DE2441555B2 - Leichtes Steuerschwungrad - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein leichtes Steuerschwungrad gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches leichtes Steuerschwungrad ist insbesondere für die Steuerung von Raumfahrtzeugen vorgesehen, wobei bestimmte Korrekturen mittels Reaktionen des Steuerschwungrads, die durch Einwirkung auf dessen Umlaufgeschwindigkeit hervorgerufen werden, bewirkt werden.

Aus der DE-OS 21 19 015 ist bereits ein leichtes Steuerschwungrad bekannt, bei dem der Radkranz mittels zahlreicher endloser elastischer Seilringe mit der Achse des Steuerschwungrads über eine oder mehrere auf dieser Achse angeordneter Scheiben verbunden ist, an welchem Scheiben besondere Haken oder Aussparungen vorgesehen sind, die der Seilbefestigung dienen. Zum Spannen der Seilringe können die Scheiben gegeneinander verdreht und dann verriegelt werden. Nachteilig bei diesem bekannten leichten Steuerschwungrad ist, daß diese Haken bzw. Aussparungen Massenansammlungen bzw. Massenfehlstellen darstellen, die insbesondere bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten des Steuerschwungrads zu ganz erheblichen Unwuchten und damit zu einem ungleichmäßigen Lauf führen können, so daß sich ein Steuerschwungrad dieser Ausgestaltung nicht zur Steuerung von Luft- bzw. Raumfahrzeugen eignet. Auch bringt dieses bekannte Steuerschwungrad wegen der Aufhängung des Schwungrades an massiven Scheiben gewichtsmäßige Nachteile, so daß es sich nicht für eine Verwendung in der Raumfahrttechnik eignet, bei der besonderes Augenmerk auf die Leichtbauweise gerichtet ist.

Aus der US-PS 34 33 435 ist zwar ebenfalls eine starre Fadenhülbtruktur zwischen zwei konzentrisch zueinander angeordneten Elementen bekannt. Dieses Gebilde aus einem massiven Zylinderkörper und einem leichten äußeren Ring sowie einer zwischen diesen Elementen verspannten Fadenhüllstruktur betrifft jedoch einen Raumflugkörper bzw. ein Flugobjekt, bei dem die Masse im Bereich der Symmetrieachse, nämlich im eigentlichen Flugkörper, konzentriert ist und der äußere Ring lediglich als flugstabilisierendes Leitwerk dient. Eine Vorrichtung dieser Art ist als Steuerschwungrad undenkbar, weil hier nicht die Masse im Radkranz sondern im eigentlichen Flugkörper konzentriert ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein möglichst leichtes Steuerschwungrad zu finden, das trotz seines geringen Gewichts große Energien speichern und abgeben kann und zudem eine große Eigensteifigkeit bzw. -Stabilität aufweist. Außerdem soll es für eine vorgegebene Masse einen möglichst großen Radius aufweisen, wobei die besonderen Eigenschaften der axialen Aufhängung beibehalten werden sollen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Untcransprüchen.

Gemäß einem ersten wesentlichen Merkmal der Erfindung wird ganz auf eine Nabe im Zentrum des Sieuerschwungrads verzichtet, so daß das Steuer

schwungrad nur aus einem Radkranz und einer eigensteifen Fadenhüllstruktur besteht, die vorzugsweise aus einem einzigen Faden gewickelt worden ist und deren Eigensteifigkeit durch Tränken mit einem Harz und anschließendes Aushärten des Harzes erhalten worden ist.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist im Zentrum des Steuerschwungrades eine Leichtbaunabe vorgesehen, wobei der Faden zwischen dieser Nabe und dem Radkranz gespannt ist und der größte Teil der Fadensegmente zwischen der Nabe und dem Radkranz im Bereich der Nabe tangential und über den größeren Bereich der Fadenlänge nahezu radial verläuft. Auch hier wird die Eigensteifigkeit der Fadenhüllstruktur durch Tränken mit einem Harz erzeugt

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Fadenhüllstruktur beiderseits der Nabe, im Normalsdinitt gesehen, zwei Hüllstrukturbereiche auf, die im Bereich der Nabe jeweils einen größeren Abstand voneinander aufweisen, der in Richtung auf den Radkranz abnimmt, so daß die Fadensegmente auf den Radkranz zu geneigt sind. Dadurch können die Spannungen in der Nähe der Nabe besser aufgefangen und mithilfe des Abstands der Hüllstrukturbereiche variable mechanische Eigenschaften eingestellt werden.

Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäß aufgebauten Fadenhüllstruktur besteht darin, dal' durch die tangentiale und nahezu radiale Ausrichtung der Fadensegmente zwischen der Nabe und dem Radkranz variable mechanische Eigenschaften als Funktion Hes Radius des Steuerschwungrads eingestellt werden können und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Kreuzungswinkel der Fadensegmente nicht überall gleich ist.

Außerdem kann die axiale Starrheit der Fadenhüllstruklur dadurch verbessert werden, daß der Abstand der Kegelspitzen der beiden Hüllstrukturflächen entsprechend der zur Verfügung stehenden Höhe der Nabe gewählt wird.

