專利名稱：螺旋形編織復(fù)合材料飛輪輪緣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于貯存能量的飛輪，更具體地說，涉及一種利用一個螺旋編織輪盤繞組的纖維復(fù)合材料飛輪，該輪盤在環(huán)箍方向上具有一個纖維混合物和/或在一個中間輪盤部分上具有徑向纖維的纖維量增加，以便使其應(yīng)力和強度性質(zhì)優(yōu)化。
背景技術(shù)：
增強的纖維復(fù)合材料飛輪已經(jīng)作為車輛的能量貯存系統(tǒng)和公用事業(yè)設(shè)備的一種輔助能源使用。然而，要得到一種實際價格合理的纖維復(fù)合材料飛輪很困難。
例如，如美國專利4102221號和4266442號所述那樣，增強的纖維復(fù)合材料飛輪可以利用長絲纏繞法和手捻多股預(yù)浸漬的紗線的方法制造。
這種復(fù)合材料飛輪在飛輪的環(huán)箍方向的剛度和強度較高，并且與金屬飛輪比，重量輕。然而，這種纖維的各向異性性質(zhì)是非常顯著的，因為其橫向的剛度和強度比其縱向的剛度和強度一般低很多。因此，一般來說，增強的纖維復(fù)合材料飛輪由主要地是在圓周方向或環(huán)箍方向纏繞的纖維制成的，這樣可減小在高速下半徑的增大。
該增大特性是特別重要的，因為通常是將由一種材料制成的一個飛輪輪緣粘接在由另一種材料制成的一個輪轂上的。當(dāng)速度增大時，該輪緣和輪轂之間的增大程度不同可能造成二者分離。
另一個重要的特性是徑向力，它可以限制該飛輪的旋轉(zhuǎn)速度，因而也可限制該飛輪的能量貯存能力。因為這些纖維可以沿著該纖維的軸線在圓周方向分離，因此，復(fù)合材料較弱的橫向(徑向)強度使得這成了飛輪設(shè)計中的一個關(guān)鍵參數(shù)。
為了解決這個問題，例如在美國專利5285699號所述那樣，曾試圖給纖維預(yù)先加載，使其具有一種徑向壓縮的初始狀態(tài)。但是，對于能達到的預(yù)先加載的量有限制。
在美國專利5452625號中，將環(huán)形的墊片與環(huán)形的增強的纖維復(fù)合材料輪盤交織和粘接在一起，該環(huán)形墊片的徑向強度比復(fù)合材料截面的徑向強度高得多，以增加組件的總的徑向強度。但是，剛度性質(zhì)、熱膨脹和高速下的徑向增大特性的不同會成為這些輪盤之間彼此剝離的一種潛在危險。
曾經(jīng)考慮過一種螺旋形的、增強的纖維編織飛輪輪緣，然而，現(xiàn)有技術(shù)的努力沒有取得預(yù)期的結(jié)果。
發(fā)明梗概本發(fā)明的一個目的是要提供一種具有基本上平衡的環(huán)箍強度和徑向強度的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣。
本發(fā)明的另一個目的是要提供在該飛輪半徑方向上具有變化的徑向纖維量的一種增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，以便控制該輪緣的增大與輪轂的增大特性相適應(yīng)。
本發(fā)明還有一個目的是要提供一種成本較低廉的增強的纖維復(fù)合材料飛輪。
本發(fā)明的再一個目的是要提供一種生產(chǎn)具有可控制的增大特性和增大的徑向強度的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣的方法。
本發(fā)明的這些和其他一些目的是通過一個增強的纖維復(fù)合材料飛輪實現(xiàn)的。該飛輪具有許多由編織纖維的一個連續(xù)螺旋構(gòu)成的一個繞組形式的輪盤，每一個輪盤具有沿環(huán)箍方向定向的第一批多根纖維和在半徑方向定向的第二批多根纖維。該環(huán)箍方向的纖維從該輪盤的一個內(nèi)半徑延伸至該輪盤的一個外半徑。位于該輪盤的一個內(nèi)半徑部分上的該第一批多根纖維中的第一部分由強度較高的纖維構(gòu)成；而位于該輪盤的一個外半徑部分附近的該第一批多根纖維中的第二部分由強度較低的纖維和強度較高的纖維的混合物構(gòu)成。強度較高的纖維和強度較低的纖維的綜合是在該輪盤的半徑方向上從這頭到那頭變化的，以便控制該飛輪輪緣的不同的增大和總的飛輪材料成本。
