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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese Erfindung betrifft Fluidkupplungen
und insbesondere Fluidkupplungen mit einem magnetorheologischen
Fluid (MRF), das ein Drehmomentübertragungsmedium
zwischen den Antriebs- und Abtriebselementen der Kupplung vorsieht.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele motorbetriebene Fahrzeuge verwenden
ein motorgetriebenes Gebläse,
um eine Kühlluftströmung über einen
Kühler
oder eine Wärmeübertragungsvorrichtung
zu liefern und überschüssige Wärme von
dem Motorkühlfluid
zu entfernen. Der Gebläseantriebsmechanismus
besitzt oftmals ein Fluidantriebsmedium, das zwischen den Antriebs- und
Abtriebselementen der Kupplung angeordnet ist, um die Gebläsedrehzahl
relativ zu der Drehzahl des Motors zu steuern. Ein viskoses Fluid,
wie beispielsweise Silikon, wird allgemein in diesen Kupplungsmechanismen
verwendet. Die Drehmomentkapazität der
Kupplung wird teilweise durch die Menge an viskosem Fluid bestimmt,
die die Arbeitskammer der Kupplung füllt. Die Menge an Arbeitsfluid,
die in die Arbeitskammer zugeführt
wird, wird allgemein durch einen Thermostatventilmechanismus gesteuert.
Die Drehzahl des Antriebselementes der Kupplung ist gleich oder
direkt proportional zu der Drehzahl des Motors. Wenn das Motorkühlmedium
eine erhöhte Temperatur
aufweist, wird die Drehzahl des Abtriebselementes der Kupplung und
daher des Gebläses erhöht, um die
Kühlluftströmung durch
die Wärmeübertragungsvorrichtung
zu steigern. Diese Typen von Kupplungen mit viskosem Fluid sind
thermostatisch gesteuert und erfor dern Mechanismen für die Zuführung und
den Abzug des viskosen Fluides von dem Drehmomentübertragungsbereich
zwischen den Antriebsund Abtriebselementen der Kupplung. Während diese
Viskosekupplungen bzw. Viskokupplungen ausreichend funktioniert
haben, besteht ein Bedarf nach einer genaueren Steuerung der Gebläsedrehzahl.
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Um eine besser steuerbare Viskosegebläsekupplung
vorzusehen, ist vorgeschlagen worden, ein magnetorheologisches Fluid
(MRF) zwischen die Antriebs- und Abtriebselemente der Kupplung einzuführen. Die
Viskosität
des MRF kann durch die Einführung
eines Magretfeldes gesteuert werden. Wenn die Viskosität des MRF
erhöht
wird, sind die Drehmomentübertragungseigenschaften
des Fluids erhöht. Da
die Intensität
des Magnetfeldes durch ein herkömmliches
elektronisches Motormanagementsystem gesteuert werden kann, kann
die Drehzahl des Gebläses
für einen
gegebenen Motorbetriebszustand genauer hergestellt werden. Somit
verbessert eine "Kupplung
mit magnetorheologischem Fluid" (MRC)
den Wirkungsgrad des Motorkühlsystemes.
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Eine MRC nach dem Stand der Technik
ist aus der
U.S.-A-6,032,772 bekannt. Diese MRC
umfasst: ein drehbares Antriebselement mit einem Trommelabschnitt,
der eine Vielzahl von Nuten aufweist, die an diesem ausgebildet
sind, um das MRF zu verteilen; ein drehbares Abtriebselement, das
erste und zweite magnetisch permeable Elemente radial einwärts und
auswärts
des Trommelabschnittes aufweist, eine Wicklungsanordnung, die an
einem der magnetisch permeablen Elemente befestigt ist, und eine
elektrische Quelle zur Lieferung elektrischer Energie an die Wicklungsanordnung,
um die Bildung eines Magnetfeldes zwischen den magnetisch permeablen
Elementen zu bewirken; wobei ein zweiteiliger Arbeitsspalt zwischen
dem Trommelabschnitt und den magnetisch permeablen Elementen ausgebildet ist
und das MRF in dem zweiteiligen Arbeits spalt zwischen dem Trommelabschnitt
und den magnetisch permeablen Elementen angeordnet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine verbesserte magnetorheologisch Viskosekupplung vorzusehen.
