DE19533641A1 - Flüssigkeitsreibungskupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsreibungskupplung mit einer auf einer angetriebenen Welle befestigten Antriebs­ scheibe, die in einer Arbeitskammer eines Gehäuses umläuft, das drehbar auf der angetriebenen Welle gelagert und durch eine Trennwand in die Arbeitskammer und in eine dieser vorge­ lagerte Vorratskammer unterteilt ist, die mit der Arbeitskam­ mer über mindestens eine von einem Ventilhebel steuerbare Zu­ lauföffnung und einen Rücklaufkanal in Strömungsverbindung steht.

Flüssigkeitsreibungskupplungen dieser Art sind bekannt (DE 43 44 085 A1). Bei diesen Bauarten, bei denen der Ventilhebel durch einen in die Vorratskammer hereingelegten aber ortsfest gehaltenen Elektromagneten gesteuert wird, tritt, wie bei al­ len Flüssigkeitsreibungskupplungen, das Problem auf, daß der Rückfluß der Arbeitsflüssigkeit, die meistens Silikonöl ist, von der Vorratskammer in die Arbeitskammer nur durch Träg­ heitskräfte bewirkt wird, so daß dieser Rückfluß eine gewisse Grunddrehzahl des Gehäuses voraussetzt, um ausreichende Rück­ strömkräfte hervorzurufen. Bei einer bekannten Bauart einer Flüssigkeitsreibungskupplung beträgt dabei die sogenannte Leerlaufdrehzahl z. B. 700 Umdrehungen pro Minute, weil ei­ gentlich erst bei einer solchen hohen Drehzahl die Gewähr da­ für gegeben ist, daß nach dem Öffnen des Ventilhebels, die Arbeitsflüssigkeit ausreichend schnell in die Arbeitskammer gedrückt wird. Diese verhältnismäßig hohe Leerlaufdrehzahl ist unerwünscht, aber bisher unumgänglich. Diese Leerlauf­ drehzahl bewirkt einen an sich unnötigen Energieverbrauch, der beispielsweise bei üblichen Lüfterkupplungen für Nutz­ fahrzeuge in der Größenordnung von 1 bis 3 kw liegt, die un­ nütz verbraucht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsreibungskupplung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß niedrige Leerlaufdrehzahlen ohne die ge­ fahr einer Beeinträchtigung der Funktion der Kupplung ermög­ licht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Flüssigkeitsrei­ bungskupplung der eingangs genannten Art vorgesehen, daß in die Vorratskammer mindestens eine ortsfest gehaltene Pumpvor­ richtung hereinragt, die die Kupplungsflüssigkeit bei geöff­ netem Ventilhebel schon bei geringen Umdrehungen des Gehäuses durch die Zulauföffnung in die Arbeitskammer drückt. Die Er­ findung geht dabei von der Überlegung aus, daß es möglich ist, die Leerlaufdrehzahl des Kupplungsgehäuses für eine Pumpwirkung auszunützen, wenn der Arbeitskammer z. B. ein stillstehendes Pumpenrad oder Pumpenschaufeln zugeordnet wer­ den. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser Maßnahme die Leer­ laufdrehzahlen deutlich reduziert werden und beispielsweise auf 150 Umdrehungen oder sogar noch niedriger beschränkt wer­ den können. Ein unnötiger Energieverbrauch beim Einsatz der Kupplung als Lüfterkupplung kann auf diese Weise vermieden werden. Es ist auch ein schnelles Zuschalten bei niedriger Luftdrehzahl möglich.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Pumpvorrichtung im Bereich eines Durchmessers angeordnet sein, auf dem auch die Zulauföffnung liegt. Die Pumpwirkung wird dadurch in dem Be­ reich ausgeübt, in dem auch die erwünschte Rückströmung in die Arbeitskammer stattfindet.

In Weiterbildung der Erfindung kann bei einer Flüssigkeits­ reibungskupplung mit einem ortsfest in der Vorratskammer zur Steuerung des Ventilhebels angeordneten Elektromagneten, wie er in der eingangs erwähnten DE 43 44 085 A1 gezeigt ist, in einfacher Weise vorgesehen werden, daß die Pumpvorrichtung am Elektromagneten angebracht wird, so daß eine gesonderte Hal­ terung z. B. für einen Schaufelkranz entfallen kann.

