DE3122960A1

DE3122960A1 - Fluid friction clutch with a pumping device which forms a lubricating wedge

Info

Publication number: DE3122960A1
Application number: DE19813122960
Authority: DE
Inventors: Oswald Dipl.-Ing. 8721 Gädheim Reis
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Sachs AG
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1981-06-10
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE3122960C2

Abstract

The pumping device for emptying the working space of a fluid friction clutch consists of a region between the input and output parts of the friction clutch in which the lubricating wedge is formed. This results in a build-up in the force of the pressure in the shearing fluid in this region, approximately perpendicularly to its direction of flow, a phenomenon familiar from hydrodynamic lubrication theory, and arranged in the region of the maximum of these pressure forces is an opening for carrying the shearing fluid out of the working space into a reservoir space.

Description

Flüssigkeits-Reibungskupplung mit schmierkeilbildender Pumpein-Fluid friction clutch with lubricating wedge-forming pump inlet

richtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeits-Reibungskupplungs insbesondere für Kühlluftventilatoren von Brennkraftmaschinen, bestehend u. a. aus einem Antriebsteil5 einem Abtriebsteilg einem Arbeitsraum mit Scherflächen zwischen beiden Teilen, einer zwischen beiden Teilen vorhandenen Scherflüssigkeft, die durch eine Pumpeinrichtung in einen Vorratsraum gefördert werden kann, wobei die Pumpeinrichtung im wesentlichen. aus einem Keil besteht, der an der Trennwand zwischen Arbeitsraum und Vorratsraum angeordnet ist, in den Arbeitsraum hineinragt, gegenüber Antriebs- oder Abtriebsteil im Betrieb eine Relativbewegung ausführt und durch seine Schrägfläche eine Verengung für die Scherflüssigkeit in deren Strömungsrichtung darstellt und eine Öffnung zwischen Schrägfläche und VoP-ratsraum zur Überführung der Scherflüssigkeit vorgesehen ist.direction The invention relates to a fluid friction clutch in particular for cooling air fans of internal combustion engines, consisting of a. the end a drive part 5 a driven part a work space with shear surfaces between two parts, a shear fluid between the two parts that flows through a pumping device can be conveyed into a storage space, wherein the pumping device essentially. consists of a wedge attached to the partition between the work area and storage space is arranged, protrudes into the work space, opposite the drive or output part executes a relative movement during operation and through its inclined surface represents a constriction for the shear liquid in its flow direction and an opening between the inclined surface and the VoP-advisory space for the transfer of the shear fluid is provided.

