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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsreibungskupplung mit Füllungsregelung für den Kühlluftventilator einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei Flüssigkeitsreibungskupplungen mit Füllungsregelung ist ausreichende Kühlung von großer Bedeutung, da Drehzahländerungen nur durch die innere Reibung in der Flüssigkeit erreicht werden können, was eine große Wärmeentwicklung mit sich bringt.
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Bei einer bekannten, für den Antrieb eines Kühlluftventilators bestimmten Flüssigkeitsreibungskupplung mit Füllungsregelung (DE-AS 12 12 362) ist die von der Brennkraftmaschine angetriebene Antriebswelle fest mit dem scheibenförmigen Innenkörper verbunden, während das Gehäuse, an welchem die Ventilatorflügel angebracht sind, drehbar auf der Antriebswelle gelagert ist. Diese Anordnung hat zur Folge, daß das Gehäuse nur dann umläuft, wenn die Flüssigkeitsreibungskupplung wirksam wird, und auch dann nur nach Maßgabe der Füllung, so daß bei großem Schlupf eine geringe Kühlung des Gehäuses eintritt. Außerdem ist bei dieser bekannten Kupplung der Flüssigkeitssammelraum seitlich neben der Flüssigkeitskammer angeordnet und daher erheblicher Wärmeeinstrahlung von der Kupplungsflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer ausgesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsreibungskupplung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der die in der Kupplungsflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer erzeugte Wärme wirksam abgeführt und von der im Flüssigkeitssammelraum befindlichen Flüssigkeit möglichst ferngehalten wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsreibungskupplung wird die Wärmeabführung gegenüber der bekannten Kupplung dadurch wesentlich verbessert, daß das Gehäuse, welches die Kühlrippen trägt, ständig mit der Antriebsdrehzahl der Antriebswelle angetrieben und dadurch maximal gekühlt wird. Wenn die Kupplung mit Schlupf arbeitet, was bei Kühlungsventilatoren über einen beträchtlichen Zeitraum während des Betriebes der Fall ist, so wird die Flüssigkeit von dem Schöpfelement in den Flüssigkeitssammelraum zurückbefördert, der radial innerhalb des Innenkörpers konzentrisch zu dessen Drehachse und möglichst nahe derselben angeordnet ist. Dadurch ist die in dem Sammelraum befindliche Flüssigkeit soweit wie möglich von dem Bereich entfernt, der beim Schlupf durch Reibung erhitzt wird, so daß insgesamt eine geringere Erwärmung der Flüssigkeit eintritt und zusammen mit der ständigen kräftigen Kühlung des Gehäuses sichergestellt ist, daß eine Alterung der meist aus Öl bestehenden Flüssigkeit verzögert wird. Außerdem wird durch die intensive Kühlung die Verwendung von elastischen, normalerweise wärmeempfindlichen Befestigungselementen für die Ventilatorflügel ermöglicht, wodurch schädliche Vibrationen ausgeschaltet werden.
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Aus der US-PS 34 03 764 ist eine Flüssigkeitsreibungskupplung mit Füllungsregelung bekannt geworden, bei der das Gehäuse den treibenden Kupplungsteil darstellt und beispielsweise mit einer Keilriemenscheibe verbunden ist, während der Innenkörper mit der Abtriebswelle verbunden ist, auf welcher das Gehäuse drehbar gelagert ist. Eine Verwendung dieser Flüssigkeitskupplung für einen Kühlluftventilator scheidet aus, da keine Möglichkeit besteht, die Ventilatorflügel auf der Abtriebswelle zu befestigen und gleichzeitig eine Halterung für die Kupplung vorzusehen. Außerdem ist auch bei dieser Ausführung der Flüssigkeitssammelraum der Flüssigkeitskammer unmittelbar axial benachbart, wodurch wiederum eine starke Erwärmung der in dem Sammelraum befindlichen Flüssigkeit eintritt.
