DE2949125A1

DE2949125A1 - Schwungrad zur energiespeicherung in kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2949125A1
Application number: DE19792949125
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Horst 7057 Weinstadt Bühl
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1981-06-11

Description

"Schwungrad zur Energiespeicherung in
Kraftfahrzeugen" Gegenstand der Erfindung ist ein Schwungrad zur Energiespeicherung in Kraftfahrzeugen mit einer ringförmigen Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff.
Schwungräder zur Energiespeicherung sind seit langem bekannt.
Bei vorgegebener Masse ist als Bauform die sogenannte Massenrandform theoretisch am günstigsten, bei der die Schwungmasse einen Ring mit möglichst großem Radius darstellt. Die Menge der in einem solchen Schwungrad gespeicherten Energie ist proportional der Masse des Ringes und dem Quadrat der Drehzahl. Mit zunehmender Masse und zunehmender Drehzahl nimmt jedoch auch die Ringbeanspruchung, die sich aus der Zentrifugalkraft ergibt, zu, so daß bei einer bestimmten Drehzahl die Zugfestigkeit des Materials überschritten und der Ring zerstört wird. Bei Stahl wird die Grenze der Zugfestigkeit relativ schnell erreicht und es können, bezogen auf die Masse des Schwungrades, nur verhältnismäßig geringe Energiemengen (ca. 40 Wh .kg-1) gespeichert werden.
Wesentlich höhere Energiedichten lassen sich erreichen, wenn die Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, da sich aufgrund der extrem hohen Zugfestigkeit des Fasermaterials ganz erheblich höhere Drehzahlen verwirklichen lassen.
Bei der Verwendung von Schwungrädern unter mobilen Einsatzbedingungen, d.h. in Kraftfahrzeugen, müssen die Schwungräder eine möglichst hohe Energiedichte haben. d.h. bei möglichst niedrigem Gewicht eine möglichst hohe Energiemenge speichern. Da jedoch aus einbautechnischen Gründen der Schwungraddurchmesser vorgegeben und die Drehzahl durch Lager- und Dichtungsprobleme (die Schwungräder werden zur Verminderung der Reibungsverluste im Vakuum betrieben) begrenzt ist und unterhalb der vom Material her maximal möglichen Drehzahl liegt, kann die maximal mögliche Energiespeicherkapazität nicht ausgenützt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schwungrad für die Verwendung in Kraftfahrzeugen zu finden, in dem sich bei beschränkter Baugröße und einer vorgegebenen Maximaldrehzahl eine maximale Energiemenge bei möglichst geringem Gewicht des Schwungrades speichern läßt.
Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Schwungrad gelöst.
Bei gegebenen Abmessungen und gegebener Drehzahl kann die Energiespeicherkapazität eines Schwungrades nur durch Erhöhung der Masse erhöht werden. Bei Erhöhung der Faserverbundmasse geht jedoch die ideale Massenrandform immer mehr in eine "Scheibe gleicher Dicke" über, die tatsächlich auch in einer Vielzahl von Literaturstellen beschrieben ist. Gegenüber einem Schwungrad mit Massenrandform besitzt eine Scheibe gleicher Dicke jedoch bei gleicher Masse einen geringeren Energiegehalt.
Bei dem erfindungsgemäßen Schwungrad kann die energetisch günstige Massenrandform beibehalten werden. Die Erhöhung der Masse erfolgt durch Einlagern von Materialien hoher Dichte in die Schwungmasse. Diese Materialien werden durch die Faserverbundmasse abgestützt. Bei einem optimierten Masseverhältnis von Faserverbundmasse zu Material hoher Dichte kann die hohe spezifische Zugfestigkeit des Faserverbundwerkstoffs auch bei geringeren Drehzahlen und kleinerem Schwungraddurchmesser voll ausgenutzt werden.
Material, das eingelagert werden kann, sind Stoffe, die eine hohe Dichte und Festigkeit besitzen und sich mit dem faserverstärkten Kunststoff vertragen, z.B. Schwerspat oder Bariumtitanat in pulverisierter Form. Weniger geeignet sind "weiche Stoffe", wie Blei oder Zinn (-legierungen), da sie sich unter den Betriebsbedingungen plastisch verformen können und dadurch zu Störungen Anlaß geben können. Bevorzugt werden wegen ihres hohen spezifischen Gewichtes Metalle, insbesondere Eisen und Stahl, auch in hochlegierter Form.