Eine solche Flüssigkeits-Reibungskupplung ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 475 327 bekannt. Nach dieser bekannten Patentschrift ist der Keil der Pumpeinrichtung so auszuführen, daß seine Schrägfläche einen spitzen Winkel mit der benachbarten Fläche bildet und benachbart des theoretischen Scheitels dieses Winkels die Bohrung zum Abpumpen der Scherflüssigkeit vorgesehen wird. Dabei nutzt eine solche Pumpeinrichtung den Staudruck in der direkten Umgebung der Bohrungsmündung aus.Such a fluid friction clutch is, for example, from German Patent 1,475,327 known. According to this known patent the wedge of the pumping device so that its inclined surface has a point Forms angle with the adjacent face and adjacent to the theoretical vertex this angle the hole for pumping out the shear fluid is provided. Included Such a pumping device uses the back pressure in the direct vicinity of the bore mouth the end.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Pumpeinrichtung für eine Flüssigkeits-Reibungskupplung zu erstellen, welche bei möglichst. geringem technischen Aufwand einen deutlich höheren.Druck liefert, um ein schnelleres Entleeren des Arbeitsraumes bei entsprechendem Temperaturanstieg durchführen zu können.The present invention is now based on the object of a To create pumping device for a fluid friction clutch, which at if possible. With little technical effort, a significantly higher pressure delivers in order to faster emptying of the work area with a corresponding rise in temperature to be able to perform.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Durch die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierkeiles zwischen der Schrägfläche des Keiles und dem gegenüberliegenden Wandungsteil sowie durch die Anordnung der Öffnung im.Bereich des höchsten Druckes des Schmierkeiles, nämlich etwa im Bereich von 60 % bis 90 % der Länge der Projektion der Schrägfläche, in Strömungsrichtung gesehen, wird ohne zusätzlichen Aufwand gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche Druckerhöhung an der Stelle der Entnahme der Scherflüssigkeit erzielt, so daß die Entleerungsgeschwindigkeit des Arbeitsraumes ganz erheblich gesteigert werden kann. Wie ja aus der hydrodynamischen Schmierungstheorie bekannt. ist, können in solchen Schmierkeilen ganz erhebliche Druckkräfte- aufgebaut werden. Die Ausnutzung dieser- Kräfte zum Regeln einer Flüssigkeits-Reibungskupplung in einem Kühlluftventilator für eine Brennkraftmaschine ermöglicht sehr schnelle Regelvorgnge und ein sicheres Entleeren des Arbeitsraumes von Scherflüssigkeit.According to the invention, this object is achieved by the features of the label of the main claim solved. Through the formation of a hydrodynamic lubricating wedge between the inclined surface of the wedge and the opposite wall part as well by arranging the opening in the area of the highest pressure of the lubricating wedge, namely in the range from 60% to 90% of the length of the projection of the inclined surface, Seen in the direction of flow, it is without additional effort compared to the stand technology, a significant increase in pressure at the point where the shear fluid is removed achieved, so that the emptying speed of the work area is quite considerable can be increased. As known from hydrodynamic lubrication theory. is, very considerable pressure forces can be built up in such lubricating wedges. The use of these forces to regulate a fluid friction clutch in a cooling air fan for an internal combustion engine enables very fast control processes and safe emptying of shear fluid from the working space.

Nach dem Kennzeichen des Anspruches -2 .ist es ohne weiteres möglich, den Keil am Ende der Schrägfläche sofort abzubrechen und mit einem Absatz zu versehen. Dies ist möglich, da nach der Schmierkeiltheorie der Druck an..dieser Stelle sehr steil.auf den Wert Null abfällt und kurz dahinter hereits ein Unterdruck entstehen kann.According to the characteristic of claim -2., It is easily possible to break off the wedge at the end of the inclined surface immediately and to provide it with a shoulder. This is possible because, according to the lubricating wedge theory, the pressure at this point is very high steep. drops to the value zero and shortly thereafter a negative pressure arises can.

Gemaß dem Kennzeichen von Anspruch'3 ist es sinnvoll, den Keilwinkel Alpha etwa im.Bereich bis zu 100 auszuführen. Zwar ist der Ort des Druckmaximums unabhängig vom Keilwinkel Alpha - wie später noch näher zu erläutern ist -, jedoch ist der Druck selbst vom Keilwinkel abhängig und nimmt mit kleineren Winkeln zu.According to the characterizing part of claim 3, it makes sense to use the wedge angle Execute alpha in the range up to 100. True is the location of the pressure maximum regardless of the wedge angle alpha - as will be explained in more detail later -, however the pressure itself depends on the wedge angle and increases with smaller angles.

Die Bohrung zum Abführen der Scherflüssigkeit kann zur Verkleinerung der Drosselverlust gegen die Strömungsrichtung geneigt ausgefahrt werden.The hole for discharging the shear fluid can be reduced in size the throttle loss can be extended inclined against the direction of flow.

