DE69729234T2

DE69729234T2 - Schwungrad mit expansionsfolgender,selbstbalancierender Nabe

Info

Publication number: DE69729234T2
Application number: DE69729234T
Authority: DE
Inventors: Dwight W. Swett; Daniel J. Gregoire
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: EP0794352A2; DE69729234D1; US5732603A; EP0794352A3; JPH102376A; EP0794352B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad, das mit einer Welle zur Drehung um die Achse der Welle zu verbinden ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Schwungradnabe zur Verbindung einer Schwungradfelge mit einer Welle zur Drehung um die Achse der Welle.
Schwungräder und Naben entsprechend dem Oberbegriff jedes der Ansprüche 1 und 4 sind aus US-A-4,821,599 bekannt. Das offenbarte Schwungrad umfasst eine Felge, die ein im Wesentlichen kreisförmiger Ring ist, der auf einem mittleren Abschnitt befestigt ist, der zumindest ein im Wesentlichen kreisförmiges tellerförmiges Element aufweist, das ein spezifisches Modul besitzt, welches kleiner ist als das spezifische Modul der Felge. Das tellerförmige Element ist gekrümmt, so dass eine ansteigende Drehgeschwindigkeit zu einer elastischen Deformierung des tellerförmigen Elements führt, die Krümmung gerade streckt und dadurch den Durchmesser des tellerförmigen Elements vergrößert.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein energiespeichernde und fahrzeugstabilisierende Schwungräder.
Schwungräder haben verschiedene potenzielle Anwendungsmöglichkeiten, die die Verwendung als Energiespeicher- oder Energiequellen-Einrichtungen in Raumfahrtsatelliten und Elektro-Hybrid-Landfahrzeugen umfassen und als Impulsräder für die Satellitenstabilisation verwendet werden. Viele dieser Schwungradanwendungen erfordern eine große Energiespeicherkapazität und höhere Energiedichten (das Verhältnis von gespeicherter Energie in einer Vorrichtung zu dem Gewicht der Vorrichtung) als sie momentan verfügbar sind.
Da die kinetische Energie eines sich drehenden Körpers 0,5 Iω² entspricht (wobei I das Trägheitsmoment des Körpers und ω die Winkelgeschwindigkeit ist), haben sich die Anstrengungen zur Vergrößerung der gespeicherten Energie und der Energiedichte von Schwungrädern auf die Vergrößerung der Winkelgeschwindigkeit konzentriert. Allerdings verursacht die Winkelgeschwindigkeit eine radiale Ausdehnung bei Schwungradkomponenten und, da die Komponenten sich typischerweise unterschiedlich ausdehnen, entstehen Spannungen an den Komponentenschnittstellen. Zusätzlich verstärken Schwungradungleichgewichte (bspw. verursacht durch fehlerhafte Ausrichtungen von Komponenten und Exzentrizitäten) mögliche destruktive Resonanzen und führen zu Gegenkraftbelastungen der Schwungradkomponenten, bspw. der Wellenlager. Wenn sich die Drehgeschwindigkeit erhöht, erhöhen sich diese Belastungen und führen letztlich zu Fehlern in den Komponentenschnittstellen, Wellenlager oder anderen Schwungradkomponenten.
Versuche, die Integrität der Komponentenschnittstellen zu verbessern, haben typischerweise den reinen Kraft-Lösungsweg zur Erhöhung der Steifigkeit und/oder Robustheit des Befestigungsmechanismus genommen, bspw. Hinzufügen von mechanischen Befestigungsmitteln, Erhöhen der Komponentenquerschnitte und Einbringen von Druck-Vorlasten.
Im Gegensatz dazu haben einige Schwungradkonzepte nachgiebige Strukturen umfasst. Bspw. spricht das US-Patent 5,124,605 die Notwendigkeit an, eine Felge und eine Nabe unterschiedlich wachsen zu lassen, um die Übertragung von äußeren radialen Spannungen auf die Nabenachse zu eliminieren. Das heißt, da sich die innere und die äußere Fläche der Felge während einer Hochgeschwindigkeitsdrehung nach außen dehnen, muss sich die Nabe zumindest genauso schnell ausdehnen. Das Patent beobachtet, dass dies erreicht werden kann, wenn das Elastizitätsmodul der Nabe geringer ist als jenes der Felge. In einer Schwungrad-Ausführungsform des Patents ist eine Vielzahl von Röhrenanordnungen positioniert, um die Felge mit der Nabe zu koppeln. Allerdings sind die Röhrenanordnungen vorkomprimiert und vorbelastet innerhalb des Schwungrads, um eine dynamische Stabilität bei hohen Drehgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
US-Patent 4,821,599 verbindet eine Felge mit einem mittleren Abschnitt, der zumindest ein im Wesentlichen kreisförmiges tellerförmiges Element aufweist. Das tellerförmige Element ist gekrümmt, so dass das Erhöhen der Drehgeschwindigkeit zu einer elastischen Deformierung des tellerförmigen Elements führen kann und damit die Krümmung gerade streckt und den Durchmesser des tellerförmigen Elements vergrößert. Vorzugsweise umfassen die tellerförmigen Elemente drei einstückig ausgebildete, ring förmige Abschnitte, von denen zumindest zwei gekrümmt sind und auf jeder Seite des dritten Abschnitts positioniert sind.
