DE19736797A1 - Geregelter Antrieb für einen Kraftfahrzeug-Lüfter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für einen Lüfter eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Ein derartiger Lüfterantrieb weist eine Kupplung auf, über die das Lüfterrad des Lüfters von dem Motor des Kraftfahrzeuges angetrieben wird. In Ab­ hängigkeit der an das Kühlsystem des Kraftfahrzeuges gestellten Anforde­ rungen kann der Lüfter bzw. sein Lüfterrad mit Hilfe einer regelbaren Kupp­ lung mehr oder weniger stark an den Antrieb gekoppelt und dementspre­ chend aktiviert werden. Zu diesem Zweck hat sich in der Praxis die Verwen­ dung einer als "Visko-Kupplung" bezeichneten Kupplung bewährt, deren Funktionsweise grundsätzlich bekannt ist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Lüf­ terantrieb der eingangs genannten Art eine andere zweckmäßige Bauweise aufzuzeigen.

Dieses Problem wird mit Hilfe eines Lüfterantriebes mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht dabei auf dem allgemeinen Gedanken eine regelbare Magnetkupplung zur Übertragung der Antriebskräfte auf den Lüfter zu ver­ wenden, wobei die Regelbarkeit der Magnetkupplung durch einen veränder­ baren Schlupf zwischen einem antreibenden und einem anzutreibenden Bauteil der Kupplung bewirkt wird.

Aufgrund der berührungslosen Kraftübertragung zwischen dem antreibenden und dem anzutreibenden Bauteil ergibt sich eine Reihe von Vorteilen: Eine Magnetkupplung arbeitet reibungsfrei und weist daher nahezu keine me­ chanischen Leistungsverluste auf. Zwischen den magnetisch gekoppelten Bauteilen erfolgt kein Abrieb. Die Magnetkupplung arbeitet wartungsfrei und weist eine hohe Lebensdauer auf. Darüber hinaus zeichnet sie sich, auf­ grund einer nur minimalen Übertragung von Vibrationen, durch einen ruhigen Lauf aus.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird die Schlupfrege­ lung der Magnetkupplung dadurch erreicht, daß die Geometrie des sich zwi­ schen dem Primärteil und dem Sekundärteil ausbildenden Spaltes verstellbar ist. Denn durch eine Änderung der Spaltgeometrie verändert sich die Effizi­ enz, mit der eine Kraftübertragung zwischen Primär- und Sekundärteil erfol­ gen kann, wodurch das Sekundärteil und somit der damit verbundene Lüfter mehr oder weniger stark, das heißt mit mehr oder weniger Schlupf vom Pri­ märteil angetrieben wird. Eine Magnetkupplung mit verstellbarer Spaltgeo­ metrie ermöglicht somit einen geregelten Antrieb des Lüfters bzw. dessen Lüfterrades.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüf­ terantriebes weist die Merkmale des Anspruches 3 auf. Durch die Lagerung des Sekundärteiles am Primärteil ergibt sich zwar ein leichter Mitnahmeeffekt über die nicht vollständig beseitigbare Reibung in der Lagerung, was jedoch für den Lüfter keinen Nachteil bildet, da dieser bzw. sein Lüfterrad ohnehin durch die Anströmung aufgrund des Fahrtwindes zumindest geringfügig an­ getrieben ist. Jedoch ergibt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lagerung des Sekundärteiles am Primärteil der Vorteil, daß keine zusätzli­ che Lagerung im Motorraum für das Sekundärteil vorgesehen werden muß, deren konzentrisch zum Primärteil ausgerichtete Anordnung nur sehr auf­ wendig realisierbar ist.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes mit den Merkmalen des Anspruches 4 und insbesondere mit den Merkmalen des Anspruches 5 wird die Effektivität der Kraftübertragung zwischen Primärteil und Sekundärteil über die Größe der Fläche verändert, die sich durch eine Überlappung zwischen dem Mitnehmerteil und dem oder den Permanentma­ gneten im Spaltbereich ergibt. Je kleiner diese Überlappungsfläche ist, desto geringer ist die Kraftübertragung und desto größer ist der Schlupf.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäße Lüfterantrie­ bes mit den Merkmalen des Anspruches 6 und insbesondere mit den Merk­ malen des Anspruches 7 wird die Effektivität der Kraftübertragung zwischen Primär- und Sekundärteil über die Spaltbreite variiert. Dabei bewirkt eine größerer Spaltbreite, das heißt ein größerer Abstand zwischen dem oder den Permanentmagneten und dem Mitnehmerteil, einen größeren Schlupf und somit verminderten Antrieb für das Lüfterrad.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes weist die Merkmale des Anspruches 8 auf.

