DE3246783C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsreibungs­ kupplung zum Antrieb eines Kühlluftventilators, bestehend aus einem Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten Trennwand, die einen Arbeitsraum von einem Vorratsraum trennt, einem im Arbeitsraum drehbar gelagerten, angetriebenen Läufer, der mit dem Arbeitsraum Scherspalte bildet, einer Pumpein­ richtung zum Transport von Scherflüssigkeit vom Arbeitsraum in den Vorratsraum, einer Ventileinrichtung in der Trenn­ wand zum Herstellen einer Verbindung zwischen Vorratsraum und Arbeitsraum sowie einem Bimetall an der Außenseite der Gehäuse-Vorderwand, welches der durch den Lüfter der Brenn­ kraftmaschine geführten Kühlluft ausgesetzt ist und beim Überschreiten eines vorgegebenen ersten Temperaturniveaus die Ventileinrichtung öffnet.

Eine Flüssigkeitsreibungskupplung der obengenannten Bauart ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 03 975 bekannt. Bei dieser Flüssigkeitsreibungskupplung wird der Zuschaltgrad bzw. die Höhe des übertragenen Dreh­ momentes durch den Zufluß von Scherflüssigkeit vom Vorrats­ raum in den Arbeitsraum dadurch geregelt, daß das hierfür vorgesehene Ventil durch ein Bimetall auf der Außenseite der Gehäuse-Vorderwand geregelt wird, wobei dieses Bimetall der Kühlluft ausgesetzt ist, die durch den Kühler der Brennkraftmaschine strömt.

Alle Flüssigkeitsreibungskupplungen, die nach diesem Prin­ zip arbeiten, sind so ausgelegt, daß bei maximaler Drehmo­ mentübertragung - unabhängig von der Antriebsdrehzahl - eine relativ niedrige Abtriebsdrehzahl eingehalten bzw. nicht überschritten wird. Eine solche Auslegung führt bei hohen Antriebsdrehzahlen zu hohen Schlupfwerten und zu einer entsprechenden Wärmeentwicklung innerhalb der Flüs­ sigkeitsreibungskupplung. Um das System auch für solche Extremfälle dauerhaft zu gestalten, müßten alle verwendeten Werkstoffe entsprechend temperaturbeständig sein - ein­ schließlich der Scherflüssigkeit - und es müßten darüber hinaus beispielsweise Vorkehrungen getroffen werden, die das ansteigende Lagerspiel wegen der unterschiedlichen Wär­ medehnung begrenzen.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüs­ sigkeitsreibungskupplung zu erstellen, die mit einem Mini­ mum an Aufwand das Entstehen unerwünscht hoher Temperaturen vermeidet, ohne die Betriebseigenschaften zu verschlech­ tern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst. Durch die Anordnung eines zwei­ ten Bimetalls im Gehäuse, welches auf die Innentemperatur anspricht und beim Überschreiten eines zweiten Temperatur­ niveaus die Ventileinrichtung in Schließrichtung beauf­ schlagt, ist sichergestellt, daß die Ausgangsdrehzahl der Flüssigkeitsreibungskupplung abgesenkt wird, was zwar den Schlupf erhöht, jedoch ein Absinken der Leistungsaufnahme und damit ein Absinken der Verlustleistung bewirkt. Da ja bekanntlich diese Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird und abgeführt werden muß und deren Größe ein Maß für die Betriebstemperatur der Flüssigkeitsreibungskupplung ist, wird mit dieser Maßnahme von vornherein ein unerwünschter Temperaturanstieg innerhalb der Flüssigkeitsreibungskupp­ lung unterbunden. Ein typischer Betriebszustand, bei wel­ chem diese hohen Innentemperaturen in der Flüssigkeitsrei­ bungskupplung nach dem Stand der Technik entstehen können, ist dann gegeben, wenn bei hoher Außentemperatur mit sehr hoher Geschwindigkeit längere Zeit gefahren wird. Bei die­ sem Betriebszustand wird einerseits die Flüssigkeitsrei­ bungskupplung nur dann keinen Schaden leiden, wenn sie überdimensioniert ist und ihre Eigenerwärmung abgeführt werden kann. Zum anderen hat sich herausgestellt, daß in diesem Betriebszustand die Flüssigkeitsreibungskupplung nicht zur Unterstützung der Kühlung der Brennkraftmaschine notwendig ist, da einerseits die durch den Kühler geleitete Luftmenge ausreichend groß ist und zum anderen die Umlauf­ geschwindigkeit des Kühlmittels durch die ebenfalls hohe Motordrehzahl die entstehende Wärme schnell genug abführt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es möglich, eine Flüssigkeitsreibungskupplung kleiner und leichter aus­ zuführen als sie nach dem Stand der Technik sein müßte. Trotzdem reicht das übertragene Drehmoment zum Kühlen der Brennkraftmaschine vollkommen aus.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die US-Patent­ schrift 43 51 425 bekannt. Diese Schrift zeigt eine Kon­ struktion, bei welcher der Drehmomentübertragungsgrad von einem außenliegenden Bimetall, welches im direkten Luft­ strom hinter dem Kühler liegt, und einem innenliegenden Bi­ metall, welches von dem in der Brennkraftmaschine zirkulie­ renden Kühlmittel beaufschlagt wird, gesteuert wird. Dabei schaltet das außenliegende Bimetall in Abhängigkeit von seiner Umgebungstemperatur die Flüssigkeitsreibungskupplung nur teilweise zu, wobei in diesem Schaltzustand nur eine mäßige Drehzahlerhöhung am Lüfter wirksam wird, und erst bei zusätzlichem Temperaturanstieg in der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine wird über das innenliegende Bimetall die Flüssigkeitsreibungskupplung voll zugeschaltet. Diese Kon­ struktion hat sich aus der Erkenntnis heraus ergeben, daß es bestimmte Betriebszustände gibt, bei welchen trotz rela­ tiv hoher Temperatur am außenliegenden Bimetall ein volles Zuschalten nicht nötig ist, da das Kühlmittel innerhalb des Kühlkreislaufes noch keine kritische Temperaturstufe er­ reicht hat. Somit wird mit dieser Anordnung erreicht, daß unnötige Leistungsaufnahme durch die Lüfterflügel in den Betriebszuständen, in welchen die Temperatur der Kühlflüs­ sigkeit unterhalb eines vorgegebenen Niveaus angesiedelt ist, vermieden wird. Es ist bei dieser Konstruktion nicht vorgesehen, daß ein innenliegendes Bimetall auf die Innen­ temperatur der Flüssigkeitsreibungskupplung im Sinne der vorliegenden Erfindung reagiert.

