螺旋形编织复合材料飞轮轮缘制造技术

一种用于贮存能量的增强的纤维复合材料飞轮具有由连续的环箍和径向纤维（４）构成的一个绕组形式的多个轮盘（３）。每一个轮盘（３）具有沿着环箍方向的纤维型混合物，强度较高的纤维放置在轮盘（３）的内侧部分（１１）附近；另外还具有一个由强度较高的纤维和强度较低的纤维构成的中间部分（１２）；和一个具有含有很少的强度较高的纤维的纤维混合物的外侧部分。另一方面或另外，该增强的纤维复合材料飞轮在该轮盘的中间部分附近放置着大量的径向纤维（４），以增加受到很大的径向应力作用的该轮盘的一个带状区域的径向强度。最好，该轮盘（３）由三维正交的织纹结构组成，这样可使在编织过程中，该纤维能够剪切，以最大限度地减小该螺旋编织轮盘的扭曲。制造一个根据本发明专利技术的螺旋编织的复合材料飞轮轮盘（３）可以优化应力和强度性质，以便以最低成本增加运转速度和贮存能量的能力。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于贮存能量的飞轮，更具体地说，涉及一种利用一个螺旋编织轮盘绕组的纤维复合材料飞轮，该轮盘在环箍方向上具有一个纤维混合物和/或在一个中间轮盘部分上具有径向纤维的纤维量增加，以便使其应力和强度性质优化。
技术介绍
增强的纤维复合材料飞轮已经作为车辆的能量贮存系统和公用事业设备的一种辅助能源使用。然而，要得到一种实际价格合理的纤维复合材料飞轮很困难。例如，如美国专利4102221号和4266442号所述那样，增强的纤维复合材料飞轮可以利用长丝缠绕法和手捻多股预浸渍的纱线的方法制造。这种复合材料飞轮在飞轮的环箍方向的刚度和强度较高，并且与金属飞轮比，重量轻。然而，这种纤维的各向异性性质是非常显著的，因为其横向的刚度和强度比其纵向的刚度和强度一般低很多。因此，一般来说，增强的纤维复合材料飞轮由主要地是在圆周方向或环箍方向缠绕的纤维制成的，这样可减小在高速下半径的增大。该增大特性是特别重要的，因为通常是将由一种材料制成的一个飞轮轮缘粘接在由另一种材料制成的一个轮毂上的。当速度增大时，该轮缘和轮毂之间的增大程度不同可能造成二者分离。另一个重要的特性是径向力，它可以限制该飞轮的旋转速度，因而也可限制该飞轮的能量贮存能力。因为这些纤维可以沿着该纤维的轴线在圆周方向分离，因此，复合材料较弱的横向(径向)强度使得这成了飞轮设计中的一个关键参数。为了解决这个问题，例如在美国专利5285699号所述那样，曾试图给纤维预先加载，使其具有一种径向压缩的初始状态。但是，对于能达到的预先加载的量有限制。在美国专利5452625号中，将环形的垫片与环形的增强的纤维复合材料轮盘交织和粘接在一起，该环形垫片的径向强度比复合材料截面的径向强度高得多，以增加组件的总的径向强度。但是，刚度性质、热膨胀和高速下的径向增大特性的不同会成为这些轮盘之间彼此剥离的一种潜在危险。曾经考虑过一种螺旋形的、增强的纤维编织飞轮轮缘，然而，现有技术的努力没有取得预期的结果。专利技术梗概本专利技术的一个目的是要提供一种具有基本上平衡的环箍强度和径向强度的增强的纤维复合材料飞轮轮缘。本专利技术的另一个目的是要提供在该飞轮半径方向上具有变化的径向纤维量的一种增强的纤维复合材料飞轮轮缘，以便控制该轮缘的增大与轮毂的增大特性相适应。本专利技术还有一个目的是要提供一种成本较低廉的增强的纤维复合材料飞轮。本专利技术的再一个目的是要提供一种生产具有可控制的增大特性和增大的径向强度的增强的纤维复合材料飞轮轮缘的方法。本专利技术的这些和其他一些目的是通过一个增强的纤维复合材料飞轮实现的。该飞轮具有许多由编织纤维的一个连续螺旋构成的一个绕组形式的轮盘，每一个轮盘具有沿环箍方向定向的第一批多根纤维和在半径方向定向的第二批多根纤维。该环箍方向的纤维从该轮盘的一个内半径延伸至该轮盘的一个外半径。位于该轮盘的一个内半径部分上的该第一批多根纤维中的第一部分由强度较高的纤维构成；而位于该轮盘的一个外半径部分附近的该第一批多根纤维中的第二部分由强度较低的纤维和强度较高的纤维的混合物构成。强度较高的纤维和强度较低的纤维的综合是在该轮盘的半径方向上从这头到那头变化的，以便控制该飞轮轮缘的不同的增大和总的飞轮材料成本。本专利技术还包括一个纤维复合材料的飞轮轮缘，它具有许多由编织纤维的一个连续螺旋构成的一个绕组形式的轮盘。每一个轮盘具有在环箍方向上定向的第一批多根纤维；和在半径方向上通过该第一批多根纤维编织的第二批多根纤维。每一个轮盘在该轮盘半径中间部分具有相对大的量的径向纤维，以便增大径向强度。在本专利技术的另一个实施例中，该螺旋形的编织纤维具有三维的正交织纹结构，以便在形成该飞轮轮缘的预型件过程中增加挠性，最大限度地减小在平面内的扭曲以及增大在环箍方向和半径方向的强度。