Obgleich diese tellerförmigen Elemente dazu gedacht sind, ausreichend flexibel in radialer Richtung zu sein, um den Durchmesser des tellerförmigen Elements vergrößern zu können und in Kontakt mit der Felge bei Betriebsgeschwindigkeiten zu halten, lehrt das Patent alternative Fertigungsverfahren, bei denen die Schnittstelle zwischen der Felge und der Nabe vorbelastet werden. In einem beispielhaften Verfahren haben die Felge und die Nabe eine Temperaturdifferenz von 20 bis 30°C, um den Zusammenbau zu erleichtern. Zusätzlich kann eine axiale Last auf eine zentrale Bohrung der tellerförmigen Elemente ausgeübt werden, um diese vorzuspannen. Diese letztgenannte Vorlast wird bei einer Ausführungsform mit einer konischen Hülse erreicht, die auf einen konischen Abschnitt der Schwungradwelle aufgebracht wird. In einer anderen Ausführungsform sind Verstärkungsringe um die tellerförmigen Elemente benachbart der zentralen Bohrung vorgesehen, um die Sicherung des Schwungrads auf seiner Welle zu unterstützen.
Schwungradstrukturen, die Vorspannungen (bspw. mittels Unterschieden in der Fertigungstemperatur) und Befestigungsmechanismen (bspw. Halteringe) umfassen mussten, haben bei einer Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Energiedichten versagt, die ausreichten, um Schwungräder in den meisten gewichtsempfindlichen Anwendungen attraktiv zu machen.
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist eine Aufgabe der Erfindung, Schwungradstrukturen bereitzustellen, die kein Vorspannen benötigen und keine Befestigungsmechanismen aufweisen und die folglich in der Lage sind, große Energiebeträge zu speichern und eine hohe Energiedichte (bspw. 130 Wattstunden/kg) bei erhöhten Winkelgeschwindigkeiten zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden von dem Schwungrad sowie der Schwungradnabe entsprechend Ansprüchen 1 bzw. 5 erreicht.
Die bestimmte Struktur entsprechend der Erfindung koppelt die Rückstellkraft der Feder durch die ringförmige Scheibe auf das zweite Ende des Kegelstumpfs. In Reaktion darauf dreht das erste Ende des Kegelstumpfs nach innen gegen die Welle. Diese Aktion in Kombination mit geringen radialen Ausdehnungsbelastungen erleichtert das Aufrechterhalten des Kontakts an einer Naben-Wellen-Schnittstelle, bei der eine einfache Klebeverbindung mit einem herkömmlichen Klebemittel benutzt wird.
Im Allgemeinen werden diese Aufgaben mit der Umsetzung erreicht, dass hohe Drehgeschwindigkeiten mit nachgiebigen Nabenelementen erreicht werden können, da sie dazu neigen, sich an radiale Ausdehnungen der benachbarten Schwungradkomponenten anzupassen (das heißt, sie sind „ausdehnungsangepasst"), erlauben eine Neupositionierung des Massenmittelpunkts der Felge, um Schwungradungleichgewichte auszugleichen (das heißt, sie sind „selbstausgleichend") und reduzieren die Frequenzen möglicher destruktiver Vibrationsmoden unterhalb der Betriebsgeschwindigkeit des Schwungrads.
Es wurde ebenfalls erkannt, dass eine hohe Energiedichte erreicht werden kann, indem steife Strukturen, Befestigungsmechanismen und Vorbelastungs- bzw. Vorspannungsvorgänge vermie den werden. Schließlich wurde erkannt, dass jegliche Anordnung von nachgiebigen Elementen ebenfalls eine Winkelstabilität aufweisen muss, um Kräfte zu begrenzen und zu kontrollieren, wie bspw. Kreiselpräzesionskräfte, die um eine Achse wirken, die orthogonal zu der Drehachse des Schwungrads ist.
Bei Merkmalen der Erfindung ermöglicht die radiale Nachgiebigkeit der Balge, dass sich die Nabe der radialen Ausdehnung der benachbarten Schwungradkomponenten anpasst, die Spannungskopplung zwischen Schwungradkomponenten reduziert und die Positionierung des Schwerpunkts der Felge auf der Drehachse der welle erleichtert. Der axiale Abstand der Balge liefert die Winkelstabilität, um eine Felgenablenkung unter Kreiselbelastungen zu begrenzen.
