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VERWANDTE ANMELDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung
lfd. Nr. 11/427 153, eingereicht am 28. Juni 2006, die wiederum
eine Fortführung der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 10/929 801,
eingereicht am 30. August 2004 und nun
US-Patent Nr. 7 083 032 , ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Viskoselüfterantriebssysteme
und insbesondere auf elektronisch gesteuerte Fluidkopplungsvorrichtungen
für Lüfterantriebssysteme.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidkopplungsvorrichtungen,
insbesondere des Typs mit sowohl einer Fluidarbeitskammer als auch einer
Fluidreservoirkammer, sowie ein Ventil, das die Menge an viskosem
Fluid in der Arbeitskammer steuert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Fluidkopplungsvorrichtungen mit verschiedenen
Konfigurationen und Anwendungen vorteilhaft verwendet werden kann,
ist sie in einer Kopplungsvorrichtung des Typs, der zum Antreiben
eines Kühlerlüfters eines Verbrennungsmotors verwendet
wird, besonders vorteilhaft und wird in Verbindung damit beschrieben. Selbstverständlich
kann jedoch die vorliegende Erfindung bei anderen Zubehörteilen
oder Komponenten und in industriellen Anwendungen anstatt nur bei Fahrzeugen
wie z. B. Personenkraftwagen und Lastkraftwagen verwendet werden.
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Fluidkopplungsvorrichtungen
des Viskosekupplungstyps wurden für viele Jahre zum Antreiben von
Motorkühllüftern (somit ”Lüfterantriebe” genannt) verwendet.
Solche Lüfterantriebe können zu beträchtlichen
Einsparungen an Motorleistung führen und können
somit die Menge an zurückgelegten Meilen, die das Fahrzeug
pro Gallone Kraftstoff erreichen kann, erhöhen. Die typische
Fluidkopplungsvorrichtung arbeitet im eingerückten Zustand
mit relativ höherer Drehzahl nur dann, wenn eine Kühlung
erforderlich ist, und arbeitet in einem ausgerückten Zustand
mit relativ niedrigerer Drehzahl, wenn wenig oder keine Kühlung
erforderlich ist.
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Elektrisch
aktivierte Viskoselüfterantriebe sind bekannt und werden
heute verwendet, da sie zwischen einer eingerückten, teilweise
eingerückten und ausgerückten Betriebsart präzise
gesteuert werden können, um die Ausgangsleistung bei einer
gegebenen Lüfterdrehzahl zu steuern, wie durch den Motorcomputer
des Fahrzeugs bestimmt.
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Bei
den elektrisch betätigten Viskoselüfterantrieben,
die heute in Verwendung sind, ist der Aktuator entweder an der Vorder-
oder der Rückseite der Lüfterantriebe montiert.
In beiden Fällen sind die Aktuatoren an den Antrieben mit
Kugellagern montiert und die elektrischen Drähte sind mit
einer stationären Stelle am Motor oder an der Verkleidung
oder einer optimalen Stelle, welche auch immer für das spezielle
Fahrzeug oder die spezielle Kundenanwendung geeignet ist, verdrahtet.
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Für
an der Vorderseite montierte Aktuatoren ist die Länge der
elektrischen Verdrahtung (Kabelstrang) ein begrenzender Faktor für
große Lüfteranwendungen. Für an der Rückseite
montierte Aktuatoren kann die Achslänge die Verwendung
in Anwendungen mit enger Bündelung begrenzen. Außerdem erfordern
sie auch eine Verdrahtung (Kabelstrang) vom Lüfterantrieb
zu einer stationären Stelle, die im Fahrzeug schwierig
zu installieren sein kann, wenn der Lüfter vor der Installation
am Lüfterantrieb montiert wird. Die Haltbarkeit beider
Konstruktionen ist eine Funktion der Lagerlebensdauer sowie der
Haltbarkeit und Lebensdauer der verdrahteten elektrischen Drähte
und/oder Halterungen.
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Folglich
könnte ein Lüfterantrieb ohne Verdrahtung, d.
h. ohne elektrische Drähte, die mit einer stationären
Stelle verdrahtet sind, und ohne Aktuatoren, die an Kugellagern
montiert sind, die Haltbarkeit des Lüfterantriebs verbessern
sowie die Kosten des Fluidkopplungsantriebs senken. Es ist jedoch
auch wichtig, dass der verdrahtungslose Lüfterantrieb dieselben
oder ähnliche Lüfterantriebsleistungseigenschaften
und -attribute wie der verdrahtete Lüfterantrieb aufrechterhält.
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Der
Lüfterantrieb mit an der Vorderseite montiertem elektrischen
Aktuator war das Ergebnis einer Entwicklung von früheren
luftbetätigten Viskoselüfterantrieben, die in
Schwerlastkraftwagen- und großen Busanwendungen verwendet
wurden. Anfänglich wurden Bimetall-Steuerfederbauteile
und -mechanismen an der Vorderseite der Viskoseantriebe verwendet.
Diese wurden anschließend durch an einem Lager montierte
pneumatische Solenoide ersetzt. Haltbarkeitsprobleme bei den Verdrahtungen und
höhere Kraftstoffsparsamkeitsanforderungen, die von der Öffentlichkeit
und von Regierungsinstanzen gefordert wurden, zwangen die Schwerlastindustrie
dazu, auf pneumatische Ein/Aus-Reibungskupplungen ohne Verdrahtung
auszuweichen. In diesen Kupplungen wurde die Luftzufuhr durch die
Mitte der Unteranordnung aus Montagehalterungen – Riemenscheibe
zugeführt.
