DE3917944A1 - Viskositaetskupplungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Viskositätskupplungsvorrichtung, enthalten in einer Leistungs- bzw. Drehmomentübertragungseinrichtung, geeignet zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.

In einem Leistungsübertragungssystem z. B. für ein Fahrzeug mit vorn liegendem Motor und Frontantrieb gestütztem 4-Radantrieb werden die Vorderräder direkt durch ein Motordrehmoment angetrieben, das über ein Getriebe übertragen wird und die Hinterräder werden indirekt durch das Motordrehmoment angetrieben, das über eine Viskositätskupplungsvorrichtung übertragen wird. Die vorher erwähnte Viskositätskupplungsvorrichtung besteht aus einem inneren zylindrischen Teil, einem äußeren zylindrischen Teil, das relativ zu dem inneren zylindrischen Teil drehbar ist, zwei Endwandteilen, die an dem äußeren zylindrischen Teil fest angeordnet sind, einer Arbeitskammer, die durch das innere zylinderische Teil und die Endwandteile begrenzt ist sowie eine Mehrzahl erster Widerstandsplatten, die im Profilnuteingriff mit dem Außenumfang des inneren zylinderischen Teiles in Eingriff sind und einer Mehrzahl zweiter Widerstandsplatten, die in Profilnuteingriff mit dem Innenumfang des äußeren zylinderischen Teiles in Eingriff sind, so daß sie zwischen die zwei ersten Platten jeweils alternierend eingreifen. Außerdem ist ein viskoses Fluid in die Arbeitskammer durch eine Fluidöffnung eingebracht, die in einem der beiden Endwandteilen ausgenommen ist und anschließend wird die Fluidöffnung durch Druck unter Einsatz einer Stahlkugel in selbige verschlossen.

Das äußere zylindrische Teil ist mit einem Übertrager gekuppelt und das innere zylindrische Teil ist mit einer Kardanwelle gekuppelt. Wenn die Vorderräder auf einer schlammigen Straße, deren Oberflächen-Schreibkoeffizient niedrig ist, rutschen, besteht eine große Drehzahldifferenz zwischen den Vorder- und Hinterrädern. Daher dreht sich das äußere zylindrische Teil relativ zu dem inneren zylindrischen Teil, so daß das viskose Fluid durch die ersten und zweiten Widerstandsplatten einer Scherbeanspruchung unterworfen ist. Ein Drehmoment, das erzeugt wird, wenn das viskose Fluid geschert wird, wird auf die Hinterräder übertragen, um das rutschende Fahrzeug aus dem schlammigen Straßenbereich heraus zu bringen, indem die Hinterräder durch die Viskositätskupplungsvorrichtung angetrieben werden.

Bei der Viskositätskupplungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, wie sie gerade erläutert wurde, erhöht sich jedoch die Temperatur des viskosen Fluids, wenn das viskose Fluid durch die relative Drehung der ersten und zweiten Widerstandsplatten gegeneinander geschert wird und daher findet eine Volumenausdehnung des Fluids in Folge dieser Erwärmung statt. Da das äußere zylindrische Teil und die Endwandteile, die die Arbeitskammer bilden, durch das sich ausdehnende viskose Fluid nach außen druckbelastet werden, werden dann, wenn sich das viskose Fluid einmal ausgedehnt hat, innere Spannungen in jenen Elementen erzeugt und daher werden diese Teile verformt. In dem Fall, daß das Endwandteil plastisch verformt wird, besteht das Problem, daß ein Spalt zwischen der Fluidöffnung, ausgebildet in dem Endwandteil und der Stahlkugel erzeugt wird, die als Druckfitting in diese Öffnung eingesetzt ist, so daß das viskose Fluid durch diesen Spalt zwischen der Öffnung und der Stahlkugel nach außen tritt. Da das Übersetzungsverhältnis des viskosen Fluides abnimmt, wenn einmal das viskose Fluid aus der Arbeitskammer nach außen tritt, nimmt auch der Scherwiderstand, der durch das viskose Fluid, das durch die ersten und zweiten Widerstandsplatten geschert wird, ebenfalls ab. Daher nimmt das Motordrehmoment, das auf die Hinterräder über die Viskositätskupplung übertragen wird, ab und daher ist es schwierig, das rutschende Fahrzeug sicher aus einer schlammigen Straße heraus anzutreiben.

