DE3917506A1

DE3917506A1 - Fluessigkeitsreibungskupplung zur selbsttaetig zu- und abschaltbaren drehmomentuebertragung

Info

Publication number: DE3917506A1
Application number: DE19893917506
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Bung; Martin Dr Laun; Gerd Dr Louis; Franz Dr Schmidt
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1988-06-04
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1989-12-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsreibungskupplung zur selbsttätig, nach Über- oder Unterschreiten einer Drehzahldifferenz von An- und Abtriebsseite der Kupplung, zu- und abschaltbaren Drehmomentübertragung, insbesondere Flüssigkeitsreibungskupplungen zur selbsttätigen Zu- und Abschaltung von Mehrradantrieben in Kraftfahrzeugen.

Bekannt ist durch die DE-OS 24 25 707 eine Vorrichtung zur Übertragung eines variablen Drehmoments mittels einer viskosen Substanz, welche zwischen zwei, relativ zueinander rotierenden Körpern angeordnet ist. Bei viskosen, z. B. newtonschen Substanzen, treten keine als Schalteffekt zu bezeichnende Drehmomentübertragungen auf, da sich die Drehzahldifferenz stetig mit dem Drehmoment ändert.

Eine Flüssigkeitsreibungskupplung, deren Drehmomentübertragung durch Reibungskräfte erfolgt, welche durch Erwärmung einer viskosen Flüssigkeit erzeugt werden, ist durch die DE-OS 36 22 416 bekannt. Neben der stetigen Abhängigkeit von Drehmoment und Differenzdrehzahl bei Verwendung nur viskoser Flüssigkeiten, kann wegen des thermisch trägen Ansprech- und Abklingverhaltens der Drehmomentübertragung auch hierbei nicht von einem Schalteffekt gesprochen werden. Um bei in Kraftfahrzeugen gegebenen Bauvolumen die dafür benötigten Drehmomente übertragen zu können, müssen hochviskose Flüssigkeiten bei zusätzlich kleinen Scher- bzw. Lamellenabständen verwendet werden. Dies führt neben der komplizierten und daher teueren Konstruktion zu erheblichen Anfangsdrehmomenten mit entsprechend permanenter Drehmomentübertragung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsreibungskupplung mit selbsttätig, nach Über- oder Unterschreiten einer Drehzahldifferenz von An- und Abtriebsseite der Kupplung, zu- und abschaltbarer Drehmomentübertragung, insbesondere zur Zu- und Abschaltung von Mehrradantrieben von Kraftfahrzeugen in konstruktiv einfacher Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Derartige, sich über eine Drehzahldifferenz selbsttätig zu- und abschaltende Flüssigkeitskupplungen lassen sich nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zur Drehmomentschaltung von Vorder- und Hinterachse und/oder einer oder mehrerer Einzelachsen in Kraftfahrzeugen verwenden. Sie erlauben eine, ohne Zutun des Fahrers oder eines Hilfsaggregats sich nur im Bedarfs- oder Sicherheitsfall, wie Durchrutschen oder Aquaplaning der Antriebsräder eines Kraftfahrzeuges und der dabei auftretenden Drehzahldifferenz, zuschaltende und nach Unterschreiten derselben wieder abschaltende Drehmomentübertragung auf eine weitere Fahrzeugachse bzw. auf beide Räder einer Achse. Das Abschalten nach einem Bedarfs- oder Sicherheitsfall ermöglicht wieder das normale Antriebs-, Fahr- und Bremsverhalten des Kraftfahrzeuges.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die selbsttätige Drehmomentschaltung durch Integration einer derartigen Flüssigkeitskupplung in ein zwischen Antriebsstrang und zwei Radachsen befindliches Ausgleichsgetriebe, auch Differentialgetriebe genannt, geschaffen.

In den Patentschriften DE 30 25 562 und EP 01 74 566 ist die Herstellung und Grundfunktion dilatanter Copolymerdispersionen beschrieben. Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Kennlinie einer extrem dilatanten Copolymerdispersion und spezieller Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 die charakteristische Kennlinie einer extrem dilatanten Copolymerdispersion,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anwendung als zu- und abschaltbare Flüssigkeitskupplung in Ausbildung als Kardanwelle,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Anwendung als selbsttätig zu- und abschaltbare Drehmomentübertragung in einem Ausgleichsgetriebe einer Kraftfahrzeugachse.

