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Flüssigkeitsreibungskupplung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsreibungskupplung,
insbesondere für Ausgleichsgetriebe von Kraftfahrzeugen, wie sie im Oberbegriff
des Hauptanspruchs beschrieben ist.
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Solche Flüssigkeitsreibungskupplungen sind in der Lage, Dreh- oder
Kupplungsmomente zu übertragen, sobald die Lamellensätze sich gegeneinander verdrehen.
Verantwortlich hierfür ist die innere Reibung des zähflüssigen Mediums.
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Diese Kupplungen eignen sich daher auch zum teilweisen oder vollständigen
Sperren eines Ausgleichsgetriebes. Sie eignen sich auch allgemein in der Antriebstechnik,
z.B.
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als überlastkupplungen. Das übertragbare Moment verhält sich dabei
reziprok zu dem Lamellenabstand, also es fällt mit größer werdendem Abstand. Das
ist ohne weiteres einsehbar, da bei größerem Lamellenabstand die innere Reibung
zwangsläufig geringer wird. Durch die innere Reibung erwärmt sich - über die Zeit
gesehen - das zähflüssige Medium, und mit dem Temperaturanstieg erhöht sich der
Druck in der Ringkammer. Ein größerer Druck bewirkt aber wiederum eine größere innere
Reibung, die zu einer noch stärkeren Wärmeentwicklung führt. Durch diesen sich aufschwingenden
Kreislauf besteht die Gefahr einer Schädigung der Flüssigkeitsreibungskupplung,
indem das zähflüssige Medium sich überhitzt oder durch erhöhten Druck Leckage an
der Kupplung auftritt und deshalb die Funktionsfähigkeit der Kupplung verloren geht.
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Aus der US-PS 4 040 271 läßt sich eine bekannte Flüssigkeitsreibungskupplung
entnehmen, die der beschriebenen Gefahr mit einem veränderbaren Volumen der Ringkammer
begegnen will. Die Ringkammer wird hier von einer Seite durch einen federbelasteten
Kolben geschlossen. Steigt der Druck in der Ringkammer, verschiebt sich der Kolben
gegen die Kraft der Feder und vergrößert dadurch den Raum für das zähflüssige Medium.
Auf diese Weise wird der Druckanstieg in Grenzen gehalten. Es dürfte jedoch auch
hier eine Schädigung der Flüssigkeitsreibungskupplung bei gewissen Anwendungsfällen
nicht auszuschließen sein. Außerdem wird hier immer ein, wenn auch gemäßigter Temperaturanstieg
über der Zeit zu verzeichnen sein. Mit der Temperatur steigt über die innere Reibung
aber auch das zu übertragende Drehmoment. Es ist daher nicht möglich, die Kupplung
auf ein genau festgelegtes Drehmoment einzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Flüssigkeitsreibungskupplung
so weiterzubilden, daß bei ihr der Temperatur- und Druckanstieg in vertretbaren
Grenzen gehalten wird. Außerdem soll sie auf ein konstantes Moment einstellbar sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
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Bei der neuen Flüssigkeitsreibungskupplung erweitert sich nicht nur
druckabhängig die Ringkammer, sondern es vergrößern sich auch die Lamellenabstände.
Durch größer werdenden Lamellenabstand verkleinert, wie oben bereits erwähnt, sich
die innere Reibung in dem zähflüssigen Medium.
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Dies führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung, bzw. hält je nach
Auslegung die Temperatur konstant. Da der Druck der Temperatur und das Kupplungsmoment
dem Druck folgt, läßt es sich entsprechend der Temperatur steuern. Bei konstanter
Temperatur bleibt es ebenfalls konstant.
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Es ist zweckmäßig, den Lamellenträger antriebsmäßig mit dem Außenkörper
zu verbinden. In diesem Fall läßt sich am Außenkörper in einfacher Weise ein Radialflansch
anbringen, der zwei Aufgaben erfüllt. Einmal stellt er über Durchgangslöcher und
darin eingreifende Bolzen des Lamellenträgers die Antriebsverbindung her. Zum anderen
stützt sich der Lamellenträger über eine Druckfeder an ihm ab.
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Durch die Anzahl der Druckfedern und die Auswahl ihrer Federhärten
und Federcharakteristik läßt sich das Auswandern des Lamellenträgers in axialer
Richtung steuern.