Hinsichtlich weiterer wichtiger Merkmale und Vorteile des erfindungsgemä­ ßen Lüfterantriebes wird auf die Ansprüche, die Zeichnungen sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnungen verwiesen, anhand derer bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Lüfterantriebes im Bereich einer Mag­ netkupplung mit axialem Spalt und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes im Bereich einer Magnetkupplung mit radialem Spalt.

Entsprechend Fig. 1 ist bei einem erfindungsgemäßen Lüfterantrieb ein Lüf­ terrad 1 konzentrisch an einem nabenförmigen Bauteil 2 befestigt, das im folgenden als Sekundärteil 2 bezeichnet wird. Das Sekundärteil 2 ist zen­ trisch über ein Kugellager 3 drehbar auf einem stufenförmig zurückgenom­ menen Absatz 4 einer Welle 5 gelagert, die im folgenden als Primärteil 5 be­ zeichnet wird. Das Primärteil 5 ist an seinem dem Absatz 4 entgegengesetz­ ten Ende mit einem Anschlußflansch 6 versehen, mit dem das Primärteil 5 und somit das Sekundärteil 2 und das daran gehaltene Lüfterrad 1 an einer nicht dargestellten Antriebswelle befestigbar ist, die von einem Motor eines ebenfalls nicht dargestellten Kraftfahrzeuges angetrieben ist.

Entlang des Umfanges des Primärteiles 5 bzw. der Welle 5 sind mehrere, in axialer Richtung verlaufende, radial polarisierte Permanentmagnete 7 ange­ ordnet, wobei benachbarte Permanentmagnete 7 umgekehrte Polaritäten aufweisen.

Im nabenförmigen Sekundärteil 2 sind mehrere axial verlaufende, kreisbo­ genförmige Öffnungen 8 ausgespart, die von entsprechend ausgebildeten Fortsätzen 9 eines Mitnehmerteiles 10 durchdrungen sind. Zwischen den Fortsätzen 9 sind in Umfangsrichtung Ausnehmungen 11 angeordnet, durch die Bereiche des Sekundärteiles 2 radial hindurch ragen, die jeweils zwischen den Öffnungen 8 angeordnet sind. Die Fortsätze 9 sind an einem axialen Ende, entsprechend Fig. 1 links, mit einer Basisscheibe 12 und an den ge­ genüberliegenden axialen Enden mit in Umfangsrichtung verlaufenden Ringsegmenten 13 verbunden, mit denen die Ausnehmungen 11 axial be­ grenzt sind. Das Mitnehmerteil 10 ist somit etwa becherförmig und vorzugs­ weise einteilig ausgebildet, wobei in der zylindrischen Wand dieses Bechers die Ausnehmungen 11 ausgespart sind. Die zylindrische Wand des Bechers bzw. die Fortsätze 9 des Mitnehmerteiles 10 sind in axialer Richtung ent­ sprechend dem Doppelpfeil a in den Öffnungen 8 gegenüber dem Sekundär­ teil 2 verstellbar. Dazu kann das Mitnehmerteil 10 von einem nicht dargestell­ ten Aktuator angetrieben werden.

Zur Kraftübertragung zwischen dem Mitnehmerteil 10 und dem Sekundärteil 2 sind auf der Außenseite der Fortsätze 9 Erhebungen 14 vorgesehen, die radial nach außen von den Fortsätzen 9 bzw. vom Mitnehmerteil 10 abste­ hen und axial verlaufen. Die Erhebungen 14 des Mitnehmerteiles 10 stehen in Wirkeingriff mit korrespondierenden Erhebungen 15 in den Öffnungen 8 des Sekundärteiles 2. Dabei können die Erhebungen 14 und 15 insbesonde­ re wellenförmig oder zahnförmig ausgebildet sein und nach Art einer Ver­ zahnung kraftübertragend bzw. drehmomentübertragend zusammenwirken.