本發(fā)明還包括一個纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，它具有許多由編織纖維的一個連續(xù)螺旋構(gòu)成的一個繞組形式的輪盤。每一個輪盤具有在環(huán)箍方向上定向的第一批多根纖維；和在半徑方向上通過該第一批多根纖維編織的第二批多根纖維。每一個輪盤在該輪盤半徑中間部分具有相對大的量的徑向纖維，以便增大徑向強度。
在本發(fā)明的另一個實施例中，該螺旋形的編織纖維具有三維的正交織紋結(jié)構(gòu)，以便在形成該飛輪輪緣的預(yù)型件過程中增加撓性，最大限度地減小在平面內(nèi)的扭曲以及增大在環(huán)箍方向和半徑方向的強度。
本發(fā)明的又一個實施例，在該輪盤半徑的內(nèi)部部分上使用較大量的不易彎曲的纖維，以增加靠近與剛度較大的輪轂配合的該輪緣部分的剛度，使該輪緣與輪轂分離的潛在危險減至最小。
本發(fā)明的再一個實施例，在該輪盤半徑最內(nèi)面的部分處，使用少量的對疲勞敏感的犧牲纖維(Sacrificial fiber)，用以提供對起始故障的檢測以及順序地和安全地斷開系統(tǒng)。
附圖的簡要說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的一種螺旋形編織飛輪輪緣的預(yù)型件的分解視圖；圖2為該繞組的一個輪盤的分解截面圖，它表示該環(huán)箍和徑向纖維的結(jié)構(gòu)；圖3為一個上/下纖維織紋的側(cè)視圖；圖4為一種三維正交織紋結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖5為一個表示一種典型的增強的纖維復(fù)合材料輪緣的徑向應(yīng)力與半徑關(guān)系的圖；圖6a,6b和6c為根據(jù)本發(fā)明的另一種織紋結(jié)構(gòu)，它在該輪盤中間半徑部分處具有增大的徑向纖維量；圖7為根據(jù)本發(fā)明制造的一個飛輪，它在內(nèi)半徑部分處的環(huán)箍方向的纖維量較大，在一個中間半徑部分處，半徑方向的纖維量較大，在環(huán)箍方向上，該中間半徑部分為強度較高和強度較低的纖維的綜合；圖8表示本發(fā)明的另一個實施例，它使用一根犧牲纖維來監(jiān)測該復(fù)合材料飛輪輪緣的使用壽命。
發(fā)明的詳細說明參見圖1，一個輪盤繞組1由螺旋形的編織纖維2構(gòu)成。每一個輪盤3具有環(huán)箍或經(jīng)紗纖維4，它們相對于軸線5在圓周方向排列。該織紋還具有一根或多根，它們相對于該軸線5在半徑方向延伸。纖維是連續(xù)的，這表示從第一個輪盤8的開始端7至最后一個輪盤10的末端9，該徑向或環(huán)箍纖維沒有斷頭。
盡管對于本發(fā)明將要描述一個繞組，但應(yīng)當(dāng)理解，該飛輪輪緣也可以由多個組裝成套的這種繞組以疊層形式構(gòu)成和模制成。為了進行討論，預(yù)先假設(shè)，該纖維是編織成一個繞組形式的干燥纖維。然后，將該纖維放入一個模型中，通過一個樹脂轉(zhuǎn)移模制(RTM)過程噴射樹脂。當(dāng)然，可以使用預(yù)浸漬纖維和其他處理方法來生產(chǎn)本發(fā)明的飛輪輪緣，因此本發(fā)明不僅僅限于上述的樹脂轉(zhuǎn)移模制過程。
圖2表示一個輪盤的橫截面。這個輪盤是纖維混合物的形式?？拷鼉?nèi)半徑ri處放置強度較高的環(huán)箍纖維，而強度較高和強度較低的纖維的混合物則分布至外半徑ro處。一般，至少在大約輪盤內(nèi)半徑的三分之一處，需要強度高和不易彎曲的纖維，來承受最大的轉(zhuǎn)動體應(yīng)力并限制輪緣的增大，以便與一般為較堅硬的輪轂的增大相匹配。