In Fig. 1 ist der, mit einem Kapillarviskosimeter gemessene, charakteristische Schubspannungsverlauf einer extrem dilatanten Copolymerdispersion als Funktion der Schergeschwindigkeit dargestellt. Befindet sich die Dispersion zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden und einen kreisförmigen Scherspalt bildenden Zylinderflächen, ist die Schubspannung dem übertragbaren Drehmoment und die Schergeschwindigkeit der Drehzahl direkt proportional. Die Kennlinie zeigt drei deutlich voneinander getrennte Bereiche:

a) Einen unterkritischen Bereich (γ γ _k) mit niedrigem Schubspannungsniveau,
b) einen kritischen Bereich (γ= γ _k) mit extrem ansteigender Schubspannung (τ τ _max) und
c) einen überkritischen Bereich mit τ<τ _max.

Überraschend wurde die dauerlaststabilisierende Wirkung von (Meth)Allylverbindungen als Polymerisationskomponenten gefunden. Die erfindungsgemäße Dispersion wird durch Emulsionspolymerisation hergestellt. Die nachfolgend genannten Teile beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht des fertigen Polymerisats.

Die Polymeren der Grunddispersion bestehen aus 74,4 Teilen Styrol, 15 Teilen Diallylphthalat, 2 Teilen Ethylacrylat, 5 Teilen Acrylsäure und 2 Teilen Methacrylamid als Comonomere. Als Polymerisationsinitiatoren wurden 0,7 Teile Natriumpersulfat, 0,6 Teile Cumolhydroperoxid und als Emulgator 0,3 Teile Dinatriumdodecyldiphenylätherdisulfonat eingesetzt. Mit 1245 Teilen Wasser führte der Ansatz zu einem Polymerisatgehalt von ca. 45 Gew.-%, bezogen auf die Grunddispersion.

Die Grunddispersion wurde gefriergetrocknet und das getrocknete Pulver zu 62 Teilen, bezogen auf 100 Teile der fertigen Dispersion, in einem wäßrigen Dispergiermittel, in welchem 20 Teile Lithiumchlorid, bezogen auf 100 Teile Dispergiermittel, und 0,87 Teile Lithiumhydroxid, bezogen auf das trockene Pulver, gelöst wurden, redispergiert.

Der extreme Schubspannungsanstieg wird durch die kritische Schergeschwindigkeit γ _k gekennzeichnet und kann zur Schaltung von Schubspannungen bzw. Drehmomenten genutzt werden. Zur Definition der extremen Dilatanz dienen als Grenzwerte die Gradienten von logarithmischer Schubspannung und Schergeschwindigkeit. In Fig. 1 ist der Bereich

am Ort des mittleren Schubspannungsanstiegs und der kritischen Schergeschwindigkeit eingetragen. Die Schubspannung steigt innerhalb dieses Bereiches um den Faktor 10³ an.

Der zeitliche Anstieg der Schubspannung erfolgt erfahrungsgemäß bei nur kleiner Überschreitung von innerhalb von 10^-3-10^-2 Sekunden. Bei Unterschreiten derselben kritischen Schergeschwindigkeit relaxiert die Schubspannung nach Belastung von selbst im Bereich von 10^-2-10^-1 Sekunden. Damit können selbsttätige Schaltzeiten von erfindungsgemäßen Flüssigkeitskupplungen von 10^-2 Sekunden realisiert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anwendung einer extrem dilatanten Flüssigkeitskupplung in Ausbildung als Kardanwelle in einem Kraftfahrzeug. Der Motor treibt über das Ausgleichsgetriebe 2 die Achse 3 an. Über eine speziell ausgebildete Kardanwelle 6, 7 wird über das Ausgleichsgetriebe 5 die andere Achse 4 angetrieben. Die Kardanwelle selbst besteht aus den zwei teilweise ineinandergesteckten und gegeneinander drehbaren Wellenteilen 6 und 7 und bilden dabei einen, mit einer extrem dilatanten Dispersion gefüllten Scherspalt 8 aus. Beide Enden des Scherspaltes sind zur Abdichtung und Lagerung mit entsprechenden Dicht- und Lagerelementen 9 versehen. Auf sehr einfache Weise läßt sich damit bei Erreichen einer, sowohl durch die Scherspaltgröße (vorzugsweise 0,5-5 mm) als auch die Lage der kritischen Schergeschwindigkeit der Dispersionskennlinie (vorzugsweise 1-100 s^-1) veränderliche, einstellbaren Drehzahldifferenz ein sich selbsttätig zu- und abschaltendes Drehmoment auf die Hinterachse übertragen. Die Drehzahldifferenz soll dabei im allgemeinen so groß gewählt werden, daß die bei engen Kurvenfahrten auf trockener Straße auftretenden Differenzdrehzahlen der beiden Achsen (mit ihren Ausgleichsgetrieben) kleiner als die eingestellte sind.