Das Verhältnis Keilhöhe zu Keillänge bewegt. sich vorzugsweise im Bereich von 1': 5 bis .1: 30.. Dabei können mehrere am Umfang symmetrisch Verteilte.Keile angeordnet.werden, so daß sich die mittleren dynamischen Drücke aller. Keile momentenfrei zu einer reinen Axialkraft summieren.The ratio of wedge height to wedge length is moving. preferably in Range from 1 ': 5 to .1: 30 .. Several wedges distributed symmetrically around the circumference can be used arranged so that the middle dynamic pressures all. Add the wedges torque-free to a pure axial force.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen im einzelnen: Fig. 1 Teillängsschnitt durch eine Flüssigkeits-Reibungskupplung in prinzipieller Bauart; Fig. 2 Schnitt durch die vergrößerte Darstellung der an der Pumpwirkung beteiligten Bauteile mit Druckverlauf über den Keil Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Flüssigkeits-Reibungskupplung. Im vorliegenden Fall wird die Welle 10 durch die Brennkraftmaschine angetrieben, so daß der mit ihr fest verbundene Läufer 1 umläuft. Das Gehäuse 8 mit dem Deckel 9 ist frei. drehbar auf der Welle 10 gelagert und trägt an seinem Außenumfang einen Ventilatorflügel 11. Der Läufer 1 ist so zwischen das Gehäuse 8 und eine Trennwand 2 angeordnet, daß er mit dem Gehäuse 8 und gegebenen falls auch mit der Trennwand 2 Scherflächen 12 bildet, welche beim Vorhandensein einer Scherflüssigkeit 14 ein Drehmoment von der Welle 10 auf den Ventilatorflügel 11 übertragen können. Dabei bilden diese Scherflächen 12 den sogenannten Arbeitsraum. Der Deckel 9 ist als Vorratsraum 13 für die Scherflüssigkeit 14 ausgebildet, die beim Umlauf des Gehäuses 8 und des.Deckels 9 als Flüssigkeitsring etwa die dargestellte Position einnimmt.- Innerhalb dieser dargestellten Position ist in der-Trennwand 2 eine Zulauföffnung 18 fAr die Scherflüssigkeit vorgesehen, welche allerdings huber einen Ventilhebel 17 in Abhängigkeit von der Stellung des Bimetallbügels 15 und unter Zwischenschaltung eines Stiftes 16 temperaturabhängig verschließbar ist. Die Zulauföffnung 18 befindet sich im.Bereich der sich ringförmig ausbildenden Scherflüssigkeit 14. Zum Entleeo ren des Arbeitsraumes,. der durch die Scherflächen 12 gebildet ist, ist am radial äußeren Umfang des Läufers 1 an der Trennwand 2 ein Keil 3 angeordnet, der in Fig. 2 näher erläutert wird. Dieser Keil 3 weist eine Öffnung 5 auf, durch die -laufend bei Relativbewegung zwischen dem Läufer 1 einerseits und dem Gehäuse 8 bzw. dem Deckel 9 andererseits Scherflüssgikeit 14 vom Arbeitsraum in den Vorrats raum 13 gepumpt wird. In der dargestellten Stellung des Bimetallbügels 15 entsprechend einer niedrigen Umgebungstemperatur ist die Zulauföffnung ia geschlossen., so daß die Scherflüssigkeit in sehr kurzer aus dem Arbeitsraum in den Vorratsraum gepumpt wird, so daß die Scherflächen12yohne Scherssigkeit sind. Dadurch fehlt praktisch die Übertragung eines Drehmomentes vom Läufer 1 auf das Gehäuse 8 und den Ventilatorflügel 11, so daß dieser durch die Lagerreibung noch angetrieben wird bzw. durch den von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs herrührenden Luftstrom.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. In detail: FIG. 1 shows a partial longitudinal section through a fluid friction clutch in principle design; Fig. 2 section through the enlarged view of the the pumping action involved components with pressure curve over the wedge Fig. 1 shows the basic structure of a fluid friction clutch. In the present case the shaft 10 is driven by the internal combustion engine, so that the solid with her connected runner 1 rotates. The housing 8 with the cover 9 is free. rotatable on of the shaft 10 and carries a fan blade 11 on its outer circumference. The rotor 1 is arranged between the housing 8 and a partition 2 that it with the housing 8 and, if necessary, with the partition 2 shear surfaces 12 forms, which in the presence of a shear fluid 14, a torque of the Shaft 10 can be transmitted to the fan blade 11. These form shear surfaces 12 the so-called work area. The cover 9 is used as a storage space 13 for the shear fluid 14 formed, which during the rotation of the housing 8 and des.Deckels 9 as a liquid ring approximately occupies the position shown - within this position shown an inlet opening 18 for the shear fluid is provided in the partition 2, which, however, has a valve lever 17 depending on the position of the Bimetal bracket 15 and with the interposition of a pin 16 temperature-dependent is lockable. The inlet opening 18 is located in the area of the ring forming shear fluid 14. For emptying the work area. the through the shear surfaces 12 is formed is on the radially outer circumference of the rotor 1 the partition 2 is arranged a wedge 3, which is explained in more detail in FIG. This Wedge 3 has an opening 5 through which -laufend with relative movement between the rotor 1 on the one hand and the housing 8 or the cover 9 on the other hand shear fluid 14 from the work area to the store room 13 is pumped. In the illustrated Position of the bimetal bracket 15 corresponding to a low ambient temperature the inlet opening is generally closed., so that the shear fluid in a very short is pumped from the work room into the storage room, so that the shear surfaces 12ywithout Are shear. As a result, there is practically no torque transmission from the Runner 1 on the housing 8 and the fan blade 11, so that this through the Bearing friction is still driven or by the speed of the vehicle resulting airflow.

