AT6388U1

AT6388U1 - Magnetorheologische kupplung

Info

Publication number: AT6388U1
Application number: AT0056002U
Authority: AT
Inventors: Franz Dipl Ing Gratzer; Herbert Dipl Ing Steinwender
Original assignee: Magna Steyr Powertrain Ag & Co
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2003-09-25
Also published as: WO2004018889A1

Abstract

Eine magnetorheologische Kupplung besteht aus einem Stationärteil (10), einem drehbaren Primärteil (11) und einem drehbaren den Primärteil umgebenden Sekundärteil (12), wobei dazwischen ein ein magnetorheologisches Fluid enthaltender Raum gebildet ist, wobei eine Magnetspule (25) ein auf das magnetorheologische Fluid wirkendes Magnetfeld regelbarer Feldstärke erzeugt. Um Stromverbrauch und Baugröße zu minimieren, enthält der Primärteil (11) die Magnetspule (25), deren äusserer Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser der Lamellen (34, 40) ist, und bildet im Längsschnitt durch die Kupplung eine die Magnetspule (25) umgebende geschlossene luftspaltlose Fläche hoher magnetischer Permeabilität, die nur durch die mit magnetorheologischem Fluid gefüllten Spalte (48, 48') zwischen den Lamellen (34, 40) unterbrochen ist, wobei die Feldliniendichte in der die Magnetspule (25) umgebenden Fläche (26, 15, 28) weitgehend gleich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetorheologische Kupplung, die aus einem Stationärteil, einem drehbaren Primärteil mit Primärlamellen und einem drehbaren den Primärteil umgebenden Sekundärteil mit Sekundärlamellen bestehen, wobei zwischen Primärteil und Sekundärteil ein ein magnetorheologisches Fluid enthaltender Raum gebildet ist, in dem sich Primärlamellen und Sekundärlamellen abwechseln, und wobei eine Magnetspule ein auf das magnetorheologische Fluid wirkendes Magnetfeld regelbarer Feldstärke erzeugt.
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zwischen zwei Ringplatten untergebracht. Die magnetischen Feldlinien, die man sich im Längsschnitt als die Spule umgebende Ovale vorstellen kann, verlaufen zum grösseren Teil durch die Luft.

Die Ringplatten umgreifen zwar den Sekundärteil, bilden mit diesem aber einen weiteren

Luftspalt, der aus Toleranzgründen ziemlich breit sein muss. Insgesamt kommt so nur ein sehr kleiner Teil des für den Aufbau des Magnetfeldes aufgewendeten Stromes zur Wirkung. Wegen des schlechten magnetischen Wirkungsgrades können nur kleine Momente übertragen werden.

Dazu ist immer noch eine sehr grosse Magnetspule nötig, was die Ein-
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Primärteil umgeben ist. Durch diese Anordnung wird zwar eine angemessene Verteilung der magnetischen Feldlinien erreicht, die Übertragung eines grösseren Drehmomentes bei akzeptabler Baugrösse aber unmöglich.

Da diese Kupplung aber für den Antrieb des Lüfters einer wassergekühlten Verbrennungskraftmaschine gedacht ist, ist das nicht störend.

Für die Verwendung einer gattungsgemässen Kupplung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges sind aber Stromverbrauch und Baugrösse kritisch und daher zu minimieren. Dazu kommen noch weitere Anforderungen.

Ein so breiter Regelbereich des übertragenen Momentes, dass einerseits schlupfloses Anfahren aus dem Stand und andererseits (auch) aus Geräuschgründen völliges Trennen, möglich ist ; und schliesslich schnelles Ansprechen, um mit elektronischen Fahrdynamikregelungen (ESB, ABS, etc. ) kompatibel zu sein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine magnetorheologische Kupplung zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet um den oben angegebenen Anforderungen des modernen Kraftfahrzeuges zu genügen.

Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass der Primärteil die Mag- netspule enthält, deren äusserer Durchmesser kleiner als der kleinste
Durchmesser der Lamellen ist, der Primärteil im Längsschnitt durch die
Kupplung eine die Magnetspule umgebende geschlossene luftspaltlose
Fläche hoher magnetischer Permeabilität bildet, die nur durch die mit magnetorheologischem Fluid gefüllten Spalte zwischen den Lamellen unterbrochen ist, wobei die Feldliniendichte in der die Magnetspule umgebenden Fläche weitgehend gleich ist.