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Desweiteren ist es möglich, Mittel vorzusehen, die den Lamellenträger
bis zu einem gewissen Druck unverändert an seiner Stelle halten, und ihn dann gegen
die Kraft der Druckfedern auswandern zu lassen. Die Mittel können beispielsweise
durch eine Schnappverbindung gebildet sein.
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Die Druckfedern sind nicht auf Schraubenfedern beschränkt.
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Es lassen sich auch Gummifedern oder sonstige bekannte federnde Körper
einzeln oder in Kombination verwenden.
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Ganz allgemein läßt sich sagen, daß sich die Kupplung selbst gegen
Ausfall oder Zerstörung schützt.
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Anschließend ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 den Ausschnitt
einer Flüssigkeitsreibungskupplung nach der Erfindung und Fig. 2 ein Diagramm, in
dem die Beziehungen der einzelnen Größen zueinander dargestellt sind.
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Die Fig. 1 zeigt in geschnittener Darstellung lediglich den sich an
die Kupplungsachse 2 anschließenden oberen Abschnitt einer Flüssigkeitsreibungskupplung
1. Der untere Abschnitt wurde der Einfachheit halber weggelassen. Die Flüssigkeitsreibungskupplung
läßt sich für ein Ausgleichs-
getriebe mit Selbstsperrwirkung eines
Kraftfahrzeuges verwenden. Dabei ist hier an ein Differentialgetriebe für eine Antriebsachse
gedacht. Jedoch kann eine solche Kupplung auch in einem Verteilergetriebe eines
Vierradantriebes vorgesehen sein.
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Die Flüssigkeitsreibungskupplung 1 weist eine geschlossene Ringkammer
auf, die gebildet ist aus einem zylindrischen Innenkörper 3 und einem darüber koaxial
angeordneten und verdrehbar gehaltenen trommelförmigen Außenkörper 4. Zwischen dem
Innenkörper 3 und dem Außenkörper 4 sind Radialwände 5 und 6 vorgesehen. Die Radialwand
6 ist dabei einstückig mit dem Außenkörper 4 verbunden, während die Radialwand 5
einen Abschnitt eines insgesamt mit 7 bezeichneten und weiter unten genauer beschriebenen
Lamellenträgers bildet.
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Die Ringkammer ist nach außen abgedichtet und enthält ein zähflüssiges
Medium, das beispielsweise aus einem Siliconöl bestehen kann. Der Füllungsgrad kann
dabei 100 % betragen.
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Weiter enthält die Ringkammer zwei ineinandergrei-fende Lamellensätze
mit ringförmigen Kupplungslamellen 8 und 9.
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In Fig. 1 ist stellvertretend für jeden Lamellensatz jeweils nur eine
Kupplungslamelle gezeichnet. In Wirklichkeit füllen sie den Raum zwischen den Radialwänden
5 und 6 aus. Desweiteren sind die Kupplungslamellen 8 und 9 abwechselnd aufeinanderfolgend
und mit Abstand zueinander angeordnet. Insgesamt lassen sich die Kupplungslamellen
8, 9 um die Kupplungachse 2 verdrehen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß
die Kupplungsachse sich zugleich als die gemeinsame Drehachse des Innenkörpers 3
und des Außenkörpers 4 darstellt.
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Die Kupplungslamellen 9 stehen über eine Keilverzahnung 10 mit dem
Innenkörper 3 in Antriebsverbindung, während die
Kupplungslamellen
8 über eine entsprechende Verzahnung 11 in einem hohlen Zylinderabschnitt 12 des
Lamellenträgers 7 verdrehfest gehalten sind. Sowohl die Lamellen 8 als auch die
Lamellen 9 lassen sich axial verschieben.
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Der Lamellenträger 7 sitzt verdrehbar und abgedichtet auf dem Innenkörper
3. Mit seinem äußeren Umfang ist er im Außenkörper 4 geführt. Insgesamt läßt sich
der Lamellenträger 7 axial verschieben. Über den Umfang verteilt, weist der Lamellenträger
7 im Bereich seiner Radialwand 5 Bolzen 13 auf, die an ihm durch Schweißen oder
in sonstiger Weise befestigt sind. Die Bolzen 13 greifen in Durchgangsbohrungen
15 eines Radialflansches 16, der wiederum fest mit dem Außenkörper 4 verbunden ist
und zur Kupplungsachse 2 zeigt. Zwischen dem Radialflansch 16 und der Radialwand
5 befindet sich eine Druckfeder 17.
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Die Radialwand 6 verbindet den Außenkörper 4 mit einer Hohlwelle 14,
die wiederum mit einem Endabschnitt in den Innenkörper 3 eingeschoben ist. Diese
Anordnung kann z.B.