Es ist weiterhin aus der deutschen Auslegeschrift 22 12 367 eine Flüssigkeitsreibungskupplung bekannt, bei welcher zu Gunsten eines besseren Kaltstartverhaltens und einer stabi­ len Regelcharakteristik eine Überströmöffnung von einem in­ nenliegenden Bimetall und von einer Fliehkrafteinrichtung beeinflußt wird. Dabei öffnet das Bimetall mit zunehmender Innentemperatur die Überströmöffnung, und die Fliehkraftein­ richtung schließt diese Überströmöffnung rein drehzahlab­ hängig oberhalb eines vorgegebenen Drehzahlniveaus. Auch dieser Stand der Technik kann die Probleme, die zur Kon­ struktion gemäß der Erfindung geführt haben, nicht beseiti­ gen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten des Erfin­ dungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist das zweite Bimetall vorteilhafterweise zwischen Ventil­ hebel und Gehäuse-Vorderwand angeordnet und wirkt bei zu­ nehmender Innentemperatur direkt auf diesen Ventilhebel ein. Damit ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau der Regel­ einrichtung.

Das zweite Bimetall weist in Betätigungsrichtung gesehen etwa die gleiche Kontur wie der Ventilhebel auf und ist mit einer Öffnung zum Durchtritt des Betätigungsstiftes verse­ hen. Durch diese Ausgestaltung kann das zweite Bimetall ebenso wie der Ventilhebel im wesentlichen konzentrisch zur Drehachse angeordnet werden, wodurch sich keine zusätzliche Unwucht beim Umlauf der Flüssigkeitsreibungskupplung er­ gibt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Ventilhebel und das Bimetall zusammen an der gleichen Stelle an der Trennwand befestigt sind. Diese Anordnung ist besonders preiswert und raumsparend auszuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert, wobei die Visko-Lüfterkupplung ganz allgemein als Kupplung bezeichnet wird. Es zeigt im einzelnen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kupp­ lungs;

Fig. 2 bis 4 Prinzipdarstellungen der einzelnen Schalt­ zustände.