Durch die Luftspaltlosigkeit ohne Engstelle in dem das Magnetfeld füh- renden Eisen"und die im Längsschnitt zentral angeordnete Magnetspule relativ geringen Durchmessers erhält man durchwegs geschlossene und angenähert equidistante Feldlinien. Dadurch höchste wirksame magnetische Feldstärke bei geringstem, auch für das niedervoltige Bordnetz eines Kraftfahrzeuges leistbaren, Stromverbrauch bei minimaler Baugrösse. Eine magnetische Flussdichte von über 0, 7 [T] (=Tesla) ist erreichbar. Zudem kann das übertragbare Moment durch Erhöhung der Lamellenzahl ohne nennenswerte Vergrösserung der Kupplung gesteigert werden. Rein mechanisch ist aber allein schon wegen des grossen Durchmessers der ausserhalb der Magnetspule liegenden Lamellen das übertragbare Moment gross.

Vorzugsweise besteht der Primärteil aus einem Zentralteil und zwei beiderseits der Magnetspule und der Lamellen angeordneten drehsymmetrischen Jochen (Anspruch 2). Der Zentralteil mit seinem erheblichen Querschnitt und die Joche mit ihren bieten die gleichmässige Verteilung des "Eisens" entlang der Feldlinien, wegen der an der den Lamellen abgekehrten Seite abgerundeten Schultern kein unnützes Gewicht. Bei der Abrundung fallen die Teile weg, in denen die Feldliniendichte zu gering wäre.

In einer fertigungstechnisch günstigen Ausführungsform ist eines der bei- den Joche ein eigener Bauteil, der mit dem Zentralteil lösbar verbunden ist (Anspruch 3). Wenn das lösbare Joch nur dem Verspannen der Primärla- mellen dient, muss es nicht einmal drehfest mit dem Zentralteil verbunden sein. Dadurch ist bei geeigneter Passung zwischen Joch und Zentralteil auch nicht der kleinste Luftspalt vorhanden.

Zur weiteren Verbesserung des magnetischen Wirkungsgrades sind die Primärlamellen mit ihren Innenkanten drehfest auf einem Lamellenträger angebracht, der die beiden Joche verbindet und aus einem Material geringer magnetischer Permeabilität, vorzugsweise aus einem überhaupt nicht magnetisierbaren, besteht (Anspruch 4). Der Lamellenträger ist mit zumindest einem Joch drehfest verbunden, er kann es zur Erhöhung des übertragbaren Momentes auch mit beiden sein, wenn auch das abnehmbare Joch drehfest mit dem Zentralteil verbunden ist.

Eine Vergleichmässigung des Abstandes zwischen den Lamellen ohne magnetische Verluste wird erzielt, wenn zwischen den Primärlamellen Distanzringe aus einem nicht magnetisierbaren Material vorgesehen sind, deren Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser der Sekundärlamellen ist (Anspruch 5). Dadurch geräuschloser Lauf, auch wenn kein Moment übertragen wird. Dieser kann noch weiter dadurch verbessert werden, dass zwischen je einer Primärlamelle und einer Sekundärlamelle Distanzhalter vorgesehen sind (Anspruch 10).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Zentralteil des Primärteiles in Achsrichtung ausserhalb der Joche Wellenstummel, an denen die Lagerung und Dichtung gegenüber dem Sekundärteil vorgesehen ist (Anspruch 6). Das ergibt kleine Durchmesser und Umfangsge-

schwindigkeiten an Dichtungen und Lagen1 und an den Schleifkontakt für die Stromzufuhr vom Stationärteil zur Magnetspule (Anspruch 7), sowie eine einfache Verbindung mit anschliessenden Teilen des Antriebsstranges.

In Weiterbildung der Erfindung besteht der den Primärteil gehäuseartig umgebende Sekundärteil aus einem Werkstoff geringer magnetischer Permeabilität (Anspruch 8), vorzugsweise einem überhaupt nicht magnetisierbaren. Das verhindert Streu- und Wirbelstromverluste.

In einer fertigungstechnisch besonders praktischen Ausführungsform ist der Sekundärteil in einer achsnormalen Ebene geteilt, wobei ein Teil eine Glocke mit zylindrischem Mantel bildet, in welchem Mantel die Längsnuten für die drehfeste Aufnahme der Sekundärlamellen ausgebildet sind (Anspruch 9). Dadurch und durch das gemäss Anspruch 3 abnehmbare Joch sind die einzelnen Teile einfacher zu fertigen und zusammenzubauen.