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Heute
steht die Kraftfahrzeug- und Schwerlastindustrie noch strengeren
Kraftstoffsparsamkeitseinschränkungen sowie Lärmschutzanforderungen
gegenüber. Diese setzen den Bedarf an Lüfterantrieben
mit variabler Drehzahl oder zumindest mehrstufigen Lüfterantrieben
fort. Folglich sind Viskoseantriebe wirtschaftliche und haltbare Lösungen, die
sich zur Verwendung von an der Rückseite betätigten
Viskoselüfterantrieben entwickelt haben. Diese an der Rückseite
montierten elektrisch gesteuerten Aktuatoren wurden entwickelt,
um potentielle Verdrahtungshaltbarkeitsprobleme, die mit an der
Vorderseite montierten Aktuatoren verbunden sind, zu verringern.
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An
der Vorderseite betätigte Viskoselüfterantriebe
wurden weiterhin für leichte bis mittelschwere Anwendungen
verwendet, da die axiale Länge und die Kosten besser sind
als bei an der Rückseite betätigten Lüfterantrieben.
In einigen Leichtlast-Benzinmotoranwendungen, in denen die Lüfterkupplung durch
die Wasserpumpe angetrieben wird, existiert jedoch ein Systemresonanzproblem,
das durch zahlreiche Faktoren verursacht wird, einschließlich
des Massenschwerpunkts (CG) des Lüfterantriebs.
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Folglich
ist ein neuer und verbesserter Viskoselüfterantrieb für
zahlreiche Anwendungen erforderlich, ob für die Leicht-,
Mittel- oder Schwerfahrzeugverwendung. Außerdem existiert
der Bedarf an Aktuatoren, die verringerte Kosten, eine verbesserte
Haltbarkeit und eine bessere Geräusch- und Vibrationsleistung
aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll die vorstehend erwähnten Probleme
und Anliegen bei verdrahteten Aktuatoren und Systemresonanzprobleme
minimieren, während sie erwünschte Merkmale, wie
z. B. ein Hochgeschwindigkeitsreservoir und eine kombinierte ”ausfallsichere” und
Antirückfluss-Option beinhaltet. Die Erfindung verwendet
auch ein Rücklaufsteuerventil, das an einem Bauteil mit
niedriger Drehzahl konfiguriert ist, das als Fluidströmungsumleiter arbeitet.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Viskoselüfterantrieb
mit einem an der Vorderseite montierten Lüfter und einer
elektrischen Betätigung ohne verdrahteten Kabelstrang.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine umgekehrte Viskosekupplung,
eine Antriebsriemenscheibe und einen geteilten elektromagnetischen
Aktuator, was zu einer rein mechanischen Baugruppe führt,
die mehrere Vorteile gegenüber existierenden durch den
Motor angetriebenen, elektronisch gemanagten Viskoselüfterantrieben schafft.
Eine umgekehrte Kupplung ist eine, bei der die herkömmliche
Kupplung im Wesentlichen umgedreht ist, so dass die Zentralwelle
die Ausgangswelle ist, während die äußeren
Bauteile, z. B. der Körper und die Abdeckung, der Eingang
sind.
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In
dieser Konfiguration ist der elektrische Abschnitt des Aktuators
nicht physikalisch am Lüfterantrieb montiert, sondern ist
vielmehr an einem stationären Bauteil an der Antriebsriemenscheibe
montiert. Das stationäre Bauteil könnte auch am
Wasserpumpengehäuse befestigt sein. Die restlichen Aktuatorkomponenten
sind mit dem Lüfterantrieb einteilig und folglich weist
der Lüfterantrieb selbst nur mechanische Teile auf. Bei
der in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Ausführungsform
sind der Lagerort, die Riemenscheibenmontage, die Kupplungsmontage,
die Lüftermontage und der Differenzdrehzahlsensormagnet
alle so positioniert, dass die Leistung und Anwendung des Viskoselüfterantriebs
optimiert sind. Ausführungsformen der Erfindung können
Hochgeschwindigkeitsreservoirs mit Akkumulatoren, eine Rücklaufsteuerung
mit Ventilen mit niedriger Geschwindigkeit, gestanzte Metallabdeckungen
und integrierte Schlupfdrehzahlsensoren verwenden. Die Erfindung
ermöglicht schnelle Ansprechzeiten für das Einrücken
oder Ausrücken der Kupplung und ermöglicht auch
einen offenen Regelkreis für die elektrische Betätigung.
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Weitere
Nutzen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, wenn sie
zusammen mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten
Ansprüchen betrachtet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
in auseinandergezogener Anordnung.
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2 ist
eine perspektivische teilweise Querschnittsansicht eines Viskoselüfterantriebs
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4A–4B stellen
die eingerückte bzw. die ausgerückte Position
der Ventilanordnung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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5A–5D stellen
Komponenten eines Schlupfdrehzahlsensors und dessen Funktionsweise gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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6 ist
eine schematische Darstellung eines Rückschlagventilmechanismus,
der bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann.
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7A–7C stellen
eine weitere Ausführungsform zum Unterstützen
der Kühlung eines Lüfterantriebssystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Zeichnungen, die die Erfindung nicht begrenzen sollen, stellen 1–3 eine
Ausführungsform einer Fluidkopplungsvorrichtung 10 (”Viskoselüfterantrieb”)
gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Vorrichtung 10 besitzt
einen Viskoseantriebsmechanismus 12, der verwendet wird,
um die Drehzahl eines Kühllüfters 14 zu
steuern. Der Viskoseantriebsmechanismus 12 ist an einer
Riemenscheibe 16 befestigt, die durch einen Riemen (nicht dargestellt)
an der Vorderseite eines Fahrzeugmotors betrieben wird. Der Lüfterantrieb
wird durch eine elektrische Spule 18 elektrisch aktiviert,
die fest an einem stationären Montagebauteil 20 montiert
ist. Das Montagebauteil 20 kann eine Halterung, die an
einem Fahrzeugmotor oder dergleichen befestigt ist, oder eine Montagehalterung
für eine Fahrzeugwasserpumpe sein. Ein Abschnitt einer
Wasserpumpe 22 ist beispielsweise in 1–3 gezeigt.