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Gemäß der Erfindung wird diese
Aufgabe durch eine MRC gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Die MRC besitzt eine Antriebsrotornabe
mit einer ringförmigen
zylindrischen Verlängerung,
die in einer zylindrischen Ausnehmung positioniert ist, die in einer
der Komponenten des Kupplungsabtriebs ausgebildet ist. Dies bildet
zwei Arbeitsspalte zwischen den Antriebs- und Abtriebselementen
der Kupplung. Die Spalte sind mit einem MRF gefüllt. Eines der Abtriebselemente,
ein Wicklungsgehäuse, besitzt
einen darin befestigten Elektromagneten und eine daran befestigte
Frontabdeckung. Eine Stahlbuchse ist in der Frontabdeckung als Teil
des elektromagnetischen Kreises befestigt. Der magnetische Kreis
umfasst die zylindrische Verlängerung
des Antriebselementes und das MRF. Das andere der Abtriebselemente,
eine nicht magnetische Rückabdeckung,
ist an der Frontabdeckung befestigt und weist ein daran befestigtes
Gebläse
auf. Der Elektromagnet ist mit einem elektrischen Stromkreis durch Schleifringe
und Bürsten
an dem Wicklungsgehäuse verbunden.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung sind die Antriebs- und Abtriebselemente der Kupplung zur
relativen Drehung durch ein Lagerelement gelagert, das von dem MRF-Lagerhohlraum durch
eine Wand an der Rückabdeckung
des Abtriebselementes abgeschirmt ist. Bei einem anderen Aspekt
der vorliegenden Erfindung besitzt der Lagerhohlraum eine schräg gestellte äußere Umfangswand,
um MRF in die zylindrischen Arbeitsspalte zwischen den Antriebs-
und Abtriebselementen der MRC zu lenken. Bei einem noch weiteren
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Wischern
zwischen dem Wicklungsgehäuse
und der inneren radialen Wand der Antriebsnabe und zwischen der äußeren radialen
Wand der Antriebsnabe und der Rückabdeckung
des Abtriebselementes angeordnet, um die Ansammlung und/oder zentrifugale
Verdichtung bzw. Packung von MRF in diesen Bereichen zu verhindern.
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Bei einem noch weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist eine Serie von Vorsprüngen an der zylindrischen Verlängerung
des Antriebselementes ausgebildet, die mit einer radialen Wand an
der Frontabdeckung zusammenwirken, um die Ansammlung und/oder zentrifugale
Verdichtung der Eisenpartikel des MRF in diesem Bereich zu verhindern.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl
von Kühlrippen
an einer radialen Seite des Antriebselementes positioniert, um die
Wärmeübertragung
von dem Arbeitsbereich zu unterstützen und die MRF-Kühlung aufrecht
zu erhalten. Bei einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wirken das Antriebselement und das Abtriebselement zusammen, um
zwei radial beabstandete zylindrische Arbeitsspalte zu bilden, wobei
eine innere zylindrische Wand jedes Spaltes eine mit Nuten versehene
Oberfläche
aufweist, um die Zirkulation von Fluid um die Arbeitsspalte herum
zu unterstützen, das
Auftreten heißer
Stellen zu verringern und den Aufbau von Eisenpartikeln an den Oberflächen der zylindrischen
Wände zu
vermindern.
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ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
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Die Zeichnung ist ein Aufriss im
Schnitt einer magnetorheologischen Viskosegebläsekupplung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG
EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine Kupplung mit magnetorheologischem Fluid
(MRC) 10 besitzt ein Antriebselement 12, das derart
ausgebildet ist, so dass es durch einen Motor oder eine andere Antriebsquelle,
nicht gezeigt, angetrieben werden kann, und ein Abtriebselement 14, das
an einem herkömmlichen
Kühlgebläse 16 befestigt
ist. Das Antriebselement 12 besitzt einen Rotor 18,
der einen Antriebsabschnitt 20, einen Nabenabschnitt 22,
der sich radial von dem Rotor 18 erstreckt, und einen zylindrischen
Trommelabschnitt 24 umfasst, der sich axial von dem Nabenabschnitt 22 erstreckt.
Das Abtriebselement 14 umfasst eine Frontabdeckung 26,
eine Rückabdeckung 28 und eine
Wicklungsanordnung 30. Die Wicklungsanordnung 30 besitzt
eine Eisennabe 32 mit einer Wellenverlängerung 34. Die Nabe 32 umfasst
eine zylindrische Nut oder Ausnehmung 36, in der eine Drahtwicklung 38 positioniert
ist. Eine Schleifringanordnung 40 ist an der Wellenverlängerung
positioniert, um mit einer Bürstenanordnung 42 zusammenzuwirken
und die Übertragung
elektrischer Energie an die Wicklungsanordnung 30 zu ermöglichen.
