DE4121240A1

DE4121240A1 - Elektromagnetisch betaetigbare reibscheibenkupplung

Info

Publication number: DE4121240A1
Application number: DE4121240A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Linnig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1993-01-07

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung nach der Gattung des Anspruchs 1 ist aus der DE 32 03 143 C2 bekannt geworden. Das Einsatzgebiet derartiger Reibscheibenkupplungen ist in dieser Patentschrift sowie in der weiteren Veröffentlichung EP 03 17 703 A2 des Anmelders beschrieben. Auf den sachlichen Inhalt dieser beiden Veröffentlichungen wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Bei der Kupplungsanordnung gemäß der DE 32 03 143 C2 handelt es sich um eine sogenannte Zweistufenkupplung. Zur unmittelbaren Ankupplung eines rotierenden Lüfterrads an die Drehzahl einer Motor-Antriebswelle ist eine Magnetkupplung vorgesehen, die im eingeschalteten Zustand eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Lüfterrad und Antriebswelle herstellt. Ist die Magnetkupplung ausgeschaltet, so wird das Lüfterrad dennoch über eine zusätzliche Wirbelstromkupplung mit einer verminderten Schleppdrehzahl angetrieben. Hierfür ist das frei auf der Antriebswelle bewegliche Lüfterrad mit einer Permanentmagnetscheibenanordnung verbunden, welche mit einem elektrisch leitenden Läuferrad zusammenwirkt. Der Abstand zwischen der Permanentmagnetscheibe und dem Läuferrad bestimmt u. a. das Maß der Schleppdrehzahl, d. h. je enger der eingestellte Abstand zwischen dem Läufer und den Permanentmagneten gewählt wird, um so stärker wird das Lüfterrad durch die Antriebswelle mitbewegt. Bei der bekannten Einrichtung kann dieser Abstand von ca. 0,1 bis 4 mm verstellt werden, wobei der Abstand je nach Anwendungsfall und Bedürfnis auf einen bestimmten Wert fest eingestellt wird.

Bei der Anordnung gemäß der EP 03 17 703 A2 handelt es sich um eine sogenannte Dreistufenkupplung, da durch eine zusätzliche Lagerung und Ankupplungsmöglichkeit die Bewegung des Lüfterrads vollkommen abgeschaltet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß das Läuferrad der Wirbelstromkupplung zur Erzeugung der Schleppdrehzahl nicht unmittelbar auf der Antriebswelle angeordnet und mit dessen Drehzahl beaufschlagt ist, sondern über eine zusätzliche Magnetkupplungsanordnung zugeschaltet werden kann. Diese Dreistufenkupplungsanordnung ist für spezielle Einsätze sehr wirksam, da sie an die verschiedenen Bedürfnisse der Kühlung angepaßt werden kann.

Die Anordnung gemäß der DE 32 03 143 C2 ist an sich für den vereinfachten Anwendungsfall gedacht, bei welchem die Schleppdrehzahl für das Lüfterrad grundsätzlich nur über den fest eingestellten Spalt zwischen Permanentmagneten und Läuferrad beeinflußt und insbesondere nicht abgeschaltet werden kann. Dieses Abschalten des Lüfterrads ist erst durch die sehr viel aufwendigere Konstruktion gemäß der EP 03 17 703 A2 möglich, was jedoch einen wesentlich höheren baulichen Aufwand erfordert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kupplung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 schließt die Lücke zwischen den bekannten Kupplungen mit dem Vorteil, daß mittels sehr einfachen baulichen Maßnahmen eine Beeinflussung des Betriebs des Lüfterrads ständig möglich ist. Eine variable und ggf. regelbare Zuschaltung des Lüfterrads auch während des Betriebs der Kupplungsanordnung wird durch die erfindungsgemäße Anordnung mit einfachsten Mitteln erreicht.