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Das
Lüfterbauteil 14 kann ein beliebiger Typ von Lüfterbauteil,
das bekannt ist und heute verwendet wird, wie z. B. ein Kunststoff-
oder Metalllüfter, sein. Das Lüfterbauteil 14 ist
durch mehrere Befestigungsvorrichtungen wie z. B. Schrauben 15 direkt
am Rotorbauteil 34 montiert und dreht sich mit diesem.
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Der
Viskoseantriebsmechanismus besitzt ein Abdeckplattenbauteil 30,
ein Lagerbauteil 32, ein Rotorbauteil 34, ein
Ankerbauteil 36, ein Reservoirplattenbauteil 38 und
ein Körperbauteil 40. Das Körperbauteil 40 weist
mehrere äußere Rippenbauteile 100 auf,
die verwendet werden, um zu helfen, das Abdeckbauteil und die inneren
Komponenten und das Fluid innerhalb des Viskoselüfterantriebs
zu kühlen. Das Rotorbauteil, das Reservoirplattenbauteil und
das Körperbauteil bestehen vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial.
Die Abdeckplatte besteht vorzugsweise aus einem Metallmaterial wie
z. B. Stahl und ist in die in den Zeichnungen gezeigte Konfiguration
gestanzt. Eine gestanzte Stahlabdeckplatte ist kostengünstiger
als ein druckgegossenes Abdeckbauteil mit Rippen, das herkömmlich
heute in Viskoselüfterantrieben verwendet wird. Das Ankerbauteil 36 besteht
vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial.
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Wie
in 3 gezeigt, ist auch das Abdeckplattenbauteil 30 fest
am Körperbauteil 40 befestigt. Dies kann dadurch
bewerkstelligt werden, dass ein Abschnitt des Körperbauteils über
die Kante des Abdeckbauteils verformt und gepresst wird, wie durch das
Bezugszeichen 31 gezeigt. Das Körperbauteil ist wiederum
direkt am Riemenscheibenbauteil 16 durch mehrere Schrauben
oder andere Befestigungsvorrichtungen 47 befestigt.
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Eine
Drehdichtung 42 wird verwendet, um die Verbindung zwischen
dem Abdeckplattenbauteil 30 und dem Körperbauteil 40 abzudichten,
um einen Austritt des viskosen Fluids benachbart zum Lüfterbauteil 14 zu
verhindern.
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Eine
Montageschraube 44 zusammen mit einer Beilagscheibe 46 (auch
als ”Schleuderring” bekannt) werden verwendet,
um den Viskoseantriebsmechanismus 12 und das Riemenscheibenbauteil 16 am
Montagebauteil 20 zu montieren. Die Montageschraube 44 passt
in ein Hohlwellenbauteil 48, das am Ende 49 der
Drehwelle 50 montiert ist, die in diesem Beispiel eine
Wasserpumpenwelle ist.
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Die
Welle 50 ist durch Lagerbauteile 52 und 54 drehbar
innerhalb des stationären Montagebauteils 20 montiert.
Die Montageschraube 44 ist an der Drehwelle 50 durch
Verschrauben montiert, wie in 3 gezeigt.
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Das
bei dem Viskoselüfterantriebsmechanismus verwendete elektromagnetische
System besitzt eine Spule 18 zusammen mit einem Stahlgehäusebauteil 19,
die beide am stationären Montagebauteil 20 montiert
sind. Die Spule 18 weist einen Kabelstrang 60 auf,
der mit einer Steuereinheit 62 und einer Leistungsquelle 64 elektrisch
gekoppelt ist. Die Steuereinheit 62 empfängt elektrische
Signale von mehreren Motorsensoren 66 hinsichtlich Motor-
und Fahrzeugbetriebsbedingungen. Die Betriebsbedingungen könnten
die Motortemperatur, der Kraftstoffverbrauch, Emissionen oder andere
Motorbetriebsbedingungen, die sich auf die Leistung des Motors auswirken,
sein. Einer der Sensoren 66 könnte beispielsweise
ein am Motor montierter Kühlmittelsensor oder ein Drucksensor,
der an der Klimaanlage montiert ist, sein. Die Steuereinheit 62 besitzt
eine gespeicherte Nachschlagetabelle, die einen gewünschten
Motorbetriebsbereich für eine gegebene Motordrehzahl bestimmt.
Wenn die Steuereinheit 62 feststellt, dass einer oder mehrere
der Sensoren 66 Kühlbedingungen außerhalb
des gewünschten Betriebsbereichs erfassen, weist die externe
Steuereinheit 62 die Leistungsquelle 64 als Funktion
dieses elektrischen Signals an, elektrische Leistung zur Spule 18 zu
senden. Wenn beispielsweise die externe Steuereinheit 62 feststellt,
dass die Motorkühlmitteltemperatur zu niedrig ist oder
dass die Motortemperatur zu niedrig ist, kann somit ein Signal von
der Steuereinheit 62 zur Leistungsquelle 64 gesandt
werden, um die Spule 18 auf ihre gewünschte Impulsbreite
zu aktivieren, wobei darin ein Magnetfeld innerhalb der Fluidkopplungsvorrichtung 10 geschaffen wird.
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Wenn
ebenso die externe Steuereinheit 62 von einem oder mehreren
der Sensoren 66 feststellt, dass die Motor- oder Motorkühlmitteltemperatur über einem
unerwünscht hohen Bereich liegt, wird kein Signal zur externen
Steuereinheit 62, zur Leistungsquelle 64 und zur
Spule 18 gesandt. In dieser Weise interpretiert die Steuereinheit 62 folglich
die Signale vom Sensor zum Anweisen der Leistungsquelle 64, elektrischen
Strom über den Kabelstrang 60 zur Spule 18 zu
senden oder nicht zu senden, um die Ausgabe aus dem Viskoselüfterantrieb 10 in
einer hierin beschriebenen Weise zu steuern.