Die Nabenausführungsformen können mit verschiedenen Materialien ausgebildet werden, bspw. Metallen und Verbundmaterialien, wie Kohlefasern und Epoxid-Matrix-Verbundmaterialien.
Die Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
1 ist eine Seitenansicht eines Schwungrads entsprechend der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Endansicht des Schwungrads von 1;
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Ebene 3-3 von 2;
4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht längs der Ebene 3-3 von 2;
5A zeigt einen radialen Querschnitt eines Balgs in der Schnittansicht von 3;
5B ist eine Ansicht gleich zu 5A, die den Betrieb des radialen Querschnitts von 5A darstellt;
6 zeigt eine andere Ausführungsform des Gebiets innerhalb der gekrümmten Linie 6 von 3;
7 ist eine Tabelle, die die berechneten Spannungen und Kräfte in dem Schwungrad von 1 und 2 vergleicht; und
8 ist eine Tabelle, die die berechnete Ermüdungsdauer in dem Schwungrad von 1 und 2 zeigt.
1 und 2 zeigen ein Schwungrad 20 zur Drehung um die Achse 21 einer Welle 22. Das Schwungrad 20 umfasst eine Felge 24 mit einer inneren Fläche 25 und einer Nabe 26, die die Felge 24 mit der Welle 22 verbindet. Die Nabe 26 ist mit Strukturen aufgebaut, die eine radiale Nachgiebigkeit und eine axiale Stabilität liefern.
Insbesondere zeigen die 3 und 4, dass der Aufbau der Nabe 26 ein ringförmiges Band 28 und ein Paar von nachgiebigen Balgen 30 und 32 umfasst. Jeder der Balge bildet eine Öffnung 34 und schließt radial in einem Durchmesser 36 ab. Die Öffnungen 34 sind koaxial angeordnet, um die Welle 22 aufzuneh men, und die Ränder 36 sind mit dem Band 28 verbunden. Das Band 28 ist dimensioniert, um an die innere Fläche 25 der Felge 24 entlang einer Felgen-Naben-Schnittstelle 37 anzuschließen.
Um das Befestigen der Nabe 26 an der Welle 22 zu erleichtern, besitzt jeder der Balge 30 und 32 vorzugsweise einen zylindrischen Abschnitt 38, der an die Öffnung 34 angrenzt. Der zylindrische Abschnitt 38 erleichtert die Ausbildung der Naben-Wellen-Schnittstelle 39. Ein zweiter ringförmiger Abschnitt 40 der Balge besitzt einen inneren Rand 42, der an den zylindrischen Abschnitt 38 angrenzt, und einen äußeren Rand 44, der den Rand 36 bildet.
Der ringförmige Abschnitt 40 besitzt einen radialen Querschnitt 46, der im Wesentlichen konfiguriert ist, um die Nachgiebigkeit der Nabe 26 zu verbessern. In den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen besitzt der radiale Querschnitt 46 ein radial geneigtes Segment 50, das an den inneren Rand 42 angrenzt, ein radial gerichtetes Segment 51, ein axial ausgerichtetes Segment 52, ein radial ausgerichtetes Segment 53 und ein axial ausgerichtetes Segment 54, das an den äußeren Rand 44 angrenzt. Die Segmente 50 und 51 sind über ein gekrümmtes Segment 61 verbunden, Segmente 51 und 52 sind über ein gekrümmtes Segment 62 verbunden, Segmente 52 und 53 sind über ein gekrümmtes Segment 63 verbunden und Segmente 53 und 54 sind über ein gekrümmtes Segment 64 verbunden.
Das ringförmige Band 28 bringt die Balge 30 und 32 in einen axialen Abstand, bspw. den Abstand 66 zwischen Balgensegmenten 51. Die Schwungradkomponenten werden an der Felgen- Naben-Schnittstelle 37 und der Naben-Wellen-Schnittstelle 39 über herkömmliche hochfeste Klebematerialien verbunden.
Im Betrieb ist die Nabe 26 ein Drehmoment übertragender Mechanismus zwischen der Welle 22 und der Felge 24. Eine Schwungraddrehung verursacht typischerweise, dass sich die Schwungradkomponenten radial mit unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten ausdehnen. Die Form des radialen Querschnitts 46 liefert eine radiale Nachgiebigkeit, die die Verbindungsintegrität an der Felgen-Naben-Schnittstelle 37 und der Naben-Wellen-Schnittstelle 39 verbessert, da die Naben-Nachgiebigkeit eine Anpassung an die radialen Ausdehnungen der aneinander grenzenden Schwungradkomponenten an diesen Schnittstellen ermöglicht. Das heißt, dass die nachgiebige Nabe 26 im Wesentlichen ausdehnungsangepasst ist an die angrenzenden Komponenten.
