DE2225925A1

DE2225925A1 - Schwungrad, insbesondere zur stabilisierung von raumfahrzeugen

Info

Publication number: DE2225925A1
Application number: DE19722225925
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dammert; Heinz Dr Rer Nat Wehde
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1972-05-27
Filing date: 1972-05-27
Publication date: 1974-01-17
Also published as: FR2189712B1; DE2225925C2; FR2189712A1

Description

Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung
von Raumfahrzeugen

Stand der Technik:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung von Raumfahrzeugen, enthaltend einen mittels Lager gegenüber einen Stator drehbar angeordneten Eotor, welcher vorzugsweise am äußeren Radius einen Schwungring enthält.

Hit einem derartigen Schwungrad soll bei einer bestimmten Drehzahl ein vorgeschriebener Drall erreicht werden, wobei die für die Raumfahrttechnik wesentlichen Forderungen nach geringem Gewicht und hoher Zuverlässigkeit erfüllt werdermüssen. Da bei einem rotierenden Körper das Trägheitsmoment und somit der Drall vom Quadrat des Abstandes der drehbarer. Masse abhängig ist, ist bei einen bekannten Schwungrad an äußeren Radius des Rotors ein Schwungring vorgesehen, welcher mittels Verbindungselementen beispielsweise Speichen mit dem Lager verbunden ist. Ein solcher Rotor stellt Qe-

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doch, aufgrund der_a wenn auch, geringen elastischen Verformbarkeit vom Schwungring und Verbindungseiementen ein schwingungsfähiges System dar. Insbesondere beim Start des Raumfahrzeuges können bei Erreichen der Resonanzfrequenz des Rotors sehr große Belastungsspitzen auftreten, die zu Beschädigungen des Lagers, wenn nicht gar zu völliger Unbrauchbarkeit des gesamten Schwungrades führen können. Aus diesen Grunde mußten bisher bei der Dimensionierung entsprechende Sicherheiten berücksichtigt werden und vor allem die Lagerung entsprechend groß und schwer ausgelegt werden. Auch eine mechanische Arretierung des Schvungringes gegenüber dem Stator während des Startes würde eine Erhöhung aez Gesamtgewichtes zur Folge haben und darüber hinaus noch einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor mit sich bringen.

AufRabe und Lösung:

Der'Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und mit einfachen Kitteln das Schwingungsverhalten wesentlich zu verbessern. Diese Aufgäbe wird gemäß dem Kennzeichen des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteile und vorteilhafte Ausbildungen:

Für ein Schwungrad gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich somit wegen der wirksamen Dämpfung von Schwingungen eine größere Sicherheit, sowie eine längere Lebensdauer, da Belastungsspitzen weitgehend reduziert werden. Weiterhin läßt sich die Erfindung mit einem geringen fertigungstechnischen Aufwand realisieren und das Gesamtgewicht kann un- , ter Beibehaltung der Leistungsdaten gegenüber bekannten Schwungrädern verringert werden.

Untersuchungen und Berechnungen hinsichtlich des Schwingungsverhaltens eines bekannten Schwungrades mit Schwungring und Speichen haben ergeben, daß die Schwingungsanpli-

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tuden an "bestimmten Stellen längs der Speichen und auch in Umfangsrichtung des Schwungrades Maxima bzw. Minima aufweisen. Dies gilt für Schwingungen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist durch das Kennzeichen des dritten Patentanspruches gegeben, wodurch die Dämpfungswirkung besonders effektiv v/ird.

Eine v/eitere sehr wesentliche Ausbildung ist durch das Kennzeichen des siebten Patentanspruches gegeben. Bei dieser Ausführung wird beim Schwingen des Rotors aufgrund der Relativbewegung zwischen den Auflageflächen von Dämpfungsring und Speichen und der dabei entstehenden Reibung eine sehr starke Dämpfung erzielt. Die Herstellung solcher Dämpfungsringe erfordert nur einen geringen Aufwand. Weiterhin ist die Optimierung des Dämpfungsverhaltens sehr leicht durch Einstellen der Anpreßkraft zwischen den Dämpfungsringen und Speichen mittels der Haltevorrichtungen durchzuführen.