強度較高的纖維為由石墨、碳或芳族聚酰胺組成的纖維，其抗拉強度約為525 KSI或更高。較堅硬的纖維為拉伸模量為33 MSI或更高的纖維，并且應(yīng)當(dāng)認識到，不是所有的強度高的纖維都是堅硬的、不易彎曲的纖維。
強度較低的纖維為抗拉強度低于大約500 KSI，最好是玻璃纖維。因此，希望在該輪盤的內(nèi)部附近，設(shè)置強度高和不易彎曲的纖維；在其另一部分設(shè)置強度高的纖維；或者在該輪盤的上述另一部分設(shè)置強度高和強度較低的纖維的混合物，和/或在該輪盤的末端部分處設(shè)置強度較低的纖維。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，每一個輪盤具有一個只由強度較高的纖維組成的內(nèi)半徑部分11；在中間半徑部分12處，則為強度高和強度較低的纖維的混合物；而在外半徑處，則有一個外側(cè)部分13，那里是較少的強度較高的纖維和更多的強度較低的纖維的混合物。
通過將不同形式的纖維分布在從該輪緣的內(nèi)半徑至外半徑的地方，可以根據(jù)總的環(huán)箍纖維量，在該輪緣中采用按體積計大約5％～85％的強度較低的纖維。這種纖維的混合物可以使該輪緣在高速下保持工作強度，但制造成本又較低。通過在該起始半徑區(qū)ri之后開始，采用10％～100％(按體積計)的強度較低的纖維，可以改變在每一部分中的纖維混合比例。最好，強度較低的纖維分布隨著半徑增大而增加?？偟沫h(huán)箍纖維量中，強度較低的纖維占大約10％～70％較好，最好是占大約20％～50％。
再參見圖2，開始三根纖維14A,14B和14C由強度高和不易彎曲的石墨纖維組成；纖維14D,14E和14F由強度高的石墨纖維和玻璃的混合物組成；纖維14G,14H,14I和14J由玻璃組成。雖然，說明是針對纖維進行的，但應(yīng)當(dāng)理解，這些纖維一般是稱為“纖維束”的單根長纖維細股線或單根長纖維束，每個纖維束包含1K至50K的長纖維。這里，只是為了容易說明起見，討論單一纖維的情況。
使用玻璃代替某些石墨纖維，可以大大降低材料費用，但不會對強度有任何損害。另外，該輪緣半徑從這頭到那頭方向的增長可以控制，以便當(dāng)與該飛輪輪緣配合時，能夠形成一個與輪轂接觸的相對穩(wěn)定的界面。
參見圖3，圖中表示了本發(fā)明所使用的一種織紋結(jié)構(gòu)15的橫截面。該織紋具有上/下結(jié)構(gòu)，這表示第一根纖維16在許多交叉纖維17的上面通過，然后在它們下面通過。這種織紋可適用于環(huán)箍纖維和徑向纖維。雖然，這種織紋較緊密，但是，該纖維成波浪形，容易使纖維斷裂，因此，有降低復(fù)合材料強度的潛在危險。另外，相互聯(lián)鎖的纖維還限制該纖維在平面內(nèi)的剪切能力，而這種剪切能力是最大限度減小該螺旋形編織輪盤的扭曲所必需的。
參見圖4，圖4表示了另一種織紋結(jié)構(gòu)18的橫截面。這是一種三維正交的織紋結(jié)構(gòu)。這種織紋中，避免了該交叉纖維在上/下的相互聯(lián)鎖。第一組纖維19完全在一根交叉纖維20的上面或完全在其下面彼此隔開一定距離交錯排列，而該交叉纖維20則保持平直，避免起伏。使用一根不用作該織紋結(jié)構(gòu)的第三長纖維21將這些纖維保持在一起。在形成該織紋的過程中，該長纖維21不會限制上述那些纖維的剪切能力，因此可以避免在預(yù)制該組件過程中纖維在平面內(nèi)扭曲。一般，該第三根長纖維為較低登尼爾的玻璃纖維或一根熱塑性的單一長纖維。在本發(fā)明的一個優(yōu)選形式中，該徑向和環(huán)箍纖維結(jié)合成一個三維正交的編織繞組，以生產(chǎn)出根據(jù)本發(fā)明的飛輪輪緣。