Zum Auffangen besonders hoher Trägheitskräftc und Spannungen sind auch mehrere Fadenhüllstrukturflächen denkbar.

Da beim erfindungsgemäßen Sicuerschwungrad die Fadenhüllstruktur aus wenigstens einem einzigen endlosen Faden gewickelt ist, sind besondere Befestigungselemente für den Faden, wie /.. B. Haken oder Aussparungen, die bei bekannten Schwungradspeichern für die Aufhängung des Radkranzes mittels Scilringen verwendet werden, nicht nötig, so daß bei der Rotation des Steuerschwungrades keinerlei durch solche Elemente verursachte unerwünschte Massenverschiebungen auftreten.

Infolge des geringen Gewichts des Fadens, der aus einem zusammengesetzten Material hoher Festigkeit, wie z. B. Kohlenstoff oder Bor, besteht, ist nahezu die gesamte Masse des Steuerschwungrads im Radkranz konzentriert. Auf diese Weise wird die größtmögliche Trägheit für eine vorgegebene Masse erreicht.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausfiihrungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht von der einen Hälfte des Stcuerschwungrades;

F i g. 2 einen Grundriß des Stcuerschwungrades; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Stcuerschwungrades.

Das in Fig. I bis 3 dargestellte Stcuerschwungrad umfaßt einen Radkranz I, in dem der größere Teil der Trägheitsmasse konzentriert ist, und eine Nabe 2, die koaxial zu der theoretischen Achse des Radkranzes angeordnet ist und auf der die Aufhängungsmittel befestigt werden können, die von mechanischen Flüssrgkeitslagern, elektromagnetischen Lagern usw. gebildet werden können. Zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 und beiderseits des Radkranzes 1 (F i g. 1) ist eine Fläche oder Fadenhüllstruktur angeordnet, die aus einer oder mehreren Fadenschichten 3 zusammengesetzt ist. Diese Fadenhüllstruktur bildet zwei Fadenhülistrukturbereiche 4 und 5, deren Abstand nach der erforderlichen Starrheit und Stabilität des Steuerschwungrades gewählt werden kann. Jeder Fadenhüllstrukturbereich 4 oder 5 weist in der Nähe der Nabe 2 eine größere Dicke als an dem Radkranz 1 auf, um in einem gleichen Sektor eine bestimmte Anzahl Fäden unterzubringen, wobei auf diese Weise die Spannungen in der Nähe der Nabe 2 ausgehalten werden.

Um eine solche Räche oder Fadenhüllstruktur zu realisieren, teilt man eine geeignete Länge von einem einzigen Faden 6 ab, der beispielsweise aus einer zusammengesetzten Fasermasse hoher Festigkeit, wie Kohlenstoff, Bor usw., gebildet ist. Eine Masse 7 zur provisorischen Verbindung bildet das Verbindungsorgan zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 während der Bewicklung. Es sei bemerkt, daß diese Masse 7 zur provisorischen Verbindung aus einem Material besteht, daß durch jedes geeignete Mittel nach Beendigung der Bewicklung entfernt werden kann. Diese Masse kann aus Gips oder einem löslichen Material bestehen. Der einzige Faden 6 umgibt teilweise die Nabe und wird dann so geführt, daß er die Nabe tangential verläßt und in nahezu radialer Richtung auf den Radkranz 1 gelangt. Dann umhüllt er den Radkranz teilweise und wird in nahezu radialer Richtung gegen die Nabe 2 auf einen dem vorhergehenden Berührungspunkt diametral entgegengesetzten Punkt hin zurückgeführt, so daß er die Nabe 2 tangential berührt, bevor er erneut gegen den Radkranz 1 geführt wird. Die Wicklung wird fortgesetzt, bis die gewünschte Fadenhüllstruktur erhalten wird, die dann den Radkranz 1 umhüllt. Dies ermöglicht, die Umfangsspannungen, die in den Fäden in der Nähe des Radkranzes entstehen, nahezu vollständig zu eliminieren und in radiale oder nahezu radiale Richtungen zurückzuführen. Selbstverständlich kann die so durchgeführte Bewicklung verschiedene Formen annehmen, auch mit zweckmäßig gewickelten Gewebebändern. Die zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 befindlichen Fadensegmente können parallel sein, wobei die Kreuzung in Höhe der Nabe 2 erfolgt, oder zwischen der Nabe 2 und dem Radkranz 1 gekreuzt werden. Man kann auch einen Teil des Fadens um einen Teil des Radkranzes wickeln, ohne daß dieser Fadenteil an der Nabe aufgehängt oder festgelegt wird, wenn man einen Teil des Steuerrades verstärken will, beispielsweise durch Vergrößerung oder Verteilung der Trägheitsmasse auf einem Teil des Radkranzes.

In derselben Weise kann ein Teil oder die Gesamtheit der Fadensegmente geneigt verlaufen, anstatt nahezu radial gemäß der erstrebten Wirkung zu verlaufen. In allen Fällen werden die Fadenschichten durch ein Bindemittel, wie ein Harz, versteift.