Es sei ausdrücklich festgestellt, daß der Einsatz des erfindungsgemäßeh Schwungrades nicht allein auf Raumfahrzeuge beschränkt ist. Ein derart ausgebildetes Schwungrad kann beispielsweise auch für Zentrifugen von Kernreaktoren oder ganz allgemein immer dort in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, wo aufgrund von Schwingungen unzulässige Belastungsspitzen zu erwarten sind.

Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei die Speichen aus mehreren Schichten aufgebaut sind;

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Pig. 2 - einen Schnitt durch eine Speiche entlang der Linie II - II von Fig. 1;

Pig. 3 - eine Ansicht in axialer Richtung eines zweiten Ausführungsbeispieles, enthaltend auf den Speichen angeordnete Dampfungsringe;

Fig. 4 - einen Schnitt durch eine Speiche des zweiten Ausführungobeispieles entlang der Linie IV - IV von FiG- 3;

Fig. 5 - eine v/eitere Ausführungsmöglichkeit mit Pederzungen als Haltevorrichtungen.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein Schwungrad gemäß eines ersten Ausführungsbeispieles dargestellt. Ein Rotor enthält einen zylindrischen Schvmngring 1, alB Speichen 2 ausgebildete Verbindungselemente und eine Nabe 4, welche ein Lager 3 aufnimmt. Der Rotor ist mittels des Lagers 3 gegenüber dem Stator 5 um die Achse 23 drehbar, wobei der Antriebsmotor zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Speiche 2, welche vier Schichten, welche als U-förmige Profilteile ausgebildet sind, aufweist. Zwischen den Profilstäben 6 sind dünne Schichten 7 aus¹ einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten eingelegt. Die Profilstäbe 6 sind an der Nabe 4- und am Schvur.gring derart befestigt, daß zwischen den Reibflächen der Profilstäbe 6 und den Reibmaterial 7 eine bestimmte Anpreßkraft wirksam ist. Weiterhin sind an den durch die Linie 8 bezeichneten Stellen die Profilstäbe 6 mittels Schrauben 9 miteinander verbunden, so daß die genannte Anpreßkraft voll wirksam ist bzw. durch Anziehen der Schrauben noch verstärkt wird.

Bei Schwingungen des Schwungrades weisen die Schwingung^~ amplituden an dem mit den Linien 10, 11 bezeichneten Stellen

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ein Maximum auf, während an der mit der Linie 8 bezeichneten Stelle ein Minimum auftritt. Es entstehen zwischen den Profilstäben 6 und dem Eeibmaterial 7 Relativbevegunr::--::, welche in Verbindung mit der genannten Anpreßkraft zu einer Reibungsdämpfung der Schwingungen führen. Die Anbringung von Befestigungselementen beispielsweise der Schrauben 9 an den Stellen mit einem Minimum der Schwingungsamplituden ergibt eine definierte Anpreßkraft und erweist sich als besonders vorteilhaft.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, bei Verwendung von Hoh'lprofilspeichen, deren Innen- und/oder Außenflächen mit einer Schicht aus schwingungsdänpfenden Material zu umgeben, wobei vorzugsweise die Schichtstärke gegenüber der Wandstärke der Speichen groß ist. Auch bei Hohlprofilspeichen, deren Innenraum vollständig mit einem schwingungsdämpfenden Material ausgefüllt ist, werden aufgrund der inneren Reibung des genannten Materials Schwingungen des Schwungrades wirksam gedämpft. Es hat sich als sehr vor- · teilhaft erwiesen, jede Speiche aus zwei ineinander geschobene Hohlprofilstäbe auszubilden. Wird bei einer derartigen Ausbildung der zwischen den beiden Hohlprofiien liegende Raum mit einem Kämpfungsmaterial ausgefüllt, so kann eine sehr starke Dämpfung erreicht werden.

Wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 zwischen Lager 3 * und Nabe 4- eine Zwischenhülse aus schwingungsdäcrpf endem Material vorgesehen, so wird ebenfalls eine wirksame Dämpfung erreicht. Diese Maßnahme führt auch in Kombination mit einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele zu sehr guter Dämpfung.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht in axialer Richtung eines weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsbeispieles mit zwei am äußeren Rand der Speichen 12 angeordneten Dämpf ungsrirger: 13. Die genannten Dämpfungsringe 13 sind in axialer Richtung gesehen auf beiden Seiten der Speichen 12 aufgelegt

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und in Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten. Speichen mittels Haltevorrichtungen 14 gegeneinander vorspannt. Dadurch wird zwischen den als Reibflächen ausgebildeten Auflageflächen 15 und 16 von Dämpfungsringen und Speichen eine Anpreßkraft wirksam. Ua eine möglich hohe Dämpfung zu erreichen, sind die Dämpfungsringe 13 an den. Stellen 19 derart erweitert, daß die Auflageflächen 15 unü 16 möglichst groß sind. Werden außerdem auch die Speichen 12 an den Stellen 19, beispielsweise trapezförmig, nach außen erweitert (in Fig. 3 an der unteren Soeiche durch die strichpunktierten Linien 25 dargestellt;, so ergibt sich eine zusätzliche Vergrößerung der Auflageflächen. Die genannten Haltevorrichtungen sind als einschraubbare Spannbolzen (nicht dargestellt) ausgebildet, mit welchen die Anpreßkraft eingestellt wird. Die Haltevorrichtungen 1*- können beispielsweise auch als zwischen den beiden Dänpfungsringen angeordnete Zugfedern ausgebildet sein.

Der zylindrische Schwungring 1 und die genannten Däjcpfungsringe 13 bilden aufgrund ihrer unterschiedlichen Steifigkeit und Kasse zwei Schwingungssysteme mit unterschiedlichem Schvringungs verhalt en, so daß bei Schwingungen des 'Schwungrades an den Auflageflächen 15* 16 Relativbewegung^;: •zwischen Speichen und Dämpfungsringen auftreten. In Verbindung mit der genannten Anpre2kraft erfolgt somit eine wirksame Reibungsdämpfung der Schwingungen.

Die Dämpfungsringe 13 sind weiterhin gegenüber dem Schvrur.p:- ring 1 mittels Zentrierkeiifn 17 fixiert um Verschiebungen der Däapfungsringe in radialer Richtung und eine daraus resultierende Unwucht des Rotors zu vermeiden. Die Zentrierkeile 17 sind in ümfangsrichtung an den Stellen angeordnet, an welchen die Schwingungsamplituden des Schwungringes ein Minimum aufweisen. Dies ist für die Dänpfungswirkung von entscheidender Bedeutung, da somit eine möglichst geringe Koppelung zwischen Dämpfungsringen und Schwungring gewährleistet wird.

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Eine sehr vorteilhafte Möglichkeit zur Zentrierung der Dämpfungsringe 13 i-^c-t dadurch gegeben, daß die Dämpfungsringe 13 entsprechend den Erweiterungen der Speichen (wie beispielsweise durch die Linien 25 angegeben) geformte Nuten aufweisen (nicht dargestellt). Durch die zu den Auf- · lageflächen 15» 16 im wesentlichen senkrecht stehenden zusätzlichen Berührungsflächen zwischen Speichen und Dämpfungsringen werden unzulässige Verschiebungen der Dämpfungsringe vermieden.