Der Erfindung liegen umfangreiche Versuche mit Kupplungsanordnungen der eingangs geschilderten Art zugrunde. Derartige Kupplungsanordnungen werden bei größeren und insbesondere Diesel-Turbo-Motoren eingesetzt, die in Busse, LKWs o. dgl. Verwendung finden. Dabei muß nicht nur der Wasserkühler für den Verbrennungsmotor, sondern in komplizierter Regelung auch der Ladeluftkühler für den Turbo-Motor gekühlt werden, um die vom Turbo-Lader komprimierte Luft auf die richtige Temperatur zur Zuführung zum Verbrennungsmotor einzustellen. Schließlich sind bei größeren Fahrzeugen Ölkupplungen vorhanden, deren Ölkühler ebenfalls mit Luft gekühlt werden müssen. Bei derartigen Fahrzeugen stellen sich demnach eine Vielzahl von Kühlungsproblemen ein, die in unterschiedlichen Fahrsituationen auftreten und eine entsprechende Zuschaltung der Lüfteranordnung erfordern. Betriebsmessungen von Fahrzeugen haben hierbei zu der wichtigen Erkenntnis geführt, daß in etwa 50% der Betriebszeit des Motors im praktischen Einsatz eine zusätzliche Kühlung durch das Lüfterrad überhaupt nicht erforderlich ist, da bei normaler Belastung die sonstige Kühlung durch Fahrtwind o. dgl. ausreicht. Während nahezu der restlichen Betriebszeit, z. B. 49%, reicht es für die Kühlung der Aggregate aus, wenn die verminderte Schleppdrehzahl des Lüfterrads über die Wirbelstromeinrichtung in Anspruch genommen wird. Nur in einem sehr geringen Umfang der Betriebszeit (z. B. 1%) wird der Motor derart stark belastet, z. B. durch starke Straßensteigungen, daß das Lüfterrad über die Magnetkupplung auf die volle Drehzahl der Antriebswelle bzw. des Motors angehoben werden muß. Sofern man davon ausgeht, daß in etwa 50% der Betriebszeit eine zusätzliche Kühlung durch das Lüfterrad ganz entfallen kann, so ist die Abschaltung des Lüfterrads, z. B. durch die Dreistufenkupplung, empfehlenswert und vor allem energiesparend.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abschaltung des Lüfterrads und dessen kontinuierliche Zuschaltung durch ein Regelsystem, welches die Zuschaltung des Lüfterrads kontinuierlich je nach Bedarf vornimmt. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß das Lüfterrad durch kontinuierliche Variation bzw. Änderung des Spalts zwischen den Permanentmagneten und dem Läuferrad derart hinzugeschaltet wird, daß eine ständige Anpassung an den benötigten Kühlungsbedarf erreicht wird.

Die Abstandseinstellung zwischen Lüfterrad und Permanentmagneten geschieht zweckmäßigerweise mittels einer regelbaren mechanischen Verstelleinrichtung, die sich automatisch oder über entsprechende Sensoren einstellt. Dabei wird der Abstand zwischen Läuferrad und Permanentmagneten derart variiert, daß dieser zunächst so groß ist, daß das Lüfterrad nur mit geringer Drehzahl (Lagerreibung) mitgenommen wird und - durch Abstandverkleinerung - eine größere Schleppdrehzahl erst bei erhöhtem Kühlungsbedarf derart eingestellt wird, daß sie bis zur maximalen Schleppdrehzahl variierbar ist. Die Abstandsverstellung zwischen Läufer und Permanentmagneten kann durch verschiedene Anordnungen gewählt werden, wobei die Erfindung in besonders einfacher und zweckmäßiger Bauart die Verwendung einer sich selbständig verstellenden Bimetallscheibe vorsieht, die sich bei erhöhter Temperatur derart bewegt, daß das Lüfterrad gegen die Permanentmagnetscheibe zur Abstandsverkleinerung verschoben wird. Anstelle einer Bimetallscheibe sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar, die generell derart auszubilden sind, daß eine gezielte axiale Verschiebung des Läufers in Abhängigkeit des Kühlungsbedarfs erfolgt. Der Kühlungsbedarf wird in aller Regel durch eine Temperaturerhöhung der verschiedenen zu messenden Medien bestimmt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind in Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Axialschnitt des wirksamen Teils einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung für Lüfterantriebe mit dem zusätzlichen erfindungsgemäßen Lüfterantrieb, wobei die obere Figurenhälfte einen breiteren, die untere Figurenhälfte einen schmalen Spaltabstand zeigt.