Die in Fig. 1 dargestellte Kupplung ist mit ihrer Gehäuse- Rückwand 15 unter Zwischenschaltung eines Wälzlagers 13 drehbar auf der Antriebswelle 14 gelagert. Einteilig mit der Gehäuse-Rückwand 15 sind die nur ansatzweise darge­ stellten Lüfterflügel 12 ausgeführt. Zusammen mit der Gehäuse-Vorderwand 4 wird ein Raum umschlossen, der durch eine Trennwand 6 in einen Arbeitsraum 9 und einen Vorrats­ raum 7 unterteilt ist. Der Arbeitsraum 9 wird durch die Ge­ häuse-Rückwand 15 und die Trennwand 6 definiert und der Vorratsraum 7 durch die Gehäuse-Vorderwand 4 und die Trenn­ wand 6. Der Läufer 17 streckt sich in den Arbeitsraum 9 hinein und ist drehfest mit der Antriebswelle 14 verbunden.

Im Vorratsraum 7 ist an der Trennwand 6 ein Ventilhebel 2 angeordnet, der eine Ventilöffnung 5 in dieser Trennwand 6 öffnen oder schließen kann. In Öffnungsrichtung besitzt er eine Vorspannung. In der Gehäuse-Vorderwand 4 ist ein Betä­ tigungsstift 10 axial verschiebbar angeordnet, der die Be­ wegung eines temperaturempfindlichen Steuerelementes in Form eines Bimetalles 1 auf den Ventilhebel 2 überträgt. Das Bimetall 1 ist auf der Außenseite der Gehäuse-Vorder­ wand 4 und im Abstand von dieser an einem Halter 18 be­ festigt. Zwischen Ventilhebel 2 und Gehäuse-Vorderwand 4 ist ein weiteres temperaturempfindliches Steuerelement in Form eines Bimetalles 3 angeordnet, welches im wesentlichen die Kontur des Ventilhebels 2 aufweist und mit einer Öff­ nung 11 zur Durchführung des Betätigungsstiftes 10 versehen ist. Dieses Bimetall 3 ist ebenfalls zusammen mit dem Ven­ tilhebel 2 an der Trennwand 6 befestigt.

Die prinzipielle Funktionsweise dieser Kupplung ist folgen­ de:

Der Läufer 17 bleibt im Arbeitsraum 9 mit der Gehäuse- Rückwand 15 und der Trennwand 6 Scherflächen 8. Beim Vor­ handensein von Scherflüssigkeit an diesen Scherflächen 8 wird ein bestimmtes Drehmoment vom Läufer 17 auf die Gehäu­ seteile 4, 6 und 15 übertragen, wodurch der Antrieb der Lüfterflügel 12 gewährleistet ist. Diese Kraftübertragung durch die Scherkräfte der Scherflüssigkeit kann bei voll zugeschalteter Kupplung so abgestimmt werden, daß das Dreh­ zahlniveau der Lüfterflügel 12 einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt, selbst dann nicht, wenn die Antriebsdreh­ zahl von der Antriebswelle 14 noch wesentlich höher an­ steigt. Damit wird beispielsweise die Geräuscherzeugung des Lüfterflügels 12 sowie seine Leistungsaufnahme begrenzt. Im radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes 9 ist eine Pump­ einrichtung 16 angeordnet, welche bei Relativdrehzahl zwi­ schen Läufer 17 und Gehäuse 4, 6, 15 kontinuierlich Scher­ flüssigkeit aus dem Arbeitsraum 9 in den Vorratsraum 7 pumpt. Die Drehmomentübertragung der Kupplung kann nun da­ durch gezielt gesteuert werden, daß der Zufluß von Scher­ flüssigkeit aus dem Vorratsraum 7 über die Ventilöffnung 5 zu den Scherflächen 8 gesteuert werden kann. Diese Steue­ rung erfolgt über das Bimetall 1, den Betätigungsstift 10 und den Ventilhebel 2. Das Bimetall 1 ist der durch den Kühler der Brennkraftmaschine streichenden Kühlluft ausge­ setzt und wölbt sich bei steigender Temperatur stärker durch, so daß die Ventilöffnung 5 freigegeben wird und der Lüfterflügel 12 angetrieben wird. Bei abfallender Tempera­ tur streckt sich das Bimetall 1, so daß die Ventilöffnung 5 teilweise oder ganz abgedeckt wird. Da die Pumpeinrichtung 16 immer bei Relativdrehzahl zwischen Läufer 17 und Gehäuse arbeitet, wird somit der Arbeitsraum 9 leergepumpt und eine Drehmomentübertragung unterbunden.