Da die Ausdehnungsunterschiede entlang der Felgen-Naben-Schnittstelle 37 und der Naben-Wellen-Schnittstelle 39 reduziert werden, können herkömmliche lasttragende Schnittstellenstrukturen und -vorgänge, bspw. vorgespannte Röhrenanordnungen, Verstärkungsringe und Assemblierungsvorspannungen, durch einfache geklebte Verbindungen ersetzt werden.
Wenn das Schwungrad 20 seine kritische Resonanz (im Wesentlichen unterhalb des Betriebsfrequenzbereichs) erreicht, ermöglicht die Nachgiebigkeit der Nabe 26 der Felge 24, den Massenmittelpunkt auf der Achse 21 der Welle 22 zu positionieren. Das heißt, dass die nachgiebige Nabe 26 das Selbstausgleichen des Schwungrads 20 erleichtert. Dies reduziert Felgenvibrationen, die ihrerseits die Gegenkraft-Belastungen reduziert, die durch Komponentenstörungen, wie Wellenlagerabnutzung und Nabenermüdung, verursacht werden. Die Wichtigkeit dieses selbstausgleichenden Merkmals der Erfindung wird durch die Tatsache verstärkt, dass ein Ungleichgewicht von 1 Gramm bei 100.000 Umdrehungen pro Minute und einem 10-cm-Schwungradradius zu einer Kraft von etwa 1.000 Newton auf die Wellenlager führt. Ohne das Selbstausgleichen der nachgiebigen Nabe 26 könnte das Massenungleichgewicht Vibrationsmoden bis zu destruktiven Amplituden anregen.
Zusätzlich reduziert die nachgiebige Struktur des radialen Querschnitts 46 die Spannungskopplung zwischen den Schwungradkomponenten. Die Kopplungsreduzierung ermöglicht die Verwendung von einfachen Spannungsanalysen und Entwurfsverfahren, das heißt, dass die Felgen- und Nabenanalyse gekoppelt werden kann, um unabhängige Komponentenentwürfe zu ermöglichen.
Der axiale Abstand, das heißt der Raum 66 in 2 und 3, der Balge 32 und 33 liefert eine Drehmomentsteifigkeit, um ein Auslenken der Felge 24 zu begrenzen und zu steuern, wenn ein Drehmoment (durch Kreiselwirkung bspw.) um eine Achse wirkt, die senkrecht zu der Wellenachse 21 ist.
Um eine detaillierte Beschreibung des Betriebs der Nabe 26 zu erleichtern, sind einer der Querschnitte 46, ein angrenzender zylindrischer Abschnitt 38 und ein angrenzender Querschnitt des Bandes 28 in 5A und 5B wiederholt. 5A zeigt einen Ruhezustand und 5B zeigt das Verhalten der Nabe bei Betriebsgeschwindigkeiten. Die U-förmigen, axial ausgerichteten Segmente 52 und 54 und deren Verbindungsstruktur (Segmente 53, 63 und 64) bilden eine Federstruktur 70, die in Kreisrichtung eine Ringfeder bildet (mit 72 im unteren Abschnitt von 4 gekennzeichnet).
Die U-förmige kreisförmige Feder 72 kann sich nachgiebig ausdehnen, um eine radiale Ausdehnung des Bands 28 bei hohen Winkelgeschwindigkeiten zu erleichtern. Diese radiale Ausdehnung des Bands ist in 5B durch einen gestrichelten Ausdehnungspfeil 74 dargestellt. Die Segmente 52 und 54 der Federstruktur 70 passen sich dieser radialen Ausdehnung durch Drehen nach außen in Positionen an, die durch gestrichelte Linien 52A und 54A dargestellt sind. Die Nachgiebigkeit der Federstruktur 70 (das heißt der ringförmigen Feder 72 von 4) erleichtert somit das Aufrechterhalten eines Kontakts an der Naben-Felgen-Schnittstelle (37 im unteren Bereich von 3).
In Kreisrichtung bildet das radial geneigte Segment 50 einen Kegelstumpf (in dem unteren Abschnitt von 4 mit 76 bezeichnet), der einen ersten Durchmesser an der Verbindung seines ersten Endes 77 mit dem zylindrischen Abschnitt 38 besitzt, und einen größeren zweiten Durchmesser an dem Übergang seines zweiten Endes 78 zu dem Segment 61. In Kreisrichtung bildet das Segment 51 eine ringförmige, radial gerichtete Scheibe (in dem unteren Abschnitt von 4A mit 80 bezeichnet). Der Kegelstumpf 76 ist mit der ringförmigen Feder 72 über die Scheibe 80 verbunden.