Die in der Figur dargestellte Kupplungsanordnung entspricht im wesentlichen der Kupplungsanordnung, wie sie in der DE 32 03 143 C2 des Anmelders näher erläutert ist. Auf diese Druckschrift wird insbesondere zur weiteren Erläuterung ausdrücklich Bezug genommen. Nachfolgend werden deshalb lediglich die wesentlichen Bauelemente dieser Kupplungsanordnung mit dem Hinweis auf die nähere Erläuterung in der DE 32 03 143 C2 angesprochen.

Die elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung 1 zum Antrieb eines Lüfterrads 2 (nur schematisch angedeuteter Ventilator) eines Kraftfahrzeugs- Verbrennungsmotors besteht aus einer elektromagnetischen Reibscheibenkupplung 4 zur direkten Übertragung der auf die Antriebswelle 5 übertragenen Motordrehzahl auf das Lüfterrad 2.

Die Reibscheibenkupplung 4 weist einen umlaufenden Rotor 6 auf, der über eine Paßfeder 7 mit der Antriebswelle 5 drehfest verbunden ist. Eine Erregerwicklung 8 ist von einem ortsfesten Stator 9 umgeben. Der Stromanschluß ist mit 10 bezeichnet.

Die elektromagnetische Reibscheibenkupplung 4 weist einen Ankerring 11 auf, der bei eingeschalteter elektromagnetischer Reibscheibenkupplung 4, d. h. bei Strombeaufschlagung der Erregerwicklung 8, gegen den Rotor 6 gezogen wird und damit dessen, durch die Antriebswelle 5 bestimmte Drehzahl annimmt. Der Ankerring 11 ist über eine Schraubverbindung 12 mit einer Lüfterradnabe 13 verbunden. Bei eingeschalteter Reibscheibenkupplung 4 wird demnach die Motordrehzahl über die Antriebswelle 5, den Rotor 6, den Ankerring 11 und der Lüfterradnabe 13 direkt auf das Lüfterrad 2 übertragen.

An die Lüfterradnabe 13 ist eine zylindrische Permanentmagnetscheibe 14 befestigt. Dabei ist die kreisförmige Oberfläche dieser Permanentmagnetscheibe 14 in mehrere Segmentabschnitte mit wechselnder Polarität eingeteilt.

Vor der Permanentmagnetscheibe 14 ist in einem Abstand s ein elektrisch leitendes Läuferrad 15, z. B. aus ferromagnetischem Material, wie Aluminium, Kupfer o. dgl., angeordnet. Da sich das Läuferrad im Betrieb durch Wirbelströme aufheizt, weist dieses in seinem vorderen Bereich Kühlungsrippen 16 auf. Das Läuferrad 15 ist mechanisch über eine Nabe 17 fest mit der Antriebswelle 5 verbunden und dreht sich stets mit dessen Drehzahl.

Um den Abstand s zwischen den Permanentmagneten 14 und dem Läuferrad 15 auch während des Betriebs variabel einstellbar zu gestalten, wird das Läuferrad 15 über eine Bimetallscheibe 18 an die Antriebswelle 5 angekoppelt. Hierfür ist die Bimetallscheibe 18 im vorderen Bereich 19 der Nabe 17 mittels einer Schraubverbindung 20 angeschraubt. In ihrem radial äußeren Bereich 21 weist die Bimetallscheibe 18 einen Anschlußflansch 22 auf, der die Bimetallscheibe 18 mit dem Läuferrad 15 ggf. über die Kühlrippen 16 verbindet.

