SU759777A1 - Маховик 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приводах машин, энергетических, транспортных системах и системах ,

управления и стабилизации различных * объектов.

Известен маховик, содержащий ступицы и расположенный между ними квазиизотропный диск, состоящий из скрепленных между собой связывающим ве- ’θ ществом соосных элементов, выполненных из волокнистого анизотропного материала, плоскостная ось каждого из которых, совпадающая с продольной осью волокна, пересекающая гёометри- 15 ческий центр этого элемента, повернута на заданный угол относительно плоскостной Оси примыкающего к нему элемента [1].

Однако такие маховики обладают 20 рядом недостатков.

Так диски, состоящие из множества волокнистых'пластин, пропитанных/связующим веществом, имеют у оси вращения весьма малое центральное отвер- 25 стие (зазор между соседними волокнами) , заполненное связующим. Наличие такого отверстия приводит к тому, что окружные напряжения в центре диска примерно в два раза выше по 30

2

сравнению с Тз'д в диске без центрального Отверстия. А это'значит, что предельная угловая скорость маховика сцентральным отверстием примерно в Ϊ2 раза меньше, чем у диска без центрального отверстия.

Кроме того, возникают трудности с надежным креплением ступиц к квазиизотропному диску в процессе изготовления маховика.

В процессе эксплуатации инерционного аккумулятора при изменении ориентации оси вращения маховика возникает гироскопический момент, который может вызвать разрушение маховика, сопровождающееся образованием крупных осколков (чаще всего двух), обла дающих значительной,кинетической энергией,»

Для улавливания осколков необходимы прочные, а следовательно, тяжелые защитные устройства.

Целью изобретения является повышение энергоемкостных характеристик (плотности аккумулируемой энергии Е/М₃ равной отношению накопленной маховиком энергии к его массе и объектной эффективности Ε/ν, равной отношению накопленной энергии к ометае759777

мому маховиком объему), надежности и безопасности маховика.

Поставленная цель достигается Тем, что маховик снабжендополнительными квазиизотропными дисками, выполненными аналогично

щимися с ними изотропными дисками, а квазиизотропные диски и ступицы соединены между собой,

' При этом маховик снабжен втулками, каждая из которых установлена на соответствующей ступице с возможностью перемещения вдоль нее, кольцевыми элементами с рядной схемой намотки, навитых на изотропные диски между квазиизотропными, кольцевым элементом с орбитальной схемой намотки, охватывающим квазиизотропные диски и связанным своими концами с втулками, и упругими элементами, каждый из которых размещен между ступицей и соответствующей ей втулкой.

йа фиг. 1 изображен маховик, план; на фиг. 2 - вариант конструкции маховика с частичными вырывами, вид сбоку? на фиг. 3 и 4 - варианты соединения пакета дисков? на фиг. 5 - эпюра напряжений в сплошном изотропном диске постоянной толщины? на фиг. 6 эпюра напряжений в йэотррпном диске постоянной толщины с центральным отверстием? на фиг. 7 - эпюра напряже-. ний в квазииэотропном тонком диске постоянной толщины?на фиг. 8 - эпюра напряжений в тонком квазииэотропном диске, расположенном между соосными тонкими изотропными дисками, соединенном с ними по всей поверхности контакта? на фиг. 9 - маховик, виД сбоку? на фиг. 10 - схема намотки наружного кольцевого элемента (сплошная линия) и равновесная форма отдельного элемента намотки при «*)#0 (штриховая линия); на фиг^11 - сечение А-А на фиг. 10? на фиг, 12 - относительная ориентация элементарных волокон в тонком квазииэотропном диске .

Маховик 1 состоит из двух ступиц 2, 3, пакета соосных чередующихся тонких квазиизотропных и изотропных^ дисков 4^;, 5, соединенных между собой по всей поверхности контакта.

Между соседними квазиизотропными дисками 4 расположенынамотанные йа наружную поверхность изотропных дисков 5 кольцевые элементы 6с рядной схемой намотки, соприкасающиеся с дисками 4, 5. Наружный кольцевой элемент 7 с орбитальной схемой намотки/ охватывает пакет дисков 4, 5 и “связан своими концами с,о ступицами 2,3.Ступицы 2,3 подвижны в осевом направлении и между ними и крайними дисками 5 расположены упругие элементы '8.Ступицы 2,3 и валы 9,10 соединены между собой посредством подвижного соединения (например,шлицевого ,шпоноч·, ного и т.п.).Валы 9,10 и крайние диски 5 жёстко соединены между собой ;(например,посредством сварки,болтового соединения,пайки,клея и т.п.).

В процессе изготовления каждый

Элемент спиральной намотки наружного кольцевого элемента принимает форму,

5 соответствующую дуге АВС' (см. фиг. 12), · которая в общем случае не лежит в одной плоскости. При вращении отрезок АБС стремится принять равновесную форму соответствующую А,В,С, , чему

10 препятствуёт Паке! дисков 4, 5.

Дйя того, чтобы каждый элемент намотки АВС смог принять форму, близкую к равновесной форме Α,Β,ίλ, ступицы 2, 3 выполнены подвижными в осе15 вом направлений. )Цля обеспечения предварительного сжимающего усилия, Действующего со стороны наружного кольцевого элемента 7 на пакет дисков 4, 5, между крайними дисками 4,

2Ф 5 пакетаи ступицами 2, 3 установлена упругие элементы 8, которые обеспечивают предварительное сжатие пакета чередующихся дисков 4, 5 и кольцевых элементов 6.

