DE3148182A1

DE3148182A1 - Visko-luefterkupplung mit unterschiedlichen scherspalten

Info

Publication number: DE3148182A1
Application number: DE19813148182
Authority: DE
Inventors: Gerd Ing.(grad.) 8721 Dittelbrunn Brunken
Original assignee: Fichtel and Sachs AG
Current assignee: ZF Sachs AG
Priority date: 1981-12-05
Filing date: 1981-12-05
Publication date: 1983-06-09
Also published as: FR2517775B1; JPS58106230A; FR2517775A1; GB2110797B; GB2110797A

Description

PICHTEL & SA.C HS AG - SC HWEINPURT

PATENT- UND GEBRAUCHSMÜSTERHILPSANMELDÜNG

Visko-Lüfterkupplung mit unterschiedlichen .Scherspalten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Viskose-Lüfterkupplung, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend u. ä. aus einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen _s um eine Drehachse drehenden Eingangsteil, einem um die Drehachse drehenden Ausgangsteil, welches mit dem Lüfterrad verbunden ist, zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil angeordneten Scherspalten, die mit einer Scherflüssigkeit ganz oder teilweise gefüllt werden -können, einer Pumpeinrichtung zum Abpumpen der Scherflüssigkeit aus den Scherspalten in deren radial äußeren Bereichen in einen Vorratsraum sowie temperaturabhängig gesteuerten Zulauföffnungen vom Vorratsraum zu den Scherspalten in deren radial inneren Bereichen,

Eine Viskose-Lüfterkupplung der obengenannten Bauart ist bei-■spielsweise aus der DE-AS 2 8l4 608 bekannt. Nach dieser Schrift ist es bekannt, bei einer Visko-Lüfterkupplung einen scheibenförmigen Läufer zu verwenden, welcher von zwei parallel angeordneten Gehäusewänden umgeben ist, und es ist im Sinne einer gleichen Aufteilung der Drehmomentanteile auf der Vorderseite bzw. auf der Rückseite des Läufers darauf zu achten, daß die Scherspalte auf beiden Seiten etwa gleich groß sind. Dabei bleibt allerdings völlig unberücksichtigt, daß die Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit, ausgehend von den radial inneren Bereichen der Scherspalte, mit zunehmendem Radius erheblich anwächst, da -ja die Umfangsgeschwindigkeit mit steigendem Radius zunimmt, während der Spalt beibehalten wird und somit die Geschwindigkeitsverteilung im Spalt-nach radial außen hin immer ungünstiger wird. Im Extremfall können im radial äußeren Bereich unzulässig hohe Scherkräfte und somit unzulässig hohe Temperaturen in der Scherflüssigkeit entstehen, die kurzfristig die Drehmomentübertragung beeinflussen und langfristig die Scherflüssigkeit zerstören. Weiterhin ist das Leerlaufverhalten einer Viskbse-Lüfterkupplung gemäß dem Stand

der Technik ungünstig, da die im radial äußeren Bereich der Scherspalte angeordnete Pumpeinrichtung nie eine völlige Entleerung erreichen kann (u„ a. infolge des durch die Fliehkraft vorhandenen Gegendruckes der Viskoseflüssigkeit im Vorratsbehälter), so daß die Restmenge der viskosen Flüssigkeit ein relativ hohes Restdrehmoment überträgt, da ja die radial äußeren Bereiche der Spalte benetzt sind und diese naturgemäß einen sehr großen Flächenanteil der gesamt möglichen Übertragungsfläche im großen Außendurchmesserbereicii aufweisen. Weiterhin ist bei der herkömmlichen Bauart das Pumpverhalten bei vollkommen gefüllten Scherspalten zum Zwecke einer schnellen Entleerung recht ungünstig. Der Grund ist darin zu sehen, daß zum Einleiten der Pumpwirkung eine Mindestdrehzahl-Differenz zwischen Läufer und Gehäuse vorhanden sein muß. Hat sich nun nach einer bestimmten Zeit eine teilweise Entleerung der Scherspalte von radial innen ausgehend nach radial außen eingestellt, so wird einerseits ein höherer Flüssigkeitsstand im Ausgleichsbehälter erzeugt, der einen größeren Gegendruck an der Pumpeinrichtung bewirkt und somit der Entleerung prinzipiell entgegenwirkt, und zum anderen hat sich lediglich im radial inneren Bereich der Scherspalte eine Flüssigkeitsverringerung ergeben, wobei gerade in diesen radial inneren Bereichen erst eine geringe Abnahme des übertragbaren Drehmomentes erzielt wird, da ja auch hier die benetzbaren Flächen infolge ihrer kleinen Umfangserstreckungen gering sind. Die Entleerung wird somit nur sehr zögernd einsetzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Viskose-Lufterkupplungen zu vermeiden und eine solche Ausführung zu erstellen, bei welcher eine möglichst gleichmäßige Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit in den Scherspalten erzielt wird und eine Verbesserung des Pumpverhaltens sowie der Leerlaufdrehzahl erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Durch die zunehmende Breite der Scherspalte mit zunehmendem Abstand von der Drehachse wird eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung innerhalb der Scherspalte erzielt und damit auch eine gleichmäßigere Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit erreicht. Gleichzeitig bewirkt man mit dieser Maßnahme eine gleichmäßigere Drehmomentübertragung