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Schließlich zeigt die US-PS 32 72 188 eine Flüssigkeitskupplung ohne Füllungsregelung zum Antrieb eines Kühlluftventilators, bei welcher das Gehäuse mit einer Antriebsriemenscheibe verbunden ist und die Ventilatorflügel an einem mit dem Innenkörper verbundenen Bauteil angebracht sind. Bei derartigen ungeregelten Flüssigkeitskupplungen ist der Schlupfbereich und damit die Wärmeentwicklung wesentlich geringer als bei Flüssigkeitsreibungskupplungen mit Füllungsregelung, und es ist auch kein Flüssigkeitssammelraum vorhanden, in den ein Teil der Kupplungsflüssigkeit aus der Kupplungskammer übertreten kann. Demzufolge gibt auch dieser Stand der Technik keine Anregung dazu, bei einer Flüssigkeitsreibungskupplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs einerseits eine intensive Kühlung des Gehäuses vorzusehen und andererseits den Flüssigkeitssammelraum so anzuordnen, daß die darin befindliche Flüssigkeit möglichst wenig erwärmt wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Hälfte der Nabe eines Kühlluftventilators entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1, wobei jedoch das Gehäuse weggelassen ist,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlluftventilator,
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Fig. 4 einen Längsschnitt durch die Hälfte der Nabe eines Kühlluftventilators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 5 einen Teilschnitt gemäß Linie V-V in Fig. 4,
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Fig. 6 einen Schnitt ähnlich Fig. 4 in einer anderen Radialebene, wobei das Ventil in der Offenstellung dargestellt ist,
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Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 4 eines dritten Ausführungsbeispieles,
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Fig. 8 einen Teilschnitt ähnlich Fig. 5 gemäß Linie X-X in Fig. 7, und
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Fig. 9 einen Schnitt entsprechend Fig. 6, wobei das Ventil in der Offenstellung ist.
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Es sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Die Flügel 9 des Ventilators sind an einem Ring 10 befestigt, der über zwei Gummiringe 11 an einem Drehkörper 12 angebracht ist. Eine Antriebswelle 13, die mit voller oder halber Maschinendrehzahl angetrieben werden kann, ist mittels Bolzen 14 mit einem Flansch 15 verbunden, an dem ein Gehäuse 16 befestigt ist, das mit dem Flansch 15 eine ringförmige Kammer 17 begrenzt. Das Gehäuse 16 ist mit einer Anzahl von äußeren radialen Kühlrippen 18 versehen. Ein sich nach vorne erstreckender Fortsatz 20 des Gehäuses trägt ein Kugellager 21, in welchem der Drehkörper 12 gelagert ist. Der gesamte Ventilator wird also von der Antriebswelle 13 getragen.
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Der Drehkörper 12 ist mit einer in der Kammer 17 angeordneten zentralen Nabe 26 verbunden, von der sich radial zwei hohle Speichen 27 erstrecken, die mit ihren äußeren Enden einstückig mit einem Ring 28 (siehe Fig. 2) sind. Der Ring 28 bildet zusammen mit Seitenwänden 29, 30 zwei innere Hohlräume 32, 33. Der Ring 28 ist mit einem Ölschöpfer 35 versehen, der eine scharfe Lippe 36 am Umfang des Ringes 28 hat, um Öl aus dem Zwischenraum zwischen dem Ring 28 und der Wand des Gehäuses 16 aufzunehmen und durch eine Bohrung 34 in den Hohlraum 32 zu fördern.
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Jede Speiche 27 enthält ein Flüssigkeits-Steuerventil 40 mit einem Kolben, der mittels eines Halses 41 mit einem Kopf 42 verbunden ist, welcher sich auf einer Druckfeder 43 abstützt, die bestrebt ist, das Ventil radial nach innen auf die Drehachse zu zu verschieben. Wenn das Ventil in seiner radial innersten Lage ist, die in Fig. 2 dargestellt ist, können die Hohlräume 32 und 33 über Öffnungen 44 mit Auslaßkanälen 45 in den Seitenwänden 29 und 30 in Verbindung kommen, so daß die Flüssigkeit in den kleinen Spalt zwischen den Seitenwänden 29, 30 und den benachbarten Wänden des Gehäuses 16 zurückkehren kann.