Im Rahmen der Erfindung können die Distanzhalter einstückig mit den Distanzringen ausgeführt sein (Anspruch 11), oder es sind an den Primärlamellen oder an den Sekundärlamellen Vorsprünge vorgesehen, die für gleiche Abstände zwischen Primärlamellen und Sekundärlamellen sorgen (Anspruch 12). Vorzugsweise sind die Vorsprünge einzelne über den Umfang verteilte einzelne Erhebungen (Anspruch 13). Diese verbessern die Zirkulation des magnetorheologischen Fluides und verhindern so dessen Entmischung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar :

Fig. 1 : Schematisch einen Antriebsstrang mit dem Erfindung- gegenstand,
Fig. 2 : einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
Fig. 3 : Detail III aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Motor mit 1 und ein Getriebe mit 2 und ein daran anschliessendes Verteilergetriebe mit 3 bezeichnet. Der Antriebsstrang besteht des weiteren aus einem Vorderachsdifferential 4 einer Kardanwelle 5 die zu einem Hinterachsdifferential 6 führt, wobei das der Hinterachse zukommende Drehmoment mittels einer magnetorheologischen Kupplung 7 steuerbar ist. Achsen und Räder des Kraftfahrzeuges sind ohne Bezugszeichen angedeutet.

Fig. 2 zeigt die magnetorheologische Kupplung 7 genauer. Sie besteht allgemein aus einem Stationärteil 10, einem Primärteil 11 und einem Sekundärteil 12. Der Stationärteil 10 ist hier nur angedeutet, er nimmt an den Drehbewegungen nicht teil. Er ist im Minimalfall ein einfacher Ring, durch den die Stromzufuhr erfolgt, und ist im Maximalfall ein die gesamte Kupplung 7 umgebendes Gehäuse, obwohl ein solches dank der erfindungsgemässen Bauweise nicht erforderlich ist.

Der Primärteil 11 mit der gemeinsamen Rotationsachse 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der "Innere"Teil der Kupplung 7. Er besteht aus einem wellenartigen und im wesentlichen massiven Zentralteil 15 der an seinen beiden Enden in einen ersten Wellenstummel 16 und einen zweiten Wellenstummel 17 übergeht. Wenn der Zentralteil 15 eine Längsbohrung aufweisen sollte, so ist darauf zu achten, dass Gemäss dem Grundgedanken der Erfindung ein ausreichender magnetisierbarer Querschnitt bleibt. Die

beiden Wellenstummel 16, 17 nehmen Lager 18 und Dichtringe 19 auf.

Der erste Wellenstummel 16 hat einen Anschlussflansch 20 für den An- schluss einer nicht dargestellten primärseitigen Welle, welcher mittels einer Keilverzahnung 23 und einer Wellenmutter 24 mit ihm verbunden ist.

An dem Anschlussflansch 20 greift hier ein Schleifkontakt 21 für die Zufuhr des Stromes an, die weiters über eine Bohrung 22 zu einer Magnetspule 25 erfolgt. Diese umgibt den zylindrischen Umfang des Zentralteils
15 und erzeugt ein Magnetfeld. Mit dem Zentralteil 15 einstückig ist ein erstes Joch 26 ausgebildet, welches die Magnetspule 25 teilweise übergreift und dessen von ihr abgewandter Rücken eine gerundete Schulter 27 aufweist, welche im wesentlichen parallel zu der nächstgelegenen Magnetfeldlinie verläuft. Das zweite Joch 28 auf der anderen Seite der Magnetspule 25 ist ein, unter anderem aus Montagegründen, getrennter Bauteil, der auf eine Passfläche 29 des Zentralteiles 15 aufgepresst und mit einer Wellenmutter 30 gesichert ist.

Auf der der Magnetspule 25 zugewandten kreisförmigen Innenkante der Joche sitzt ein Lamellenträger, der zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht. Er ist im gezeigtem Ausführungsbeispiel mittels einer Keilverzahnung 32 einseitig mit dem ersten Joch 26 drehfest verbunden, könnte es aber in der selben Weise auch mit dem zweiten Joch 28 sein. Dessen Keilverzahnung 33 setzt sich über seine ganze Länge fort und dient der drehfesten Verbindung mit den Primärlamellen 34.

Der Sekundärteil 12 bildet ein zwar rotierendes, aber vollkommen geschlossenes Gehäuse. Er besteht aus einer Glocke 37 mit einer zylindrischen Wand 38 und einem Deckel 41, der mit einer Kerbverzahnung 42 und einer Ringmutter 43 mit der Glocke 37 verbunden ist und einen

Anschlussflansch 44 für den Anschluss einer nicht dargestellten sekundärseitigen Welle hat. Die zylindrische Wand 38 der Glocke 37 hat Längsnuten bzw. eine Keilverzahnung 39, die die drehfeste aber axial verschiebbare Verbindung mit Sekundärlamellen 40 herstellt. Die Innenkontur von Glocke 37 und Deckel 41 folgt der Aussenkontur der Joche 26, 28 mit geringem und etwa gleichem Abstand.

Sie bilden zusammen mit den beiden Dichtungen 19 eine Begrenzung für den mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllten Raum, dessen wirksamer Teil die Spalte 48 zwischen den Lamellen 34, 40 sind.