Probleme ergeben sich nunmehr einerseits aus dem Wunsch, die maximale Drehzahl der Lüfterflügel 12 bei voller Dreh­ momentübertragung relativ niedrig einzuregeln und anderer­ seits aus der Tatsache heraus, daß es Brennkraftmaschinen mit sehr hoher Nenndrehzahl gibt. Wird nun bei voll zuge­ schalteter Kupplung längere Zeit im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine gefahren, so werden hohe Schlupfwer­ te zwischen dem Läufer 17 und den Gehäuseteilen 4, 6, 15 erzeugt, und zwar mit entsprechend hoher Wärmeentwicklung. Die Kupplung heizt sich somit selbst auf und es entstehen folgende Probleme:

Die Viskosität der Scherflüssigkeit wird durch die starke Erhitzung herabgesetzt, wodurch die gewünschte Drehmoment­ übertragungsfähigkeit beeinträchtigt wird. Weiterhin wird die Lebensdauer der Scherflüssigkeit durch diese Tempera­ turspitzen stark beeinträchtigt. Sämtliche verwendeten Ma­ terialien der Kupplung müßten für diese hohen Spitzentem­ peraturen ausgelegt sein. Die Spalte an den Scherflächen 8 können nicht mehr exakt eingehalten werden, da üblicherwei­ se verwendete Wälzlager 13 bei größeren Temperaturunter­ schieden zwischen Außen- und Innenring ein größeres Lauf­ spiel erreichen.

Um diesen Problemen von vornherein aus dem Wege zu gehen, wird deshalb ein weiteres Bimetall 3 im Vorratsraum 7 zwi­ schen Gehäuse-Vorderwand 4 und Ventilhebel 2 angeordnet. Es ist daher direkt der im Inneren der Kupplung herrschenden Temperatur ausgesetzt. In dem für die Lüfterkupplung norma­ len Temperaturbereich, d. h., sowohl im ausgeschalteten Zu­ stand als auch bei voll zugeschalteter Kupplung, wird die­ ses Bimetall 3 mit seinem freien Ende durch Eigenspannung an der Gehäuse-Vorderwand 4 anliegen oder zumindest einen derartigen Abstand vom Ventilhebel 2 aufweisen, daß dieser in seiner Funktion nicht beeinträchtigt ist. Erst bei An­ stieg der Betriebstemperatur der Kupplung über ein vorge­ gebenes Maß hinaus wird das Bimetall 3 den Ventilhebel 2 in Richtung auf die Trennwand 6 zu beaufschlagen und damit die Ventilöffnung 5 verengen. Damit kann die Drehmomentübertra­ gungsfähigkeit der Kupplung herabgesetzt werden, wodurch zwar der Schlupf steigt, aber die die innere Temperatur er­ zeugende Verlustleistung stark herabgesetzt wird. Es wird sich ein Gleichgewichtszustand einstellen, bei dem die Lüf­ terleistung zwar reduziert, aber nicht völlig unterbunden ist, wodurch einerseits noch eine Kühlluftleistung erzeugt wird und andererseits die Eigenerwärmung reduziert ist.