zwischen den radial inneren und den radial äußeren Bereichen der Scherspalte, da ja das übertragbare Drehmoment einmal von flüssigkeitsspezifischen Werten, vom Radius in der vierten Potenz und vom Faktor γ^ , d„ h., umgekehrt proportional zum Scherspalt abhängig ist. Zum dritten wird "durch die größere Spaltbreite im radial äußeren Bereich der Scherspalte, also im Bereich der Pumpeinrichtung, das prinzipiell nicht zu umgehende Restmoment so verkleinert, daß die Leerlaufdrehzahl der ViSkose-Lüfterkupplung stark abgesenkt werden kann. Die gleichmäßigere Scherbelastung der Scherflüssigkeit in den Spalten vermeidet mögliche überbeanspruchung der Scherflüssigkeit vor allem im radial äußeren Bereich und führt entweder zur Verlängerung der Lebens-' dauer der Scherflüssigkeit oder ermöglicht eine kompaktere Bauweise der gesamten Kupplung, da im gesamten Bereich der Scherspalte gleichmäßig an die vertretbaren Höchstbelastungen herangegangen werden kann. Die gleichmäßige Drehmomentverteilung, welche schon im Hinblick auf die erzielbare niedrige. .Leerlaufdrehzahl von Vorteil ist, bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich. Durch die gleichmäßigere Drehmomentverteilung werden auch die radial inneren Bereiche der Scherspalte zu einem höheren Drehmomentübertragungsanteil herangezogen. Muß nun die Visko-Lüfterkupplung bei entsprechender Erwärmung von Visko-Plüssigkeit leergepumpt werden, so macht sich schon eine geringe Entleerung, ausgehend von den radial inneren Bereichen, stark im Drehmomentabfall bemerkbar. Hinzu kommt in sehr positiver Weise, daß die radial innen angeordneten, geringen Scherspalte bei der Entleerung einer vorgegebenen Menge von Scherflüssigkeit einen starken Entleerungseffekt aufweisen, da diese geringen Scherspalte auch eine geringe Menge an Scherflüssigkeit aufweisen.

Gemäß Unteranspruch 2 erfolgt die Zunahme der Breite der Scherspalte über die gesamte radiale Erstreckung. Damit wird vor allem eine besonders gleichmäßige Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit erzielt. _.■--,

Gemäß Unteranspruch 3 erfolgt die Zunahme der Breite der Scherspalte vorzugsweise linear. Eine solche lineare Spaltverbreiterung ist herstellungstechnisch besonders einfach und berücksichtigt insbesondere die Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit.

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Gemäß Unteranspruch 4 erfolgt die Verbreiterung der Scherspalte vorzugsweise entsprechend der Zunahme des Abstandes von der Drehachse im gleichen Verhältnis wie die Zunahme des Radius, Damit ist, zumindest von den geometrischen Verhältnissen her gesehen, eine vollkommen gleichmäßige Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit, unabhängig vom Radius, eingehalten.