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Wie
angegeben, kann das stationäre Montagebauteil 20 eine
Wasserpumpenwelle 50 aufweisen, die direkt an einem Motorblock
(nicht dargestellt) nahe der Kurbelwellenriemenscheibe (nicht dargestellt)
unter Verwendung von Schrauben oder anderen herkömmlichen
Befestigungsvorrichtungen montiert ist. In einer alternativen Ausführungsform
(nicht dargestellt) kann die Wasserpumpen-Montagehalterung eine
eigenständige Halterungs-Riemenscheiben-Unteranordnung
sein. Die Wasserpumpenwelle 50 ist mit mehreren Pumpenrädern 23 gekoppelt,
die verwendet werden, um die Motorkühlmittelströmung innerhalb
eines Motorkühlsystems zu steuern, um den Motor zu kühlen.
Die Wasserpumpenwelle 50 ist an der Riemenscheibe 16 durch
das Hohlwellenbauteil 48 montiert. Folglich dreht sich
das Wellenbauteil 50 mit derselben Drehgeschwindigkeit
wie die Riemenscheibe 16, um die Pumpenräder anzutreiben und
dabei eine Kühlmittelströmung zum Motor zu liefern.
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Wie
angegeben, ist die Riemenscheibe 16 mit der Motorkurbelwelle
durch einen Antriebsriemen (nicht dargestellt) gekoppelt und dreht
das Körperbauteil 40 mit einer Rate, die durch
die Motorbetriebsdrehzahl bestimmt ist, die durch die Kurbelwelle und
den Riemen auf die Riemenscheibe 16 übertragen
wird. Das Körperbauteil 40, das vorzugsweise aus
einem druckgegossenen Aluminiummaterial besteht, besitzt einen Überlagerungs bereich 31,
der verwendet wird, um das gestanzte Abdeckplattenbauteil 30 im
Viskoselüfterantrieb fest an der Stelle zu halten. Folglich
drehen sich das Körperbauteil 40 und die Abdeckplatte 30 mit
derselben Drehgeschwindigkeit wie das Riemenscheibenbauteil 16.
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Das
Lüfterbauteil 14 ist innerhalb des Viskoselüfterantriebs
unter Verwendung des Kugellagerbauteils 32 drehbar montiert
und ist am Rotorbauteil 34 befestigt. Das Rotorbauteil
und das Lüfterbauteil bilden somit den Ausgang des Viskoselüfterantriebs.
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Das
Volumen des Raums um das Rotorbauteil 34, der durch die
Abdeckung 30 und das Körperbauteil 40 begrenzt
ist, definiert ein Fluidreservoir 70, in dem eine Menge
an viskosem Fluid vorgesehen ist (nicht dargestellt). Das Abdeckbauteil 30 und
die Reservoirplatte 38 definieren eine Fluidkammer 72.
Das Volumen des Raums zwischen dem radial äußeren Abschnitt
des Rotorbauteils 34 und dem Körperbauteil 40 definiert
die Fluidarbeitskammer 74 für den Viskoselüfterantrieb.
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Das
Fluidreservoir 70 wird bei der Bewegung des Ankerbauteils 36 in
einer nachstehend zu beschreibenden Weise fluidtechnisch mit der
Fluidkammer gekoppelt. Die axiale Bewegung des Ankerbauteils öffnet
und schließt einen Rücklauffluidströmungspfad
in Abhängigkeit von der Betätigung der elektrischen
Spule 18, die die Strömung von Fluid zwischen
dem Fluidreservoir und der Fluidkammer steuert. Außerdem
ist die Fluidkammer 72 mit einer Arbeitskammer 74 fluidtechnisch
gekoppelt, die zwischen den äußeren Enden des
Rotorbauteils in Kombination mit dem Körperbauteil 40 und
dem Abdeckbauteil 30 in einer herkömmlichen Weise
definiert ist. Die Menge an viskosem Fluid, das in der Arbeitskammer 74 enthalten
ist, in Verbindung mit der Drehzahl des Abdeck- und des Körperbauteils,
die mit dem Riemenscheibenbauteil 16 gekoppelt sind, bestimmt das
Drehmoment, das auf das Rotorbauteil 34 übertragen
wird, das das Lüfterbauteil 14 dreht. Mit anderen
Worten, die Drehmomentantwort ist ein Ergebnis von viskoser Scherung
innerhalb der Arbeitskammer 74. Wie angegeben, wird folglich
die Drehung des Lüfterbauteils verwendet, um den Kühler
oder andere Motorkomponenten zu kühlen, wie durch die Motorsteuereinheit
und die entsprechenden Sensoren gefordert.
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Das
Ankerbauteil 36 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial
und weist einen Metallankerring 37 auf, der an seinem Außenumfang
befestigt ist. (Dies ist in 5B besser
gezeigt.) Der Ankerring 37 besteht aus einem Eisenmaterial.
Außerdem ist ein mehrpoliger Ringmagnet 43 an
dem Ankerbauteil 36 befestigt und ein Teil von diesem. Der
Ankerring und der mehrpolige Ringmagnet wirken in Kombination mit
dem elektromagnetischen Kreis, der durch das Spulenbauteil 18 verursacht wird,
um das Ankerbauteil in einer axialen Richtung entlang der Längsachse
des Viskoselüfterantriebssystems zu bewegen. In dieser
Hinsicht ist die Längsachse durch die Mittellinie 51 (3, 4A, 4B und 5A)
angegeben.