Die möglichen Betriebsstellungen der beiden Bimetalle 1 und 3 sind in den Fig. 2 bis 4 schematisch dargestellt. In Fig. 2 ist die Kupplung in vollkommen abgeschaltetem Zu­ stand dargestellt, d. h., das Bimetall 1 wird durch die aus dem Kühler strömende Kühlluft so gering beaufschlagt, daß es seine im wesentlichen gestreckte Stellung beibehält und über den Betätigungsstift 10 den Ventilhebel 2 in Anlage an der Trennwand 6 hält und somit die Ventilöffnung 5 ver­ schließt. Damit wird die Kraftübertragung für den Läufer 17 und die Gehäuseteile 4, 6, 15 unterbunden. Die Temperatur im Inneren der Kupplung ist so niedrig, daß auch das Bime­ tall 3 seine Grundstellung einnimmt, indem es auf der In­ nenseite der Gehäuse-Vorderwand 4 anliegt oder zumindest den Ventilhebel 2 nicht beeinflußt.

Fig. 3 zeigt den voll zugeschalteten Betriebszustand der Kupplung. Durch die Kühllufttemperatur ist das Bimetall 1 stark vorgewölbt und ermöglicht somit dem Ventilhebel 2, seiner eigenen Vorspannung nachzugeben und die Ventilöff­ nung 5 zu öffnen. Dadurch fließt Scherflüssigkeit vom Vor­ ratsraum 7 in den Arbeitsraum 9 und der Lüfterflügel 12 wird mit der vorgegebenen Übertragungsleistung beauf­ schlagt.

Fig. 4 zeigt nun den Schaltzustand, der sich dann ein­ stellt, wenn die Kupplung in voll zugeschaltetem Zustand gemäß Fig. 3 über einen bestimmten Zeitraum mit besonders hohen Antriebsdrehzahlen beaufschlagt wird. Die Betriebs­ temperatur der Kupplung steigt an und bewirkt eine Steuer­ bewegung des Bimetalles 3 in Richtung auf die Ventilöffnung 5 zu. Das Bimetall 3 beaufschlagt somit den Ventilhebel 2 und verringert die Durchflußmenge von Scherflüssigkeit durch die Ventilöffnung 5. Die damit verbundene Absenkung der Drehmomentübertragung bringt eine entsprechende Absen­ kung der Verlustleistung mit sich, so daß sich ein Gleich­ gewichtszustand einstellen kann.

Claims (4)

1. Flüssigkeitsreibungskupplung zum Antrieb eines Kühl­ luftventilators, bestehend aus einem Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten Trennwand, die einen Arbeitsraum von einem Vorratsraum trennt, einem im Arbeitsraum drehbar gelagerten, angetriebenen Läufer, der mit dem Arbeitsraum Scherspalte bildet, einer Pumpeinrichtung zum Transport von Scherflüssigkeit vom Arbeitsraum in den Vorratsraum, einer Ventileinrichtung in der Trenn­ wand zum Herstellen einer Verbindung zwischen Vor­ ratsraum und Arbeitsraum sowie einem Bimetall an der Außenseite der Gehäuse-Vorderwand, welches der durch den Lüfter der Brennkraftmaschine geführten Kühlluft ausgesetzt ist und beim Überschreiten eines vorgegebe­ nen ersten Temperaturniveaus die Ventileinrichtung öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse ein zweites Bimetall (3) angeordnet ist, welches auf die Innentemperatur anspricht und beim Überschreiten eines zweiten Temperaturniveaus die Ventileinrichtung (2, 5) in Schließrichtung beaufschlagt.

2. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1, bei wel­ cher die Ventileinrichtung aus einem Ventilhebel im Vorratsraum und einer Ventilöffnung in der Trennwand besteht und das außenliegende Bimetall über einen Be­ tätigungsstift auf den Ventilhebel einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bimetall (3) zwischen Ventilhebel (2) und Gehäuse-Vorderwand (4) angeordnet ist, direkt auf diesen einwirkt und mit zunehmender Innentemperatur die Ventilöffnung (5) verkleinert.

3. Flüssigkeitsreibungskupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bimetall (3) in Betätigungsrichtung gesehen etwa die gleiche Kontur wie der Ventilhebel (2) aufweist und mit einer Öffnung (11) zum Durchtritt des Betätigungsstiftes (10) des Bimetalles (1) versehen ist.

4. Flüssigkeitsreibungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilhebel (2) und Bimetall (3) zusammen an der gleichen Stelle an der Trennwand (6) befestigt sind.