufolge von verschiedenen Gleitbewegungen in großem Ausmaß verringert. Die Hystereseverluste sind verringert zufolge einer zweckentsprechenden Auswahl geeigneter elastomerer Massen für die Streifen 6. Die Verluste zufolge verschiedener Gleitbewegungen sind durch das Vorhandensein der Scheiben 7 verringert, die den Bewegungen der Streifen 6 während ihres Wickeins genau folgen und keinerlei Gleitbewegungen zulassen, sondern lediglich kleine Relativdrehungen zufolge der Vergrößerung der Schräglage der Streifen 6 mit Bezug auf die Erzeugenden des langgestreckten Körpers 1, wenn die Menge an gespeicherter Energie sich vergrößert.

Alle oben genannten Eigenschaften machen einen Speicher gemäß der Erfindung für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, beispielsweise als Starter oder Anlasser für I.C.-Maschinen, als wiederbelastbare Elemente als Ersatz für Motoren oder als Speicher für die Bremsenergie verschiedener Fahrzeugarten usw.

Es ist schließlich auch festzustellen, daß, da die Anzahl der Streifen 6 aus elastomerem Material, die bei Energiespeichern gemäß der Erfindung verwendet werden kann, zu dem Umfang der zylindrischen Fläche des langgestreckten Körpers 1, auf welcher die Streifen liegen, zur axialen Länge des Speichers und zur maximalen Spannung, die von dem elastomeren Material der Streifen 6 ertragen werden kann, proportional ist, es für den

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!Fachmann des hier in Rede stehenden Gebietes möglich ist, die Abmessungen und die Anzahl der Streifen 6 zu bestimmen mit Bezug auf die maximale Energiemenge, die gespeichert werden soll, und mit Bezug auf das gewünschte mechanische Drehmoment. Dies führt dazu, daß selbst mit einer kleinen Vergrößerung des Durchmessers dt>s langgestreckten Körpers 1 und demgemäß mit einer Vergrößerung des Umfanges des langgestreckten Körpers 1 sich eine Vergrößerung der Anzahl der elastomeren Streifen 6 ergibt, die an dem langgestreckten Körper- 1 angebracht werden kann, während die gleiche maximale Dehnung für die Streifen 6 beibehalten werden kann.

Da weiterhin das von dem Speicher gelieferte Drehmoment zu dem Abstand zwischen den Streifen und der Achse des Speichers proportional ist, bewirkt jede Vergrößerung des Durchmessers des Speichers auch eine Erhöhung des Drehmoments, welches von dem Speicher geliefert wird. Hieraus ist abzuleiten, daß selbst durch geringe Vergrößerungen der Gesamtabmessungen des Energiespeichers gemäß der Erfindung große Vergrößerungen des Drehmomentes und der Menge gespeicherter Energie bei dem Speicher erhalten werden.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich.

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Claims

Patentansprüche

'\\ Energie speicher mit einem langgestreckten Körper, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Einrichtung (6) vorgesehen ist, die wenigstens entlang einer Erzeugenden des langgestreckten Körpers (1) angeordnet ist, wenn der Speicher entspannt bzw. entlastet ist, und eine Einrichtung an wenigstens einem Ende des langgestreckten Körpers vorgesehen ist, um die elastische Einrichtung rund um den langgestreckten Körper schraubenlinienförmig anzuordnen.
2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine Fläche definieren, die an allen Stellen gleichen Abstand von der Achse des langgestreckten Körpers hat, und daß die elastische Einrichtung (6) auf dieser Fläche (7) ruht.
3. Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche, die an allen Stellen gleichen Abstand von der Achse des langgestreckten Körpers hat, durch eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Scheiben (7) gebildet ist.
4-, Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an allen Stellen in gleichem Abstand von der Achse des langgestreckten Körpers (1) liegende Fläche durch eine starre Stange (4), die in der Achse des langgestreckten Körpers angeordnet ist, und eine Mehrzahl von ringförmigen Elementen (7) gebildet ist, die in Berührung miteinander, jedoch mit Bezug aufeinander frei drehbar und an der starren Stange bewegbar angeordnet sind.

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5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung an wenigstens einem Ende des langgestreckten Körpers (1) zum Wickeln der elastischen Einrichtung (&) rund um den langgestreckten Körper eine AnIendverbindung (9, 10) für die elastische Einrichtung aufweist.
6. Speicher nach einem der Ansprüche Λ bis 5? dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung wenigstens einen Streifen (6) aus elastomerem Material aufweist.

7- Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung unter Spannung bzw. Dehnung an dem Speicher angeordnet ist.

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