Gemäß Anspruch 5 erstreckt sich die Zunahme der Scherspalte nur teilweise über den Läufer, und zwar vorzugsweise über einen radial innenliegenden Teilbereich. Durch diese Maßnahme wird zwar bewußt auf eine vollkommen gleichmäßige Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit über den Radius verzichtet, es wird jedoch ganz gezielt eine Verbesserung des Pumpverhaltens der Visko-Lüfterkupplung herbeigeführt - wie bereits erklärt -, während die radial äußeren Teilbereiche entweder parallele Spalte aufweisen können oder aber nach speziellen Gesichtspunkten, beispielsweise für die Leerlaufdrehzahl, eine andere Breitenänderung aufweisen können,

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert;

Die Darstellung zeigt einen teilweise dargestellten Längsschnitt durch eine Visko-Lüfterkupplung bzw. durch deren funktionell wesentlichsten Teile. Um eine gemeinsame Drehachse 1 läuft eine Welle 3 mit einem Läufer 2 als Eingangsteil. Die Welle 3 wird in nicht dargestellter Weise von einem umlaufenden Teil der zugehörigen Brennkraftmaschine angetrieben. Der Läufer 2 ist von einem Gehäuse 4 (Ausgangsteil) umgeben und bildet gegenüber dem Läufer 2 Scherspalte 8. Dabei ist auf jeder Seite des Läufers 2 ein Scherspalt 8 vorgesehen. Im Gehäuse 4 ist weiterhin ein Vorratsraum 6 für Scherflüssigkeit vorgesehen, der durch eine Trennwand 9 vom nächstliegenden Scherspalt 8 abgetrennt ist. Im radial äußeren Bereich des Läufers 2 ist in der Trennwand 9 eine -Pumpeinrichtung 5 vorgesehen, welche in Abhängigkeit von einer Relativdrehzahl zwischen Läufer 2 und Gehäuse 4 Viskose-Flüssigkeit aus den Scherspalten 8 in den Vorratsraum 6 überleitet. Weiterhin ist in einem radial weiter innen liegenden Bereich eine

oder mehrere Zulauföffnungen 7 vorgesehen, die in nicht näher dargestellter Weise thermostatisch verschlossen werden können. Mit dem Gehäuse 4 sind die Lüfterflügel des Lüfters der Brennkraftmaschine verbunden.

Die allgemeine Punktion einer Visko-Lufterkupplung bezüglich ihrer Drehmomentregelung kann vom Stand der Technik her als bekannt vorausgesetzt werden. Wesentlich an der dargestellten Viskö·* Lüfterkupplung ist die Ausbildung der Scherspalte 8. Gemäß der Darstellung weisen die Scherspalte 8 an ihrer radial innersten Begrenzung die Größe t« auf und in ihrem radial äußeren Bereich, der auch mit dem Außendurchmesser des Läufers 2 zusammenfällt, Scherspalte in der Größe von t . Die Scherspalte 8 vergrößern sich somit mit zunehmendem Radius, ausgehend von r. bis zu r ,

X el

Die Vergrößerung der Scherspalte 8 nach radial außen bringt eine gleichmäßigere Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit mit sich. Die Scherrate ergibt sich aus dem Verhältnis von Geschwindigkeit an einer bestimmten Stelle zur Spaltbreite an der gleichen Stelle. So ist beispielsweise bei einem Läufer mit gleichbleibender Breite der Scherspalte: :

Die Scherrate ist somit bei gleichbleibender Spaltbreite ein Wert aus dem Produkt des Radius mit der Umfangsgeschwindigkeit an der entsprechenden Stelle. Damit ergeben sich bei parallelen Scherspalten erheblich höhere Scherraten im radial äußeren Bereich des Läufers. Um diese Scherrate, welche ein Maß für die Scherbelastung und damit auch für die Erwärmung der Scherflüssigkeit darstellt, möglichst übera// gleich zu halten, ist es ratsam, die Scherspalte von innen nach außen zu vergrößern, und zwar etwa gemäß der folgenden Formel:

/r_a '

= konstant Hieraus ergibt sich im.Idealfall:

• ti

^ra ^{: fc}a ^{= r}i ^: * / "***

Im Idealfall sollten sich also im Hinblick auf eine gleichmäßige Scherbeanspruchung die Scherspalte linear im Verhältnis der Radien nach außen hin vergrößern» Eine solche Ausführung ist in der Zeichnung wiedergegeben. Mit dieser gleichmäßigen Scherbeanspruchung der Seherflüssigkeit ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik noch zwei gravierende Vorteile:

