专利名称：螺旋形编织复合材料飞轮轮缘的利记博彩app
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。
发明梗概本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
在本发明的另一个实施例中，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。
本发明的又一个实施例，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。
本发明的再一个实施例，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
图1为根据本发明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为根据本发明的另一种织纹结构，它在该轮盘中间半径部分处具有增大的径向纤维量；图7为根据本发明制造的一个飞轮，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表示本发明的另一个实施例，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。
发明的详细说明参见图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。
尽管对于本发明将要描述一个绕组，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发明的飞轮轮缘，因此本发明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。
在本发明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)的强度较低的纤维，可以改变在每一部分中的纤维混合比例。最好，强度较低的纤维分布随着半径增大而增加。总的环箍纤维量中，强度较低的纤维占大约10％～70％较好，最好是占大约20％～50％。
再参见图2，开始三根纤维14A,14B和14C由强度高和不易弯曲的石墨纤维组成；纤维14D,14E和14F由强度高的石墨纤维和玻璃的混合物组成；纤维14G,14H,14I和14J由玻璃组成。虽然，说明是针对纤维进行的，但应当理解，这些纤维一般是称为“纤维束”的单根长纤维细股线或单根长纤维束，每个纤维束包含1K至50K的长纤维。这里，只是为了容易说明起见，讨论单一纤维的情况。
使用玻璃代替某些石墨纤维，可以大大降低材料费用，但不会对强度有任何损害。另外，该轮缘半径从这头到那头方向的增长可以控制，以便当与该飞轮轮缘配合时，能够形成一个与轮毂接触的相对稳定的界面。
参见图3，图中表示了本发明所使用的一种织纹结构15的横截面。该织纹具有上/下结构，这表示第一根纤维16在许多交叉纤维17的上面通过，然后在它们下面通过。这种织纹可适用于环箍纤维和径向纤维。虽然，这种织纹较紧密，但是，该纤维成波浪形，容易使纤维断裂，因此，有降低复合材料强度的潜在危险。另外，相互联锁的纤维还限制该纤维在平面内的剪切能力，而这种剪切能力是最大限度减小该螺旋形编织轮盘的扭曲所必需的。
参见图4，图4表示了另一种织纹结构18的横截面。这是一种三维正交的织纹结构。这种织纹中，避免了该交叉纤维在上/下的相互联锁。第一组纤维19完全在一根交叉纤维20的上面或完全在其下面彼此隔开一定距离交错排列，而该交叉纤维20则保持平直，避免起伏。使用一根不用作该织纹结构的第三长纤维21将这些纤维保持在一起。在形成该织纹的过程中，该长纤维21不会限制上述那些纤维的剪切能力，因此可以避免在预制该组件过程中纤维在平面内扭曲。一般，该第三根长纤维为较低登尼尔的玻璃纤维或一根热塑性的单一长纤维。在本发明的一个优选形式中，该径向和环箍纤维结合成一个三维正交的编织绕组，以生产出根据本发明的飞轮轮缘。
如上所述，在增强的纤维复合材料飞轮设计中的一个重要特性是必需使径向强度最大。参见图5，图中表示从一个复合材料飞轮的内半径ri至其外半径ro的径向应力大小的典型分布，rM为最大径向应力点。如图所示，在rM周围，从rx至ry的区域是希望得到另外增强的区域。
在如图2所示的一种螺旋形织纹中，径向方向的纤维重复地从该飞轮轮缘的内半径延伸至其外半径。根据本发明，制成了另一种螺旋形的编织轮盘。该轮盘在径向应力最大的该轮缘的中间部分上设有较大量的径向纤维。虽然，综合使用上述各种技术可以得到明显的好处，但上述这点是可以独立于使用现有技术描述的纤维混合物来实现。
参见图6a，一根径向纤维或纬纱纤维22开始从ri出发，行进至ro，然后该纤维只返回至大约rx点处，形成一个弯曲向外达到ry，再又返回至rx，又向外到达ro，再回到ri。该图样在轮盘的整个绕组上不断重复。按照这种方式，纤维弯曲的数目使从rx至ry之一部分的径向纤维量在比例上增加，以至达到原来的径向纤维量的2～6倍，从而增加在该轮盘的一个中间部分的径向强度(对应于rx和ry之间的区域)。