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Das
Nabenbauteil 39 besteht aus einem Eisen- oder Metallmaterial
und wird in das Körperbauteil 40 einsatzgießgeformt.
Das Nabenbauteil weist eine konische Form mit einem U-förmigen
Querschnitt auf, wie insbesondere in 3 und 4A–4B gezeigt.
Nachdem das Körperbauteil mit dem Nabenbauteil in diesem
gegossen ist, wird ein ringförmiger Kanal 53 im
Nabenbauteil ausgebildet. Der Kanal 53 ist axial auf den
Ankerring 37 am Ankerbauteil 36 ausgerichtet.
Der durch den ringförmigen Kanal 53 gebildete
Raum schafft einen Arbeitsspalt, in den der Ankerring bei der Betätigung des
elektromagnetischen Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung gezogen wird und in dem er positioniert wird.
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Das
Ankerbauteil 36 ist im Wesentlichen ein Ventilbauteil und
arbeitet zum Öffnen und Schließen des Rücklauffluidströmungspfades
des Viskosekupplungsmechanis mus. Dies ist spezieller in 4A und 4B gezeigt. 4A stellt
das Ventilbauteil in der eingerückten Position dar und 4B stellt
das Ventilbauteil in der ausgerückten Position dar. In
der ausgerückten Position ist eine Öffnung 80 zwischen
dem Ankerbauteil 36 und dem Reservoirplattenbauteil 38 vorgesehen,
die ermöglicht, dass sich der Rücklauffluidströmungspfad öffnet
und das viskose Fluid 77A in die Reservoirkammer 70 zurück
strömt. Dies rückt das Lüfterbauteil
aus. In der eingerückten Position ist die Arbeitskammer 74 mit
viskosem Fluid gefüllt und die Ausgangsbauteile, nämlich
das Rotorbauteil 24 und das Lüfterbauteil 14,
drehen sich mit voller Drehzahl oder Kapazität und schaffen
eine vollständige Kühlung für den Kühler
oder andere Motorzubehörteile, wie erforderlich. In dieser
Betriebsposition ist die Öffnung 80 geschlossen
und das viskose Fluid 77B, das aus der Arbeitskammer 74 durch
den Rücklaufkanal 75 in die Fluidkammer 72 zurückgefördert wird,
wird wieder der Arbeitskammer 74 zugeführt.
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Infolge
der Weise, in der das Lüfterbauteil eingerückt
und ausgerückt wird, befindet sich der Viskoselüfterantrieb
normalerweise in der ”Ein”-Position. Dies ist
als ”ausfallsichere” Bedingung bekannt. Außerdem
regelt das Ausmaß, um das das Ankerbauteil 36 axial
bewegt wird, und das entsprechende Ausmaß, in dem die Öffnung 80 geöffnet
wird, die Menge an viskosem Fluid, das zum Fluidreservoir zurückgeführt
wird, und die Menge, die wieder der Arbeitskammer zugeführt
wird. Dies regelt die Drehzahl des Lüfterbauteils. Bei
der vorliegenden Erfindung kann sich folglich das Lüfterbauteil
im ”Ein”-Zustand, im ”Aus”-Zustand
und auf irgendeiner Drehzahl zwischen diesen zwei Zuständen
befinden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist es auch möglich, einen Viskoselüfterantrieb
zu schaffen, der sich immer in der ”Aus”-Position
befindet, und bei dem das Lüfterbauteil nur eingerückt
wird, wenn elektrisch Leistung geliefert wird und der elektromagnetische
Kreis aktiviert wird. Dies könnte mit derselben Struktur
und denselben Komponenten wie die ausfallsichere Ausführungsform
geschaffen werden, würde jedoch eine Modifikation der Programmierung
in der Steuereinheit 62 nach sich ziehen.
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Wie
angegeben, weist das Rotorbauteil 34 einen Rücklauftunnel 75 auf,
der in derselben Weise wie Rücklauftunnel bei Rotorbauteilen
von herkömmlichen Viskoselüfterantrieben arbeitet
und einen Rückkehrpfad für das viskose Fluid von
der Arbeitskammer zurück in die Fluidkammer und/oder das
Fluidreservoir schafft.
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Der
Flusspfad für den elektromagnetischen Kreis ist durch Pfeile
A in 4B gezeigt. Der Flusspfad A besitzt das Eisennabenbauteil 39 und
das Eisengehäusebauteil 19. Wenn die Sensoren 66 der Steuereinheit 62 anzeigen,
dass die Drehung des Lüfterbauteils nicht erwünscht
oder nicht in demselben Umfang erwünscht ist, dann wird
das Spulenbauteil 18 betätigt, wie angegeben.
Die Betätigung des Spulenbauteils erzeugt den Flusspfad
A, was aufgrund des mehrpoligen Ringmagnets 43 das Ankerbauteil
axial bewegt und den Ankerring 37 im Kanal (oder ”Arbeitsspalt”) 53 positioniert.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber
anderen Lüfterantriebsmechanismen und -systemen mit viskosem
Fluid. Ohne den verdrahteten Kabelstrang sind weniger innere elektrische
Verbindungen erforderlich. Das Spulenbauteil und die elektrische
Schaltungsanordnung sind auch leichter einsatzfähig. Die
Schlupfwärmekapazität ist aufgrund der Drehung
des Abdeckbauteils mit seinen Kühlrippen mit der Eingangsdrehzahl
verbessert, was auch eine zusätzliche Fluidreservoirkühlung schafft.
Die Erfindung weist auch eine ausfallsichere Betriebsart auf und
befindet sich normalerweise im eingerückten oder ”Ein”-Zustand
und besitzt auch einen ruhigen Start. Die Reaktionszeit für
das Auspumpen und Füllen der Arbeitskammer ist verbessert,
da die Rücklaufrate von der Füllrate unabhängig
ist.