Eine Vielzahl von Kühlrippen 44 ist
an der Wellenverlängerung 34 ausgebildet,
um eine Kühlluftströmung in
dem Bereich der Bürstenanordnung 42 vorzusehen
und einen Luftstillstand in diesem Bereich zu verhindern.
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Die Schleifringanordnung 40 besitzt
einen ersten Ring 46, der an der Wellenverlängerung 34 befestigt
ist, und einen zweiten Ring 48, der an er Wellenverlängerung 34 befestigt
und von dieser elektrisch isoliert ist. Die Bürstenanordnung 42 ist
drehbar an der Wellenverlängerung 34 gelagert
und umfasst Bürsten 50 und 52,
die in Anlage mit den Ringen 46 bzw. 48 federbelastet sind,
um elektrische Energie an diese zu übertragen. Ein negativer elektrischer Anschluss 54 ist
mit der Wellenverlängerung 34 verbunden,
und ein positiver elektrischer Anschluss 56 ist an dem
zweiten Ring 48 ausgebildet. Die Anschlüsse 54 und 56 sind
mit jeweiligen Enden der Wicklung 38 durch eine herkömmliche
Verdrahtung, nicht gezeigt, verbunden. Die Bürstenanordnung 42 ist
mit dem elektrischen System eines Fahrzeugs verbunden und wird mit
Betriebssignalen von einem herkömmlichen
elektronischen Steuermodul (ECU) beliefert, das einen Motorbetrieb
auf eine gut bekannte Art und Weise unterstützt. Das ECU umfasst bevorzugt
einen programmierbaren Digitalcomputer, der gespeicherte Daten aufweist,
um den Betrieb der MRC während
des Betriebs des Fahrzeugs herzustellen.
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Die Eisennabe 32 besitzt
eine äußere zylindrische
Buchse 58, die an dieser befestigt ist und die radiale
innere Begrenzung eines Arbeitsspaltes 60 bildet. Die Außenfläche 61 der
Buchse besitzt Spiralnuten 62, die daran ausgebildet sind,
und einen Bereich 64 mit niedriger Permeabilität, der zentral
daran ausgebildet ist. Der Bereich 64 stellt sicher, dass
das Flussfeld der Eisennabe 32 richtig über den Arbeitsspalt 60 verteilt
wird. Die zylindrische Trommel 24 besitzt ähnliche
Spiralnuten 62A, die daran ausgebildet sind. Diese Nuten
unterstützen
die Verteilung des MRF durch den Arbeitsspalt 60. Die Trommel 24 besitzt
einen ähnlichen
Bereich 64A mit niedriger Permeabilität, um die richtige Verteilung
des Flussfeldes in dem Arbeitsspalt 60 sicherzustellen.
Die Frontabdeckung 26 ist eine nichtmagnetische Komponente, die
an der Eisennabe 32 angebracht ist. Die Frontabdeckung 26 besitzt
daran ausgebildet eine Vielzahl von beabstandeten Rippen 65,
die eine Luftströmung unterstützen und
eine Kühlung
der MRC 10 unterstützen.
Eine Vielzahl von Fülllöchern 66 ist
in der Frontabdeckung 26 in axialer Ausrichtung mit dem Arbeitsspalt 60 ausgebildet.
Diese Fülllöcher 66 erlauben
die Einführung
eines magne torheologischen Fluids während der Herstellung der MRC 10.
Die Fülllöcher 66 sind
mit Metallkugeln oder -stopfen 68 geschlossen. Eine zylindrische
Buchse 70 ist an der Frontabdeckung 26 befestigt.
Die Buchse 70 besteht aus magnetischem Material und bildet
einen Abschnitt des Magnetkreises zusammen mit der Eisennabe 32,
der zylindrischen Trommel 24 und dem MRF in den Arbeitsspalten 60 für die MRC 10.