Vorzugsweise wird Stahl in Form von Ringen, Bändern, Drähten oder Fasern eingelagert, da der Stahl preiswert ist und in dieser Form teilweise noch einen erheblichen Beitrag zur Festigkeit des Schwungrades leisten kann und dadurch im Gegensatz zur Einarbeitung von Material in Pulverform eine größere Metallmasse in das Schwungrad eingebracht werden kann.
Prinzipiell bieten sich mehrere Konstruktionsmöglichkeiten für die Schwungmasse an: Ein Metallring, vorzugsweise ein Stahlring wird mit Umfangslagen aus Faserverbundwerkstoff umgeben; die Metallkomponente wird als Band lagenförmig in die Faserverbundwicklung eingearbeitet oder die Metallkomponente wird als Faden (Draht) oder in Faserform lagenförmig oder gleichzeitig mit der Wicklung der Faserkomponente des faserverstärkten Kunststoffs eingebracht. Da die Metallkomponente bzw. die Materialien hoher Dichte beim Betrieb des Schwungrades durch den Faserverbundwerkstoff abgestützt werden, bestehen die äußersten Schichten des Schwungkörpers zweckmäßigerweise aus Faserverbundwerkstoff ohne Einlagerungen.
Als Fasern für den Faserverbundwerkstoff sind alle hochfesten Fasern geeignet; üblicherweise werden Fasern aus Glas, Quarz, Kohlenstoff, Bor oder Polyaramiden eingesetzt.
Als Kleber werden üblicherweise Epoxiharze verwendet, dabei soll das Verhältnis Faser : Harz möglichst hoch sein.
Die Menge der eingelagerten Materialien hoher Dichte ist abhängig von der Zugfestigkeit des Faserverbundmaterials, vom Durchmesser des Schwungrades und von der Drehzahl, mit der das Schwungrad ohne Zerstörung betrieben werden können soll, weiterhin muß ggf. auch die Zugfestigkeit des eingelagerten Materials (z.B. Stahl- oder Wolframdraht) berücksichtigt werden. Anhand der jedem Fachmann geläufigen Formeln und Methoden, die z.B. teilweise auch in den DE-OS'n 21 19 015 und 25 58 422 angeführt sind, läßt sich die unter den vorgegebenen Bedingungen jeweils maximal mögliche Menge an einzulagerndem Material leicht errechnen.
Die Verbindung der Schwungmasse mit der Nabe erfolgt in bekannter Weise durch Verbindungselemente wie Speichen, Scheiben oder walzenförmige Nabenkörper. Diese Verbindungselemente können je nach ihrer Belastung aus Metall, Faserverbundwerkstoff oder aus mit Faserverbundwerkstoff verstärktem Metall bestehen. Die Herstellung und die Konstruktionsprinzipien von Schwungrädern sind bekannt und vielfach beschrieben, beispielsweise in DE-OS'n 25 52 476, 26 22 295, 21 19 015 oder 25 58 422. Für einen Fachmann besteht daher keine Schwierigkeit, sich eine seinen Vorstellungen entsprechende Konstruktion auszusuchen.
Anhand der Zeichnung werden einige Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 einen Teilschnitt eines Schwungrads, Fig. 2 und Fig.3 einen Querschnitt durch zwei Schwungräder.
In Fig. 1 ist die Schwungmasse 3 durch Speichenwicklungen 2 mit der Nabe 1 verbunden. Die Speichenwicklungen laufen dabei als endloses Band um Nabe und Schwungmasse. Die Schwungmasse 3 besteht aus Faserverbundwerkstoff 4, in den Stahlringe 5 eingelagert sind. Fig. 2 zeigt eine Nabe 1, die über die Speichenwicklung 2 mit dem aus Stahlbandeinlagen 5 und Faserverbundwerkstoff 4 bestehenden Schwungmasse verbunden ist. In Fig. 3 ist ein Schwungrad dargestellt, dessen Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff mit eingelagerten Stahldrähten 6 besteht.
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Claims

Patentansprüche 1 Schwungrad zur Energiespeicherung in Kraftfahrzeugen mit einer ringförmigen, durch Verbindungselemente mit einer Nabe verbundenen Schwungmasse aus Faserverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schwungmasse Materialien hoher Dichte eingelagert sind.
2. Schwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, eingelagert ist.
3. Schwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Ringe, Bänder, Drähte oder Fasern aus Stahl eingelagert sind.