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Das
Rücklaufströmungssteuerventil ist auch ein Teil
des Ausgangsbauteils, was folglich dynamische Belastungseffekte
am Ventilbauteil verringert. Die Erfindung ermöglicht auch
die Integration einer ”intelligenten” Steuereinheit,
da die Elektronik nicht physikalisch mit dem Lüfterantrieb
verbunden ist.
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Die
Erfindung besitzt auch eine kleinere Anzahl von Komponenten als
verdrahtete Viskoselüfterantriebe. Die vorliegende Erfindung
weist nicht weniger als 30 Prozent weniger Komponenten auf als entsprechende
verdrahtete Viskoselüfterantriebe, die entweder an der
Vorderseite montiert oder an der Rückseite montiert sind.
Dies schafft niedrigere Kosten und eine verbesserte Zuverlässigkeit
des Viskoselüfterantriebsmechanismus und -systems. Garantiekosten
könnten auch verringert werden, da die elektronischen Komponenten
einsatzfähiger sind und weniger Komponenten erforderlich
sind.
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Der
Viskoselüfterantriebsmechanismus gemäß der
vorliegenden Erfindung ist auch leichter am Fahrzeug zu montieren.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ferner die axiale Länge
des Viskoselüfterantriebsmechanismus nicht weniger als
50–60 Millimeter verringert. Dies kann in Fahrzeugen, die
einen begrenzten Platz im Motorraum aufweisen, wichtig sein. Außerdem
verwendet die Rücklaufsteuerung einen Ventilmechanismus
mit niedriger Geschwindigkeit, der gegenüber vorherigen
Viskoselüfterantriebssystemen ein Vorteil und eine Verbesserung
ist.
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Eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet auch
einen integrierten Schlupfdrehzahlsensor. Ein bevorzugter Sensor
dieses Typs ist beispielsweise in der US-Patentanmeldung lfd. Nr. 60/806638,
eingereicht am 6. Juli 2006, deren Offenbarung hiermit durch den Hinweis
hierin aufgenommen wird, gezeigt. Der integrierte Schlupfdrehzahlsensor überwacht
die Kupplungsausgangsdrehzahl mit einer elektromagnetischen Schaltung,
die teilweise aus Komponenten besteht, die mit der Kupplung gemeinsam
sind. Die Schaltungskonfiguration schafft einen Drehzahlsensor,
der die Drehzahldifferenz zwischen dem Kupplungsausgang und dem Kupplungseingang
misst. Wenn sie durch die Steuereinheit (oder einen entfernten Computer)
gemessen wird, wird die Differenzdrehzahl von der Kupplungseingangsdrehzahl
subtrahiert, um die Ausgangsdrehzahl zu bestimmen.
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Für
die elektromagnetische Schaltung ist ein Sensorpolbauteil 41 zusammen
mit einer Hall-Effekt-Vorrichtung (HED) 110 oder einer
anderen magnetischen Erfassungsvorrichtung vorgesehen. Die HED 110 ist
am Ende eines Flusskonzentrators 111 angeordnet, der am
Spulenbauteil 18 befestigt ist. Dies ist spezieller in 5C und 5D in
Kombination mit 5A, die den Flusspfad B des
Schlupfdrehzahlsensorsystems darstellt, gezeigt. Das Polbauteil 41 weist
mehrere Magnetpole 112 auf, die auf dem Umfang um das Innere
eines äußeren Rings 114 angeordnet sind.
Der Flusspfad B weist den HED-Sensor 110, das Hohlwellenbauteil 48,
den Ringmagneten 43, das Polbauteil 41 und das
Nabenbauteil 39 auf.
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Das
Ringmagnetpolbauteil 41 dreht sich mit der Eingangsdrehzahl
relativ zur stationären HED 110. Die abwechselnden
Pole des Ringmagneten 41 erzeugen abwechselnde Richtungen
des Magnetflusses im Magnetkreis proportional zur Differenzdrehzahl
des Eingangs und Ausgangs. Die Differenzdrehzahl ist durch die Differenz
der Drehzahl zwischen dem Polbauteil 41 und dem Ringmagneten 43 bestimmt.
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Ein
weiteres Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die verbesserte Weise, in der das viskose Fluid und
der Viskoseventilmechanismus bei der Kühlung unterstützt
werden. Wie angegeben, ist das Kör perbauteil 40 eine
Gussmetallkomponente, die vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial
besteht, und weist mehrere Rippenbauteile 100 auf, die
an die äußere Oberfläche gegossen sind.
Dies ist insbesondere in 7B gezeigt.
Außerdem dreht sich das Körperbauteil mit der Eingangsdrehzahl,
da es direkt mit dem Riemenscheibenbauteil 16 gekoppelt
ist. Das Reservoir für viskoses Fluid dreht sich wiederum
mit derselben Eingangsdrehzahl. Das Fluidreservoir ist folglich
bei der vorliegenden Erfindung ebenso mit den Kühlrippen
des Körperbauteils verbunden und wird durch den Effekt
der Kühlrippen auf einer niedrigeren Temperatur gehalten.
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Mehrere Öffnungen 120,
die ”Lüftungs”-Öffnungen genannt
werden, im Riemenscheibenbauteil, wie in 7A gezeigt,
unterstützen beim Ermöglichen, dass die Luftströmung
leichter über die Kühlrippen strömt.
Wie in 7A gezeigt, sind vier vergrößerte Öffnungen 120 vorgesehen
und die Luftströmung ist durch Pfeile 115 dargestellt.
Selbstverständlich können irgendeine Größe
und Anzahl von Öffnungen vorgesehen werden, jedoch solange
die Festigkeit und Haltbarkeit des Riemenscheibenbauteils nicht
beeinträchtigt werden. Je größer die Öffnungen sind
oder je größer die Fläche des offenen
Raums im Riemenscheibenbauteil ist, desto größer
ist der Kühleffekt.