Unter Berücksichtigung der vorher erwähnten Schwierigkeiten ist es daher ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Viskositätskupplungsvorrichtung zu schaffen, durch die verhindert werden kann, daß viskoses Fluid in einer Leckage durch einen Spalt nach außen tritt, der gebildet wird zwischen der Fluideinfüllöffnung und einer Stahlkugel, wenn sich das viskose Fluid erwärmt und daher ausdehnt.

Um das vorhererwähnte Ziel zu erreichen, weist die erfindungsgemäße Viskositätskupplungsvorrichtung auf: (a) ein inneres zylindrisches Teil (b) ein äußeres zylindrisches Teil, das relativ zu dem inneren zylindrischen Teil drehbar ist, (c) zwei Endwandteile, die an beiden Enden des äußeren zylindrischen Teiles befestigt sind, eine Fluidöffnung, die in einem der Endwandteile nahe dem inneren zylindrischen Teil ausgebildet ist, (d) eine Arbeitskammer, die durch das innere und äußere zylindrische Teil und die beiden Endwandteile gebildet wird und die mit dem viskosen Fluid gefüllt wird, welches durch die Fluidöffnung eingebracht wird, wobei die Fluidöffnung durch eine unter Druck eingesetzte Stahlkugel verschlossen ist, nachdem das viskose Fluid in die Arbeitskammer eingefüllt ist, (e) eine Mehrzahl erster Widerstandsplatten, die am Außenumfang des inneren zylindrischen Teiles innerhalb der Arbeitskammer angeordnet ist und (f) eine Mehrzahl zweiter Widerstandsplatten, die an einem Innenumfang des äußeren zylindrischen Teiles innerhalb der Arbeitskammer angeordnet sind, derart, daß sie zwischen jeweils zwei erste Widerstandsplatten greifen.

Die Fluidöffnung ist in dem Endwandteil an einer Stelle ausgebildet, wo die inneren Spannungen und Deformationen, die veranlaßt werden, wenn sich das viskose Fluid erwärmt, klein sind, wobei diese Stelle nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer bestimmt wird.

Bei der Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird selbst dann, wenn das viskose Fluid innerhalb der Arbeitskammer durch die Scherkraft, erzeugt durch die ersten und zweiten Widerstandsplatten erwärmt wird, kein Spalt zwischen der Fluidöffnung und der Stahlkugel, die in diesen Unterdruck eingesetzt ist, erzeugt, da die Fluidöffnung in dem Endwandteil an einer Stelle nahe dem inneren zylindrischen Teil ausgebildet ist, wo die Größe der plastischen Verformung gering ist, so daß verhindert wird, daß viskoses Fluid in einer Leckage aus der Arbeitskammer nach außen austritt.

Bevorzugte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispieles einer Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer zweiten Widerstandsplatte der Viskositätskupplungsvorrichtung nach Fig. 1 im Halbschnitt,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht, die das äußere zylindrische Teil und das Endwandteil und das Seitenrad zeigt, wobei die innere Spannungsverteilung in diesen Teilen nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer dargestellt ist,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht, die das äußere zylindrische Teil, das Endwandteil und das Seitenrad zeigt, in denen die axiale plastische Verformungsverteilung in diesen Elementen nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer dargestellt ist,

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht, die das äußere zylindrische Teil, das Endwandteil und das Seitenrad in der die radiale plastische Verformungsverteilung in diesen Elementen nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer dargestellt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen erläutert.