Маховик работает следующим обра25 эом. ·

₍ При вращении в квазииэотропном диске возникают окружные Ъе и радиальные

напряжения, причем из-за наличия весьма малого центрального отверстия

30 (зазор между соседними волокнами), заполненного связывающим, окружные напряжения Ъд у оси вращения максимальны и примерно в 2 раза больше нежели в изотропном диске при прочих

35 равных условиях (одинаковых наружных диаметрах, удельной прочности /р материала маховиков, равной отношению временного сопротивления растя- . жению к плотности материала).

.. Напряжения и в изотропном ⁴⁰ диске без центрального отверстия максимальны у оси вращения, равны между собой и определяются по формуле

^С1)

45

где μ - коэффициент Пуассона?

- плотность материала диска;

- угловая скорость маховика;

К - наружный радиус маховика;

-л Напряжения Ί>φ в изотропном диске ³⁰ с весьма малым центральным отверстием

максимальны на боковой поверхности отверстия и определяются по формуле

55 <2)

Сравнивай выражения (1) и (2) очевидно, что напряжения в квазииэотропном диске примерно в/два раза больше,'

40 чем в изотропном при одинаковых Ъь/Р, Κ,ώ , Я (%?£ - временное сопротивление материала диска).

В изотропном диске постоянной толщинькс центральным отверстием окружные напряжения максимальны на цилиндри5 759777 б

ческой поверхности^отверстия и опре- '* деляются по формуле

, (3)

где 2 - радиус центрального отверстия. 5

В квазиизотропном диске ось вращения пересекает не только высокопрочные волокна, но и связующее между соседними волокнами, предел прочности которого обычно на несколько , 10 порядков ниже, чем у волокна. Значит В квазиизотропном диске существует весьма малое центральное отверстие, заполненное связующим, и напряжения у оси вращения в квазиизотроп- 15 ном диске будут приблизительно равны по величине 'Ьд окружным напряжениям в изотропном диске ΰ весьма малым центральным отверстием (при равной прочности материалов дисков 20 и наружном радиусе) и определяются по формуле

(4)

Из формулы (1) и- (2) следует, что 25 при равных К и Тэе,//* маховик из изотропного материала имеет предельную угловую скорость в 42 раз больше, чем кваэиизотропный диск и, следовательно, имеет более высокие энерго- 30 емкостные характеристики.

Для снижения величины 1¾ в квазииэотропных дисках они выполнены Тонкими и каждый расположен между высокопрочными изотропными дисками и сое- 35 динены с ними по всей поверхности контакта, причем упомянутые диски соосны. Вследствие того, что наружный диаметр изотропных дисков меньше, чем у квазиизотропных, стало быть и напряжения в' изотропных дисках от собственных инерционных сил будут меньше предела прочности материала дисков, а так как квазиизотропные и изотропные диски соединены между собой по всей поверхности контакта, 45

следовательно, последние частично воспринимают усилия квазиизотропных дисков и за'счет этого напряжения в области у оси вращения в квазиизотропных дисках снижаются. _ч 50

Кольцевые элементы с рядйой схемой намотки,расположенные с наружной поверхности' изотропных дисков, соприкасаются с боковыми поверхностями квазиизотропных дисков и наружным . « кольцевым элементом со спиральной (орбитальной) схемой намотки, который • повышает, помимо эяергоемкостных характеристик, надежность конструкции, так как при вращении он вызывает появление осевых сжимающих усилий, 60 препятствующих разрушению вращающегося маховика при изменении ориентации его оси. В случае разрушения маховика при превышении максимально допустимой угловой скорости или по ДРУ- 65

гим причинам образуется множество осколков в виде нитевидных элементов при разрушении наружного кольцевого элемента; отдельных кольцевых элементов и тонких квазиизотропных дисков, для улавливания которых не требуется тяжелых защитных устройств.

В процессе возрастания угловой скорости маховика суммарное сжимающее усилие возрастает в результате увеличения напряжений в каждом волокне наружного кольцевого элемента 7.'

Прёдлагае&ый маховик позволяет примерно в 1,2 - 1,4 раза повысить энергоемкостйые характеристики (плотность .аккумулируемой энергии Е/М и объемную эффективность Е/V ) по сравнению с прототипом, а также повысить надежность и безопасность маховика, так как при разрушении он распадается на отдельные составные элементы (диски, кольца), которые не обладают большим запасом кинетической энергии.

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Маховик, содержащий ступицы и расположенный между ними квазиизотропный диск, состоящий иэ скрепленных между собой связующим веществом соосных элементов, выполненных из волокнистого анизотропного материала, плоскостная ось каждого из которых, совпадающая с' продольной осью волокна, пересекающая геометрический центр этого элемента, повернута на заданный угол относительно плоскостной оси примыкающего к нему элемента, отличающийся тем, что,, с целью повышения энергоемкоСтных характеристик, маховик снабжен дополнительными квазиизотропными дисками, выполненными аналогично основному и чередующимися с ними изотропными дисками, а кваэиизотропные диски и ступиЦы соединены между собой.
2. 2. Маховик поп. 1, отличающийся тем, что он снабжен втулками, каждая из которых установленач на соответствующей ступице с возможностью перемещения вдоль нее, кольцевыми. элементами с рядной схемой намотки, навитых на изотропные диски между квазиизотропными, кольцевым элементом с орбитальной схемой намотки, охватывающим квазиизотропные диски и связанным своими концами с втулками, и упругими элементами, каждый Иэ которых размещен между ступицей и соответствующей ей втулкой.