如上所述，在增強的纖維復(fù)合材料飛輪設(shè)計中的一個重要特性是必需使徑向強度最大。參見圖5，圖中表示從一個復(fù)合材料飛輪的內(nèi)半徑ri至其外半徑ro的徑向應(yīng)力大小的典型分布，rM為最大徑向應(yīng)力點。如圖所示，在rM周圍，從rx至ry的區(qū)域是希望得到另外增強的區(qū)域。
在如圖2所示的一種螺旋形織紋中，徑向方向的纖維重復(fù)地從該飛輪輪緣的內(nèi)半徑延伸至其外半徑。根據(jù)本發(fā)明，制成了另一種螺旋形的編織輪盤。該輪盤在徑向應(yīng)力最大的該輪緣的中間部分上設(shè)有較大量的徑向纖維。雖然，綜合使用上述各種技術(shù)可以得到明顯的好處，但上述這點是可以獨立于使用現(xiàn)有技術(shù)描述的纖維混合物來實現(xiàn)。
參見圖6a，一根徑向纖維或緯紗纖維22開始從ri出發(fā)，行進至ro，然后該纖維只返回至大約rx點處，形成一個彎曲向外達到ry，再又返回至rx，又向外到達ro，再回到ri。該圖樣在輪盤的整個繞組上不斷重復(fù)。按照這種方式，纖維彎曲的數(shù)目使從rx至ry之一部分的徑向纖維量在比例上增加，以至達到原來的徑向纖維量的2～6倍，從而增加在該輪盤的一個中間部分的徑向強度(對應(yīng)于rx和ry之間的區(qū)域)。
這種結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，在從ri至大約rx的區(qū)域附近有較少的徑向纖維彎曲，這就可以增加靠近內(nèi)半徑數(shù)量的環(huán)箍纖維的數(shù)目，從而增加輪轂附近的該輪緣部分的強度，在該部分環(huán)箍應(yīng)力最大。
參見圖6b，圖中表示了織紋結(jié)構(gòu)的另一個實施例。該結(jié)構(gòu)中的纖維彎曲數(shù)增加了，使得與該輪盤的內(nèi)面部分和外面部分比較，其中間部分的徑向纖維量達到它們的四倍。
圖6c表示織紋結(jié)構(gòu)的又一個實施例。該結(jié)構(gòu)的中間部分的徑向纖維量為其內(nèi)面部分和外面部分徑向纖維量的二倍。
徑向纖維最好由強度高的材料制成，因為徑向強度是工作速度和能量貯存能力的限制因素。因此，該徑向纖維最好由石墨、碳或芳族聚酰胺構(gòu)成。當(dāng)然，也可以使用其他一些強度較高的纖維。
參見圖7，圖中表示了綜合利用上述的各種改進的本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。一個飛輪輪緣23在界面處與一個輪轂24連接。該輪緣在其內(nèi)半徑部分具有大量的由石墨構(gòu)成的強度高的纖維25A,25B和25C。環(huán)箍纖維25D,25E和25F為強度高的纖維(石墨)和由玻璃構(gòu)成的強度較低的纖維的混合物。環(huán)箍纖維25G和25H為含有很少的強度高的纖維和更多的強度較低的纖維的一種纖維混合物。在一種織紋圖案中，一根強度較高的徑向纖維(石墨)26在纖維25E,25F和25G附近繞成圈，使徑向纖維的量較大，以便使該飛輪輪緣的中間部分附近的徑向強度最大。
最好，在如上所述編織好纖維之后，將作成線圈狀的輪盤放入一個模型中，并用適合于制造飛輪的可固化的樹脂噴射。這些樹脂可以為商業(yè)上可獲得的樹脂中的任何一種，例如，環(huán)氧樹脂，乙烯基樹脂、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚氨酯樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂和它們的綜合。如圖7所示，這些纖維都包含在一種固化的環(huán)氧樹脂27中，如圖中的陰影線所示。
