DE3122960C2

DE3122960C2 -

Info

Publication number: DE3122960C2
Application number: DE19813122960
Authority: DE
Inventors: Oswald Dipl.-Ing. 8721 Gaedheim De Reis
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Sachs AG
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1981-06-10
Publication date: 1988-07-14
Also published as: DE3122960A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeits-Reibungskupplung, insbesondere für Kühlluftventilatoren von Brennkraftmaschinen, bestehend u. a. aus einem Antriebsteil, einem Abtriebsteil, einem Arbeitsraum mit Scherflächen zwischen beiden Teilen, einer zwischen beiden Teilen vorhandenen Scherflüssigkeit, 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 Vorratsraum zur Überführung der Scherflüssigkeit vorgesehen ist.The invention relates to a fluid friction clutch, in particular for cooling air fans of internal combustion engines u. a. from a drive part, an output part, a Work area with shear surfaces between the two parts, one between both parts of the existing shear fluid, created by a pumping device can be promoted to a pantry, the Pump device consists essentially of a wedge on the Partition between work room and pantry is arranged in protrudes into the work area, opposite the drive or driven part performs a relative movement during operation and through its inclined surface a constriction for the shear fluid in its direction of flow represents and an opening between the inclined surface and the storage room is provided for transferring the shear fluid.

Eine solche Flüssigkeits-Reibungskupplung ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 14 75 327 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 the German patent 14 75 327 known. According to this known Patent specification is to design the wedge of the pumping device that its inclined surface is at an acute angle with the neighboring one Surface forms and adjacent to the theoretical vertex Angle provided the hole for pumping out the shear fluid becomes. Such a pumping device uses the dynamic pressure in the immediate vicinity of the bore mouth.

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 based on the object to create a pump device for a fluid friction clutch, which with the least possible technical effort delivers significantly higher pressure in order to empty the Carry out work area with a corresponding rise in temperature can.

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 Regelvorgänge und ein sicheres Entleeren des Arbeitsraumes von Scherflüssigkeit.This object is achieved by the features of the license plate of the main claim solved. By training a hydrodynamic Lubricating wedge between the bevel of the wedge and the opposite wall part and by the arrangement of the Opening in the area of the highest pressure of the lubricating wedge, namely approximately in the range of 60% to 90% of the length of the projection of the Inclined surface, seen in the direction of flow, is without additional Compared to the prior art, a significant increase in pressure achieved at the point of removal of the shear fluid, so that the emptying speed of the work area is quite considerable can be increased. Like yes from hydrodynamic lubrication theory is known can be quite considerable in such lubricating wedges Pressure forces are built up. Exploiting these powers for regulating a fluid friction clutch in a cooling air fan for an internal combustion engine enables very fast Control processes and safe emptying of the work area from Shear fluid.

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 bereits ein Unterdruck entstehen kann.According to the characterizing part of claim 2, it is readily possible break off the wedge at the end of the inclined surface immediately and with a Paragraph. This is possible because according to the lubricating wedge theory the pressure at this point drops very sharply to zero and shortly afterwards a vacuum can already develop.

Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 3 ist es sinnvoll, den Keilwinkel Alpha etwa im Bereich bis zu 10° 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 Alpha to run in the range up to 10 ° The place is the pressure maximum regardless of the wedge angle alpha - as later is to be explained in more detail - but the pressure itself is from the wedge angle dependent and increases with smaller angles.

Die Bohrung zum Abführen der Scherflüssigkeit kann zur Verkleinerung der Drosselverluste gegen die Strömungsrichtung geneigt ausgeführt werden.The hole for draining the shear fluid can be used for downsizing the throttling losses are inclined towards the flow direction will.

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 dynamische Drücke aller Keile momentenfrei zu einer reinen Axialkraft summieren.The ratio of wedge height to wedge length is preferably in the range from 1: 5 to 1: 30 distributed wedges are arranged so that the middle dynamic pressures of all wedges torque-free to a pure axial force sum up.

Die Schrägfläche 4 des Keiles 3 kann natürlich in besonders vorteilhafter Weise einteilig aus dem Blechmaterial der Trennwand 2 geprägt sein.The inclined surface 4 of the wedge 3 can of course be molded in one piece from the sheet material of the partition 2 in a particularly advantageous manner.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The individual shows:

Fig. 1 Teillängsschnitt durch eine Flüssigkeits-Reibungskupplung in prizipieller Bauart; Figure 1 partial longitudinal section through a fluid friction clutch in a basic design.