Fig. 3 zeigt weitere die Anordnung der Lamellen 34, 40 betreffenden Details. Um den Abstand zwischen den Primärlamellen 34 konstant zu halten, sind die Abstandsringe 50 vorgesehen, die aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen, ebenso wie der Lamellenträger 31, und aus dem selben Grund. Um auch die mit Fluid gefüllten Spalten 48, 48' gleich breit zu halten, sind Distanzhalter vorgesehen, die verschieden ausgeführt sein können, in Fig. 3 sind drei verschiedene Varianten zu sehen, welche alternativ oder gemischt vorgesehen sein können.

Die Distanzhalter 51 sind an den Primärlamellen oder an den Sekundärlamellen angebrachte Ringwulste, die Distanzhalter 52 sind einstückig mit den Distanzringen 50 ausgebildet ; und, dritte Möglichkeit, die Distanzhalter 53 sind einzelne über den Umfang verteilte Erhebungen, die auch eine gewisse radiale Erstreckung haben und schaufelförmig ausgebildet sein können, um für die Zirkulation des Fluids zu sorgen und so dessen Entmischung entgegen zu wirken.

Um das von der erfindungsgemässen Kupplung 7 übertragene Moment zu steuern, wird der über den Schleifkontakt 21 der Magnetspule 25 zugeführte Strom variiert.

Claims

Ansprüche 1. Magnetorheologische Kupplung bestehend aus einem Stationärteil (10), einem drehbaren Primärteil (11) mit Primärlamellen (34) und einem drehbaren den Primärteil umgebenden Sekundärteil (12) mit Sekundärlamellen (40), wobei zwischen Primärteil und Sekundärteil ein ein magnetorheologisches Fluid enthaltender Raum gebildet ist, in dem sich Primärlamellen und Sekundärlamellen abwechseln, und wobei eine Magnetspule (25) ein auf das magnetorheologische Fluid wirkendes Magnetfeld regelbarer Feldstärke erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil (11) die Magnetspule (25) enthält, deren äusserer Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser der Lamellen (34, 40) ist, und im Längsschnitt durch die Kupplung eine die Magnetspule (25)

umgebende geschlossene luftspaltlose Fläche hoher magnetischer Permeabilität bildet, die nur durch die mit magnetorheologischem Fluid gefüllten Spalte (48, 48') zwischen den Lamellen (34, 40) unterbrochen ist, wobei die Feldliniendichte in der die Magnetspule (25) umgebenden Fläche ( (26, 15, 28)) weitgehend gleich ist.

2. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil (11) aus einem Zentralteil (15) und <Desc/Clms Page number 11> zwei beiderseits der Magnetspule (25) und der Lamellen (34, 40) angeordneten drehsymmetrischen Jochen (26, 28) besteht.

3. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines (28) der beiden Joche (26, 28) ein eigener Bauteil ist, der mit dem Zentralteil (15) lösbar verbunden ist.

4. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärlamellen (34) mit ihren Innenkanten drehfest auf einem Lamellenträger (31) angebracht sind, der die beiden Joche (26, 28) verbindet und aus einem Material geringer magnetischer Permeabilität besteht.

5. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Primärlamellen (34) Distanzringe (50) aus einem Material geringer magnetischer Permeabilität vorgesehen sind, deren Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser der Sekundärlamellen (40) ist. EMI11.1 ausserhalb der Joche Wellenstummel (16, 17) bildet, die an denen die Lager (18) und Dichtungen (19) gegenüber dem Sekundärteil (12) vorgesehen ist.

7. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einer (16) der Wellenstummel (16, 17) den Schleifkontakt (21) für die Stromzufuhr vom Stationärteil (10) zur Magnetspule (25) aufnimmt. <Desc/Clms Page number 12>

8. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Primärteil (11) umgebende Sekundärteil (12) aus einem Werkstoff geringer magnetischer Permeabilität besteht.

9. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärteil (12) in einer achsnormalen Ebene geteilt ist, wobei ein Teil eine Glocke (37) mit einem zylindrischen Mantel (38) bildet, in welchem Mantel die Längsnuten (39) für die drehfeste Aufnahme der Sekundärlamellen (40) ausgebildet sind.

10. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je einer Primärlamelle (34) und einer Sekundärlamelle (40) Distanzhalter (51 ; 52 ; 53) vorgesehen sind.

11. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalter (52) einstückig mit den Distanzringen ausgeführt sind.

12. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Primärlamellen oder an den Sekundärlamellen Vorsprünge (51 ; 5 3) vorgesehen sind.

13. Magnetorheologische Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (53) einzelne über den Umfang verteilte Erhebungen sind.