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Der dargestellte Ventilatorantrieb arbeitet folgendermaßen: Wenn die Drehzahl der Antriebswelle 13 unter einem bestimmten Wert liegt und der Ventilator mit einer vergleichbaren Drehzahl angetrieben wird, überwindet die Feder 43 die Fliehkraft, die auf den Kolben 40 wirkt, und das Ventil wird radial innen gehalten, so daß die Steueröffnungen 44 offen sind und die durch den Schöpfer 35 aufgenommene Flüssigkeit über die Kanäle 45 zu dem Spalt zwischen den Seitenwänden 29, 30 und den benachbarten Wänden des Gehäuses 16 zurückgeführt wird. In diesem Zustand ist die der Nabe 26 und damit dem Ventilatorflügelring 10 erteilte Drehbewegung etwa proportional der Maschinendrehzahl. Wenn die Maschinendrehzahl einen Wert erreicht, bei welchem die auf die Masse des Kolbens 40 wirkende Fliehkraft beginnt, die Kraft der Feder 43 zu überwinden, beginnt der Kolben 40 die Steueröffnungen 44 zu schließen, wodurch der Rückfluß von Öl durch die Kanäle 45 verringert wird. Das Öl in dem Spalt zwischen den Seitenwänden 29, 30 und den diesen gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses 16 wird also in die Hohlräume 32, 33 geführt, wodurch die übertragbare Antriebsleistung sinkt. Die Wirkung ist derart, daß eine im wesentlichen konstante Ventilatordrehzahl erreicht wird, da jede Verringerung der Ventilatordrehzahl ein Öffnen und jede Erhöhung der Ventilatordrehzahl ein Schließen des Ventils 40 zur Folge hat. Die Ventilatordrehzahl ist also auf einen bestimmten Wert begrenzt, der weitgehend unabhängig von der Maschinendrehzahl und auch unabhängig von Temperatur und Viskosität ist. Es sei erwähnt, daß bei der Ausführung von Fig. 1 der die Ventilatorflügel tragende Ring 10 ohne Gefahr einer Beschädigung durch die in dem Gehäuse 16erzeugte Wärme in den Gummiringen 11 gelagert werden kann, da das Gehäuse 16 mit der Antriebswelle 13 verbunden ist, also ständig umläuft, und seine Wärme über die Kühlrippen 18 abgibt.
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Der Kühlluftventilator enthält auch eine temperaturabhängige Einrichtung, die auf jedes der Ventile 40 einwirkt. Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 2 einen Kühler 3 und Kühlflüssigkeitsschläuche 4 und 5. Ein Wärmefühler 6 ist in dem unteren Schlauch 5 angeordnet und betätigt ein pneumatisches Ventil 7, welches die Zufuhr von Druckluft von einer Luftpumpe oder einem Druckluftbehälter 8 über eine flexible Druckleitung 9 zur Ventilatornabe steuert.
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In der Ventilatornabe ist ein pneumatischer Arbeitszylinder 50 angeordnet, der von vorne koaxial zur Drehachse in den Drehkörper 12 eingeschoben werden kann. Dieser Arbeitszylinder 50 enthält einen Kolben 51, der mit einer Kolbenstange 52 verbunden ist, die axial in der Achse des Ventilators verschiebbar ist und mit ihrem inneren Ende über ein Drucklager 53 mit einem Betätigungszapfen 54 verbunden ist. Dieser Zapfen ist schwenkbar mit einem Arm 55 eines Winkelhebels verbunden, der bei 56 drehbar an einem an der zentralen Nabe 26 angebrachten Teil gelagert ist, während der andere Arm 57 des Winkelhebels mit einem Stift 58 zusammenwirkt, der von dem inneren Ende des Ventilkolbens 40 vorsteht. Der Arbeitszylinder 50 ist in axialer Richtung durch ein Drucklager 60 relativ zum Drehkörper 12 festgelegt.
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Wenn die Temperatur des Kühlwassers in der unteren Rückfluß- Schlauchleitung 5 sinkt, wird Druckluft durch die Leitung 9 dem Einlaßanschluß 61 des pneumatischen Arbeitszylinders 50 zugeführt. Die Druckluft übt in dem Arbeitsraum 62 eine Kraft auf den Kolben 51 aus, die eine Verschwenkung des Winkelhebels im Uhrzeigersinn um seinen Drehpunkt 56 zur Folge hat, wodurch der Ventilkolben 40 gegen die Wirkung der Feder 43 radial nach außen geschoben wird und die Kanäle 45absperrt. Dadurch wird verhindert, daß Öl in den Spalt zwischen den Seitenwänden 29, 30 und dem Gehäuse 16 zurückkehrt. Die Flüssigkeitskupplung schlüpft also, und der Ventilator wird mit relativ geringer Drehzahl angetrieben.
