DE69307315T2

DE69307315T2 - Vorrichtung für schwungrad

Info

Publication number: DE69307315T2
Application number: DE69307315T
Authority: DE
Inventors: Gaston Waagepetersen
Original assignee: Riso National Laboratory
Current assignee: Riso National Laboratory
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2013-05-12
Also published as: DK70792A; DK70792D0; EP0642635B1; EP0642635A1; US5562014A; DE69307315D1; AU4308493A; JPH07507129A; WO1993024765A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwungradanordnung mit einer drehbaren Welle, einem Ring, der im wesentlichen die rotierende Masse des Schwungrades bildet, und einem Verbindungsmittel, das im wesentlichen die Form eines Zylinders oder einer konischen Schale aufweist, aus faserverstärkten Kunststoff besteht und den Ring mit der Welle oder mit einem zusammen mit dieser rotierenden Teil verbindet, wobei das verbindungsmittel an seinem äußeren Endabschnitt mit dem Ring und an seinem inneren Endabschnitt mit der Welle oder mit einen mit dieser verbundenen Teil verklebt ist. Eine derartige Schwungradanordnung ist aus der DK-B-160 637 bekannt.

Stand der Technik

Die DK-B-160 637 beschreibt ein Schwungrad, bei dem das Verbindungsmittel eine plattenförmige, im Querschnitt niedrige U- Form hat. Die bekannte Schwungradanordnung beinhaltet zwei oder vier derartiger Verbindungsmittel, die paarweise angeordnet sind, wobei jedes mit dem Ring verklebt ist und eine Nabe auf deren innere und äußere Endabschnitte auf die Welle aufgekeilt ist. Bei der Drehung des Schwungrades erzeugt der Ring große Zentrifugalkräfte, und wenn das Schwungrad in einem beweglichen Transportmittel eingesetzt wird, beispielsweise in Flugzeugen oder Fahrzeugen, ist die Schwungradanordnung weiterhin einem starken gyroskopischen Drehmoment ausgesetzt. Diese genannten Kräfte erzeugen insbesondere große Beanspruchungen der inneren, geklebten Verbindungen zwischen dem Verbindungsmittel und der Nabe. Die durch die Zentrifugalkräfte hervorgerufene Aufweitung des Rings führt zu großen Winkelverlagerungen im Verbindungsmittel und als Ergebnis hiervon zu entsprechend großen Spannungen. Wie oben angedeutet, können diese Spannungen insbesondere an den inneren, geklebten Verbindungen mit der Nabe Probleme verursachen.
In der JP-A-63-125841 ist eine Schwungradanordnung beschrieben, die ein Verbindungsmittel in Form einer konischen Schale aufweist, die an ihrem äußeren Endabschnitt mit einer ringförmigen, rotierenden Masse und an ihrem inneren Endabschnitt mit einer Nabe verbunden ist.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schwungradanordnung des oben beschriebenen Typs bereitzustellen, in der die Spannungen im Verbindungsmittel und insbesondere in der Verbindung zwischen diesem und der Welle im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden.
Die Schwungradanordnung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die innere Klebeverbindung zwischen der Welle und dem Verbindungsmittel an einem Durchmesser angeordnet ist, der wenigstens das Dreifache des Lagerungsdurchmessers der Welle beträgt. Da ein gyroskopisches Drehmoment an irgendeinen Punkt Kräfte in der Verbindung hervorruft, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands des Punktes von der Drehachse sind, wird die Verbindung vorzugsweise soweit wie möglich von der Drehachse entfernt angeordnet.
Nach der Erfindung kann das Verbindungsmittel Fasern aufweisen, die im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufen, sowie Fasern, die im wesentlichen in Längsrichtung in rechten Winkel zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Fasern verlaufen. Die in Längsrichtung verlaufenden Fasern können die Zug- und Druckkräfte aufnehmen, die von den gyroskopischen Drehmoment bzw. Kreiselmoment hervorgerufen werden, und das Verbindungsmittel kann mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Faserschichten unterschiedlicher Dicke, Fasergehalts und Fasermaterials umfassen, wodurch deren Dichte und E-Nodul in Umfangsrichtung so variiert werden können, daß der Mantellinie in Längsrichtung eine gewünschte, weiche Verformungslinie gegeben wird. Die Aufweitung eines frei rotierenden Rings wird durch das Verhältnis zwischen Dichte und E-Modul festgelegt, wobei das Verbindungsmittel als aus einer Anzahl derartiger Ringe zusammgengesetzt betrachtet werden kann.
Darüber hinaus kann die Welle nach der Erfindung eine radial vorstehende Scheibe aufweisen, die an ihrem äußeren Rand in einen ringförmigen Körper ausläuft, der axial in wenigstens einer Richtung vorsteht. Das innere Ende des Verbindungsmittels ist an die untere Fläche dieses ringförmigen Körpers angeklebt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da die Zentrifugalkraft auf diese Weise bewirkt, daß der Druck in der geklebten Verbindung steigt.