In Fig. 3 ist schematisch ein Ausgleichsgetriebe eines Kraftfahrzeugs mit integrierter, dilatanter Flüssigkeitskupplung dargestellt. Über die Kegelzahnradachse 1 wird ein speziell ausgebildetes Tellerzahnrad 3 angetrieben. Mittels der, durch den Bolzen 8 mitgenommenen und auf ihm drehbar gelagerten Ausgleichszahnräder 4 werden die beiden Radachsen 2 angetrieben. Das Getriebe wird durch das Gehäuse 7 gelagert und abgeschlossen. Das Tellerzahnrad 3 kann nun so ausgebildet werden, daß über verlängerte und mit den beiden Radachswellen 2 einen zylindrischen Scherspalt bildenden Auflagerbüchsen, welche die durch Dichtelemente 6 beidseitig eingeschlossene dilatante Kupplungsdispersion 5 enthalten, das Tellerzahnrad als Kupplungselement zwischen Antriebswelle 1 und den beiden Radachsen 2 wirkt. Bis zu einer, in weiten Bereichen durch Scherspaltgröße und dilatanter Flüssigkeit einstellbaren, kritischen Drehzahldifferenz der beiden Radachsen 2 besitzt das Ausgleichsgetriebe seine normale Funktion. Bei nur geringem Über- oder Unterschreiten dieser Drehzahldifferenz wirkt das Ausgleichsgetriebe jedoch zusätzlich als selbsttätig zu- und abschaltbare Drehmomentkupplung, wobei über einen großen Drehmomentbereich die eingestellte Drehzahldifferenz konstant bleibt. Diese Zusatzfunktion des Ausgleichsgetriebes bietet neben der einfachen und selbsttätigen zu- und abschaltbaren Sperrfunktion den besonderen Vorteil, bei einer auf Kurvenfahrten des Fahrzeugs abgestimmten, kritischen Drehzahldifferenz der dilatanten Flüssigkeitskupplung, in einer sicherheitsrelevanten Antriebssituation bei Kurvenfahrten eine darauf abgestimmte, selbsttätige Drehmomentzuschaltung auf beide Räder zu bewirken.

Claims

1. Flüssigkeitsreibungskupplung zur selbsttätig, nach Über- oder Unterschreiten einer Drehzahldifferenz von An- und Abtriebsseite der Kupplung, zu- und abschaltbaren Drehmomentübertragung, insbesondere zur selbsttätigen Zu- und Abschaltung von Mehrradantrieben von Kraftfahrzeugen, mit einer aus einem dilatanten Fluid bestehenden Arbeitsflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit eine extrem dilatante Copolymerdispersion ist, deren dilatante Kennwerte kritische Schergeschwindigkeit und maximal übertragbare Schubspannung τ _max durch Emulsionspolymerisation von - bezogen auf das fertige Polymerisat - zusätzlichen 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 8-18 Gew.-% (Meth)Allylverbindungen mit mindestens 2 polymerisierbaren Doppelbindungen im Molekül, z. B. Diallylphthalat und/oder (Meth)allyl(meth)acrylaten als Comonomeren dauerlaststabilisiert werden.

2. Dilatante Flüssigkeitskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die extrem dilatante Copolymerdispersion zur Drehmomentschaltung und -übertragung der Vorder- und Hinterachse und/oder einer oder mehrerer Einzelachsen eines Kraftfahrzeugs dient.

3. Dilatante Flüssigkeitskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die extrem dilatante Copolymerdispersion zur Drehmomentschaltung und -übertragung in ein oder mehreren Kraftfahrzeugausgleichgetrieben als selbsttätig zu- und abschaltbare Differentialsperre integriert ist.