Mit steigender Temperatur im Kühlsystem der Brennkraftmaschine, wobei vorausgesetzt wird, daß der Kühler in Fahrtrichtung gesehen vor dem Bimetallbügel 15 angeordnet ist, wird bei einer vorgegebenen Temperatur der Bimetallbügel in die gestrichelte Lage springen.With increasing temperature in the cooling system of the internal combustion engine, wherein It is assumed that the cooler is in front of the bimetallic bracket when viewed in the direction of travel 15 is arranged, is at a predetermined temperature of the bimetal bracket in the dashed position jump.

Dadurch wird die Zulauföffnung 8 geöffnet und Scherflüssigkeit 14 kann über diese Zulauföffnung in die Arbeitsräume dringen und die Scherflächen 12 benetzen. Damit setzt nun die Drehmomentübertragung zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 8 mit dem Ventilatorflügel 11 ein, so daß eine erhöhte Kühlwirkung einsetzt. Dabei verhindert der Schlupf zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 8 bzw. der Trennwand 2 solche hohen Drehzahlwerte, welche unnötiges Geräusch.des Ventilatorflügels 11 mit sich bringen würde. Gleichzeitig ist damit auch die Leistungsaufnahme der Fiüssigkeits-Reibungskuppiüng automatisch begrenzt.As a result, the inlet opening 8 is opened and the shear liquid 14 can penetrate through this inlet opening into the work spaces and the shear surfaces 12 wet. This now sets the torque transmission between the rotor 1 and the Housing 8 with the fan blade 11, so that an increased cooling effect begins. This prevents slippage between the rotor 1 and the housing 8 or the partition 2 such high speed values that make unnecessary noise. Of the fan blade 11 would bring with it. At the same time, there is also the power consumption of the liquid friction coupling automatically limited.