在如圖8所示的本發(fā)明的另一個實施例中，飛輪輪緣28包括一根犧牲纖維(sacrificial yarn)29，它放置在該飛輪輪緣和一個輪轂31之間的界面30附近。該犧牲纖維在環(huán)箍方向延伸，其密度大致為該飛輪輪緣的寬度。該犧牲纖維由抗拉強度和疲勞強度足以承受至少正常運轉(zhuǎn)力直到大約預(yù)期的最大工作狀態(tài)的作用力的110％的材料制成。這與在該飛輪輪緣的環(huán)箍方向所使用的纖維不同，該纖維的強度足以承受可達工作狀態(tài)的大約150％的作用力，因此，安全系數(shù)較大，可避免輪緣損壞。
在靠近該輪緣的突出的外徑處放置著一個傳感器32，它經(jīng)過標(biāo)定以適應(yīng)高速下的徑向增大。最好，這個傳感器為非接觸式的接近傳感器，例如，超聲波，磁性，電容或激光傳感器。在該界面上的該犧牲纖維提供了檢測該復(fù)合材料狀態(tài)的一種裝置，因為在該界面上的該紗線的斷裂會造成在高速下該輪緣直徑呈遞增式增加。這可由監(jiān)測飛輪直徑的傳感器32檢測，該傳感器與一個監(jiān)測裝置33連接。當(dāng)檢測出由于該犧牲纖維斷開，輪緣增大時，可以安全地切斷該飛輪系統(tǒng)，并將輪緣卸下。
例如，如圖8所示，該傳感器可檢測如虛線X所示正常工作的增大，如果一旦標(biāo)定在該數(shù)值，則可認為那是一個正常的工作狀態(tài)。假如該犧牲纖維在界面處斷開，則如虛線Y所示，輪緣的增大會增加至臨界值。該傳感器感知出這個差異，并將它傳送至監(jiān)測器。監(jiān)測器可發(fā)出聲音或視覺警報，以便采取措施，防止飛輪嚴(yán)重損壞。
該犧牲纖維可以由玻璃、碳、石墨或任何其他材料制成，只要該材料滿足必要的工作條件，即保證該紗線在該輪盤的環(huán)箍纖維損壞之前損壞。
雖然已對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了說明，然而，本領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員應(yīng)當(dāng)理解，可以進行各種各樣的改變或改進，而不會偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，它包括許多個由連續(xù)的螺旋編織纖維構(gòu)成的一個繞組形式的螺旋編織輪盤，每一個螺旋編織纖維輪盤都具有在環(huán)箍方向延伸的第一批多根纖維，和在半徑方向延伸的第二批多根纖維；該第一批多根纖維的第一部分由強度較高的纖維構(gòu)成，位于該輪盤的內(nèi)半徑部分附近；而在該輪盤的中間半徑部分具有該第一批多根纖維的第二部分，該纖維的第二個部分由強度較高的纖維和強度較低的纖維的混合物構(gòu)成；包括該第一批多根纖維的第三部分的該輪盤的外半徑部分，由含有很少的強度較高的纖維和更多的強度較低的纖維的混合物構(gòu)成；強度較高的纖維和強度較低的纖維結(jié)合起來，在該輪盤半徑的方向上從這頭到那頭分布。
2．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，它還包括位于該輪盤半徑的中間部分的較大量的徑向纖維，以增加徑向強度。
3．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為該螺旋編織纖具有三維正交織紋結(jié)構(gòu)。
4．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，該輪盤的內(nèi)半徑部分具有較大量的強度較高的和不易彎曲的環(huán)箍纖維。
5．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，強度較高的纖維選自于由石墨、碳和芳族聚酰胺組成的群組。
6．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，該強度較低的纖維由玻璃構(gòu)成。