Die Bimetallscheibe 18 ist in ihrer Zusammensetzung derart aufgebaut, daß sie bei einer Erwärmung eine Durchbiegung erfährt, wie sie in der Figur im unteren Bereich unterhalb der Symmetriemittellinie 23 dargestellt ist, d. h. die in der Figur linke Schicht der Bimetallscheibe dehnt sich bei Erwärmung stärker aus als die rechte Schicht. Hierdurch kommt es zur Krümmung der Bimetallscheibe in Richtung Permanentmagnetscheibe 14. Der in der oberen Figurenhälfte dargestellte maximale Abstand s₁ zwischen den Permanentmagneten 14 und dem Läuferrad 15 verkleinert sich durch die in der unteren Figurenhälfte dargestellte Durchbiegung der Bimetallscheibe 18′ um den Betrag a auf die Größe s₂. Es gilt demnach s₂ = s₁-a. In der oberen und in der unteren Hälfte der Figur sind demnach die unterschiedlichen Zustände der Durchbiegung der Bimetallscheibe 18 dargestellt. Im kalten Zustand ist der Abstand s₁ in der Größenordnung von beispielsweise s₁ ≈ 4 mm, wodurch nur noch eine geringe Schleppdrehzahl des Lüfterrads 2 bewirkt wird. Durch kontinuierliche Durchbiegung der Bimetallscheibe 18 aufgrund örtlicher Erwärmung um den Betrag a verringert sich der Abstand zwischen der Permanentmagnetscheibe 14 und dem Läuferrad 15 auf eine Größe von s₂. Dieser Wert s₂ kann beispielsweise bis zu 0,5 mm verkleinert werden, was die höchste Schleppdrehzahl des Lüfterrads 2 mit sich bringt.

Um das Läuferrad 15 axial zu verschieben, ist dieses auf der Nabe 17 in einer Führung 24 axial geführt, so daß sich das Läuferrad 15 nur achsparallel ohne Verkantung bzw. Schrägstellung axial verschieben kann.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung mit der Bimetallscheibe 18 kann demnach eine kontinuierliche Anpassung der Drehzahl des Lüfterrads 2 an die speziellen Bedingungen erfolgen. Dabei kann sich der Abstand s zwischen dem Permanentmagneten 14 und dem Lüfterrad 15 derart verändern, daß die Schleppdrehzahl von 0 bis zu einem maximalen Wert ansteigen kann. Sofern dies über die Bimetallscheibe 18 erfolgt, geschieht dies unmittelbar durch Wärmeaufnahme im Bereich der Bimetallscheibe. Es sind jedoch auch andere axiale Verstellmöglichkeiten, insbesondere mittels einer Temperaturreglung oder Steuerung, möglich.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen des Erfindungsgedankens.

Claims

1. Elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung für ein Lüfterrad eines Ventilators, insbesondere von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, wobei das Lüfterrad bei abgeschalteter Reibscheibenkupplung durch eine weitere, als Wirbelstromkupplung ausgebildete Kupplungseinrichtung mitgeschleppt wird, indem eine Antriebswelle mit einem Läuferrad der Wirbelstromkupplung und das frei umlaufende Lüfterrad mit einer Permanentmagnetscheibe der Wirbelstromkupplung zusammenwirkt und der Abstand zwischen dem Läuferrad und der Permanentmagnetscheibe einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Antriebswelle (5) und dem Läuferrad (15) über eine mechanische Verstelleinrichtung (18) erfolgt, die den Abstand s zwischen dem Läuferrad (15) und der Permanentmagnetscheibe (14) und damit die Schleppdrehzahl des Lüfterrads (2) während des Betriebs der Kupplungsanordnung in Abhängigkeit des Kühlungsbedarfs variabel einstellt.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung zur Abstandsregulierung zwischen Läuferrad (15) und Permanentmagnetscheibe (14) durch eine Bimetallscheibe (18) gebildet ist, die auf der Antriebswelle (5) befestigt ist und die bei einer Temperaturerhöhung eine axiale Hubbewegung (Hub a) im Sinne einer Abstandsverkleinerung zwischen Läufer (15) und Permanentmagnetscheibe (14) derart ausführt, daß die Schleppdrehzahl vom Wert angenähert Null bis zu einer maximalen Schleppdrehzahl einstellbar ist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreiszylindrische Bimetallscheibe (18) stirnseitig an die Antriebswelle (5) über eine Nabe (17) befestigt ist und an ihrem radialen Außenbereich (21) einen Befestigungsflansch (22) für das Läuferrad (15) aufweist.

4. Kupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Läuferrad (15) auf der Antriebswelle (5) bzw. auf einer mit der Antriebswelle (5) verbundenen Nabe (17) axial längsverschiebbar und geführt gelagert ist.

5. Kupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bimetallscheibe (18) in ihrem der Kupplungseinrichtung (1) abgewandten Bereich eine Materialzusammensetzung aufweist, die eine erhöhte Wärmeausdehnung gegenüber dem der Kupplungseinrichtung (1) zugewandten Bereich aufweist.