Fig. 2 zeigt nun die Ausbildung des Keiles 3 zum Abpumpen der Scherflüssigkeit. Die Strömungsrichtung der Scherflüssigkeit ist mit dem Pfeil F vorgegeben. Dies wird entweder dadurch erreicht, daß sich die Trennwand 2, an welcher der Keil 3 angeordnet ist, gegenüber dem Läufer l entgegen der Richtung des Pfeiles F bewegt oder der Läufer 1. sich gegenüber der Trennwand 2 in Richtung des Pfeiles F bewegt. Somit wird die Scherflüssigkeit in den enger werdenden Spalt der Schrägfläche 4 des Keils 3 hineingezwungen. Auf der. Schrägfläche 4 entsteht dabei ein hydrodynamischer.Druck, dessen Verlauf aus der hydrodynamischen Schmiertheorie her bekannt ist (z. B. Schlichting: Grenzschichttheorie, 5. Auflage 1965). Hieraus ergibt sich die Druckerhöhung im Schmierkeil mit folgender Formel: In dieser Formel bedeuten: die die Dichte und Zähigkeit der Scherflüssigkeit; U die Geschwindigkeit, B1 den freien Spalt zwischen dem Läufer 1 und der Trennwand 2 und B2 die Keilhöhe entsprechend dem Absatz 6; den Winkel, mit dem die Schrägfkläche 4 gegenüber der Trennwand 2 aufsteigt; Der Wert k gibt das Verhältnis x zu 1 gemäß Fig. 2 an, wobei x vom Beginn der Schrägfläche 4 an in Richtung des Pfeiles F ansteigt. Aus der Formel ist ersichtlich, daß die Druckerhöhung außer von den spezifischen Daten der Scherflüssigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit noch von zwei. Faktoren abhängig ist. Der eine Faktor sagt aus, daß die Druckerhöhung mit kleiner werdendem Winkel und mit kleiner werdendem Schmierspalt zunimmt und der andere Faktor gibt u.a. die Lage des Druckmaximums wieder. Dabei ergeben sich die theoretischen Grenzwerte für die Lage des Druckmaximums bei. großen Werten für B1 zu B2 zu k = 0,5 und für kleine Werte für B1 zu B2 zu k = 1. Dabei muß jedoch berücksichtigt werden, daß der Grenzwert von.k = 1 nicht sinnvoll ist, da unmittelbar hinter dem Ende der Schrägfläche 4 der Druck auf Null und sogar in einen negativen Bereich absinkt. Die .Öffnung 5 zur Überführung der Scherflüssigkeit aus den Arbeitsräumen in den Vorratsraum ist nun so angeordnet, daß sie auf der Schrägfläche 4 in einen Bereich mundet, in welchem die Werte xl und x2 den Wert von 60 % bis 90 %9 bezogen auf die Gesamtlänge 1 in Pfeilrichtung F gesehen annehmen.Fig. 2 now shows the design of the wedge 3 for pumping out the shear fluid. The direction of flow of the shear fluid is indicated by the arrow F. This is achieved either in that the partition 2, on which the wedge 3 is arranged, moves opposite the rotor 1 in the opposite direction of the arrow F or the rotor 1 moves in the direction of the arrow F with respect to the partition 2. The shear fluid is thus forced into the narrowing gap in the inclined surface 4 of the wedge 3. On the. Inclined surface 4 creates a hydrodynamic pressure, the course of which is known from hydrodynamic lubrication theory (e.g. Schlichting: Grenzschichttheorie, 5th edition 1965). This results in the pressure increase in the lubricating wedge with the following formula: In this formula: which is the density and viscosity of the shear fluid; U the speed, B1 the free gap between the runner 1 and the partition 2 and B2 the wedge height according to paragraph 6; the angle at which the inclined surface 4 rises relative to the partition 2; The value k indicates the ratio x to 1 according to FIG. 2, with x increasing in the direction of the arrow F from the beginning of the inclined surface 4. From the formula it can be seen that the pressure increase, apart from the specific data of the shear fluid and the flow velocity, also depends on two. Depends on factors. One factor says that the pressure increase increases with a decreasing angle and with a decreasing lubrication gap and the other factor shows, among other things, the position of the pressure maximum. The theoretical limit values for the position of the pressure maximum result from. large values for B1 to B2 to k = 0.5 and for small values for B1 to B2 to k = 1. However, it must be taken into account that the limit value of k = 1 is not sensible because it is immediately behind the end of the inclined surface 4 the pressure drops to zero and even into a negative range. The opening 5 for transferring the shear fluid from the working spaces into the storage space is now arranged so that it opens onto the inclined surface 4 in an area in which the values xl and x2 are 60% to 90% 9 based on the total length 1 as seen in the direction of arrow F.