In den Fig. 1 und 2 ist beispielshaft eine Viskositätskupplungsvorrichtung, eingesetzt in einem Differentialgetriebe als Differentialbegrenzungsvorrichtung dargestellt. Dieses Differentialgetriebe, versehen mit einer Viskositätskupplungsfunktion ist üblicherweise zwischen den beiden rechten und linken Achswellen eines Kraftfahrzeuges vorgesehen.

Die Viskositätskupplungsvorrichtung weist auf ein Endwandteil 1, gekuppelt mit einer der beiden linken oder rechten Radwellen (nicht gezeigt), ein Seitenrad 12 (gezeigt in den Fig. 3 bis 5), ein äußeres zylindrisches Teil 2, gelagert durch das Endwandteil und das Seitenrad 12 und ein inneres zylindrisches Teil 3, das relativ dem äußeren zylindrischen Teil 2 drehbar ist und das mit der anderen der beiden entsprechenden Radwellen gekuppelt ist. Eine umschlossene Arbeitskammer 4 wird durch das Endwandteil 1, das innere und das äußere zylindrische Teil 2 und 3 und das Seitenrad 12 begrenzt. Eine Mehrzahl erster Widerstandsplatten 5 ist radial in Profilnuteingriff mit den Gleitprofilnuten, ausgebildet in der Außenumfangsfläche des inneren zylindrischen Teiles 3 und eine Mehrzahl zweiter Widerstandsplatten 6 ist radial in Profilnuteingriff mit den Begleitprofilnuten, die in der inneren Umfangsfläche des äußeren zylindrischen Teiles ausgebildet sind, so daß sie zwischen zwei ersten Widerstandsplatten 5 eingreifen. Die Arbeitskammer 4 ist mit einem viskosen Fluid, wie z. B. Silikonöl, gefüllt. Dieses Silikonöl wird in die Arbeitskammer 4 durch eine Fluidöffnung, insbesondere Fluidbohrung 7 ausgebildet in dem Endwandteil nahe des inneren zylindrischen Teiles 3 eingefüllt. Außerdem wird diese Fluidöffnung, nachfolgend als Fluidbohrung 7 bezeichnet, durch Einpressen einer Stahlkugel 8 in diese Fluidbohrung 7 und durch Verstemmen der Endfläche der Fluidbohrung 7 verschlossen, nachdem das Silikonöl in die Arbeitskammer eingebracht worden ist. Außerdem ist in Fig. 1 eine Druckscheibe 9 üblicherweise zwischen einem Differentialgetriebegehäuse 14 und dem Endwandteil 1 vorgesehen und die Endwandoberfläche ist freigebohrt bzw. gesenkt, so daß die verstemmte Endfläche der Fluidbohrung 7 nicht in Berührung mit der Druckscheibe 9 kommt. Außerdem ist wie in Fig. 2 gezeigt ist, die zweite Widerstandsplatte 6 mit einer Mehrzahl radialer Schlitze 6 a und einer Ausnehmung 6 b an einer radialen Stelle versehen, die der Lokalisation der Fluidbohrung 7 in dem Endwandteil 1 entspricht, um das Einbringen des Silikonöles in die Arbeitskammer 4 zu erleichtern.