这种结构的另一个优点是，在从ri至大约rx的区域附近有较少的径向纤维弯曲，这就可以增加靠近内半径数量的环箍纤维的数目，从而增加轮毂附近的该轮缘部分的强度，在该部分环箍应力最大。
参见图6b，图中表示了织纹结构的另一个实施例。该结构中的纤维弯曲数增加了，使得与该轮盘的内面部分和外面部分比较，其中间部分的径向纤维量达到它们的四倍。
图6c表示织纹结构的又一个实施例。该结构的中间部分的径向纤维量为其内面部分和外面部分径向纤维量的二倍。
径向纤维最好由强度高的材料制成，因为径向强度是工作速度和能量贮存能力的限制因素。因此，该径向纤维最好由石墨、碳或芳族聚酰胺构成。当然，也可以使用其他一些强度较高的纤维。
参见图7，图中表示了综合利用上述的各种改进的本发明的一个优选实施例。一个飞轮轮缘23在界面处与一个轮毂24连接。该轮缘在其内半径部分具有大量的由石墨构成的强度高的纤维25A,25B和25C。环箍纤维25D,25E和25F为强度高的纤维(石墨)和由玻璃构成的强度较低的纤维的混合物。环箍纤维25G和25H为含有很少的强度高的纤维和更多的强度较低的纤维的一种纤维混合物。在一种织纹图案中，一根强度较高的径向纤维(石墨)26在纤维25E,25F和25G附近绕成圈，使径向纤维的量较大，以便使该飞轮轮缘的中间部分附近的径向强度最大。
最好，在如上所述编织好纤维之后，将作成线圈状的轮盘放入一个模型中，并用适合于制造飞轮的可固化的树脂喷射。这些树脂可以为商业上可获得的树脂中的任何一种，例如，环氧树脂，乙烯基树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯树脂、双马来酰亚胺树脂和它们的综合。如图7所示，这些纤维都包含在一种固化的环氧树脂27中，如图中的阴影线所示。
在如图8所示的本发明的另一个实施例中，飞轮轮缘28包括一根牺牲纤维(sacrificial yarn)29，它放置在该飞轮轮缘和一个轮毂31之间的界面30附近。该牺牲纤维在环箍方向延伸，其密度大致为该飞轮轮缘的宽度。该牺牲纤维由抗拉强度和疲劳强度足以承受至少正常运转力直到大约预期的最大工作状态的作用力的110％的材料制成。这与在该飞轮轮缘的环箍方向所使用的纤维不同，该纤维的强度足以承受可达工作状态的大约150％的作用力，因此，安全系数较大，可避免轮缘损坏。
在靠近该轮缘的突出的外径处放置着一个传感器32，它经过标定以适应高速下的径向增大。最好，这个传感器为非接触式的接近传感器，例如，超声波，磁性，电容或激光传感器。在该界面上的该牺牲纤维提供了检测该复合材料状态的一种装置，因为在该界面上的该纱线的断裂会造成在高速下该轮缘直径呈递增式增加。这可由监测飞轮直径的传感器32检测，该传感器与一个监测装置33连接。当检测出由于该牺牲纤维断开，轮缘增大时，可以安全地切断该飞轮系统，并将轮缘卸下。
例如，如图8所示，该传感器可检测如虚线X所示正常工作的增大，如果一旦标定在该数值，则可认为那是一个正常的工作状态。假如该牺牲纤维在界面处断开，则如虚线Y所示，轮缘的增大会增加至临界值。该传感器感知出这个差异，并将它传送至监测器。监测器可发出声音或视觉警报，以便采取措施，防止飞轮严重损坏。
该牺牲纤维可以由玻璃、碳、石墨或任何其他材料制成，只要该材料满足必要的工作条件，即保证该纱线在该轮盘的环箍纤维损坏之前损坏。
虽然已对本发明的优选实施例进行了说明，然而，本领域的技术熟练人员应当理解，可以进行各种各样的改变或改进，而不会偏离本发明的范围。
权利要求
1．一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。
2．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，它还包括位于该轮盘半径的中间部分的较大量的径向纤维，以增加径向强度。
3．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为该螺旋编织纤具有三维正交织纹结构。
4．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，该轮盘的内半径部分具有较大量的强度较高的和不易弯曲的环箍纤维。
5．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，强度较高的纤维选自于由石墨、碳和芳族聚酰胺组成的群组。
6．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，该强度较低的纤维由玻璃构成。
7．如权利要求2所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，该中间部分所包含的径向纤维量为该内侧部分所含的径向纤维量的2～6倍。
8．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，占总的环箍纤维量大约10％～70％的环箍纤维为强度较低的纤维。