1. Das Leerlaufverhalten der Visko-Lüfterkupplung gemäß der vorgeschlagenen Breitenänderung der Scherspalte wird gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessert. Gegenüber einer herkömmlichen Visko-Lüfterkupplung mit der gleichen Drehmomentübertragungsfähigkeit wie mit einer Visko^Kupplung entsprechend der Erfindung sind die Scherspalte im vorliegenden Falle im radial inneren Bereich kleiner und im radial äußeren Bereich größer als nach dem Stand der Technik, Dadurch ergibt sich bei gleicher Restmenge der Seherflüssigkeit im leergepumpten Zustand der Scherspalte 8 durch die größeren Spalte t

im radial äußeren Bereich eine geringere Drehmomentübertragung und somit eine niedrigere Leerlaufdrehzahl des Lüfters, was in jedem Falle im Hinblick auf Geräuscherzeugung und durch die Brennkraftmaschine aufzubringende Verlustenergie vorteilhaft ist.

2. Gleichzeitig ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik ein wesentlich verbessertes Pumpverhalten beim Einleiten des Pumpvorganges zum Entleeren der Scherspalte 8. Die Lüfterkupplung ist bei Norjnalbetrieb der Brennkraftmaschine, d. h., bei ausreichender Kühlung durch den Fahrtwind, nicht im Einsatz, und zu diesem Zweck sind die Scherspalte 8 durch die Pumpeinrichtung 5 bis auf ein Minimum leergepumpt und die Scherflüssigkeit befindet sich im Vorratsraum 6, da die Zulauföffnung 7 durch thermostatische Regelung abgeschlossen ist. Beim Einsatz des Lüfters zur Unterstützung der nicht mehr ausreichenden Fahrtwindkühlung beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten wird die Zulauföffnung 7 geöffnet, so daß aus dem Vorrat sraum 9 Scherflüssigkeit in die Scherspalte 8 eindringen kann und dort eine Mitnahme des Gehäuses 4 und des Lüfterflügels ermöglicht. Wird nun durch entsprechende höhere Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges bzw. durch andere Umstände die

Lüfterkupplung nicht mehr zur Unterstützung der Kühlung benötigt, so schließt die Zulauföffnung 7 und die Scherspalte 8 sollen möglichst schnell leergepumpt werden. Ein besonders schnelles Leerpumpen ist auch dann erforderlich, wenn die Brennkraftmaschine im kalten Zustand gestartet wird und die Scherflüssigkeit durch die stehende Lüfterkupplung in der unteren Hälfte gleichmäßig auf die Scherspalte 8 und den Vorrat sraum 6 verteilt war. Bei der vorliegenden Konstruktion ergibt sich nun das wesentlich verbesserte Leerpumpverhalten dadurch, daß bei Änderung des Spiegels von Scherflüssigkeit um den Betrag Δ r, ausgehend von r., eine bestimmte Menge Scherflüssigkeit in den Vorratsraum 6 übergeführt wird, wobei dort der Spiegel der Scherflüssigkeit erhöht wird um den Betrag /1 r . Die Abnahme der Scherflüssigkeit in den Scherspalten 8 um den Betrag Δ, r ergibt eine wesentlich größere Drehmomentabnahme als bei einer Kupplung gemäß dem Stand der Technik, da beim Stand der Technik der Scherspalt t. größer ist als gemäß vorliegender Konstruktion. Weiterhin benötigt eine herkömmliche Kupplung mehr Zeit zum Leerpumpen um das Maß ar, da infolge der größeren Breite der Scherspalte eine größere Menge an Scherflüssigkeit abgepumpt werden muß. Dabei wirkt in beiden Fällen die Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels im Vorrat sraum 6 um den Betragt! r dem Leerpumpvorgang entgegen, wobei beim Stand der Technik der Betrag Δ r größer ausfällt und somit ein höherer Gegendruck entsteht, da ja die wegzupumpende Menge entsprechend l\v größer ist als bei der vorliegenden Konstruktion, ■