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zwischen den beiden Abtriebswellen des Differentialgetriebes angeordnet
sein. Es ist aber genauso gut möglich, die Kupplung zwischen einer Abtriebswelle
und dem Ausgleichskorb vorzusehen.
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Verdrehen sich die Kupplungslamellen 8 und 9 relativ zueinander, so
übertragen sie aufgrund der auftretenden Scherkräfte zunächst einmal ein Moment.
Damit läßt sich die Ausgleichswirkung, die einem Ausgleichsgetriebe innewohnt, teilweise
unterbinden. Das Verdrehen der Kupplungslamellen 8 und 9 bewirkt aber auch eine
Wärmeentwicklung, die einen Druckanstieg zur Folge hat. Durch diesen Druckanstieg
wandert der Lamellenträger 7 in der Fig. 1 nach links. Damit vergrößert sich das
Volumen der Ringkammer und bedingt so einen Druckausgleich. Gleichzeitig aber auch
vergrößert sich der Raum zwischen den beiden Radialwänden 6 und 7, so daß die Lamellen
8 und 9 einen größeren
Abstand zueinander einnehmen und das Moment
abnimmt. Die innere Reibung des zähflüssigen Mediums verringert sich, und die Wärmeentwicklung
wird in Grenzen gehalten.
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Die Fig. 2 zeigt das Verhalten von Temperatur, Kupplungsmoment und
Druck in Abhängigkeit von der Zeit. Dabei ist auf der Abszisse 18 die Zeit aufgetragen
und auf der Ordinate 19 das Kupplungsmoment, der Druck und die Temperatur.
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Die Kurve 20 zeigt den Temperaturverlauf, die Kurve 21 den Momentenverlauf
und die Kurve 22 den Druckverlauf. Die ausgezogenen Linien zeigen den Zustand, wenn
kein Druckausgleich gegeben ist. Hier ist erkennbar, daß bis zu dem Zeitpunkt 23
die Temperatur und der Druck sich langsam vergrößern, ab diesem Z itpunkt jedoch
jäh ansteigen. Das Kupplungsmoment fällt zunächst etwas ab. Der Grund ist darin
zu sehen, daß durch die Wärmeentwicklung das zähflüssige Medium zunächst etwas dünnflüssiger
wird und damit weniger Kupplungsmoment übertragen kann. Ab dem Zeitpunkt 23 steigt
das Kupplungsmoment jedoch ebenfalls steil an.
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Ab dem Zeitpunkt 23 sind Kurvenäste der jeweiligen Verläufe in unterbrochenen
Strichen erkennbar. Diese Kurvenäste zeigen den Zustand, wenn lediglich ein Druckausgleich
stattfindet. Es ist erkennbar, daß der steile Anstieg sowohl der Temperatur, des
Kupplungsmoments und des Druckes abgeschwächt ist.
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Die an den Zeitpunkt 23 sich anschließenden strichpunktierten Kurvenäste
zeigen den Zustand, den man mit einer Flüssigkeitsreibungskupplung nach der Fig.
1 erreicht.
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Hier findet neben dem Druckausgleich auch noch eine Verstellung des
Lamellenabstandes statt. Die Darstellung zeigt deutlich, daß ab dem Zeitpunkt 23
bei entsprechender Dimensionierung der Kupplung und Auswahl des zähflüssigen Mediums
das Moment zu jeder Zeit nahezu konstant gehalten werden kann. Der Einsatz der Kupplung
kann so gestaltet
werden, daß nach Fig. 2 bei Beginn des Druckausgleiches
und der Verstellung des Lamellenabstandes zum und ab Zeitpunkt 23 das Moment höher,
gleich oder geringer ist als zum Zeitpunkt 0.
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Es ist auch möglich, die Kupplung so auszulegen, daß das Moment nach
dem Zeitpunkt 23 noch ansteigt und erst ab einem späteren Zeitpunkt konstant gehalten
wird.
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Die Kurvenverläufe nach Fig. 2 zeigen den Zustand bei einer bestimmten
Differenzdrehzahl der Lamellensätze. Bei unterschiedlichen Differenzdrehzahlen ändern
sich die Kurvenverläufe und es verschiebt sich der Zeitpunkt 23.
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Trotzdem läßt sich bei geeigneter konstruktiver Auslegung das Moment
ab dem sich danach einstellenden Zeitpunkt 23 konstant halten.