Da sich die Feder 72 deformiert, wird deren Rückstellkraft über die Scheibe 80 auf das Ende 78 des Kegelstumpfs 76 gekoppelt, wie durch den gestrichelten Koppelpfeil 82 in 5B angegeben. In Reaktion auf die nach außen radial wirkenden Kräfte auf das zweite Ende 78 des Kegelstumpfs 76 dreht das erste Ende 77 nach innen, wie durch den gestrichelten Druckbogen 84 in 5B dargestellt. Somit wird ein radialer Druck auf den zylindrischen Abschnitt 38 ausgeübt. Dieser Druck erleichtert das Aufrechterhalten des Kontakts an der Naben-Wellen-Schnittstelle (34 in 3). Es ist in der vorhergehenden Betriebsbeschreibung zu beachten, dass das Bewegungsausmaß der Abschnitte der Nabe 26 aus Klarheitsgründen übertrieben wurde.
Die Lehre der Erfindung kann mit anderen Nabenausführungsformen realisiert werden. Bspw. können die axial gerichteten Segmente 52 und 54 der Federstruktur 70 in 5A und 5B (das heißt der ringförmigen Feder in 4) über ein einzelnen gekrümmtes Segment (anstelle der Segmente 53, 63 und 64) verbunden sein. Das radial gerichtete Segment 51 (das heißt die ringförmige Scheibe 80 von 4) kann durch ein gekrümmtes Segment oder ein Segment ersetzt sein, das nicht orthogonal zu der Achse 21 ist.
Die Nabenausführungsform 26 von 3 und 4 ist speziell konfiguriert, um die Herstellung der Nabe 26 und den Zusammenbau des Schwungrads 20 zu erleichtern. Wie in dem unteren Abschnitt dieser Figuren angedeutet, ist die Nabe aus zwei identischen Teilen 90A und 90H gebildet, die an einer ringförmigen Trennlinie 92 verbunden sind. Ein Doppler 94 ist über der Trennlinie 92 zentriert und erstreckt sich in axialer Richtung über jeweils einen Teil 90A und 90B. Der Doppler 94 liefert eine ringförmige Fläche für die Felgen-Naben-Schnittstelle 37 und ermöglicht Raum für ein flexibles Spiel.
In der Ausführungsform von 3 und 4 besteht das Band 28 aus dem Doppler 94 und jenen Abschnitten der Teile 90A und 90B, die von dem Doppler 94 überlappt werden. Somit ist die axiale Ausdehnung 96 des Bands 28 identisch mit der des Dopplers 94. Im Allgemeinen ist die Achse der Ausdehnung des Bands jener Abschnitt der Nabe 26, der an der Felgen-Naben-Schnittstelle 37 mit der Felge 24 verbunden ist. Es ist der ringförmige Abschnitt der Nabe, der zwischen den Rändern 36 der axial beabstandete Balge 30 und 32 liegt.
6 zeigt eine andere Nabenausführungsform 100, bei der eine ringförmige Wand 102 entlang einer radialen Erstreckung 104 dicker ist, um ein Band 106 auszubilden. Die Ränder 108 der Balge 110 und 112 grenzen an das Band 106. Obgleich andere Nabenausführungsformen ohne diese ausgebildet sein können, erleichtert die Verdickung des Handabschnitts der Wand 102 die Anwendung von Klebematerialien zwischen dem Band 28 und der Felge 24.
Obgleich die Ausführungsform mit nachgiebiger Felge und Nabe, die in 1 bis 6 dargestellt sind, mit nahezu jedem strukturellen Material realisiert werden kann (bspw. Metallen wie Titan oder hochfestem Stahl), sind Fasern und Matrixverbundwerkstoffe insbesondere geeignet, bedingt durch ihre hohen Kraft/Gewicht-Verhältnisse. Da Schwungradausführungsformen vorzugsweise innerhalb evakuierter Gehäuse liegen, um Reibungsverluste zu reduzieren, sollte ein ausgewählter Verbundwerkstoff auch die Eigenschaft aufweisen, wenig auszugasen.
Graphitfaser- und Cyanatester-Matrix-Verbundmaterialien haben insbesondere gute Festigkeits- und Ausgasungseigenschaf- Kohlefaser- und Epoxid-Mmatrix-Verbundmaterialien haben ähnliche Festigkeits/Gewichts-Verhältnisse, aber zeigen etwas größeres Ausgasen. Die Welle 22 ist vorzugsweise aus einem hochfesten Metall, bspw. Stahl, Titan oder Aluminium, ausgebildet.
