DE3917757A1 - Vorrichtung zur uebertragung eines drehmomentes mittels schubspannung eines sich gegenueberliegende zylindrische scherflaechen benetzenden fluessigen bzw. fliessfaehigen arbeitsmittels in einem drehmomentuebertragungsstrang - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Erfindung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 24 25 797) greifen konzentrisch zueinander angeordnete ringför­ mige axiale Ansätze eines Kupplungsflansches zwischen kor­ respondierende axiale Ansätze des anderen Kupplungsflan­ sches ein, um ringförmige Scherspalte zu bilden, die mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt sind, bei der also das übertragbare Drehmoment etwa proportional zur Drehzahldif­ ferenz ansteigt. In den Scherspalten dieser bekannten Vor­ richtung treten aufgrund ihrer unterschiedlichen wirksamen Radien unterschiedliche, nach außen größer werdende Scher­ geschwindigkeiten und unterschiedliche, nach außen abnehmen­ de Arbeitstemperaturen auf.

Dagegen besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe im wesentlichen darin, eine Kardanwelle für den Antrieb einer nicht ständig angetriebenen Fahrzeugachse eines Kraft­ fahrzeuges zu schaffen, die eine selbsttätig, nach Über- oder Unterschreiten einer Drehzahldifferenz zwischen der nicht ständig angetriebenen und einer ständig angetriebe­ nen Fahrzeugachse, zu- und abschaltbare Drehmomentübertra­ gung in konstruktiv einfacher Weise ermöglicht, ohne daß unerwünschte Drehzahl- oder Temperatureinflüsse auftreten.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist die erläuterte Aufgabe in vorteilhafter Weise mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Bei der Kardanwelle nach der Erfindung sind wesentliche Vorteile erzielt. So läßt sich aufgrund der sprunghaften Viskositätsänderung der dilatanten Flüssigkeit in einem sehr engen Bereich der Schergeschwindigkeit ein gewünsch­ ter Schaltpunkt exakt einstellen. Durch die konzentrische Anordnung der beiden Wellenteile ergibt sich ein einfacher Aufbau ohne wesentlichen zusätzlichen Bauraum. Die Tempera­ turempfindlichkeit ist gering, weil über das lange Außen­ rohr eine sehr gute und schnelle Wärmeabfuhr ermöglicht ist und weitere, also radial innere Scherspalte nicht ver­ wendet sind und somit innere Wärmestauungen nicht auftre­ ten können. Da nur ein Scherspalt verwendet ist und dieser einen konstanten wirksamen Radius aufweist, können auch keine unerwünschten Drehzahleinflüsse wie unterschiedliche Schergeschwindigkeiten bei mehreren Scherspalten mit verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Die spezi­ fische Übertragungsfähigkeit der Kardanwelle ist hoch, während das Leerlauf-Drehmoment bis zum Schaltpunkt gering ist. Es ist eine Drehmomentsteigerung nach dem Schaltpunkt, also nach der kritischen Schergeschwindigkeit, um den Fak­ tor 400 gegenüber dem Leerlauf-Drehmoment ermöglicht, ohne daß eine nennenswerte Steigerung der Schergeschwindigkeit erforderlich ist. Die Drehzahldifferenz ist nahezu unab­ hängig vom übertragenen Kardanwellen-Drehmoment. Die Kar­ danwelle läßt sich einfach herstellen. In den Patentschrif­ ten DE 30 25 562 und EP 01 74 566 ist die Herstellung und Grundfunktion dilatanter Copolymerdispersionen beschrie­ ben.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine Kardanwelle nach der Erfindung in einem Axialschnitt, und

Fig. 2 eine charakteristische Kennlinie einer ex­ trem dilatanten Copolymerdispersion.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist eine Kardanwelle 8 an ihren Enden je ein zylindrisches Anschluß-Stück 1 bzw. 2 auf, zwischen denen sich zwei konzentrische rohrförmige Wellen 3 und 4 erstrecken, die einen langen ringförmigen Scherspalt 7 zwischen sich einschließen, welcher mit einer durch eine Kreuzschraffur angedeuteten dilatanten Flüs­ sigkeit (Copolymerdispersion) gefüllt ist. Die äußere Wel­ le 3 weist über ihre gesamte Länge 9 einen konstanten Innen­ durchmesser 10 zur Bildung einer gleichmäßigen zylindri­ schen Scherfläche auf, welche den Scherspalt 7 nach außen begrenzt.

Die innere Welle 4 weist über ihre gesamte Länge 11 einen konstanten Außendurchmesser 12 zur Bildung einer gleich­ mäßigen zylindrischen Scherfläche 6 auf, welche den Scher­ spalt 7 nach innen begrenzt, wodurch letzterer eine genau definierte gleichbleibende Spaltweite aufweist.

Die äußere Welle 3 ist an ihrem einen Wellenende starr und flüssigkeitsdicht mit dem Anschluß-Stück 1 verbunden. Das andere Wellenende der äußeren Welle 3 ist mit einem ring­ förmigen Führungsbund 17 starr und flüssigkeitsdicht ver­ bunden, welcher gegenüber einer zylindrischen Zentrierung 19 des anderen Anschluß-Stückes 2 dreh- und axialbeweglich geführt und mittels Gleitdichtungen 18 flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.

Die innere Welle 4 ist an ihrem einen Wellenende mit dem Anschluß-Stück 2 starr und flüssigkeitsdicht verbunden. Das andere Wellenende der inneren Welle 4 weist einen Stirn­ zapfen 15 auf, welcher in einer korrespondierenden zylindri­ schen Aufnahme 20 des Anschluß-Stückes 1 axial- und drehbeweglich zentriert ist. Auf diese Weise sind die An­ schluß-Stücke 1 und 2 sowie die Wellen 3 und 4 zentrisch zur Wellenachse 16-16 angeordnet.