Eine sauber geklebte. Verbindung kann in ihrer gesamten Verbindungsfläche näherungsweise der gleichen Scherspannung ausgesetzt werden. Der ringförmige Körper auf der Scheibe ist im allgemeinen steifer als das Verbindungsmittel, das mit diesem zu verkleben ist. Folglich steigt die Spannung in der Klebeverbindung mit den Abstand von der Scheibe. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann dies allerdings durch Anordnung einer Kunststoffscheibe mit keilförmiger Querschnittsgestalt und mit in der von dem ringförmigen Körper wegweisenden Richtung zunehmender Höhe an der Unterseite des ringförmigen Körpers zwischen diesen und dem Verbindungsmittel ausgeglichen werden. Dieses Kunststoff- oder Matrixmaterial, das vorzugsweise einen geringen oder keinen Fasergehalt aufweist, hat einen geringeren Schubmodul als die beiden Elemente, zwischen denen es angeordnet ist. Folglich gewährleistet das Kunststoffmaterial, daß in der gesamten Klebeverbindung die gleiche Schubspannung auftritt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform einer Schwungradanordnung nach der Erfindung zeigt, und
Fig. 2 eine axiale Schnittansicht durch eine alternative Ausführungsform der Schwungradanordnung nach der Erfindung zeigt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die bevorzugte Ausführungsform der Schwungradanordnung, die in Fig. 1 dargestellt ist, beinhaltet eine drehbare Welle (1) aus Stahl mit einer daran angeformten, vorstehenden Scheibe (2), die in einen ringförmigen Körper (3) ausläuft, welcher in axialer Richtung vorsteht und eine dreieckige Querschnittsform aufweist. Weiterhin umfaßt die Schwungradanordnung einen ringförmigen Reifen oder Ring (4), der aus faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, vorzugsweise aus einem karbonfaserverstärktem Kunststoff 1 wobei der genannte Ring mit dem ringförmigen Körper (3) auf der vorstehenden Scheibe (2) der drehbaren Welle (1) mit einem Verbindungsmittel (5) verbunden ist.
Das Verbindungsmittel (5) hat die Form eines konischen Schalenkörpers und weist eine innere Kunststoffschicht (6) auf, in der die Fasern in Längsrichtung angeordnet sind, und eine äußere Schicht (7), in der sich die Fasern in Unfangsrichtung im wesentlichen im rechten Winkel zu den in Längsrichtung laufenden Fasern in der inneren Kunststoffschicht (6) erstrecken. Der innere Kunststoffring (69 erstreckt sich weiter als die äußere Kunststoffschicht und ist an eine Anschrägung (9) in dem Ring (4) an dessen äußeren Endabschnitt (8) angeklebt, und zwar mit einer äußeren Klebeverbindung (10). An seinen inneren Endabschnitt (11) ist das Verbindungsmittel (5) an eine keilförmige Kunststoffscheibe (13) mittels einer ersten inneren Klebeverbindung (12) angeklebt, wobei die genannte Kunststoffscheibe mit einer zweiten, inneren Klebeverbindung (14) an die Unterseite (15) des Ringkörpers (3) auf der vorstehenden Scheibe (2) der Welle (1) geklebt ist.
Die innere Kunststoffschicht (6), die in Längsrichtung verlaufende Fasern aufweist, sowie die äußere Kunststoffschicht (7) des Verbindungsmittels (5), die in Umfangsrichtung verlaufende Fasern aufweist, sind so bemessen und angeordnet, daß sich das Verbindungsmittel (5) bei einer Drehung gemäß einer weichen. Durchbiegungskurve ohne zu kleine Krümmungsradien und unannehmbare, resultierende Spannungen durchbiegt, wenn sich der Ring (7) aufgrund der Zentrifugalkräfte aufweitet. Dadurch, daß der in Querschnitt keilförmige Kunststoffring (13) zwischen dem inneren Endabschnitt (11) des Verbindungsmittels und der Unterseite des Ringkörpers (3) angeordnet ist, wird eine gleichmäßige Verteilung der Schubspannungen in den Klebeverbindungen (12, 14) gewährleistet. Die inneren Klebeverbindungen sind an einem Durchmesser angeordnet, der wesentlich größer als der kleinste Durchmesser der Welle oder der Lagerungsdurchmesser ist, um die Spannungen in den Klebeverbindungen zu reduzieren.
Die alternative Ausführungsform einer Schwungradanordnung nach der Erfindung, die in Fig. 2 dargestellt ist, beinhaltet eine Welle (21), die aus zwei identischen Wellenhälften (22) besteht, von denen jede einen konisch divergierenden Endabschnitt (23) benachbart zu ihren jeweiligen Endabschnitten der Welle aufweisen. An dem mit (38) bezeichneten Punkt ist jeder der Endabschnitte (23) mit einem entsprechenden Schenkel des Verbindungsrings (36) verschweißt, der im Querschnitt im wesentlichen V-förmig ist. Die Wellenhälften und der Verbindungsring sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt.
Die Schwungradanordnung weist ferner einen Ring (24) auf, der im wesentlichen die rotierende Masse des Schwungrades bildet und einen inneren, radialen Vorsprung (37) aufweist, der sich benachbart zu einem Ende befindet, sowie ein Verbindungsmittel (25), das den Ring (24) mit der Welle (21) verbindet.
Das Verbindungsmittel (25) ist ein zylindrischer Körper aus faserverstärktem Kunststoff und weist eine solche Form auf, daß die gewünschte Durchbiegungskurve mit entsprechend großen Krümmungsradien entsteht. Der äußere Endabschnitt (28) des Verbindungsmittels (25) ist an die Innenfläche (29) des inneren, radialen Vorsprungs (37) des Rings (24) angeklebt, und zwar mittels einer äußeren Klebeverbindung (30). Der innere Endabschnitt (31) des zylindrischen Verbindungsmittels (25) greift in eine Nut (35), die in dem Verbindungsring (36) ausgebildet ist,. und ist mittels einer inneren Klebeverbindung (32) mit der Nut (35) verklebt.
Die Matrix oder das Grundmaterial des faserverstärkten Kunststoffs kann aus einer Vielzahl von Kunststoffmaterialien bestehen, beispielsweise Polyester, Epoxidharz und PES. In entsprechender Weise können unterschiedliche Fasern für die Faserverstärkung eingesetzt werden, beispielsweise Glas- oder Karbonfasern, was von der gewünschten Festigkeit und den Durchbiegungseigenschaften des Verbindungsmittels abhängt.