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Wenn die festgestellte Temperatur des Kühlwassers in dem Schlauch 5 ansteigt, wird die Druckluftzufuhr abgesperrt und der Arbeitsraum 62 wird evakuiert, so daß der Winkelhebel sich entgegen dem Uhrzeigersinn drehen kann. Dadurch kann sich der Ventilkolben 40 unter der Wirkung der Feder 43 radial nach innen bewegen, wenn die Fliehkraft auf den Ventilkolben 40 dies zuläßt. Bei relativ geringen Geschwindigkeiten sind also die Kanäle 45 offen und die Antriebsdrehzahl des Ventilators ist proportional der Drehzahl der Antriebswelle 13, während bei Erreichen einer vorbestimmten Maschinendrehzahl die Fliehkraft auf den Ventilkolben 40 die Kraft der Feder 43 zum Teil überwindet, so daß die Kanäle 45 teilweise geschlossen werden, und die Drehzahl des Ventilators etwa konstant bleibt. Diese Wirkung ist weitgehend unabhängig von der Viskosität des Öls, da das Ventil in diesen Zuständen in erster Linie auf die Drehzahl anspricht, und zwar unabhängig von anderen Wirkungen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4, 5 und 6 weist das Gehäuse der Ventilatornabe eine vordere und eine hintere Gehäusehälfte 70 bzw. 71 auf, die entlang ihres Umfanges durch Schrauben 72 miteinander verbunden sind und eine innere Flüssigkeitskammer 73 begrenzen. Der Gehäuseteil 70 hat äußere Kühlrippen 74 und weist eine zentrale Öffnung auf, in welcher ein Kugellager 75 angeordnet ist, das eine Ausgangswelle 76 lagert, die einstückig mit einem scheibenförmigen Umlaufkörper 77 ist, der in der Kammer 73 angeordnet ist. Die Welle 76 hat einen Flansch 78 am vorderen Ende des Gehäuses, und die Ventilatorflügel 80 sind zwischen nachgiebigen Gummiringen 81 und 82 angeordnet, die zwischen dem Flansch 78 und einer Frontplatte 83 eingeklemmt sind. In der Mitte des vorderen Endes der Welle 76 und dem ankommenden Luftstrom ausgesetzt ist ein Bimetall-Wärmefühler 85 vorgesehen, der an beiden Enden in einer Klammer 86 verankert ist, die an der Welle 76 befestigt ist. In seiner Mitte ist der Bimetallstreifen 85 mit einem beweglichen Stift 87 verbunden.
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Der scheibenförmige Umlaufkörper 77 ist mit einer Anzahl von radialen Kanälen 90 versehen, die sich von einem zentralen Hohlraum 91 innerhalb der Welle 76 zu Stellen nahe dem Umfang des Umlaufkörpers erstrecken. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist an der Außenfläche des Umlaufkörpers 77 nahe der Öffnung jedes Kanals 90 ein Schöpfer 92 angebracht, dessen Außenkante im geringen Abstand von der inneren Umfangsfläche 93 der Kammer 73 liegt. Bei relativer Drehbewegung des Umlaufkörpers 77 in Richtung des Pfeiles A wird Flüssigkeit von dem Schöpfer 92 nach innen durch den radialen Kanal 90 in den zentralen Hohlraum 91 befördert. Die Flüssigkeit kann durch eine Öffnung 94 in einem beweglichen Ventilkörper 95 in einen Sammelraum 96 fließen, der ebenfalls innerhalb der Welle 76 angeordnet ist. Wenn die Teile in der Fig. 4 gezeigten Lage sind, bewirken die Schöpfer 92, daß die Flüssigkeit in der Kammer 73 nach innen durch die Kanäle 90 in den zentralen Hohlraum 91 und in den Sammelraum 96 fließt. Die Verringerung des Ölvolumens in dem Spalt zwischen dem Umlaufkörper 77 und den benachbarten Wänden der Kammer 73 verringert die viskose Reibung zwischen den beiden Teilen und damit die Drehzahl der Abtriebswelle 76 und der daran angebrachten Ventilatorflügel 80.