In Weiterbildung der Erfindung kann schließlich in der Trenn­ wand eine innere Zulauföffnung auf einem kleineren Durchmes­ ser als eine zweite äußere Zulauföffnung angeordnet werden und es kann vorgesehen werden, daß der oder die Pumpenflügel radial nur bis zu dem kleineren Durchmesser von der Kupp­ lungsachse abstehen, auf dem die innere Zulauföffnung liegt. Diese Maßnahme eröffnet den großen Vorteil, daß die Pumpen­ schaufeln nur so lange in die Arbeitsflüssigkeit eintauchen und diese durch die erste Zulauföffnung zurückdrücken, bis eine Gehäusedrehzahl erreicht ist, die etwa der Drehzahl ent­ spricht, die man heute als Leerlaufdrehzahl zur Aufrechter­ haltung der Funktion der Kupplung einhält. Zu diesem Zeit­ punkt befindet sich das Niveau des im Gehäuse gebildeten Flüssigkeitskranzes auf einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser auf dem die erste Öffnung liegt, d. h. also auch auf einem Durchmesser, der größer ist als jener, auf dem der oder die Pumpenflügel liegen. Ist daher bei dieser Ausge­ staltung die Drehzahl des Gehäuses erreicht, ab der auch bis­ her schon eine einwandfreie Regelung möglich war, dann tau­ chen die Pumpenflügel nicht mehr in den Flüssigkeitskranz ein. Es wird auf diese Weise verhindert, daß die Pumpenflügel die Flüssigkeit aufrühren und beispielsweise während des Be­ triebes der Kupplung eine Luftflüssigkeitsemulsion bilden können. Die zweistufige Wirkungsweise des Flüssigkeitsrück­ laufes in die Arbeitskammer ist daher besonders vorteilhaft.

In Weiterbildung der Erfindung können schließlich mehrere Pumpenflügel auch einen Schaufelkranz bilden, mit dem die je­ weils gewünschte Rückpumpwirkung besonders vorteilhaft er­ reicht werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von zwei Ausfüh­ rungsbeispielen gezeigt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäß ausgestalte­ ten Flüssigkeitsreibungskupplung in einer ersten Aus­ führungsform,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Schnittes durch die Flüssigkeitsreibungskupplung der Fig. 1 längs der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine Flüssigkeitsreibungskupplung nach der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 ein Diagramm mit der Darstellung der Drehzahl eines mit einer erfindungsgemäßen Kupplung versehenen Lüf­ ters für den Kühler eines Kraftfahrzeuges und

Fig. 5 ein Diagramm, auf dem der Regelungsbereich einer er­ findungsgemäßen Kupplung in einer Darstellung der Drehzahl über der Temperatur schematisch gezeigt ist.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Flüssigkeitsreibungskupplung ge­ zeigt, die aus einer angetriebenen Welle (1), einer drehfest mit dieser Welle verbundenen Antriebsscheibe (2) und aus ei­ nem über das Kugellager (3) drehbar auf der Welle (1) gela­ gerten Gehäuse (4) besteht, das den Abtriebsteil der Kupplung bildet. Das Gehäuse (4) ist mit Hilfe einer Trennwand (5) in einen Vorratsraum (6) und in einen Arbeitsraum (7) unter­ teilt, wobei die Antriebsscheibe (2) im Arbeitsraum (7) um­ läuft der, ebenso wie die Antriebsscheibe (2) im äußeren Be­ reich zur Vergrößerung der Scherflächen für die Arbeitsflüs­ sigkeit mit umlaufenden Rippen (8) versehen ist. Vom Vorrats­ raum (6) aus führt eine Zulauföffnung (9) in den Arbeitsraum (7). Die Zulauföffnung (9) ist in der Darstellung nach Fig. 1 durch einen Ventilhebel (10) verschlossen, der an der Stelle (11) federnd an der Trennwand (5) angebracht ist. Der Ventil­ hebel (10) ist mit einem Anker (12) versehen, dem der Spulen­ körper (13) eines Elektromagneten gegenüberliegt, der wieder­ um ortsfest innerhalb der Vorratskammer (6) gehalten ist. Die Halterung (14) für den Elektromagneten (13) ist über ein Ku­ gellager (15) gegenüber dem Gehäusedeckel (4a) gelagert und sie wird über eine ortsfest angebrachte Stange (16) festge­ halten. Über die Halterung (14) kann auf diese Weise auch die Stromzuführung (17) zum Elektromagneten (13) erfolgen. Wird dieser strombeaufschlagt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, dann wird der Anker (12) angezogen und der Ventilhebel (10) schließt die Zuflußöffnung (9) zum Arbeitsraum (7). In be­ kannter Weise führt ein Rücklaufkanal (18) vom Arbeitsraum (7) wieder in die Vorratskammer (6), so daß ein Kreislauf der Kupplungsflüssigkeit, vorzugsweise Silikonöl, innerhalb der Flüssigkeitsreibungskupplung bewirkt wird, sobald die Zulauf­ öffnung (9) geöffnet ist. Ist der Spulenkörper (13) nicht mit Strom beaufschlagt, dann gibt der Ventilhebel (10) unter Fe­ dervorspannung die Zuflußöffnung (9) frei.