7．如權(quán)利要求2所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，該中間部分所包含的徑向纖維量為該內(nèi)側(cè)部分所含的徑向纖維量的2～6倍。
8．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，占總的環(huán)箍纖維量大約10％～70％的環(huán)箍纖維為強度較低的纖維。
9．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，其特征為，大約20％～50％的環(huán)箍纖維為強度較低的纖維。
10．如權(quán)利要求1所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，它還包括一根犧牲纖維，其抗拉強度和疲勞強度足以承受從正常的工作力直到大約110％正常工作力；該犧牲纖維放置在該輪緣和一個輪轂之間的界面上，該犧牲纖維的斷裂會造成高速下輪緣直徑呈遞增式增加；另外，該輪緣還包括一個檢測裝置，它用于檢測輪緣直徑呈遞增式的增加。
11．一種增強的纖維復(fù)合材料的飛輪輪緣，它包括由連續(xù)的螺旋編織纖維構(gòu)成的一個繞組形式的許多螺旋編織輪盤，每一個螺旋編織輪盤具有在環(huán)箍方向延伸的一根第一纖維和在徑向方向延伸的一根第二纖維；與在內(nèi)半徑部分的徑向纖維量比較，位于該輪盤半徑中間區(qū)域中的較大量的徑向纖維基本上托住徑向應(yīng)力大的位置。
12．如權(quán)利要求11所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，該中間部分的徑向纖維量為在該內(nèi)半徑部分的徑向纖維量的大約2～6倍。
13．如權(quán)利要求11所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，大量的徑向纖維是由在該中間區(qū)域集中的多個纖維圈而得到的。
14．如權(quán)利要求11所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，它還包括在該內(nèi)半徑部分中較大量的強度較高和不易彎曲的環(huán)箍纖維。
15．如權(quán)利要求11所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，該螺旋編織纖維具有三維正交織紋結(jié)構(gòu)。
16．如權(quán)利要求11所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，該徑向纖維選自由石墨、碳和芳族聚酰胺組成的群組。
17．一種增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，它具有許多環(huán)箍纖維和許多徑向纖維，其改進包括在該輪緣和一個輪轂之間的界面上，沿著環(huán)箍方向放置了一根犧牲纖維，該犧牲纖維的抗拉強度和疲勞強度足以承受正常的工作力直到大約110％的工作力；和一個用于檢測高速下輪緣直徑呈遞增式增加的裝置，以便在該環(huán)箍纖維斷裂之前，可測出該犧牲纖維因輪緣直徑的遞增式增加造成的斷裂。
18．如權(quán)利要求17所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，該犧牲纖維選自由石墨、碳、芳族聚酰胺和玻璃組成的群組。
19．如權(quán)利要求17所述的增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣，其特征為，它還包括放置在靠近該輪緣外半徑處的一個傳感器裝置，和用于監(jiān)測該輪緣直徑狀況的一個監(jiān)測器裝置。