Fig. 4 zei^t einen Schnitt durch, eine Speiche 12 entlang der Linie IV - IV von Fig. 3» wobei zusätzlich zwischen den Auflageflächen 15i 16 eine Schicht aus einem Material mit hohem Reibungskoeffizienten vorgesehen ist. Damit wird die Reibungskraft stark erhöht und somit die Reibungsdämpfung besonders effektiv.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Speiche eines weiteren Ausführungsbeispieles dargestellt, wobei die Haltevorrichtungen als Federzungen .21 ausgebildet sind. Die Federzungen 21 sind an der Nabe 22 befestigt und drücken mit der am äußeren Umfang angebrachten Reibfläche 24 beidseitig geger die Speichen. Sie bewirken die erforderliche AnpreSkraft zwischen den Reibflächen 24 und Speichen 12. Zur Erhöhung der Reibungskraft ist zwischen den Reibflächen 24 und den Speichen eine "Schicht 20 aus einem Material mit .hohem Reibungskoeiiizienten vorgesehen.

Das Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5 kann auch in der Weise abgeändert werden, daß die Federzungen mit den Reibflächen einseitig gegen die Speichen drücken. Auch ' in diesem Falle wird eine Dämpfung von Schwingungen erziel:;, da mittels der Anpreßkrafi; und der Relativbewegung swisck-:: Federzunge in Verbindung mit der Reibfläche 24 und den £peichen Reibungskx'äfte wirksam werden.

-Patentansprüche--

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Claims

Patentansprüche

1. Schwungrad, insbesondere zur Stabilisierung von Raumfahrzeugen, enthaltend einen mittels Lager gegenüber einen Stator drehbar angeordneten Rotor, welcher vorzugsweise am äußeren Radius einen Schwungring enthält, dadurch gekennzeichnet , daß die zwischen Schwungring und Lager angeordneten Verbindungselemente Vorrichtungen zum Dampfen von Schwingungen aufweisen, welche vorzugsweise an den Stellen mit den größten Schwingungsamplituden angeordnet sind. ""~

2. Schwungrad nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungselemente als Speichen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speiche aus wenigstens zwei dicht nebeneinander liegenden Schichten aufgebaut ist und die Berührungsflächen der Schichten als Reibflächen ausgebildet sind.

5· Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Berührungsflächen Material mit hohem Reibkoeffizienten angeordnet ist.

4. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Speichen ausgebildeten Verbindungselemente einen rohrförmigen. Querschnitt aufweisen, und an den Innen- und/oder Außenflächen mit einer im Vergleich zu ihrer Wandstärke vorzugweisen dicken Schicht aus schwingungsdämpfendenem Material umgeben sind,

5· Schwungrad nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungselemente als Speichen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Speiche als zwei ineinander geschobene Hohlprofilstäbe ausgebildet ist lind daß zwischen den genannten Kohlprofilstäben Dämpfungsmaterial vorgesehen ist.

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6. Schwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen des Lager und der Nabe des Rotors eine Hülse aus schwingungsdäinpfendeia Material angeordnet ist.

7. Schwungrad nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungselemente als Speichen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Speichen, vorzugsweise an deren äußeren Enden, wenigstens ein Dämpfungsring aufgelegt ist, welcher mittels einer Haltevorrichtung an die Speichen angepreßt wird.

8. Schwungrad nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung gesehen, zwei Dämpfungsringe von unten und oben auf die Speichen aufgelegt sind und daß vorzugsweise in Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten Speichen eine Haltevorrichtung vorhanden is.t, welche die genannten Dämpfungsringe definiert gegeneinander verspannt.

9· Schwungrad nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Auflageflächen von Speichen und Dämpfungsr ing en. Material mit einem hohen Reibungskoeffizienten angeordnet ist.

10. Schwungrad nach einem der Ansprüche 7 "bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schwungring und den Dämpfungsringen vorzugsweise an den Steilen, an welchen die Schwingungsamplituden ein Minimum aufweisen, Zentrierelemente vorgesehen sind.

11. Schvrungrad nach einem der Ansprüche 7 ois 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageflächen der Speichen vorzugsweise trapezförmig nach außen erweitert sind, und daß die Dämpfungsringe entsprechend den Auflageflächen der Speichen geformte liuten aufweisen.

Heidelberg, den 24. Nov. 1972
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