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Wenn die von dem die Bimetallstreifen 85 festgestellte Temperatur über einen vorbestimmten Wert steigt, biegt sich der Streifen 85 durch und der Stift 87 bewegt sich unter Wirkung der Feder 99 in Fig. 6 nach rechts. Der tassenförmige Ventilkörper 95 wird durch die Feder 99 nach rechts bewegt und öffnet eine Anzahl von Kanälen 100 (Fig. 6), die in unterschiedlichen radialen Positionen relativ zu den Lagen der Einlaßoder Abflußkanäle 90 um den Hohlraum 91 herum angeordnet sind. In diesem Zustand kann die Flüssigkeit innerhalb des Sammelraumes 96 unter der Wirkung der Fliehkraft nach außen durch die Doppelkanäle 101 in die beiden Spalte an den gegenüberliegenden Seiten des Flansches 77 strömen. Dadurch wird der Reibschluß zwischen den beiden Teilen wiederhergestellt und die Ventilatorflügel werden wieder über die Flüssigkeitskupplung angetrieben.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7, 8 und 9 sind die Hauptbestandteile identisch mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4, 5 und 6, und gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich bezeichnet. Das Grundprinzip ist das gleiche, jedoch besteht folgender Unterschied. Der Schöpfer von Fig. 8 besteht aus einer kleinen gebogenen Metallplatte 110, die an dem Umfang des Umlaufkörpers 77&min; angebracht ist, der in diesem Beispiel einen geringfügig verringerten Außendurchmesser aufweist, so daß keine Notwendigkeit besteht, eine Abflachung an der Stelle vorzusehen, an welcher die Platte 110 befestigt werden soll. Wie in Fig. 5 bewirkt eine relative Drehung des Umlaufkörpers 77&min; in Richtung des Pfeiles A, daß Öl aus dem Spalt zwischen dem Umlaufkörper 77&min; und dem Gehäuse 70&min;, 71&min; durch die radialen Kanäle 90&min; radial nach innen gefördert wird. Die Ventilanordnung zur Steuerung des Rückflusses ist ebenfalls etwas verschieden. Anstelle des tassenförmigen Ventilkörpers 95 von Fig. 4 und 6 ist ein Hebel 112 vorgesehen, der bei 114 drehbar am Umlaufkörper 77&min; befestigt ist und an seinem äußeren Ende einen flachen Abschnitt 115 aufweist, der als Ventilplatte zum Verschließen einer Ventilöffnung 113 dient. Der Betätigungsstift 87&min; wirkt auf den Hebel an einer Stelle nahe dessen Drehpunkt 114, wodurch eine mechanische Übersetzung erreicht wird. In der in Fig. 7 gezeigten Stellung, in welcher der Bimetallstreifen 85&min; nicht verformt ist und der Stift 87&min; in seiner linken Stellung ist, schließt der Endabschnitt 115 des Hebels 112 die Steueröffnung 113, so daß sich das Öl, welches durch die Kanäle 90&min; nach innen gefördert wurde, in dem Raum 96&min; sammelt und das Ölvolumen in dem Spalt zwischen den Teilen 77&min; und 70&min;, 71&min; wie bei dem vorhergehenden Beispiel verringert wird. Wenn der Bimetallstreifen 85&min; einer höheren Temperatur ausgesetzt wird und sich gemäß Fig. 9 verformt, wird der Stift 87&min; unter der Wirkung der Feder 99&min; nach rechts bewegt und der Hebel 112 um seinen Drehzapfen 114 verschwenkt, wie Fig. 9 zeigt, wodurch die Ventilöffnung 113 freigegeben wird. Dadurch kann Öl in den genannten Spalt zurückfließen und die Flüssigkeitskupplung ist wiederhergestellt.
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Es ist ersichtlich, daß der Schöpfer 92, 110 immer dann wirksam ist, wenn eine relative Drehbewegung eintritt, so daß dann eine ständige Strömung von Öl nach innen durch die Kanäle 90, 90&min; stattfindet, solange Öl in dem Spalt vorhanden ist, und die Steuerung des Schlupfes wird durch Steuerung der zu dem Spalt zurückfließenden Flüssigkeit erreicht.
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In den Ausführungen gemäß Fig. 4 bis 9 ist die Regelung der Flüssigkeitskupplung abhängig von der Temperatur der Luft, die über den Ventilator streicht, und nicht von der Temperatur eines Flüssigkeitskreislaufes für die Brennkraftmaschine, jedoch ist die Wirkung vergleichbar, da die Kühlluft, die über den Ventilator streicht, vorher den Kühler 3 passiert hat, so daß ihre Temperatur abhängig ist von der Temperatur des Kühlwassers und auch teilweise von der Umgebungstemperatur. Wenn also die Wassertemperatur über einen bestimmten Wert steigt, steigt auch die Lufttemperatur im Bereich des Ventilators, und der Bimetallstreifen spricht darauf an und bewirkt ein Einrücken der Flüssigkeitskupplung.
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Es sei darauf hingewiesen, daß bei den gezeigten Ausführungsbeispielen die Kühlrippen 18, 74 am Gehäuse angebracht sind, welches direkt mit der Antriebswelle verbunden ist und somit ständig umläuft unabhängig davon, ob die Flüssigkeitskupplung ganz oder gar nicht eingerückt ist, wodurch sich ein optimaler Kühleffekt ergibt. Wie bereits vorher erwähnt, sind das Gehäuse der Flüssigkeitskupplung und die Kühlrippen, die aufgrund der auf die Viskoseflüssigkeit wirkende Energie beträchtlich erhitzt werden könnten, physisch und axial von dem die Ventilatorflügel tragenden Ring getrennt, so daß letzterer ohne Schwierigkeiten in Gummi gelagert werden kann.