Dabei ist darauf hinzuweisen, daß gemäß der hydrodynamischen Schmierungstheorie die Abhängigkeit der Druckerhöhung auf der Schrägfläche 4, bezogen auf die Anströmgeschwindigkeit, linear ist. Dies gibt erheblich. bessere Voraussetzungen für die praktische Verwertbarkeit als die quadratische Abhängigkeit des Staudrucks von der Geschwindigkeit. gemäß dem Stand der Technik. Da die Lage des Druckmaximums allein..von derBemessung von B1 und B2 abhängig ist, da weiterhin, wie bereits.dargelegt, der Wert k nicht unter 0,5 absinkt und zudem der Bereich -von k > 059 nicht sinnvoll genutzt werden kann, -ergibt- sich.. ein besonders günstiger Bereich. für die Bemessung B1 und B2 im Bereich zwischen 1,1 und <5.It should be noted that according to the hydrodynamic lubrication theory the dependence of the pressure increase on the inclined surface 4, based on the flow velocity, is linear. This gives considerably. better conditions for practical usability as the quadratic dependence of the dynamic pressure on the speed. according to the state of the art. Since the position of the pressure maximum depends on the dimensioning of B1 and B2 is dependent there furthermore, as already stated, the Value k does not drop below 0.5 and the range -of k> 059 does not make sense can be used, - results - a particularly favorable area. for dimensioning B1 and B2 in the range between 1.1 and <5.

FRP-2 14.05.81 Die Schrägfläche 4 des Keiles 3 kann natürlich in besonders vorteilhafter Weise einteilig aus dem Blechmaterial der Trennwand 2 geprägt sein.FRP-2 05/14/81 The inclined surface 4 of the wedge 3 can of course in particular advantageously be embossed in one piece from the sheet metal material of the partition 2.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims 1. Fluid friction clutch, in particular for Cooling air fans of internal combustion engines, including a drive part, a stripping section, a working space with shear surfaces between the two parts of a between the two parts existing shear fluid, which by a pumping device can be conveyed into a storage space, the pumping direction essentially The one on the partition between the work area and the storage room consists of a wedge S protrudes into the working area, opposite the drive or output part executes a relative movement during operation and a narrowing due to its inclined surface represents for the shear fluid in its flow direction and a hole between Inclined surface and storage space for transferring the shear fluid is provided, dad. gek. that the shear fluid (14) between tween the drive (1) or driven part (2, 8) and the inclined surface (4) of the wedge (3) a hydrodynamic lubricating wedge forms and the opening (5) within a range (x1 to x2) of 60% to 90 % of the total length (1) of the projection of the inclined surface, seen in flow direction F, is arranged.

2. Fluid friction clutch according to claim 1, dad. gek. that the wedge (3) at the end of the inclined surface (4) in the area of the smallest shear fluid gap a shoulder, preferably of the wedge height (B2).

3. Fluid friction clutch according to the. Claims 1 and 2, dad.

gek. That the wedge angle (α) is preferably equal to or smaller than 450 is executed.

4. Fluid friction clutch according to claims 1 to 3, dad.

gek that the opening (5) is arranged inclined against the direction of flow (F) is. 5. Fluid friction clutch according to claims l to 4, dad. gek. That the ratio of wedge height (B2) to wedge length (1) is approximately range between 1: .5 and 1: 30.

6. Fluid friction clutch according to responses 1 to 5, dad. gek. That several on the circumference symmetrically distributed wedges (3) are arranged.

7. Fluid friction clutch according to claims 1 to 6, dad. that the ratio of B1 to B2 is preferably between 1.1 and 5.