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"Viskositätskupplung" Die Erfindung betrifft eine Viskositätskupplung,
bestehend aus einer angetriebenen Primärscheibe, mit einer verschließbaren Steueröffnung,
einem abtriebsseitigen Sekundärgehäuse und einem Arbeitsfluid, beispielsweise Siliconöl,
insbesondere für Lüfterantrieb bei Kühlaggregaten von Brennkraftmaschinen, vorzugsweise
von Straßenfahrzeugen.
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Viskositäts- bzw. Flüssigkeitskupplungen, bei denen ein teilweise
mit Flüssigkeit gefülltes Kupplungsgehäuse die eine Kupplungshälfte und eine in
dem Gehäuse rotierende, mit Querbohrungen ausgestattete Kupplungsscheibe die andere
Kupplungshälfte bildet und wobei das Drehmoment durch die innere Flüssigkeitsreibung
und die Reibung der Flüssigkeit an den Wänden der Kupplungshälfte übertragen wird,
sind bekannt. Bei einer bekannten Viskositätskupplung dieser Art ist im Gehäuse
eine Trennwand eingespannt, die eine die Kupplungsscheibe enthaltene Kupplungskammer
von einer Kühlkammer trennt und wobei nahe am inneren Umfang des Gehäuses Auslaßöffnungen
und nahe der Kupplungsachse Einlaßöffnungen für die Flüssigkeit vorgesehen
sind
und zum Regeln der Durchflußmenge der Flüssigkeit durch die Einlaßöffnungen in der
Kühlkammer ein verstellbarer Ventilteller angeordnet ist.
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Bei diesen bekannten Flüssigkeitskupplungen kann im abgeschalteten
Zustand, d.h. bei geschlossenem Ventilhebel, der Arbeitsraum nicht vollständig entleert
werden. Durch das rückbleibende Restflüssigkeitsvolumen wird ein begrenztes Drehmoment
von der Primär- auf die Sekundärseite der Kupplung übertragen. Durch die großen
Differenzdrehzahlen, die im abgeschalteten Zustand der Kupplung zwischen Primär-
und Sekundärseite vorhanden sind, entsteht eine hohe Verlustwärme, die einerseits
die Lagerlebensdauer negativ beeinflußt und zum andern für die hochbeanspruchten
Teile der Kupplung teuere Werkstoffe erforderlich macht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitskupplung
der bekannten Art derart auszubilden, daß die sehr hohen Kupplungstemperaturen,
die zu Lagerschäden und damit zum Ausfall der Kupplung führen können, vermieden
werden und daß bei temperaturgeregelten Kupplungen eine lineare Zu- und Abschaltkurve
mit kleiner Hysterese in Abhängigkeit von der Regeltemperatur und unabhängig von
Primär- und Sekundärdrehzahl erhalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Viskositätskupplung der eingangs geschilderten
Art erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Primärscheibe am äußeren
Randbereich etwa U-förmigen Querschnitt aufweist und daß in einer axial sich erstreckenden
äußeren Mantelfläche eine Fördernut für das der Drehmoment-Übertragung dienende
Fluid angeordnet ist.
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Dadurch wird erreicht, daß der Primärteil der Kupplung einen Vorratsraum
für das Fluid aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fördernut derart ausgebildet
ist, daß das Fluid von der Sekundärscheibe zu einem hinteren Schenkel des U-Querschnittes
der Primärscheibe gefördert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist im hinteren Schenkel des
U-Querschnittes eine ein-oder mehrgängige Fördernut angeordnet, die das Fluid vom
Rand der Primärscheibe entgegen der Zentrifugalkraft nach innen fördert.
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Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind anstelle
der radial wirkenden Fördernuten entweder am Gehäuse und/oder an der Primärscheibe
ein oder mehrere Pumpschlitten angeordnet, die das Fluid entgegen der Zentrifugalkraft
nach innen fördern.