9．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，其特征为，大约20％～50％的环箍纤维为强度较低的纤维。
10．如权利要求1所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，它还包括一根牺牲纤维，其抗拉强度和疲劳强度足以承受从正常的工作力直到大约110％正常工作力；该牺牲纤维放置在该轮缘和一个轮毂之间的界面上，该牺牲纤维的断裂会造成高速下轮缘直径呈递增式增加；另外，该轮缘还包括一个检测装置，它用于检测轮缘直径呈递增式的增加。
11．一种增强的纤维复合材料的飞轮轮缘，它包括由连续的螺旋编织纤维构成的一个绕组形式的许多螺旋编织轮盘，每一个螺旋编织轮盘具有在环箍方向延伸的一根第一纤维和在径向方向延伸的一根第二纤维；与在内半径部分的径向纤维量比较，位于该轮盘半径中间区域中的较大量的径向纤维基本上托住径向应力大的位置。
12．如权利要求11所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，该中间部分的径向纤维量为在该内半径部分的径向纤维量的大约2～6倍。
13．如权利要求11所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，大量的径向纤维是由在该中间区域集中的多个纤维圈而得到的。
14．如权利要求11所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，它还包括在该内半径部分中较大量的强度较高和不易弯曲的环箍纤维。
15．如权利要求11所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，该螺旋编织纤维具有三维正交织纹结构。
16．如权利要求11所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，该径向纤维选自由石墨、碳和芳族聚酰胺组成的群组。
17．一种增强的纤维复合材料飞轮轮缘，它具有许多环箍纤维和许多径向纤维，其改进包括在该轮缘和一个轮毂之间的界面上，沿着环箍方向放置了一根牺牲纤维，该牺牲纤维的抗拉强度和疲劳强度足以承受正常的工作力直到大约110％的工作力；和一个用于检测高速下轮缘直径呈递增式增加的装置，以便在该环箍纤维断裂之前，可测出该牺牲纤维因轮缘直径的递增式增加造成的断裂。
18．如权利要求17所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，该牺牲纤维选自由石墨、碳、芳族聚酰胺和玻璃组成的群组。
19．如权利要求17所述的增强的纤维复合材料飞轮轮缘，其特征为，它还包括放置在靠近该轮缘外半径处的一个传感器装置，和用于监测该轮缘直径状况的一个监测器装置。
20．一种生产增强的纤维复合材料飞轮轮缘的方法，它包括提供多根环箍纤维；提供一根或多根径向纤维；编织该环箍纤维和径向纤维，形成一个绕组形式的多个螺旋编织轮盘，每一个轮盘具有一个内半径部分，一个外半径部分和一个中间半径部分；将由强度较高的纤维构成的该多根环箍纤维的第一部分编入在该内半径部分中；将由强度较高的纤维和强度较低的纤维的混合物构成的该多根环箍纤维中的第二部分编入在该中间半径部分中；和将由很少到没有的强度较高的纤维、余下为强度较低的纤维构成的该多根环箍纤维中的第三部分编在该外半径部分中，以便使该强度较低的纤维在该轮盘半径的方向上从这头到那头分布。
21．一种生产增强的纤维复合材料飞轮轮缘的方法，它包括提供多根环箍纤维；提供一根或多根径向纤维；编织该环箍和径向纤维，形成一个绕组形式的多个螺旋编织轮盘；和将较大量的径向纤维编入在该轮盘半径的中间区域中，托住径向应力大的位置。
22．如权利要求21所述的方法，其特征为，通过在一个与被托住的径向应力大的位置相应的狭窄地带内将径向纤维在该环箍纤维附近绕成圈，而把大量的径向纤维编入在该轮盘中。
23．如权利要求21所述的方法，其特征为，它还包括将该一个绕组形式的多个螺旋编织轮盘放入一个模型中，将树脂喷至模型中，并使树脂固化。
24．一种检测在增强的纤维复合材料飞轮轮缘中纤维损坏的方法，它包括提供一根牺牲纤维，其抗拉强度和疲劳强度足以承受正常作用力直至大约110％正常作用力；沿着环箍方向，将该牺牲纤维放置在该轮缘和一个轮毂之间的界面上，将该牺牲纤维与固化的基体树脂中的邻近环箍纤维结合起来；将检测装置靠近该轮缘外半径放置，以监测高速下该轮缘直径的增大情况；和监测该飞轮轮缘的工作，使得该牺牲纤维的断裂造成轮缘直径的递增式增加，而这种增加可用检测装置检测出来。
全文摘要
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。
文档编号F16F15/305GK1228147SQ97195524
公开日1999年9月8日 申请日期1997年6月12日 优先权日1996年6月12日
发明者戴维·马斯, 道格拉斯·M·胡恩 申请人:Gkn西部宇航公司