Der Stirnzapfen 15 ist feststehend an einem Abschlußdeckel 21 angeordnet, welcher in das betreffende Wellenende der inneren Welle 4 unbeweglich und flüssigkeitsdicht einge­ setzt ist und den Innenraum 13 der äußeren Welle 3 gegen­ über dem Innenraum 26 der inneren Welle 4 flüssigkeits­ dicht abteilt.

In den Innenraum 26 ragt ein hohler tassenförmiger Einsatz 22 hinein, welcher mit seinem Außenrand 26′ an einem kor­ respondierenden Kragen 27 des Abschlußdeckels 21 starr und flüssigkeitsdicht festgelegt ist. Der Einsatz 22 schließt zusammen mit dem Abschlußdeckel 21 eine Ausgleichskammer 14 ein, welche über Bohrungen 23 und 24 im Abschlußdeckel 21 mit dem Innenraum 13 sowie mit einem Zwischenraum 25 verbunden ist, welcher durch die Anordnung des Stirnzap­ fens 15 in der als Sackbohrung ausgebildeten Aufnahme 20 entstanden ist. Auf diese Weise sind die beiden Wellen 3 und 4 um ein begrenztes Maß teleskopisch zueinander ver­ fahrbar.

Bei 28 sind an den äußeren Stirnseiten der Anschluß-Stücke 1 und 2 Schraubbefestigungen für die betreffende Gelenk­ hälfte eines jeweiligen Kardangelenkes angedeutet.

In Fig. 2 ist der, mit einem Kapillarviskosimeter gemes­ sene, charakteristische Schubspannungsverlauf einer extrem dilatanten Copolymerdispersion als Funktion der Scherge­ schwindigkeit 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 Be­ reiche:

• a) Einen unterkritischen Bereich mit niedrigem Schubspan­ nungsniveau,
• b) einen kritischen Bereich mit extrem ansteigender Schub­ spannung und
• c) einen überkritischen Bereich mit um den Faktor 10³ höherem Schubspannungsniveau.

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 Schubspan­ nung und Schergeschwindigkeit. In Fig. 2 ist der Bereich

am Ort des mittleren Schubspannungsanstiegs und der kri­ tischen Schergeschwindigkeit γ _k eingetragen. Die Schub­ spannung steigt innerhalb des Bereiches um den Faktor 10³ an.

Der zeitliche Anstieg der Schubspannung erfolgt erfahrungs­ gemäß bei nur kleiner Überschreitung von γ _k innerhalb von 10 ^-3- 10^-2 Sekunden. Bei Unterschreiten derselben kriti­ schen Schergeschwindigkeit γ _k relaxiert die Schubspannung nach Belastung von selbst im Bereich von 10^-2 -10 ¹ Se­ kunden. Damit können selbsttätige Schaltzeiten von erfin­ dungsgemäßen Kardanwellen von 10^-2 Sekunden realisiert werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Übertragung eines von der Drehzahldif­ ferenz eines antreibenden und eines angetriebenen Drehmo­ mentübertragungsgliedes abhängigen Drehmomentes, bei der das eine Drehmomentübertragungsglied als ein das andere Drehmomentübertragungsglied umschließendes Gehäuse ausge­ bildet ist, welches zur Übertragung des Drehmomentes mit­ tels Schubspannung ein flüssiges oder fließfähiges Arbeits­ mittel enthält, welches sich gegenüberliegende zylindri­ sche Scherflächen an den Drehmomentübertragungsgliedern benetzt, gekennzeichnet durch eine Kardanwelle (8) mit folgenden Merkmalen:

• a) zwischen zwei koaxialen Anschluß-Stücken (1, 2) für die jeweilige Verbindung mit einem Antriebsglied einer Kraftübertragung eines Kraftfahrzeuges erstreckt sich eine rohrförmige zylindrische äußere Welle (3) mit über ihre axiale Länge (9) gleichbleibendem Innendurch­ messer (10),
• b) die äußere Welle (3) ist mit dem einen Anschluß-Stück (1) bewegungsfest verbunden und gegenüber dem anderen Anschluß-Stück (2) dreh- und axialbeweglich geführt - dagegen gegenüber beiden Anschluß-Stücken (1, 2) flüs­ sigkeitsdicht abgeschlossen,
• c) zwischen den Anschluß-Stücken (1, 2) erstreckt sich eine innerhalb der äußeren Welle (3) angeordnete in­ nere Welle (4) mit über ihre Länge (11) gleichblei­ bendem Außendurchmesser (12),
• d) die innere Welle (4) ist gegenüber dem zur äußeren Welle (3) bewegungsfesten Anschluß-Stück (1) dreh- und axialbeweglich geführt und mit dem anderen Anschluß- Stück (2) unbeweglich und flüssigkeitsdicht verbunden,
• e) es ist nur ein einziges aus zylindrischen Scherflächen gebildetes Scherflächen-Paar (5, 6) vorgesehen,
• f) als Arbeitsmittel ist eine stark dilatante-Flüssigkeit (Copolymerdispersion) verwendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Welle (4) rohrförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Welle (4) eine mit dem Innenraum (13) der äußeren Welle (3) in Verbindung bringbare Ausgleichskammer (14) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Welle (4) über einen Zapfen (15) an dem zur äußeren Welle (3) bewegungsfesten Anschluß-Stück (1) zen­ triert ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Welle (3) an dem zur inneren Welle (4) be­ wegungsfesten Anschluß-Stück (2) unmittelbar zentriert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (9 bzw. 11) einer Scherfläche (5 bzw. 6) ein Mehrfaches ihres Durchmessers (10 bzw. 12) beträgt.