Die Bereiche der Fortsätze 9, die auf der der Basisscheibe 12 abgewandten Seite des Sekundärteiles 2 aus den Öffnungen 8 hinausragen, überlappen die Permanentmagnete 7, wobei sich zwischen den Permanentmagneten 7 und den Fortsätzen 9 ein ringförmiger Spalt 16 ausbildet. Das Mitnehmerteil 10 besteht aus einem Hysteresewerkstoff, d. h. aus einem unmagnetisierten Dauermagnetwerkstoff, der sich zur Übertragung magnetischer Kräfte be­ sonders eignet.

Wenn das Primärteil 5 angetrieben ist, rotieren die daran befestigten Perma­ nentmagnete 7 konzentrisch zur Drehachse des Primärteiles 5. Dabei wer­ den magnetische Kräfte über den Spalt 16 auf die Fortsätze 9 und somit auf das Mitnehmerteil 10 übertragen, die eine Mitnahmebewegung des Mitneh­ merteiles 10 bewirken. Diese Mitnahmebewegung wird über die Verzahnung 14,15 auf das Sekundärteil 2 und somit auf das daran befestigte Lüfterrad 1 übertragen. Aufgrund der Kraftübertragung mit Hilfe magnetischer Effekte wird die aus Primärteil 5, Sekundärteil 2, Permanentmagneten 7 und Mit­ nehmerteil 10 gebildete Kupplung als Magnetkupplung bezeichnet.

Die Größe der vom Mitnehmerteil 10 im Spaltbereich überdeckte Fläche der Permanentmagnete 7 bestimmt dabei die Effizienz dieser Kraftübertragung bzw. den Schlupf der Mitnahmebewegung. Je weiter das Mitnahmeteil 10 über die Permanentmagnete 7 übergeschoben ist, das heißt je größer die axiale Länge des Spaltes 16 ist, um so effizienter kann das Sekundärteil 2 Primärteil 5 angetrieben werden, mit der Folge, daß sich die Drehzahl des Lüfterrades 1 der Drehzahl des Primärteiles 5 um so mehr angleicht. Im umgekehrten Fall, wenn durch eine Verstellung des Mitnehmerteiles 10 z. B. eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Ringsegmente 13 vor­ bestimmte minimale Überdeckung der Permanentmagnete 7 erreicht ist, er­ folgt eine erheblich kleinere Kraftübertragung, so daß die Drehzahl des Lüf­ terrades 1 deutlich niedriger als die Drehzahl des Primärteiles 5 ist.

Die axiale Länge der Ringsegmente 13 und die Anordnung der Permanent­ magnete 7 kann dabei auch so gewählt werden, daß bei einer durch die Ringsegmente 13 begrenzten Endstellung keine Überdeckung, das heißt kein Spalt 16 vorhanden ist, so daß in diesem Fall keine nennenswerte Kraftübertragung erfolgen kann.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterantriebes entsprechend Fig. 2 ist das Lüfterrad 1 ebenfalls am Sekundärteil 2 befestigt, das in diesem Fall in Form eines zylindrischen Gehäuses ausgebildet ist. An einem axialen Ende ist dieses gehäuseförmige Sekundärteil 2 zentrisch wie­ derum über ein Kugellager 3 an der Welle des Primärteiles 5 drehbar gela­ gert. Am gegenüberliegenden Ende ist an das zylindrische Sekundärteil 2 ein sich radial nach innen erstreckender Kragen 17 angeformt, an dem meh­ rere, sich axial in das Innere des gehäuseähnlichen Sekundärteiles 5 er­ streckende Führungsbolzen 18 befestigt sind. Im Inneren des Sekundärteiles 2 ist das in diesem Ausführungsbeispiel scheibenförmig ausgebildete Mit­ nehmerteil 10 angeordnet, das in seinem Umfangsbereich von den Füh­ rungsbolzen 18 mit Spiel durchdrungene, axial verlaufende Öffnungen 19 enthält, mit deren Hilfe das Mitnehmerteil 10 axial auf den Führungsbolzen 18 entsprechend dem Doppelpfeil a insbesondere gleitend verstellbar ist. Neben der axialen Führung des wiederum aus einem Hysteresewerkstoff bestehenden Mitnehmerteiles 10 bewirken die Führungsbolzen 18 auch die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung vom Mitnehmerteil 10 auf das Sekun­ därteil 2 und somit auf das Lüfterrad 1.