Wenn das Fahrzeug auf einer schlechten Straße fährt, deren OberflächenreibungsKoeffizient sehr wechselhaft oder verschieden ist, kann eines der rechten oder der linken Räder rutschen bzw. Schlupf aufweisen und das andere der Räder kann normale Traktion besitzen (kein Schlupf). In diesem Fall dreht sich das schlupfaufweisende bzw. durchrutschende Rad mit hoher Drehzahl aber es wird nur ein kleines Drehmoment auf das durchrutschende Rad übertragen. Andererseits dreht sich das nicht schlupfaufweisende Rad mit niedriger Geschwindigkeit. Wenn das innere zylindrische Teil 3 mit dem nicht rutschenden Rad gekuppelt ist und das äußere zylindrische Teil 2 mit dem rutschenden Rad gekuppelt ist, dreht sich das äußere zylindrische Teil 2 mit einer Drehzahl, die höher ist als diejenige des inneren zylindrischen Teiles 3. Daher wird das Silikonöl zwischen den ersten und zweiten Widerstandsplatten 5 und 6 zwischen Scherung unterzogen, um Leistung von den zweiten Widerstandsplatten 6 des äußeren zylindrischen Teiles 2 auf die ersten Widerstandsplatten 5 des inneren zylindrischen Teiles 3 zu übertragen, so daß die Temperatur des Silikonöles ansteigt und sein Volumen sich ausdehnt. Wenn die Arbeitskammer 4 mit dem Silikonöl gefüllt ist und außerdem das Silikonöl sich durch die Erwärmung ausdehnt, werden das äußere zylindrische Teil und das Endwandteil 1, die die Arbeitskammer bilden, von innen durch das sich in Folge der Erwärmung ausbildende Silikonöl druckbelastet, so daß innere Spannungen in dem äußeren zylindrischen Teil 2 und dem Endwandteil 1 erzeugt werden, so daß sich diese Elemente verformen.

Fig. zeigt eine perspektivische Darstellung, die das Endwandteil 1, das äußere zylindrische und das Seitenrad 12 zeigt, in der die Verteilung der inneren Spannungen als ein Diagramm von Buchstaben, die die verschiedenen inneren Spannungswerte repräsentieren, angegeben ist, wobei diese Spannungsverteilung in Übereinstimmung mit der Methode der finiten Elemente durch einen Computer analysiert wurde. Fig. 3 zeigt, daß die innere Spannung im Punkt A an dem Endwandteil 1 nahe des äußeren zylindrischen Teiles 2 J (27,1 kg/mm²) ist, jedoch L (18,3 kg/mm ) im Punkt B an dem gleichen Endwandteil 1 nahe dem inneren zylindrischen Teil 3 ist.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung, die das Endwandteil 1, das äußere zylindrische Teil 2 und das Seitenrad 12 zeigt, in denen der Verteilung der axialen plastischen Verformung, verursacht durch die inneren Spannungen, die in Fig. 3 dargestellt sind, als ein Diagramm durch Buchstaben angegeben sind, die die verschiedenen axialen plastischen Verformungswerte repräsentieren, analysiert nach der Methode finiten Elemente. Fig. 4 zeigt, daß die axiale plastische Deformation im Punkt A an dem Endwandteil nahe des äußeren zylindrischen Teiles 2 L (0,781 mm) beträgt, jedoch O (0,0514 mm) im Punkt B an dem Endwandteil 1 nahe des inneren zylindrischen Teiles 3 ist.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche perspektivische Darstellung der gleichen Elemente 1, 2 und 12, in denen die Verteilung der radialen plastischen Verformung, verursacht durch die inneren Spannungen, die in Fig. 3 dargestellt sind, als Diagramm durch das gleiche Verfahren angegeben ist. Fig. 5 zeigt, daß die radiale plastische Verformung im Punkt A den Wert C (0,0301 mm) oder D (0,025 mm) aufweist, jedoch den Wert H (0,00442 mm) im Punkt B besitzt.

Bei der Methode der finiten Elemente wird ein kontinuierlich ausgebildetetes physikalisches System in einer Anzahl von unterschiedlichen, getrennten Elementen, verbunden durch Knoten, unterteilt und Annäherungswerte werden für jedes Element vom Standpunkt der Festkörperphysik aus unter Verwendung eines Computers berechnet.