Eine Spannungsanalysestudie wurde für einen Prototypentwurf des Schwungrads 20 von 1 bis 4 vervollständigt. Bei diesem Prototypentwurf betrug der Durchmesser der Welle 22 etwa 38,9 mm, der axiale Abstand 66 zwischen den Querschnittssegmenten 51 betrug etwa 63,5 mm und der Abstand von der Welle 22 zu der Felgen-Naben-Schnittstelle 37 betrug etwa 47 mm.
Bei diesem Entwurf ist die Nabe 26 ein 6-Ply Laminat aus Graphitfasern mit vorimprägnierter Matrix, die eine kombinierte Wanddicke von etwa 0,8 mm besitzt. Die Fasern wurden mit einer abwechselnden radialen und Umfangsorientierung (0/90 Layup) angeordnet. Die zylindrische Felge 24 war etwa 30 mm dick und 150 mm lang. Sie wurde in Umfangsrichtung (Umfangsrichtung war zumindest 95%) mit Graphitfasern umwickelt. Der Doppler 74 wurde mit 6 Plies (Schichten) in Umfangsrichtung bewickelt, um eine axiale Ausdehnung mit der in Umfangsrichtung gewickelten Nabe 24 zu erleichtern. Die Spannungsanalyse ging von einer Drehgeschwindigkeit von 100.000 Umdrehungen pro Minute und einem IM7-verbundmaterial aus. Die Analyseergebnisse sind in der Tabelle 120 von 7 zusammengefasst. Die Tabelle zeigt die radialen und Bandkräfte (σ_r und σ_θ) für die Schichten der Nabe 26. Für die Matrix der Nabe ist die „Ablöse"-Spannung (σ_norm) und die zwischenlaminare Scherspannung (τ_int) zwischen den Schichten gezeigt.
Diese Spannungen werden mit den Festigkeiten des Nabenlaminats verglichen, die entlang orthogonaler Koordinaten berechnet wurden, bei denen X- und Y-Achsen in der Ebene der Schicht (X ist in Umfangsrichtung und Y ist radial) und der Z-Achse senkrecht zu der Ebene der Schicht sind. Die Indexe C und T beziehen sich auf Druck und Zug. Zusätzlich ist die Scherspannung in der Ebene des Laminats (S_xy) gezeigt. Berechnete Spannungen sind in Pfund pro Quadratinch (psi) und die berechneten Laminatspannungen sind in 1.000 Pfund pro Quadratinch (ksi) angegeben. Pfund pro Quadratinch können in Megapascal durch Multiplizieren mit etwa 0,0069 umgewandelt werden.
Ein beispielhafter Vergleich berechneter Spannungen und Festigkeiten ist bspw., dass die Bandspannung in der Nabenschicht (σ_θ) etwa 123 ksi betrug und die Bandfestigkeit der Schicht (X_T) 194 ksi betrug. Bei einem Tsai-Wu-Fehlerindex (F_TW) bedeutet ein Index von 1 eine Sicherheitsspanne von Null. Im Gegensatz dazu wurde der Index für die Nabe mit 0,29 berechnet. Die Analyse der Nabe wird mit einem Lastkapazitätsverhältnis zusammengefasst, das als ein Verhältnis der Lastkapazität zu der berechneten Last für eine Geschwindigkeit von 100.000 Umdrehungen pro Minute berechnet wurde. Dieses Verhältnis von 1,473 zeigt an, dass keine Nabenfehler für Schwungradgeschwindigkeiten geringer als 121.000 Umdrehungen pro Minute zu erwarten sind. Der erwartete Fehler würde in der Schicht sein.
Ähnlich berechnete Spannungen und Kräfte sind in der Tabelle 120 für die Felge 24 gezeigt. Ein beispielhafter Vergleich zwischen berechneten Spannungen und Kräften ist, dass die Bandspannung in der Felgenschicht (σ_θ) etwa 293 ksi betrug und die Bandkraft der Schicht (X_T) 388 ksi betrug. Der Tsai-Wu- Fehlerindex (F_TW) wurde mit 0,06 berechnet und das Lastkapazitätsverhältnis betrug 1,3, was anzeigt, dass kein Felgenfehler für Schwungradgeschwindigkeiten geringer als 114.000 Umdrehungen pro Minute zu erwarten ist. Der erwartete Fehler würde in der Matrix auf Grund der radialen Ausdehnungsbelastungen sein.
Die kalkulierte Spannung an der Naben-Wellen-Schnittstelle (39 in 2 und 3) betrug 314 psi an den Kanten der Schnittstelle und 619 psi in der Mitte der Schnittstelle. Die berechnete Spannung an der Felgen-Naben-Schnittstelle (37 in 2 und 3) betrug 278 psi an den Rändern der Schnittstelle und 1.076 psi in der Mitte der Schnittstelle. Dies sind sichere Spannungsbeträge, da typische Verbindungsmaterialien eine Festigkeit von etwa 3.000 psi haben.