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Um
das Riemenscheibenbauteil 16 vom Körperbauteil 40 zu
beabstanden und die Leitung von Wärme vom Körperbauteil
zum Riemenscheibenbauteil zu minimieren, sind außerdem
erhabene Buckel 130 an jeder der Montageöffnungen 132 vorgesehen, wo
das Riemenscheibenbauteil am Körperbauteil durch Schrauben 47 oder
andere Befestigungsvorrichtungen befestigt ist. Dies ist in 7B gezeigt. Dies
minimiert die Leitung von Wärme vom Körperbauteil
zum Riemenscheibenbauteil und umgekehrt.
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Wie
auch in 7B gezeigt, sind außerdem mehrere
Nuten oder Schlitze 140, die auch ”Lüftungs”-Schlitze genannt
werden, an der äußeren Oberfläche des
Körperbauteils 40 vorgesehen und unterstützen
beim Ermöglichen der Luftströmung über
die Kühlrippen 100. Die Luftströmung
strömt durch die Lüftungsöffnungen 120 in
der Riemenscheibe 16 und durch die Lüftungsschlitze 140 im Körperbauteil 40.
Dies ermöglicht, dass die Luftströmung mehr der
Oberfläche der Kühlrippen 100 kontaktiert,
was folglich die Kühlung unterstützt.
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Wie
in 7C gezeigt, ist außerdem eine Anzahl
von Rippenbauteilen 150 innerhalb der Reservoirkammer 70 vorgesehen.
Die Rippenbauteile 150 können durch die Lüftungsschlitze 140 in
der äußeren Oberfläche des Körperbauteils 40 ausgebildet und
geschaffen sein. Die Rippen 150 innerhalb des Reservoirs
für viskoses Fluid unterstützen auch die Wärmeübertragung
von Wärme vom viskosen Fluid zu den Kühlrippen 100 und
folglich zur Atmosphäre innerhalb des Motorraums des Fahrzeugs.
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Ein
weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Viskoselüfterantriebssystems
ist in 6 gezeigt. In dieser Ausführungsform
kann ein Rückschlagventil 90 verwendet werden.
Das Rückschlagventil 90 verhindert einen Rückfluss
und verringert das restliche Kanalfluid. Das Rückschlagventil
weist ein durch eine Feder betätigtes Kolbenbauteil 92 auf, das
durch ein Federbauteil 94 gegen ein Stopfenbauteil 95 vorgespannt
ist. Das Stopfenbauteil 95 wird im Kanal oder in der Bohrung 96 (nachdem
die Bohrung ausgebildet ist) angeordnet, um das Kolbenbauteil und
das Federbauteil in Position zu halten. Das Kanalbauteil 96 weist
ein zugehöriges sekundäres Rücklaufkanalbauteil 97 auf,
das mit der Reservoirkammer 70 in direkter Verbindung steht.
Der Kanal 96 weist auch ein zugehöriges Kanalbauteil
oder einen zugehörigen Durchgang 98 auf, der mit
der Arbeitskammer 74 in direkter Verbindung steht. Der Rückschlagventilmechanismus 90 verbessert
das Ansprechen und die Steuerbarkeit des Viskoselüfterantriebs.
Er schafft einen kürzeren Füllpfad, was die Steuerbarkeit
aufgrund einer verringerten Fluidfüllverzögerungszeit
verbessert. Der Wischer ist im Wesentlichen ”umgekehrt” und
verbessert ebenso die Füllrate. Der Rückschlagventilmechanismus 90 verhindert
einen Rückfluss und verringert das restliche Kanalfluid.
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Mit
einem Rückschlagventilmechanismus 90, der im Körperbauteil 40 angeordnet
ist, das sich mit der Eingangsdrehzahl dreht, drängt im
Betrieb die Zentrifugalkraft am Kolbenbauteil 92 das Kolbenbauteil
gegen das Stopfenbauteil 95 und gegen die Kraft des Federbauteils 94 nach
außen. Unter dieser Bedingung besteht ein direkter Strömungspfad
durch die Kanalbauteile 98 und 97 von der Arbeitskammer zum
Fluidreservoir. Wenn sich der Viskoseantriebsmechanismus in der
eingerückten Position befindet und sich das Lüfterbauteil
dreht, besteht folglich eine kontinuierliche Strömung von
Fluid vom Reservoir zur Arbeitskammer und zum Reservoir zurück.
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Wenn
der Motor ausgeschaltet ist oder sich nicht in Betrieb befindet,
spannt das Federbauteil 94 das Kolbenbauteil 92 in
eine Position radial einwärts vor, wie durch das Pfeilelement 99 in 6 gezeigt. Das
Kolbenbauteil 92 schließt das Ende des Kanals oder
Durchgangs 98, was folglich verhindert, dass das viskose
Fluid aus dem Fluidreservoir in die Arbeitskammer ausläuft.
Dies unterstützt das Schaffen eines ruhigeren Starts des
Motors.
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Mit
weniger Komponenten besitzt der Viskoselüfterantrieb gemäß der
vorliegenden Erfindung weniger Gewicht und weniger Überhangmasse.
Das leichtere Gewicht kann helfen, die Kraftstoffsparsamkeit des
Fahrzeugs zu verbessern, während die geringere Masse, die über
das Montagebauteil hinaus ragt, die Haltbarkeit der Lager und des
Wellenbauteils für die Wasserpumpe oder eine andere zugehörige
Komponente verbessern kann.
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Das
Rotorbauteil 34 besitzt auch ein Rücklaufsystem,
das viskoses Fluid von der Arbeitskammer zur Reservoirkammer in
einer herkömmlichen Weise zurückführt.