Schließlich kann man einen Radkranz mit einem Spalt 8 versehen, um sich an die Verlängerungen der gewickelten Fläche oder Fadenhüllstruktur anzupassen, die dann allein die Spannungen aushält. Selbstverständlich kann der Radkranz mitbeansprucht werden, indem ein seeiimeles Material fpwähll wird Es knnnnn :ihpr

auch die Kräfte in den Radkranz vermindert werden, indem durch die Bewicklung eine Vorspannung in dem Radkranz hergestellt wird. Diese Vorspannung wird durch die Spannung der Fäden realisiert, die offensichtlich als Funktion der erstrebten Wirkung variabel ist.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf ein Steuerschwungrad, das eine Nabe und einen Radkranz aufweist. Man kann aber auch leicht einen anderen Steuerschwungradtyp realisieren, der keine Nabe besitzt. Für diesen Zweck genügt es, die Bewicklung wie vorher durchzuführen, jedoch mit Hilfe einer aus Gips oder einem löslichen Material bestehenden Nabe, die entfernt wird, wenn die Fläche oder Hüllstruktur gebildet und beispielsweise mit einem Harz versteift ist.

Der die theoretische Achse des Radkranzes umgebende Raum, der durch die Wegnahme der Nabe frei bleibt, wird ausgenutzt, um die magnetischen Lager oder ein ganz anderes Aufhängungsorgan anzuordnen. Man

ί kann auch die Lager in der Masse der Fadenhüllstruktur während der Bewicklung versenken. Gemäß dieser Ausführungsvariante können die Fadensegmente zwischen der theoretischen Achse des Radkranzes und dem äußeren Kranz des Radkranzes entweder parallel sein,

in wobei sie sich nur in Höhe der theoretischen Achse kreuzen, oder in der gleichen Weise wie in dem Fall des Steuerschwungrades mit einer Nabe und einem Radkranz gekreuzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Leichtes Steuerschwungrad, bestehend aus einem Radkranz, in welchem die Masse des Steuerschwungrads konzentriert ist, und aus einer aus fadenförmigen Elementen gebildeten Hüllstruktur, die die äußere Oberfläche des Radkranzes mindestens teilweise in direktem Kontakt umgibt und die sich von dieser äußeren Oberfläche des Radkranzes aus bis in die Nähe der Symmetriachse des Radkranzes erstreckt, insbesondere für Raumfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenhüllstruktur (4, 5) aus wenigstens einem Faden (ö) gewickelt ist, wobei die Fadensegmente jeweils ein Teilstück der sich von der äußeren Oberfläche des Radkranzes (1) bis nahe an die Symmetrieachse erstreckenden Fadenhüllstruktur bilden und jedes der Fadensegmente von einem Punkt nahe der Symmetrieachse nahezu strahlenförmig zum Radkranz (1) hingeführt ist und die einzelnen Fadensegmente sich nahe der Symmetrieachse im Bereich zwischen dieser Achse und dem Radkranz (1) kreuzen.

2. Leichtes Steuerschwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich um die Symmetrieachse eine Nabe (2) angeordnet ist, wobei der Faden (6) zwischen dieser Nabe (2) und dem Radkranz (1) gespannt ist und der größte Teil der Fadensegmenie zwischen der Nabe (2) und dem Radkranz (1) im Bereich der Nabe (2) tangential und über den größeren Bereich der Fadenlänge nahezu radial verläuft.

3. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenhüllstruktur (4, 5) mehrere Schichten aufweist, die durch mehrfache Wicklung des Fadens (6) um den Radkranz (1) herum hergestellt und durch ein Bindemittel versteift sind.

4. Leichtes Steuerschwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (6) bei der Herstellung der Fadenhüllstruktur so geführt ist, daß er einesteils die Nabe (2) teilweise umgibt, bevor er tangential die Nabe (2) verläßt, und dann nahezu radial in Richtung auf den Radkranz (1) geführt ist, und daß er andernteils um die radial außen liegende Querschnittshälfte des Radkranzes (I) herumläuft, von wo aus er nahezu radial zu der Nabe (2) zurückgeführt und tangential an dieser festgelegt ist.

5. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenhüllstruktur (4, 5) beiderseits der Nabe (2), im Normalschnitt gesehen, zwei Hüllstrukturbereiche (4 bzw. 5) bildet, die jeweils eine größere Dicke nahe der Nabe (2) und eine abnehmende Dicke in Richtung des Radkranzes (1) aufweisen, so daß die Fadensegmente auf den Radkranz (I) zu geneigt sind.

6. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (6) der Fadenhüllstruktur (4, 5) von einer zusammengesetzten Fasermasse hoher Festigkeit, wie Kohlenstoff oder Bor, gebildet sind.

7. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkranz (1) mit einem Spalt (8) versehen ist, der in Unifangsrichtung von innen nach außen verläuft.

8. Leichtes Steuerschwungrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkranz (1) im Ruhestand einer Vorspannung unterworfen ist, die durch die Fäden (6) hergestellt ist und die bei einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit des Steuerschwungrades aufgehoben ist.