Die Spannungsanalyse berechnete ebenfalls die erwartete Lebensdauer unter drei Belastungsszenarien und unter Verwendung eines Ermüdungsverhältnisses, das aus verschiedenen Graphit-Epoxidlaminat-Datenquellen ermittelt wurde. Die Ergebnisse dieser Analyse sind in Tabelle 122 von 8 dargestellt. Bei dem ersten Szenario wird das Schwungradsystem mit 0,15 Radiant/Sekunde um eine Achse gedreht, die senkrecht zu der Achse 21 der Welle 22 ist. Diese Drehung induziert ein Drehmoment von 95 Newtonmeter auf Grund der Kreiselpräzesion. Während der Zeitdauer dieser Belastung würde jeder ausgewählte Ort der Nabe diesen Spannungszustand einmal pro Drehung des Schwungrads durchlaufen. Bei einer Anwendung der Erfindung kann diese Drehung durch eine Bewegung eines Fahrzeuge (bspw. eines Elektro-Hybrid-Automobils) hervorgerufen werden, das das Schwungrad trägt, obgleich eine solche Drehung durch den Befestigungsme chanismus, bspw. eine kardanische Aufhängung, des Schwungrads reduziert werden würde.
Ein erforderliches Lebensdauerverhältnis S_e, (das Verhältnis einer vollständig umgekehrten Spitzenspannung zu der statischen Festigkeit) und eine Lebensdauer (Ermüdungsdauer) wurden für dieses Belastungsszenario berechnet. Die Analyse zeigte eine Lebensdauer für wechselnde Geschwindigkeiten von 0,15 Radiant/Sekunde im Bereich von 4.700 Stunden unter der Annahme einer Schwungradgeschwindigkeit von 100.000 Umdrehungen pro Minute. Da diese Belastung intermittierend auftreten wird, zeigt diese Lebensdauer eine Betriebsdauer von mehreren Jahren an.
Bei einem zweiten zyklischen Belastungsszenario wurde angenommen, dass die Felge 24 ein Exzentrizität von 0,127 mm hat, und bei einem dritten zyklischen Belastungsszenario wurde angenommen, dass die Felge 24 um 0,001 Radiant gegenüber der Achse 21 der Welle 22 gekippt war. Die berechnete Lebensdauer bei 100.000 Umdrehungen pro Minute für diese zwei Szenarien war im Wesentlichen unendlich.
Wenn ein Schwungrad auf die Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt wird, muss es verschiedene Vibrationsresonanzen durchlaufen. Resonanzmoden, die „wirbel" anregbar sind, werden durch Ungleichgewichte oder Fehlausrichtungen der drehenden Masse erzeugt. Wirbelmoden sind besonders gefährlich, da sie strukturelle Schäden herbeiführen können, falls die Belastung und die Zeitdauer genügend groß sind.
Im Systembetrieb wird das Schwungrad 20 vorzugsweise superkritisch gedreht, das heißt, seine Betriebsgeschwindigkeit ist höher als die kritischen Resonanzgeschwindigkeiten (die Geschwindigkeiten, bei denen Wirbelmoden angeregt werden). Wenn die Geschwindigkeit des Schwungrads 20 eine der Vibrationsmoden erreicht, steigt die Vibrationsamplitude an der kritischen Geschwindigkeit zu einer Spitze an und fällt dann auf einen endlichen Wert ab, wenn die Schwungradgeschwindigkeit weiter erhöht wird. Dieser endliche Pegel wird durch die nachgiebige Eigenschaft der Nabe 26 minimiert, die flexibel ist, um die Felge 24 selbst zu zentrieren und sich um den Massenmittelpunkt zu drehen. Somit wirkt die Nabe 26 als selbstausgleichende Vorrichtung für die Felge 24 bei superkritischen Geschwindigkeiten.
Die ausdehnungsangepassten selbstausgleichenden Nabenausführungsformen von 1 bis 6C liefern eine radiale Nachgiebigkeit, die die Verbindungsintegrität an der Felgen-Naben-Schnittstelle 37 und der Naben-Wellen-Schnittstelle 39 verbessert. Sie ermöglichen, dass die Felge 24 ihren Massenmittelpunkt auf der Achse 21 der Welle 22 positioniert, die Kopplung von Spannungen zwischen Schwungradkomponenten reduziert und mögliche destruktive Wirbelresonanzen unterhalb der Betriebsgeschwindigkeit des Schwungrads herabsetzt. Zusätzlich reduziert der radiale Abstand der Balge 30 und 32 eine Ablenkung der Felge 24, wenn sie Vibrations- und Kreisel-Kräften ausgesetzt wird.