Bei der Viskositätskupplungsvorrichtung nach dem Stand der Technik ist die Fluidbohrung 10 üblicherweise am Punkt A in dem Endwandteil 1 nahe des äußeren zylindrischen Teiles 2 ausgebildet, wie dies durch strichpunktierte Linien in Fig. 1 angegeben ist. Daher sind die inneren Spannungen und die plastische Verformung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung groß, so daß das Problem auftritt, daß ein Spalt leicht zwischen der Fluidbohrung 10 und der Stahlkugel 11 entsteht, wenn sich das viskose Fluid erwärmt und daher ausdehnt. Im Gegensatz hierzu ist bei der Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Fluidbohrung 7 an dem Punkt B in dem Endwandteil nahe des inneren zylindrischen Teiles 2 ausgebildet, wie dies auch durch Vollinien in Fig. 1 dargestellt ist, und zwar auf der Grundlage der analysierten Ergebnisse, die mittels eines Computers nach der Methode der finiten Elemente erhalten wurden. Daher sind die inneren Spannungen und die plastische Verformung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung klein, so daß es möglich ist, die Bildung eines Spaltes zwischen der Fluidausnehmung bzw. Fluidbohrung 7 und der Stahlkugel 8 selbst dann zu verhindern, wenn sich das viskose Fluid erwärmt und daher ausdehnt. Mit anderen Worten kann ein hohes Änderungsverhältnis bzw. Übersetzungsverhältnis des viskosen Fluids aufrechterhalten werden und daher ein hoher Scherwiderstand des viskosen Fluids, erzeugt zwischen den ersten und zweiten Widerstandsplatten 5 und 6 zuverlässig erhalten werden, da es möglich ist, zu verhindern, daß viskoses Fluid Leckage aus der Arbeitskammer 4 nach außen austritt. Daher kann, wenn die Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in einem Differentialgetriebe, das zwischen den beiden rechten oder den beiden linken Rädern angeordnet ist, ein hohes Drehmoment zuverlässig auf die nicht rutschenden, sich mit niedriger Drehzahl drehenden Räder übertragen werden, um das rutschende Fahrzeug aus einer schlammigen Straße heraus anzutreiben.

Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde für den Fall erläutert, daß die Viskositätskupplungsvorrichtung im Rahmen eines Differentialgetriebes als Differentialbegrenzungsvorrichtung eingesetzt ist. Ohne hierauf begrenzt zu sein, kann die Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung jedoch auch für verschiedene Leistungsübertragungseinrichtungen, wie für den Antrieb entweder der Vorder- oder Hinterräder über die Viskositätskupplungsvorrichtung verwendet werden.

Da die Fluidöffnung bzw. Fluidbohrung 7, durch die das viskose Fluid in die Arbeitskammer eingebracht wird, in dem Endwandteil nahe des zylindrischen Teiles (an dem die inneren Spannungen und die Verformungen nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer als klein festgestellt wurden) ausgebildet ist, ist es wie vorher beschrieben, bei der Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung möglich, das Auftreten eines Spaltes zwischen der Fluidbohrung und der sie verschließenden Stahlkugel zu verhindern, wenn das viskose Fluid sich erwärmt und ausdehnt und daher kann verhindet werden, daß viskoses Fluid austritt. D. h. es kann ein höheres Wechsel- bzw. Übersetzungsverhältnis des viskosen Fluids und ein höherer Scherwiderstand des viskosen Fluids für eine lange Zeit aufrechterhalten werden.

Bei einer Viskositätskupplungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird ein viskoses Fluid in die Arbeitskammer durch eine Fluidöffnung eingebracht, die verhindern, daß ein Spalt zwischen der Fluidöffnung und der Stahlkugel auftritt bzw. um diesen Spalt zu minieren, wenn sich das viskose Fluid erwärmt und daher ausdehnt, d. h. um zu verhindern, daß viskoses Fluid in einer Leckage austritt, ist die Fluidöffnung in dem Endwandteil nahe des inneren zylindrischen Teiles an einer Seuchstelle ausgebildet, an der die inneren Spannungen und Verformungen sich in einer Computerberechnung nach der Methode der finiten Elemente als gering herausgestellt haben.