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Die Rückabdeckung 28 ist
an der Frontabdeckung 26 befestigt, um den Nabenabschnitt 22 und den
Arbeitsspalt 60 zu umschließen. Die Frontund Rückabdeckungen 26, 28 und
die Wicklungsanordnung 30 wirken zusammen, um einen Speicherhohlraum 72 für MRF zu
bilden, das von dem Arbeitsspalt 60 zurückläuft, wenn die MRC 10 im
Leerlauf ist. Die Rückabdeckung 28 besitzt
einen inneren Hohlraum 74, der ein Abschnitt des Speicherhohlraumes 72 ist. Der
Hohlraum 74 besitzt eine konische Wand 76, die in
Richtung des Arbeitsspaltes 60 divergiert. Zentrifugalkräfte, die
auf das MRF in diesem Bereich wirken, unterstützen die Rückkehr des MRF in den Arbeitsspalt 60 während des
Betriebs der MRC 10. Die Rückabdeckung 28 besitzt
eine Führungsfläche 78, die
sich in enger Passung mit der Buchse 70 befindet, um die
vorderen und rückwärtigen Abdeckungen 26 und 28 richtig
auszurichten. Die Rückabdeckung besitzt
auch eine radiale Wand 80 benachbart zu der konischen Wand 76,
wobei sich die radiale Wand 80 radial auswärts von
der konischen Wand 76 erstreckt. Die durch die Wände 76 und 80 gebildete Schulter
reduziert das erforderliche Füllvolumen
des MRF und hilft auch, die zentrifugale Verdichtung der Eisenpartikel
des MRF in diesem Bereich zu verringern.
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Die Wand 80 wirkt mit einer
Vielzahl von Wischern 82 zusammen, die an der Nabe 22 ausgebildet
sind, um die Ansammlung und/oder zentrifugale Verdichtung von Eisenpartikeln
des MRF in diesem Bereich zu verhindern. Diese Wischer 82 unterstützen auch
die Zirkulation des MRF durch den Arbeitsspalt 60. Eine
andere Vielzahl von Wischern 84 ist an der Eisennabe 32 zur
Zusammenwirkung mit einer Innenwand 86 der Nabe 22 ausgebildet,
um eine Ansammlung von MRF in diesem Bereich zu verhindern und die
Zirkulation von MRF durch den Arbeitsspalt 60 zu unterstützen. Die
Wischer 82 und 84 und ihre zusammenwirkenden Wände 80 und 86 besitzen
einen geringfügigen
Laufspielraum, um ein signifikantes Mitschleifen bzw. einen signifikanten
Widerstand dazwischen zu verhindern, wenn die MRC 10 inaktiv ist
oder mit einer Drehzahldifferenz zwischen dem Antriebselement 12 und
dem Abtriebselement 14 betrieben wird. Es ist eine Vielzahl
von Öffnungen 87 in dem
Trommelabschnitt 24 benachbart den Wischern 84 ausgebildet.
Diese Öffnungen
sind so bemessen und geformt, um Durchflusswege für die Strömung des
MRF von einem inneren Arbeitsspalt 60A und einem äußeren Arbeitsspalt 60B vorzusehen.
Diese Fluidbewegung vermeidet ein Spritzen des MRF auf die Rückwand und
verbessert die Wärmeübertragung
von der Trommel 24 über
den Arbeitsspalt 60 zu der Nabe 22. Es ist eine
Vielzahl von Ausstülpungen 88 an
der linken Seite 90 der Trommel 24 ausgebildet. Diese Ausstülpungen 88 wirken
in Verbindung mit einer Wand 92 an der Frontabdeckung 26 zusammen,
um die Ansammlung des MRF in diesem Bereich zu verhindern und die
Zirkulation des MRF zu unterstützen.
Ein geringfügiger
Laufzwischenraum ist zwischen den Ausstülpungen 88 und der
Wand 92 vorgesehen. Die Laufspielräume werden allgemein durch
die Stapeltoleranzen bei der Montage der zusammenwirkenden Komponenten
bestimmt.
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Die Rückabdeckung 28 ist
drehbar an dem Antriebselement 12 durch eine Wälzlageranordnung 94 gelagert.
Die Rückabdeckung 28 besitzt
eine Ausnehmung 96, in der die Lageranordnung 94 befestigt ist.
Die Ausnehmung 96 besitzt eine Innenwand 98, die
einen Abschnitt des linken Endes 100 der Lageranordnung 94 umgibt.
Eine Lippe 102, die an dem Antriebs element 12 ausgebildet
ist, wirkt mit der Innenwand 98 zusammen, um das Lager
zu umschließen
und das MRF zu verlangsamen, damit dieses die Lagerdichtungen nicht
erreicht. Der radiale Spielraum zwischen der Lippe 102 und
der Wand 98 ist sehr eng und wirkt mit der hohen Viskosität des MRF zusammen,
um zu verhindern, dass das MRF die Lagerdichtungen erreicht. Die
Rückabdeckung 28 besitzt
eine Vielzahl von Entlüftungsöffnungen 104,
die darin ausgebildet sind, um das Füllen der MRC mit Fluid im Zusammenbau
zu unterstützen.