Bei der gezeigten erfindungsgemäßen ausgestalteten Flüssig­ keitsreibungskupplung ist fest mit dem Elektromagneten (13) eine Halterung (19) für einen Schaufelkranz von Pumpenflügeln (20) verbunden, die damit feststehend innerhalb der Vorrats­ kammer (6) angeordnet sind. Diese Pumpenflügel sind dabei, wie auch Fig. 2 zeigt, schräg und so angeordnet, daß bei ei­ ner Drehung des Gehäuses (4) die Kupplungsflüssigkeit im Sinn der Pfeile (21) auf die Schaufeln (20) trifft und zwangsweise dem Bereich der Zulauföffnung (9) zugeführt wird, die sich an der mit dem Gehäuse (4) mit gedrehter Trennwand (5) befindet. Das Gehäuse (4) und die feststehenden Schaufeln (20) bilden so eine Pumpvorrichtung, mit der es möglich ist, nach dem Öffnen der Zulauföffnung (9) die zunächst im Vorratsraum be­ findliche Kupplungsflüssigkeit zwangsweise in den Arbeitsraum (7) hereinzudrücken, auch wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen den Schaufeln (20) und dem Gehäuse (4) relativ ge­ ring ist. Hierauf wird noch bei der Erläuterung der Fig. 4 und 5 eingegangen werden.

Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flüs­ sigkeitsreibungskupplung ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei sind gleiche Teile wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Unterschiedlich zu der Ausführungsform der Fig. 1 ist hier, daß in der Trennwand (5) zusätzlich zu der Zulauföffnung (9) noch eine zweite Zulauf­ öffnung (22) angeordnet ist, die auf einem kleineren Durch­ messer als die Zulauföffnung (9), gemessen an der Drehachse (23) der Kupplung, liegt. Diese innere Zulauföffnung (22) wird ebenfalls vom Ventilhebel (10) verschlossen oder geöff­ net in Abhängigkeit von der Erregung des Elektromagneten (13). Dieser inneren Zulauföffnung (22) gegenüber ist bei der Ausführungsform der Fig. 3 der Kranz aus Pumpenflügeln (24) angeordnet, dessen radial äußerste Erstreckung in einem Durchmesserbereich unmittelbar außerhalb der Zulauföffnung (22) endet.

Um die Wirkung dieser Maßnahme zu verdeutlichen, ist jeweils das Niveau der Kupplungsflüssigkeit innerhalb der Vorratskam­ mer (6) bei verschiedenen Kupplungszuständen dargestellt.

Ist der Arbeitsraum (7) vollständig entleert und befindet sich daher die gesamte Menge der Kupplungsflüssigkeit im Vor­ ratsraum (6) , dann wird sich unter der Voraussetzung einer Drehung des Gehäuses (4) ein Flüssigkeitsring innerhalb der Vorratskammer (6) ausbilden, der sein Niveau (N₁) auf dem kleinsten Radius zur Drehachse (23) hat, der etwas außerhalb des Elektromagneten (13) verläuft. Wird in diesem Zustand der Elektromagnet (13) abgeschaltet, um die Kupplung einzuschal­ ten, dann wird die Kupplungsflüssigkeit bedingt durch die Pumpwirkung zwischen den Pumpenflügeln (24), die feststehen, und der relativ dazu bewegten Flüssigkeit durch die Zuführ­ öffnung (22) und, wenn die Drehzahl ausreichend hoch ist, um aufgrund der Fliehkraftwirkung einen Flüssigkeitstransport zu bewirken, auch durch die Zuführöffnung (9) in die Arbeitskam­ mer (7) eintreten.