本专利技术的又一个实施例，在该轮盘半径的内部部分上使用较大量的不易弯曲的纤维，以增加靠近与刚度较大的轮毂配合的该轮缘部分的刚度，使该轮缘与轮毂分离的潜在危险减至最小。本专利技术的再一个实施例，在该轮盘半径最内面的部分处，使用少量的对疲劳敏感的牺牲纤维(Sacrificial fiber)，用以提供对起始故障的检测以及顺序地和安全地断开系统。附图的简要说明附图说明图1为根据本专利技术生产的一种螺旋形编织飞轮轮缘的预型件的分解视图；图2为该绕组的一个轮盘的分解截面图，它表示该环箍和径向纤维的结构；图3为一个上/下纤维织纹的侧视图；图4为一种三维正交织纹结构的侧视图；图5为一个表示一种典型的增强的纤维复合材料轮缘的径向应力与半径关系的图；图6a,6b和6c为根据本专利技术的另一种织纹结构，它在该轮盘中间半径部分处具有增大的径向纤维量；图7为根据本专利技术制造的一个飞轮，它在内半径部分处的环箍方向的纤维量较大，在一个中间半径部分处，半径方向的纤维量较大，在环箍方向上，该中间半径部分为强度较高和强度较低的纤维的综合；图8表示本专利技术的另一个实施例，它使用一根牺牲纤维来监测该复合材料飞轮轮缘的使用寿命。专利技术的详细说明参见图1，一个轮盘绕组1由螺旋形的编织纤维2构成。每一个轮盘3具有环箍或经纱纤维4，它们相对于轴线5在圆周方向排列。该织纹还具有一根或多根，它们相对于该轴线5在半径方向延伸。纤维是连续的，这表示从第一个轮盘8的开始端7至最后一个轮盘10的末端9，该径向或环箍纤维没有断头。尽管对于本专利技术将要描述一个绕组，但应当理解，该飞轮轮缘也可以由多个组装成套的这种绕组以叠层形式构成和模制成。为了进行讨论，预先假设，该纤维是编织成一个绕组形式的干燥纤维。然后，将该纤维放入一个模型中，通过一个树脂转移模制(RTM)过程喷射树脂。当然，可以使用预浸渍纤维和其他处理方法来生产本专利技术的飞轮轮缘，因此本专利技术不仅仅限于上述的树脂转移模制过程。图2表示一个轮盘的横截面。这个轮盘是纤维混合物的形式。靠近内半径ri处放置强度较高的环箍纤维，而强度较高和强度较低的纤维的混合物则分布至外半径ro处。一般，至少在大约轮盘内半径的三分之一处，需要强度高和不易弯曲的纤维，来承受最大的转动体应力并限制轮缘的增大，以便与一般为较坚硬的轮毂的增大相匹配。强度较高的纤维为由石墨、碳或芳族聚酰胺组成的纤维，其抗拉强度约为525 KSI或更高。较坚硬的纤维为拉伸模量为33 MSI或更高的纤维，并且应当认识到，不是所有的强度高的纤维都是坚硬的、不易弯曲的纤维。强度较低的纤维为抗拉强度低于大约500 KSI，最好是玻璃纤维。因此，希望在该轮盘的内部附近，设置强度高和不易弯曲的纤维；在其另一部分设置强度高的纤维；或者在该轮盘的上述另一部分设置强度高和强度较低的纤维的混合物，和/或在该轮盘的末端部分处设置强度较低的纤维。在本专利技术的一个优选实施例中，每一个轮盘具有一个只由强度较高的纤维组成的内半径部分11；在中间半径部分12处，则为强度高和强度较低的纤维的混合物；而在外半径处，则有一个外侧部分13，那里是较少的强度较高的纤维和更多的强度较低的纤维的混合物。通过将不同形式的纤维分布在从该轮缘的内半径至外半径的地方，可以根据总的环箍纤维量，在该轮缘中采用按体积计大约5％～85％的强度较低的纤维。这种纤维的混合物可以使该轮缘在高速下保持工作强度，但制造成本又较低。通过在该起始半径区ri之后开始，采用10％～100％(按体积计)的强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强的纤维复合材料飞轮轮缘，它包括许多个由连续的螺旋编织纤维构成的一个绕组形式的螺旋编织轮盘，每一个螺旋编织纤维轮盘都具有在环箍方向延伸的第一批多根纤维，和在半径方向延伸的第二批多根纤维；该第一批多根纤维的第一部分由强度较高的纤维构成，位于该轮盘的内半径部分附近；而在该轮盘的中间半径部分具有该第一批多根纤维的第二部分，该纤维的第二个部分由强度较高的纤维和强度较低的纤维的混合物构成；包括该第一批多根纤维的第三部分的该轮盘的外半径部分，由含有很少的强度较高的纤维和更多的强度较低的纤维的混合物构成；强度较高的纤维和强度较低的纤维结合起来，在该轮盘半径的方向上从这头到那头分布。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴维马斯，道格拉斯M胡恩，
申请(专利权)人：GKN西部宇航公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]