20．一種生產(chǎn)增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣的方法，它包括提供多根環(huán)箍纖維；提供一根或多根徑向纖維；編織該環(huán)箍纖維和徑向纖維，形成一個繞組形式的多個螺旋編織輪盤，每一個輪盤具有一個內(nèi)半徑部分，一個外半徑部分和一個中間半徑部分；將由強度較高的纖維構(gòu)成的該多根環(huán)箍纖維的第一部分編入在該內(nèi)半徑部分中；將由強度較高的纖維和強度較低的纖維的混合物構(gòu)成的該多根環(huán)箍纖維中的第二部分編入在該中間半徑部分中；和將由很少到?jīng)]有的強度較高的纖維、余下為強度較低的纖維構(gòu)成的該多根環(huán)箍纖維中的第三部分編在該外半徑部分中，以便使該強度較低的纖維在該輪盤半徑的方向上從這頭到那頭分布。
21．一種生產(chǎn)增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣的方法，它包括提供多根環(huán)箍纖維；提供一根或多根徑向纖維；編織該環(huán)箍和徑向纖維，形成一個繞組形式的多個螺旋編織輪盤；和將較大量的徑向纖維編入在該輪盤半徑的中間區(qū)域中，托住徑向應(yīng)力大的位置。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征為，通過在一個與被托住的徑向應(yīng)力大的位置相應(yīng)的狹窄地帶內(nèi)將徑向纖維在該環(huán)箍纖維附近繞成圈，而把大量的徑向纖維編入在該輪盤中。
23．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征為，它還包括將該一個繞組形式的多個螺旋編織輪盤放入一個模型中，將樹脂噴至模型中，并使樹脂固化。
24．一種檢測在增強的纖維復(fù)合材料飛輪輪緣中纖維損壞的方法，它包括提供一根犧牲纖維，其抗拉強度和疲勞強度足以承受正常作用力直至大約110％正常作用力；沿著環(huán)箍方向，將該犧牲纖維放置在該輪緣和一個輪轂之間的界面上，將該犧牲纖維與固化的基體樹脂中的鄰近環(huán)箍纖維結(jié)合起來；將檢測裝置靠近該輪緣外半徑放置，以監(jiān)測高速下該輪緣直徑的增大情況；和監(jiān)測該飛輪輪緣的工作，使得該犧牲纖維的斷裂造成輪緣直徑的遞增式增加，而這種增加可用檢測裝置檢測出來。
全文摘要
一種用于貯存能量的增強的纖維復(fù)合材料飛輪具有由連續(xù)的環(huán)箍和徑向纖維(4)構(gòu)成的一個繞組形式的多個輪盤(3)。每一個輪盤(3)具有沿著環(huán)箍方向的纖維型混合物，強度較高的纖維放置在輪盤(3)的內(nèi)側(cè)部分(11)附近；另外還具有一個由強度較高的纖維和強度較低的纖維構(gòu)成的中間部分(12)；和一個具有含有很少的強度較高的纖維的纖維混合物的外側(cè)部分。另一方面或另外，該增強的纖維復(fù)合材料飛輪在該輪盤的中間部分附近放置著大量的徑向纖維(4)，以增加受到很大的徑向應(yīng)力作用的該輪盤的一個帶狀區(qū)域的徑向強度。最好，該輪盤(3)由三維正交的織紋結(jié)構(gòu)組成，這樣可使在編織過程中，該纖維能夠剪切，以最大限度地減小該螺旋編織輪盤的扭曲。制造一個根據(jù)本發(fā)明的螺旋編織的復(fù)合材料飛輪輪盤(3)可以優(yōu)化應(yīng)力和強度性質(zhì)，以便以最低成本增加運轉(zhuǎn)速度和貯存能量的能力。
文檔編號F16F15/305GK1228147SQ97195524
公開日1999年9月8日 申請日期1997年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月12日
發(fā)明者戴維·馬斯, 道格拉斯·M·胡恩 申請人:Gkn西部宇航公司