Claims (5)

1. Viskositätskupplungsvorrichtung, mit:
einem inneren zylindrischen Teil (3),
einem äußeren zylindrischen Teil (2),
das relativ zu dem inneren zylindrischen Teil (3) drehbar ist,
zwei Endwandteilen (1), die an beiden Enden des äußeren zylindrischen Teiles (2) besfestigt sind,
einer Arbeitskammer (4), die durch das innere und äußere zylindrische Teil und die Endwandteile (1) gebildet ist und die mit einem viskosen Fluid gefüllt ist,
einer Mehrzahl erster Widerstandsplatten (5), die am Außenumfang des inneren zylindrischen Teiles innerhalb der Arbeitskammer angeordnet sind,
einer Mehrzahl von zweiten Widerstandsplatten (6), die an einem Innenumfang des äußeren zylindrischen Teiles innerhalb der Arbeitskammer angeordnet sind, so daß sie zwischen die ersten Widerstandsplatten eingreifen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluidöffnung (7), durch die das viskose Fluid in die Arbeitskammer (4) eingebracht ist, in zumindest einem der Endwandteile (1) nahe des inneren zylindrischen Teiles (3) ausgebildet ist, wobei die Fluidöffnung (7) durch Einpressen einer Stahlkugel (8) verschlossen ist, nachdem das viskose Fluid in die Arbeitskammer (4) eingebracht ist.

2. Viskositätskupplungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:

• a) einem inneren zylindrischen Teil (3),
• b) einem äußeren zylindrischen Teil (2), das relativ zu dem inneren zylindrischen Teil (3) drehbar ist,
• c) zwei Endwandteilen (1), die an beiden Enden des äußeren zylindrischen Teiles (2) befestigt sind, wobei eine Fluidöffnung (7) in zumindest einem der Endwandteile (1) nahe dem inneren zylindrischen Teil (3) ausgebildet ist,
• d) eine Arbeitskammer (4), die durch das innere und das äußere zylindrische Teil (3, 2) und die beiden Endwandteilen (1) gebildet wird und die mit dem viskosen Fluid gefüllt ist, welches durch die Fluidöffnung (7) eingebracht ist, wobei die Fluidöffnung (9) durch Einpressen einer Stahlkugel (8) in diese verschlossen wird, nachdem das viskose Fluid in die Arbeitskammer (4) eingebracht ist,
• e) eine Mehrzahl erster Widerstandsplatten (5), die am Außenumfang des inneren zylindrischen Teiles (3) innerhalb der Arbeitskammer (4) angeordnet sind,
• f) eine Mehrzahl zweiter Widerstandsplatten (6), die am Innenumfang des äußeren zylindrischen Teiles (2) innerhalb der Arbeitskammer (4) angeordnet sind, so daß sie zwischen jeweils zwei ersten Widerstandsplatten (5) eingreifen.

3. Viskositätskupplungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandsplatte (6) jeweils mit einer Mehrzahl von Schlitzen (6 a) und einer Ausnehmung (6 b) an einer radialen Stelle versehen ist, die der Anordnung der Fluidöffnung (7), ausgebildet in zumindest einem der Endwandteile (1) entspricht, um das Einbringen des viskosen Fluides in die Arbeitskammer (4) zu erleichtern.

4. Viskositätskupplungvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidöffnung (7) in zumindest einem der Endwandteile (4) an einer Stelle ausgebildet ist, an der die inneren Spannungen und die Verformungen, die verursacht werden, wenn das viskose Fluid erwärmt wird und sich ausdehnt, klein sind.

5. Viskositätskupplungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage an der die Fluidöffnung (7) in zumindest einem der Endwandteile (1) ausgebildet ist, nach der Methode der finiten Elemente durch einen Computer bestimmt wird.