Die Öffnungen 104 werden
nach dem Füllen
des Arbeitsspaltes 60 mit Dichtungsstopfen 106 geschlossen.
Der Arbeitsspalt 60 wird bevorzugt durch die Fülllöcher 66 gefüllt, und
die Luft in dem Arbeitsspalt 60 wird durch die Öffnungen 104 während des
Füllvorganges
ausgetragen.
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Der Nabenabschnitt 22 des
Antriebselementes 12 besitzt eine Vielzahl von mit gleichem
Winkel beabstandeten Rippen 108, die einen Wärmeübergang
von dem MRF steigern, um die Beibehaltung seiner Temperatur in einem
gewünschten
Betriebsbereich zu unterstützen.
Die Nabe 22 besitzt auch eine Vielzahl von Öffnungen 110,
die deren Masse verringern und die Speicherkapazität für das MRF
erhöhen,
wenn sich die MRC nicht dreht.
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Die MRC 10 wird in einem
Fahrzeug, nicht gezeigt, installiert, und ist derart ausgebildet,
um mit einer Drehzahl proportional zu der Motordrehzahl angetrieben
zu werden. Beispielsweise kann der Antriebsabschnitt 20 durch
eine Wellenverlängerung von
einer herkömmlichen
Wasserpumpe oder einem anderen Motorzubehör oder von einer Riemenscheibenanordnung
angetrieben werden, die direkt mit der Kurbelwelle verbunden ist.
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Während
des Betriebs können,
wenn die Temperatur des Motorkühlfluides
einen gewünschten Betriebsbereich
erreicht, die Anschlüsse 54 und 56 mit
elektrischen Signalen beaufschlagt werden, die einen Stromfluss durch
die Wicklungsanordnung 30 erzeugen, wodurch ein Magnetfeld
erzeugt wird, das durch das MRF in dem Arbeitsspalt 60 gelangt.
Wie gut bekannt ist, werden, wenn das MRF einem Magnetfeld ausgesetzt
wird, die Magnetpartikel darin mit dem Feld ausgerichtet und erhöhen die
Viskosität und
daher die Scherfestigkeit des MRF, was in einer Drehmomentüber- tragung
von dem Antriebselement 12 zu dem Abtriebselement 14 resultiert,
wodurch eine Rotation des Gebläses 16 bewirkt
wird. Die Drehmomentübertragungsfähigkeit
oder -eigenschaft des MRF variiert mit der Intensität des Magnetfeldes.
Daher wird, wenn die Temperatur des Motorkühlmittels ansteigt, die elektrische
Energie zu der Wicklungsanordnung automatisch durch das ECU erhöht. Dies
resultiert in einer Zunahme der Gebläsedrehzahl und einer Erhöhung des
Luftdurchflusses durch das Fahrzeugkühlsystem.
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Das MRF besitzt oftmals die Tendenz,
in den Ecken zwischen der Antriebselementennabe 22, der Eisennabe 32 und
der Rückabdeckung 28 gehalten zu
werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Arbeitsspa1t 60 ein
auf diesen einwirkendes Magnetfeld aufweist. Die Wischer 84 und 82 dienen
dazu, den Aufbau oder die Verdichtung von MRF in diesen Bereichen
zu verhindern, wenn sich das Gebläse dreht, indem kontinuierlich
MRF von diesen Bereichen abgezogen und in Richtung des Arbeitsspaltes 60 gelenkt
wird. Die Ausstülpungen 88 sehen
eine ähnliche
Funktion zwischen der linken Seite 90 der Trommel 24 und
der Frontabdeckung 26 der inneren Seite vor.
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Während
das MRF ziemlich viskos ist, sogar wenn es nicht erregt ist, ist
es möglich,
dass einiges von dem MRF während
langer Perioden des Leerlaufs in den Speicherhohlraum 72 wandert.
Die Wand 98 der Rückabdeckung 28 und
die Lippe 102 an der Nabe 22 verhindern, dass
das MRF in Kontakt mit der Lageranordnung 94 kommen kann.
Während
die La geranordnung 94 eine abgedichtete Einheit ist, ist
davon auszugehen, dass es geeigneter ist, das MRF ohne Kontakt zu
den Lagerdichtungen zu halten.