Die Veränderung der Spaltbreiten kann entsprechend der Zeichnung durch eine unterschiedliche Dicke des Läufers 2 erzielt werden, es ist jedoch auch möglich, das Gehäuse entsprechend zu verändern oder beide Teile an der Änderung der Scherspalte 8 teilhaben zu lassen. Es ist auch ohne weiteres denkbar, daß lediglich ein Scherspalt zwischen einem Läufer und einer Gehäusewand vorhanden ist, wobei auch hier die prinzipiellen Probleme der Scherbeanspruchung der Scherflüssigkeit vorhanden sind. Es sind am Markt auch solche Lüfterkupplungen bekannt, bei denen der Läufer eine annähernd topfförmige Gestalt aufweist. Die Lehre aus den vorliegenden Ausführungen wird sich dann beim übertragen auf einen

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solchen Topfläufer so darstellen, daß bei einem rein zylindrischen Topf der radial weiter außen gelegene Spalt eine entsprechend größere Breite als der radial innen liegende Spalt aufweist. Desweiteren ist bei konisch ausgeführten Topfläufern der radial äußere Spalt nicht nur größer als der radial innere, sondern er wird genauso wie der radial innere eine zunehmende Spaltbreite mit zunehmendem Radius aufweisen müssen.

Um bestimmte Eigenschaften einer Visko-Lufterkupplung gezielt zu beeinflussen, ist es auch ohne weiteres möglich, gewisse Abstriche in der Forderung nach einer vollkommen gleichmäßigen Scherbeanspruchung - unabhängig vom Radius - zu machen. So ist es beispielsweise möglich, die Zunahme der Scherspalte mehr oder weniger auf den radial inneren Bereich des Läufers zu beschränken, um damit insbesondere ein gutes Leerpumpverhalten zu erzielen. Im radial äußeren Bereich können dann die Scherspalte sowohl parallel bleiben als auch eine Neigung und somit eine Spaltveränderung aufweisen, die geringer oder stärker als im radial inneren Bereich ausgeführt ist. Es ist beispielsweise denkbar, daß im Hinblick auf ein besonders gutes Leerlaufverhalten im radial äußersten Bereich der Scherspalte der Läufer besonders stark konisch ausgebildet ist bzw, das Gehäuse eine entsprechende Form aufweist, so daß dort die Scherspalte stark zunehmen und das Restdrehmoment bei niedrigstem Flüssigkeitsstand in den Scherspalten äußerst niedrig wird. Es ist auch denkbar, daß bestimmte, nicht lineare Änderungen der Scherspalte mit zunehmendem Radius im einen oder anderen Falle Vorteile aufweisen können.

16.11,1981
FRP-2 Ho/whm-

* /ΙΌ-Leerseite

Claims

PICHTEL & SACHS AG - SCHWEINFURT

PATENTANSPRÜCHE

Viskose-Lüfterkupplung, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend u, a. aus einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen, um eine Drehachse drehenden Eingangsteil, einem um die Drehachse drehenden Ausgangsteil, welches mit dem Lüfterrad verbunden ist, zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil angeordneten Scherspalten, die mit einer Scherflüssigkeit ganz oder teilweise gefüllt werden können, einer Pumpeinrichtung zum Abpumpen der Scherflüssigkeit aus den Scherspalten in deren radial äußeren Bereichen in einen Vorratsraum sowie temperaturabhängig gesteuerten Zulauföffnungen vom Vorratsraum zu den Scherspalten in deren radial inneren Bereichen, dad. gek., daß die Scherspalte (8) zumindest über einen Teilbereich ihrer radialen Erstreckung eine zunehmende Breite (t) aufweisen.

2. Viskose-Lüfterkupplung nach Anspruch 1, dad, gek., daß die Scherspalte (8) über ihre gesamte radiale Erstreckung eine zunehmende Breite (t) aufweisen«

3. Viskose-Lüfterkupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dad. gek., daß die Zunahme der Breite (t) der Scherspalte (8) vorzugsweise linear erfolgt.

M. Viskose-Lüfterkupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dad. gek., daß die Zunahme der Breite (t) der Scherspalte (8) vorzugsweise entsprechend der Zunahme des Abstandes von der Drehachse CD erfolgt - gemäß der Beziehung i i.

*T" ^ra

5. Viskose-Lüfterkupplung nach Anspruch 1, dad. gek., daß die Scherspalte (8) vorzugsweise über einen radial innen liegenden Teilbereich ihrer Erstreckung eine zunehmende Breite (t) aufweisen.

16.11,1981
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