Zwischen der dem Inneren des Sekundärteiles 2 zugewandten Seite des Kragens 17 und dem Mitnehmerteil 10 sind Spiraldruckfedern 20 angeord­ net, die vorzugsweise konzentrisch zu den Führungsbolzen 18 angeordnet sind. Mit Hilfe dieser Spiraldruckfedern 20 ist das Mitnehmerteil 10 axial in Richtung auf das Primärteil 5 vorgespannt.

Auf dem in das Innere des Sekundärteiles 2 hineinragenden Abschnitt der Welle bzw. des Primärteiles 5 ist eine Trägerscheibe 21 befestigt, auf der mehrere Permanentmagnete 7 angeordnet sind, die radial verlaufen und da­ bei axial gepolt sind, wobei wiederum benachbarte Permanentmagnete 7 eine umgekehrte Polung aufweisen. Zwischen dem Mitnehmerteil 10 und den diesem zugewandten Permanentmagneten 7 ist ein scheibenförmiger Spalt 16 ausgebildet. Dabei wird die Spaltbreite, das heißt die axiale Er­ streckung des Spaltes 16 durch einen Stift 22 bestimmt, der konzentrisch zur Drehachse des Primärteiles 5 von diesem ausgehend in den Spalt 16 hinein­ ragt und mit einem sich verjüngenden Ende punktförmig am Mitnehmerteil 10 zur Anlage kommt. Dabei bildet der Stift 22 einen axialen Fortsatz eines Kol­ bens 23, der in einem Zylinder 24 eines Kolben-Zylinder-Aggregates ent­ sprechend dem Doppelpfeil b axial verschiebbar ist. Dieses Kolben-Zylinder-Aggregat ist im Ausführungsbeispiel konzentrisch zur Drehachse in der Welle bzw. im Primärteil 5 untergebracht und beispielsweise über eine Zu­ fuhrleitung 25 mit Druckluft beaufschlagbar.

Um beispielsweise die Spaltbreite zu vergrößern, damit weniger Drehkräfte auf das Mitnehmerteil 10 und somit über das Sekundärteil 2 auf das Lüfter­ rad 1 übertragen werden können, wird der Zylinder 24 über die Zufuhrleitung 25 mit Druckluft beaufschlagt, wodurch sich der Kolben 23 aus dem Zylinder 24 heraus, in Richtung auf das Mitnehmerteil 10 bewegt. Dabei wird der Stift 22 zunehmend aus dem Primärteil 5 hinausbewegt, wobei dieser das Mit­ nehmerteil 10 unter Verbreiterung des Spaltes 16 in der selben Achsrichtung bewegt. Im Bereich des Kragens 17 kann ein nicht dargestellter Anschlag angeordnet sein, der eine zu weit gehende Verstellung des Mitnehmerteiles 10 bzw. des Kolbens 23 verhindert. Um eine möglichst geringe Reibung zwi­ schen dem axial wirkenden Stift 22 und dem rotierenden Mitnehmerteil 10 zu erhalten, ist der Stift 22 im Ausführungsbeispiel mit einer Spitze versehen, die zweckmäßigerweise im Drehzentrum des Mitnehmerteiles 10 eine nahe­ zu punktförmige Kraftübertragung bewirkt.

Im umgekehrten Fall, wenn das Lüfterrad 1 mit höherer Drehzahl rotieren soll, wird über die Zufuhrleitung 25 der Zylinder 24 entspannt, gleichzeitig bewirken die Spiraldruckfedern 20 eine Axialbewegung des Mitnehmerteiles 10 in Richtung auf das Primärteil 5. Diese Bewegung des Mitnehmerteiles 10 wird über den Stift 22 auf den Kolben 23 übertragen, wodurch dieser in den Zylinder 24 eingeschoben wird. Dabei verkleinert sich die Spaltbreite, so daß eine effizientere Kraftübertragung auf das Mitnehmerteil 10 erfolgen kann, bei der sich eine höhere Drehzahl für das Lüfterrad 1 einstellt. Die Vorspan­ nung durch die Spiraldruckfedern 20 bewirkt außerdem bei einem Ausfall des Antriebes durch das Kolben-Zylinder-Aggregat, daß das Mitnehmerteil 10 eine Stellung mit kleiner Spaltbreite einnimmt. Der Lüfter beziehungswei­ se das Lüfterrad 1 hat in diesem Fall somit eine hohe Drehzahl und gewähr­ leistet, daß dem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeuges ausreichend Kühl­ leistung zur Verfügung steht.