Benachbart zum radial äußeren Umfang der Arbeitskammer
ist ein Pumpelement angeordnet, das auch als ”Wischer”-Element
bezeichnet wird (siehe 105 in 7C). Das
Wischerelement wirkt zum Eingriff mit einem sich relativ drehenden Fluid
in der Arbeitskammer und zum Erzeugen eines lokalisierten Bereichs
mit relativ höherem Fluiddruck. Folglich wird eine kleine
Menge an Fluid kontinuierlich von der Arbeitskammer durch einen
Rücklaufkanal wie z. B. den Kanal 75 in den Zeichnungen,
zurück in die Reservoirkammer gepumpt.
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Die
Menge an elektrischer Leistung, die mittels Impulsbreitenmodulation
von der externen Steuereinheit 62 und der Leistungsquelle 64 geliefert
wird, verstärken die Menge an Magnetfluss, der zur Verfügung
steht, um die relative Positionierung des axial beweglichen Ankerventilbauteils 36 zu
steuern. Wie angegeben, empfängt die Steuereinheit einen
Satz von elektrischen Eingangssignalen von verschiedenen Motorsensoren 66,
die verschiedene Motorbetriebsbedingungen überwachen. Die
Nachschlagetabelle in der Steuereinheit bestimmt einen gewünschten
Motorbetriebsbereich für eine gegebene Motordrehzahl. Wenn
ein Eingangssignal von einem der Sensoren in die Steuereinheit anzeigt,
dass die Kühlbedingungen außerhalb des gewünschten
Betriebsbereichs liegen, weist die externe Steuereinheit 62 die
Leistungsquelle 64 als Funktion dieses elektrischen Signals
an, elektrische Leistung zum Spulenbauteil 18 zu senden.
Wenn das Ankerbauteil beispielsweise axial gezogen oder bewegt wird,
wird folglich ein Spalt zwischen dem Ankerbauteil 36 und der
Reservoirplatte 38 geöffnet, was ermöglicht,
dass viskoses Fluid zum Reservoir 70 zurückkehrt.
Dies verringert wiederum die Menge an viskosem Fluid in der Arbeitskammer.
Daher würde sich ein mit dem Ausgangsbauteil gekoppelter
Lüfter langsamer drehen.
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Wenn
die externe Steuereinheit 62 ebenso von einem oder mehreren
der Sensoren 66 feststellt, dass die Motor- oder Motorkühlmitteltemperatur über einem
unerwünscht hohen Bereich liegt, wird kein Signal von der
externen Steuereinheit 62 zur Leistungsquelle 64 und
zur Spule 18 gesandt. Das Ankerventilbauteil 36 wird
folglich in einer Position gehalten, in der der Spalt 80 geschlossen
ist, was eine maximale Fluidströmung vom Fluidreservoir 70 zur
Fluidkammer 72 und zur Arbeitskammer 74 ermöglicht. Dies
schafft eine maximale Drehmomentantwort des Rotors 34,
der wiederum das Lüfterbauteil 14 dreht, um eine
maximale Kühlung für den Kühler zu schaffen,
um das Motorkühlmittel zu kühlen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile gegenüber
derzeit erhältlichen an der Vorderseite und der Rückseite
betätigten Viskoselüfterantrieben. Der elektrische
Abschnitt des Aktuators ist beispielsweise nicht physikalisch am
Lüfterantrieb befestigt, sondern ist vielmehr an einem
stationären Bauteil der Antriebsriemenscheibe montiert.
An sich bestehen kein verdrahteter Kabelstrang und kein Aktuatorlager.
Dies führt zu einer leichteren und weniger kostspieligen
Herstellung, da keine Drähte oder Verbindungselemente vorhanden
sind. Ferner wird die Spule leicht ausgetauscht, was die Wartungs-
und Garantiekosten senkt.
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Ferner
sind die übrigen Aktuatorkomponenten mit der Motorseite
des Lüfterantriebs einteilig. Dies führt zu einer
geringeren Überhangmasse an den Antriebskomponenten, was
zu einer höheren Systemresonanzfrequenz und möglichen
Verbesserungen der Wasserpumpen- oder Komponentenhaltbarkeit führt.
Dies führt auch zu einer kompakten Packung, die die Fahrzeugkosten
verbessern kann.
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Schließlich
könnte in einer anderen Ausführungsform die Menge
an Impulsbreitenmodulation für die elektrische Spule derart
sein, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, in dem das Ankerventilbauteil 36 den Spalt 80 teilweise
bedeckt. Das erzeugte Magnetfeld wäre geringer als das
Magnetfeld, das erforderlich ist, um das Ankerventilbauteil vollständig
in die zweite Position axial zu verschieben, die den ringförmigen Spalt 80 vollständig öffnet.
Diese Position würde eine teilweise Einrückung
des Rotors 34 und einen Ausgang mit einer unendlichen Anzahl
von mittleren Ausgangsleistungen ermöglichen, um die Menge
an Kühlung, die für den Kühler zur Verfügung
steht, genauer zu steuern.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
hierin gezeigt und beschrieben wurden, kommen dem Fachmann zahlreiche
Variationen und alternative Ausführungsformen in den Sinn.
Folglich ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die hierin
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen begrenzt ist,
sondern stattdessen auf die Bestimmungen der beigefügten
Ansprüche begrenzt ist.
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Zusammenfassung
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Ein
Viskoselüfterantrieb mit einem an der Vorderseite montierten
Lüfter und einer elektrischen Betätigung ohne
verdrahteten Kabelstrang. Die mechanische Baugruppe weist eine umgekehrte
Viskosekupplung, eine Antriebsriemenscheibe und einen geteilten
elektromagnetischen Aktuator auf, wobei der elektrische Abschnitt
an einem stationären Montagebauteil montiert ist. Es ist
ein integrierter Schlupfdrehzahlsensor vorgesehen, um die Ausgangsdrehzahl
zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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