Die Fig. 4 zeigt dabei das Verhältnis der Antriebsdrehzahl (n_A), mit der die angetriebene Welle (1) umläuft, zu der Ab­ riebsdrehzahl (n_L) des Gehäuses (4), das üblicherweise, wenn die Kupplung für einen Fahrzeuglüfter eingesetzt wird, am Au­ ßenumfang mit den Lüfterflügeln versehen ist. Mit zunehmender Antriebsdrehzahl steigt daher auch die Drehzahl des Gehäuses (4) gemäß der Linie (25) an, die aufgrund von Reibungsverlu­ sten etwas von der theoretischen Linie (26) abweicht. Die Leerlaufdrehzahl ist mit der Kurve (30) angedeutet.

Die Fig. 5 zeigt demgegenüber das Verhältnis der Gehäusedreh­ zahlen (n_L) zu der die Kupplungsregelung aus lösenden Tempera­ tur (T) . Man kann erkennen, daß die Kupplung ab einer gewis­ sen Temperatur (T₁) die Drehzahl des Gehäuses (4) entlang der Linie (27) bis zu einer maximal erreichbaren Drehzahl hochre­ gelt, was durch das Füllen der Arbeitskammer (7) geschieht. Wird die Arbeitskammer (7) wieder abgelassen, dann bewegt sich die Drehzahl des Gehäuses (4) aufgrund der Hysterese entlang der Kurvenzweige (28, 29) wieder zurück.

In der Fig. 5 ist zusätzlich aber auch noch das jeweilige Ni­ veau der Kupplungsflüssigkeit in der Vorratskammer (6) einge­ zeichnet, das auch in die Fig. 3 eingetragen wurde. Es ist zu erkennen, daß das höchste Niveau (N₁) innerhalb der Vorrats­ kammer (es ist angenommen, daß die Flüssigkeit einen rotie­ renden Kranz bildet) dem Zustand entspricht, in dem der Ar­ beitsraum leer ist und das Gehäuse (4) daher mit einer Mini­ maldrehzahl, die in Fig. 5 mit z. B. 150 Umdrehungen pro Minu­ te angenommen ist, umläuft. Wie eingangs schon erläutert wor­ den ist, würde eine solche geringe Drehzahl nicht ausreichen, um die Kupplungsflüssigkeit durch die Zuführöffnung (9) auf­ grund von Fliehkraftwirkung in den Arbeitsraum (7) schnell eintreten zu lassen. Es hat sich aber gezeigt, daß schon bei so geringen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Gehäuses die ge­ mäß Fig. 3 und natürlich auch gemäß Fig. 1 vorgesehene Pump­ vorrichtung ausreicht, um die Kupplungsflüssigkeit in den Ar­ beitsraum (7) zu drücken.

Geschieht dies, so wird nach einer gewissen Zeit, in der im­ mer mehr Flüssigkeit in die Arbeitskammer eintritt, eine hö­ here Drehzahl, angenommen eine Drehzahl von 700 erreicht sei, was aber wiederum damit verbunden ist, daß im Vorratsraum sich weniger Kupplungsflüssigkeit befindet. Die Kupplungs­ flüssigkeit steht dann, wie in Fig. 3 eingetragen ist, bei­ spielsweise auf dem Niveau (N₂), das in Fig. 5 der angegebe­ nen Drehzahl von z. B. 700 entspricht. Zwischen der Drehzahl von etwa 700 und der Maximaldrehzahl, die bauartbedingt un­ terschiedlich sein kann, spielt sich der Regelvorgang der Kupplung längs der Linie (27) ab, wobei bei vollständig ge­ fülltem Arbeitsraum das Niveau (N₃) erreicht ist, das in Fig. 3 dem dünnsten Flüssigkeitsring in der Vorratskammer (6) ent­ spricht. Ab einer Drehzahl von z. B. 700 kann erfahrungsgemäß die Regelung einer Flüssigkeitsreibungskupplung auch ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht werden.