Fig. 2 Schnitt durch die vergrößerte Darstellung der an der Pumpwirkung beteiligten Bauteile mit Druckverlauf über den Keil. Fig. 2 section through the enlarged view of the components involved in the pumping action with pressure curve over the wedge.

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 gegebenenfalls 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 für die Scherflüssigkeit vorgesehen, welche allerdings über 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 Entleeren 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 Scherflüssigkeit 14 vom Arbeitsraum in den Vorratsraum 13 gepumpt wird. In der dargestellten Stellung des Bimetallbügels 15 entsprechend einer niedrigen Umgebungstemperatur ist die Zulauföffnung 18 geschlossen, so daß die Scherflüssigkeit in sehr kurzer Zeit aus dem Arbeitsraum in den Vorratsraum gepumpt wird, so daß die Scherflächen 12 bis zur Öffnung 5 ohne Scherflüssigkeit sind. Dadurch fehlt praktisch die Übertragung eines Drehmomentes vom Läufer 1 auf der Gehäuse 8 und den Ventilatorflügel 11, so daß dieser i. W. durch die Lagerreibung noch angetrieben wird bzw. durch den von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs herrührenden Luftstrom. 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. 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 Flüssigkeits-Reibungskupplung automatisch begrenzt. 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 rotor 1 , which is firmly connected to it, rotates. The housing 8 with the cover 9 is freely rotatably mounted on the shaft 10 and has a fan blade 11 on its outer circumference. The rotor 1 is arranged between the housing 8 and a partition 2 so that it forms shear surfaces 12 with the housing 8 and possibly also with the partition 2 , which can transmit a torque from the shaft 10 to the fan blade 11 in the presence of a shear liquid 14 . These shear surfaces 12 form the so-called work space. The lid 9 is designed as a storage space 13 for the shear liquid 14 , which assumes approximately the position shown when the housing 8 and the lid 9 circulate as a liquid ring. Within this position shown, an inlet opening 18 for the shear liquid is provided in the partition 2 , which, however, can be closed in a temperature-dependent manner via a valve lever 17 depending on the position of the bimetal bracket 15 and with the interposition of a pin 16 . The inlet opening 18 is located in the area of the ring-shaped shear liquid 14 . To empty the working space, which is formed by the shear surfaces 12 , a wedge 3 is arranged on the radially outer periphery of the rotor 1 on the partition 2 , which is explained in more detail in FIG. 2. This wedge 3 has an opening 5 through which shear fluid 14 is continuously pumped from the working space into the storage space 13 upon relative movement between the rotor 1 on the one hand and the housing 8 or the cover 9 on the other hand. In the position shown of the bimetal bracket 15 corresponding to a low ambient temperature, the inlet opening 18 is closed, so that the shear fluid is pumped from the work space into the storage space in a very short time, so that the shear surfaces 12 up to the opening 5 are without shear fluid. This practically lacks the transmission of torque from the rotor 1 on the housing 8 and the fan blade 11 , so that this i. W. is still driven by the bearing friction or by the air flow resulting from the speed of the vehicle. With increasing temperature in the cooling system of the internal combustion engine, assuming that the cooler is arranged in front of the bimetal bracket 15 , as seen in the direction of travel, the bimetal bracket will jump into the dashed position at a predetermined temperature. As a result, the inlet opening 8 is opened and shear liquid 14 can penetrate into the working spaces via this inlet opening and wet the shear surfaces 12 . The torque transmission between the rotor 1 and the housing 8 with the fan blade 11 now begins, so that an increased cooling effect sets in. The slippage between the rotor 1 and the housing 8 or the partition 2 prevents such high speed values that would result in unnecessary noise from the fan blade 11 . At the same time, the power consumption of the fluid friction clutch is 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 1 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: Fig. 2 shows the formation of the wedge 3 for pumping out the shear fluid. The direction of flow of the shear fluid is specified by the arrow F. This is achieved either in that the partition 2 , on which the wedge 3 is arranged, moves with respect to the rotor 1 in the direction of the arrow F or the rotor 1 moves with respect to the partition 2 in the direction of the arrow F. The shear liquid is thus forced into the narrowing gap of the inclined surface 4 of the wedge 3 . A hydrodynamic pressure arises on the inclined surface 4 , the course of which is known from hydrodynamic lubrication theory (e.g. Schlichting: boundary layer theory, 5th edition 1965). This results in the pressure increase in the lubricating wedge using the following formula:

In dieser Formel bedeuten:In this formula:

ρ, νdie Dichte und Zähigkeit der Scherflüssigkeit;Udie Geschwindigkeit,B₁den freien Spalt zwischen dem Läufer 1 und der Trennwand 2 und B₂die Keilhöhe entsprechend dem Absatz 6; αden Winkel, mit dem die Schrägfläche 4 gegenüber der Trennwand 2 aufsteigt; ρ , ν the density and viscosity of the shear liquid; U the speed, B ₁ the free gap between the rotor 1 and the partition 2 and B ₂ the wedge height according to paragraph 6 ; α the angle at which the inclined surface 4 rises relative to the partition 2 ;

Der Wert k gibt das Verhältnis x zu l 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 mündet, in welchem die Werte x₁ und x₂ den Wert von 60% bis 90%, bezogen auf die Gesamtlänge l in Pfeilrichtung F gesehen annehmen. 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 der Bemessung 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 < 0,9 nicht sinnvoll genutzt werden kann, ergibt sich ein besonders günstiger Bereich für die Bemessung B₁ zu B₂ im Bereich zwischen 1,1 und < 5.The value k indicates the ratio x to l according to FIG. 2, where x increases from the beginning of the inclined surface 4 in the direction of the arrow F. From the formula it can be seen that the pressure increase is dependent on two factors in addition to the specific data of the shear liquid and the flow rate. One factor states that the pressure increase increases with a decreasing angle and with a decreasing lubrication gap, and the other factor reflects, among other things, the position of the pressure maximum. This gives the theoretical limit values for the position of the pressure maximum for large values for B ₁ to B ₂ to k = 0.5 and for small values for B ₁ to B ₂ to k = 1. However, it must be taken into account that the limit value of k = 1 is not useful since the pressure drops to zero and even to a negative range immediately behind the end of the inclined surface 4 . The opening 5 for transferring the shear liquid from the work rooms into the storage room is now arranged so that it opens on the inclined surface 4 in an area in which the values x ₁ and x ₂ the value of 60% to 90%, based on the Assume total length l as seen in direction of arrow F. It should be pointed out that according to the hydrodynamic lubrication theory, the dependence of the pressure increase on the inclined surface 4 , based on the inflow velocity, is linear. This gives considerably better preconditions for practical usability than the quadratic dependence of the dynamic pressure on the speed according to the prior art. Since the location of the pressure maximum depends solely on the dimensioning of B ₁ and B ₂, since, as already explained, the value k does not drop below 0.5 and the range of k <0.9 cannot be used sensibly, there is a particularly favorable range for the dimensioning B 1 to B 2 in the range between 1.1 and <5.

Claims

1. Fluid friction clutch, in particular for cooling air fans of internal combustion engines, consisting inter alia of a drive part, an output part, a work space with shear surfaces between the two parts, a shear liquid present between the two parts, which can be conveyed into a storage space by a pump device, the pump device consists essentially of a wedge, which is arranged on the partition between the work area and the storage area, protrudes into the work area, performs a relative movement with respect to the drive or output part during operation and, due to its inclined surface, represents a constriction for the shear liquid in its direction of flow and a bore between Inclined surface and storage space for transferring the shear liquid is provided, characterized in that the shear liquid ( 14 ) between the drive ( 1 ) or driven part ( 2, 8 ) and the inclined surface ( 4 ) of the wedge ( 3 ) has a hydrodynamic lubrication l forms and the opening ( 5 ) within a range (x ₁ to x ₂) from 60% to 90% of the total length (l) of the projection of the inclined surface, viewed in the flow direction F , is arranged.

2. Fluid friction clutch according to claim 1, characterized in that the wedge ( 3 ) at the end of the inclined surface ( 4 ) in the region of the smallest shear liquid gap has a shoulder, preferably of the wedge height (B ₂).

3. A fluid friction clutch according to claims 1 and 2, characterized in that the wedge angle ( α ) is preferably made equal to or less than 45 °.

4. Liquid friction clutch according to claims 1 to 3, characterized in that the opening ( 5 ) is arranged inclined to the direction of flow (F) .

5. Fluid friction clutch according to claims 1 to 4, characterized in that the ratio of wedge height (B ₂) to wedge length (l) is carried out approximately in the range between 1: 5 and 1:30.

6. Fluid friction clutch according to claims 1 to 5, characterized in that a plurality of symmetrically distributed wedges ( 3 ) are arranged on the circumference.

7. A fluid friction clutch according to claims 1 to 6, characterized in that the ratio of B ₁ to B ₂ is preferably between 1.1 and 5.