Claims

1. Schwungradanordnung mit einer drehbaren Welle (1, 21), einem Ring (4, 24), der im wesentlichen die rotierende Masse des Schwungrades bildet, und einem Verbindungsmittel (5, 25), das im wesentlichen die Form eines Zylinders oder einer konischen Schale aufweist, aus faserverstärkten Kunststoff besteht und den Ring (4, 24) mit der Welle (1, 21) oder mit einem zusammen mit dieser rotierenden Teil verbindet, wobei das Verbindungsmittel an seinem äußeren Endabschnitt mit dem Ring (4, 24) und an seinem inneren Endabschnitt mit der Welle (1, 21) oder mit einem mit dieser verbundenen Teil verklebt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Klebeverbindung (12, 14, 35) zwischen der Welle (1, 21) und dem Verbindungsmittel (5, 25) an einem Durchmesser angeordnet ist, der wenigstens das dreifache des Lagerungsdurchmessers der Welle beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel (5, 25) Fasern (7) aufweist, die im wesentlichen in Umf angsrichtung verlaufen, wie auch Fasern (6) die in wesentlichen in Längsrichtung im wesentlichen im rechten Winkel zur Umfangsrichtung verlaufen.

3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle eine radial vorstehende Scheibe (2) aufweist, die an ihrem äußeren Rand in einen ringförmigen Körper (3) ausläuft, der axial in wenigstens einer Richtung vorsteht, wobei der innere Endabschnitt (11) des Verbindungsmittels (5) mit der Unterseite (15) des ringförmigen Körpers (3) verklebt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kunststoffscheibe (13) mit keilförmigem Querschnitt und mit in der von dem ringförmigen Körper (3) wegweisenden Richtung zunehmender Höhe an der Unterseite des ringförmigen Körpers (3) zwischen diesem und dem Verbindungsmittel (5) angeordnet ist.