Aus den Fig. 5 und 3 wird nun aber deutlich, daß es mit der Erfindung möglich ist, die Kupplung unter den Bereich von z. B. 700 Umdrehungen pro Minute herunterzuregeln, ohne be­ fürchten zu müssen, daß die Kupplung dann nicht mehr ord­ nungsgemäß anlaufen kann. Der Bereich zwischen den in Fig. 5 angegebenen Drehzahlbeispielen von 150 und 700, der dem Ni­ veau der Kupplungsflüssigkeit in der Vorratskammer (6) zwi­ schen (N₁ und N₂) entspricht, wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme nach Fig. 3 nun dadurch überbrückt, daß der Schau­ felkranz (24) die Flüssigkeit vom Niveau (N₁) bis etwa zum Niveau (N₂) durch die Zuflußöffnung (22) zwangsläufig drückt, auch wenn die Drehzahl des Gehäuses (4) verhältnismäßig ge­ ring, d. h. zwischen 150 und 700 Umdrehungen pro Minute be­ trägt. Hat das Gehäuse (4) z. B. die Drehzahl von 700 (Fig. 5) erreicht und ist daher das Niveau des Flüssigkeitsringes in der Vorratskammer (6) auf das Maß (N₂) abgesunken, dann tau­ chen die Pumpenflügel (24) des Schaufelkranzes nicht mehr in die Flüssigkeit ein und die Flüssigkeitsreibungskupplung ar­ beitet wie bisher bekannte Kupplungen lediglich mit dem frei­ en Querschnitt der Zulauföffnung (9), die durch die Stellung des Ventilhebels (10) bestimmt ist. Durch die zusätzliche Anordnung der Pumpenflügel (24) allerdings läßt sich die Kupplung auch noch bis in einen Drehzahlbereich herunter be­ treiben, bis zu dem bisher ein Betrieb nicht möglich war. Die neue Flüssigkeitsreibungskupplung kann daher mit Leerdrehzah­ len umlaufen, die um ein Vielfaches niedriger sind als Leer­ laufdrehzahlen, die mit bekannten Flüssigkeitsreibungskupp­ lungen ohne Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit erziel­ bar waren. Dies wiederum führt zu einem wesentlich geringerem Energieverbrauch im Leerlauf.

Claims (6)

1. Flüssigkeitsreibungskupplung mit einer auf einer ange­ triebenen Welle (1) befestigten Antriebsscheibe (2), die in einer Arbeitskammer (7) eines Gehäuses (4) um­ läuft, das drehbar auf der angetriebenen Welle (1) ge­ lagert und durch eine Trennwand (5) in die Arbeitskam­ mer (7) und in eine dieser vorgelagerte Vorratskammer (6) unterteilt ist, die mit der Arbeitskammer (7) über mindestens eine von einem Ventilhebel (10) steuerbare Zulauföffnung (9) und einen Rücklaufkanal (18) in Strö­ mungsverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorratskammer (6) mindestens eine ortsfest gehalte­ ne Pumpvorrichtung (20, 24) hereinragt, die die Kupp­ lungsflüssigkeit bei geöffnetem Ventilhebel (10) be­ reits bei geringen Umdrehungen des Gehäuses (4) durch die Zulauföffnung (9, 22) in die Arbeitskammer (7) drückt.

2. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung (20, 24) im Be­ reich eines Durchmessers angeordnet ist, auf dem auch die Zulauföffnung (9 bzw. 22) liegt.

3. Flüssigkeitsreibungskupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einem ortsfest in der Vorratskammer (6) zur Steuerung des Ventilhebels (10) angeordneten Elektro­ magneten (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvor­ richtung (20, 24) fest am Elektromagneten (13) ange­ bracht sind.

4. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennwand (5) eine innere Zulauföffnung (22) auf einem kleineren Durchmes­ ser als die äußere Zulauföffnung (9) angeordnet ist und daß die Pumpvorrichtung (24) radial nur bis zu dem kleineren Durchmesser von der Kupplungsachse (23) ab­ steht, auf dem die innere Zulauföffnung (22) liegt.

5. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpvorrichtung aus Pumpenflü­ geln (20 bzw. 24) besteht.

6. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pumpenflügel (20 bzw. 24) einen Schaufelkranz bilden.