Prototyp-Schwungräder, die gleich dem analysierten Entwurf sind, wurden hergestellt und ein Test dieser Prototypen wurde ausgeführt. Testergebnisse haben bereits einige der Schwungrad eigenschaften verifiziert (bspw. das Ausgleichen des Massenmittelpunkts der Felge und die begrenzte Ablenkung der Felge unter Kreisel-Präzesionskräften), die bei der Prototypanalyse dargegeben wurden. Die gesamte vollständige Spannungsanalyse und der Prototyp im Test zeigen, dass Nabenausführungsformen, die von der vorliegenden Erfindung gelehrt werden, das Halten hoher Winkelgeschwindigkeiten eines Schwungrads erleichtern, bspw. 100.000 Umdrehungen pro Minute, hoher Energiespeicherung, bspw. > 1 Kilowattstunde, und eine hohe Energiedichte, bspw. etwa 130 Wattstunden/Kilogramm. Im Gegensatz dazu beträgt die typische Energiedichte einer bekannten Batterie etwa 30 Wattstunden/Kilogramm.
Während verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind vielfältige Variationen und alternative Ausführungsformen für den Fachmann bekannt. Solche Variationen und alternative Ausführungsformen sind denkbar und können ausgeführt werden, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Schwungrad, das mit einer Welle (22) zur Drehung um die Achse (21) der Welle (22) verbunden werden soll, mit: einem ringförmigen Band (28), das mit einer ringförmigen Felge (24) verbunden ist und erste und zweite axial beabstandete ringförmige Federn (72) von ersten und zweiten axial beabstandeten Balgen (30, 32) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Balge (30, 32) ausbildet: einen Kegelstumpf (76) mit einem ersten und einem zweiten Ende (77, 78), wobei jedes erste Ende des Kegelstumpfs (77) eine Öffnung (34) definiert, wobei die Öffnungen (34) koaxial angeordnet sind, um die Welle (22) aufzunehmen, die ringförmige Feder (72), die zwei axial ausgerichtete Segmente (52, 54) aufweist, die radial zueinander beabstandet sind, und eine ringförmige Scheibe (80), die die ringförmige Feder (72) und das zweite Ende des Kegelstumpfs (78) verbindet; wobei jede der ringförmigen Federn (72) aufgrund der axial ausgerichteten Segmente (52, 54), die zueinander radial beabstandet sind, um die radiale Nachgiebigkeit zu verbessern, zur Beaufschlagung des Kugelstumpfs (76) mit einer Rückführungskraft geeignet ist, so dass das erste Ende (77) des Kegelstumpfs (76) radial nach innen gegen die Welle durch eine Kippbewegung gedrückt wird.
Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Feder (22) einen im Wesentlichen U-förmigen radialen Querschnitt besitzt.
Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Balge (30, 32) einen Zylinderabschnitt (38) aufweist, der mit dem ersten Ende (77) des Kegelstumpfs verbunden ist und eine Größe besitzt, um die Welle (22) aufzunehmen.
Schwungradnabe zur Verbindung einer Schwungradfelge (24) mit einer Welle (22) zur Drehung um die Achse (21) der Welle (22), mit: einem ersten und einem zweiten Balg (30, 32), die zueinander axial beabstandet sind und die Öffnungen aufweisen, die koaxial angeordnet sind, um die Welle (22) aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Balg (30, 32) aufweist: a) einen Kugelstumpf (76) mit einem ersten und einem zweiten Ende (77, 78), wobei das erste Ende (77) eine der beiden Öffnungen (34) bildet, b) eine ringförmige Feder (72) mit einem ersten und einem zweiten axial ausgerichteten Segment (52, 54), die radial zueinander beabstandet sind; und c) eine ringförmige Scheibe (80), die das erste Ende der ringförmigen Feder und das zweite Ende des Kegelstumpfs (78) verbindet, wobei die zweiten Segmente (54) der ringförmigen Feder verbunden sind, um die Felge (24) aufzunehmen, und wobei jede der ringförmigen Federn (72) bedingt durch die axial ausgerichteten Segmente (52, 54), die radial zueinander beabstandet sind, um deren radiale Nachgiebigkeit zu erhöhen, geeignet ist, um eine Rückführungskraft auf den Kegelstumpf (76) auszuüben, so dass das erste Ende (77) des Kegelstumpfs (76) radial nach innen gegen die Welle durch eine Kippbewegung gedrückt wird.
Schwungradnabe nach Anspruch 4, mit einem ringförmigen Band (28), das dimensioniert ist, um eine Felge (24) zu tragen.
Schwungradnabe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Feder (72) einen im Wesentlichen U-förmigen radialen Querschnitt aufweist.
Schwungradnabe nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Balge (30, 32) einen Zylinderabschnitt (38) aufweist, der mit dem ersten Ende (77) des Kegelstumpfs gekoppelt ist und dimensioniert ist, um die Welle (22) aufzunehmen.