Im übrigen ist die Erfindung beziehungsweise die erfindungsgemäße Ma­ gnetkupplung nicht auf eine Anwendung bei einem Lüfterantrieb beschränkt, vielmehr kann die Magnetkupplung zum Beispiel auch als regelbarer Antrieb bei einer Kühlmittelpumpe eines Kraftfahrzeuges verwendet werden.

Claims (8)

1. Antrieb für einen Lüfter eines Kraftfahrzeuges mit einem Lüfterrad, das durch eine Kupplung drehzahlgeregelt von einem Motor des Kraftfahrzeuges antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung als Magnetkupplung mit veränderbarem Schlupf ausgebildet ist.

2. Lüfterantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplung ein vom Motor des Kraftfahrzeuges ange­ triebenes erstes Drehteil (5) - Primärteil -, ein konzentrisch zum Pri­ märteil (5) drehbares, mit dem Lüfterrad (1) kraftübertragend verbun­ denes, anzutreibendes zweites Drehteil (2) - Sekundärteil -, wenig­ stens einen Permanentmagneten (7), der mit einem der Drehteile (2) oder (5) kraftübertragend verbunden ist, und ein Mitnehmerteil (10) aus einem relativ leicht magnetisierbaren Werkstoff aufweist, das mit anderen Drehteil (5) bzw. (2) kraftübertragend verbunden ist, wobei das Mitnehmerteil (10) relativ zu dem (den) Permanentmagne­ ten (7) unter Veränderung der Geometrie eines zwischen dem (den) Permanentmagneten (7) und dem Mitnehmerteil (10 ausgebildeten Spaltes (16) mit Hilfe von Antriebsmitteln (20, 23, 24) verstellbar ist.

3. Lüfterantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil (2) am Primärteil (1) frei drehbar gelagert ist.

4. Lüfterantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Permanentmagnet(e) (7) und das Mitnehmerteil (10) unter radialer Beabstandung einen axial verlaufenden Spalt (16) ausbilden, wobei durch das axial verstellbare Mitnehmerteil (10) die Länge des Spaltes (16) in axialer Richtung veränderbar ist.

5. Lüfterantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mitnehmerteil (10) radial abstehende, axial verlaufende Er­ hebungen (14) aufweist, die mit korrespondierenden Erhebungen (15) an dem dem Mitnehmerteil (10) zugeordneten Drehteil (2) oder (5) kraftübertragend zusammenwirken.

6. Lüfterantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Permanentmagnet(e) (7) und das Mitnehmerteil (10) unter axialer Beabstandung einen radial verlaufenden Spalt (16) ausbilden, wobei durch das axial verstellbare Mitnehmerteil (10) die Breite des Spaltes (16) in axialer Richtung veränderbar ist.

7. Lüfterantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel ein Kolben-Zylinder-Aggregat (23, 24) und ent­ gegengesetzt wirkende Federmittel (20) aufweisen, wobei das Kol­ ben-Zylinder-Aggregat (23, 24) konzentrisch in dem Drehteil (2) oder (5) angeordnet ist, das dem (den) Permanentmagneten (7) zugeord­ net ist und dessen Kolben (23) das Mitnehmerteil (10) konzentrisch zur Drehachse punktförmig berührt, und wobei entlang einer drehmo­ mentübertragenden Axialführung (18, 19) das Mitnehmerteil (10) durch das Federmittel (20) axial gegen den Kolben (23) vorgespannt ist.

8. Lüfterantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Permanentmagnet(e) (7) dem Primärteil (5) und das Mitnehmerteil (10) dem Sekundärteil (2) zugeordnet ist.