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Die erfindungsgemäße Lösung, den Fluidvorratsraum in die Primärscheibe
zu integrieren, kann auch auf eine temperaturgeregelte Kupplung angewendet werden.
Dazu ist es vorteilhaft, wenn ein temperaturabhängiges Betätigungselement für ein
Steueröffnungsventil vorgesehen ist. In vorteilhafterweise kann als temperaturabhängiges
Betätigungselement ein an sich bekanntes Bimetall-Element dienen. Dabei wirkt bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung das temperaturabhängige Betätigungselement
auf einen federbelasteten Winkelhebel, der als Betätigungshebel für das Steueröffnungsventil
ausgebildet ist.
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Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die temperaturabhängige
Steuerung mit dreh ängigen Steuerung kombiniert werden, im wesentlichen dadurch,
daß der Ventilhebel außer durch die temperaturabhängige Steuerung mittels eines
zentrifugalkraftabhängigen Betätigungselementes auch noch drehzahlabhängig betätigbar
ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnung
näher erläutert, die schematische Ausführungsbeispiele darstellt. Dabei zeigt: Fig.
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine Primärscheibe nach Fig.
1 in Seitenansicht,
Fig. 3 eine Primärscheibe teilweise geschnitten,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 ein Detail des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 4, Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer temperaturabhängig gesteuerten
Kupplung nach der Erfindung.
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Aus Fig. 1 ist im Prinzip eine Viskositätskupplung teilweise im Schnitt
ersichtlich. Die Kupplung besteht aus einer Primärscheibe 1, die in einem Gehäuse
11 mittels eines Kugellagers 15 drehbar gelagert ist. Der Antrieb der Primärscheibe
erfolgt mittels eines Antriebsflansches 15 der beispielsweise direkt mit der Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine oder über ein Getriebe oder einen Keilriemen-Antrieb verbunden
ist. Das Gehäuse Il ist durch eine Scheibe 2 abgeschlossen.
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Am Gehäuse 11 sind in an sich bekannter Weise Kühlrippen 12 vorgesehen.
Der Antriebs flansch 13 ist mit einer Achse 14 der Primärscheibe 1 drehfest verbunden
bzw. einstückig ausgebildet.
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Die Primärscheibe 1 weist im Bereich ihres äußeren Umfanges eine Steueröffnung
5 auf, die mit Hilfe eines Ventils 4 bei bestimmten Betriebszuständen verschlossen
ist. Das Ventil 4 ist mit einer Ventilfeder 5 belastet.
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Erfindungsgemäß weist die Primärscheibe 1 im äußeren Bereich einen
U-förmigen Querschnitt auf, der durch eine Mantel fläche 6 und einen sich daran
anschließenden Schenkel 7 gebildet ist. Im Mantel 6 ist eine Fördernut 8 angeordnet,
die das Arbeitsfluid (in der Zeichnung) von links nach rechts fördert. Am Schenkel
7 ist eine doppelgängige Nut bzw. sind zwei Nuten 9', 9" angeordnet. Diese Fördernut
9', 9" sorgt dafür, daß das Fluid entgegen der Zentrifugalkraft nach innen gefördert
wird. Vom inneren Durchmesser des Schenkels 7 fließt nun das Fluid infolge der Zentrifugalkraft
etwa radial nach außen in das Innere der Primärscheibe 1.
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Solange die Primärseite der Kupplung mit einer Drehzahl angetrieben
wird, die unterhalb der Ansprechgrenze des durch die Zentrifugalkraft betätigten
Ventils 4 liegt, findet über die in der Primärscheibe 1 sich befindende Steuerbohrung
3 ein stetiger Umlauf des Fluids statt, d.h. das maximal mögliche Drehmoment der
Kupplung wird übertragen. Sobald das Ventil 4 die Steueröffnung 3 schließt, d.h.
wenn eine bestimmte Drehzahl überschritten wird, kann das von den axialen Fördernuten
8 vqn den radialen Fördernuten 9', 9" in das Innere der Primärscheibe 1 geförderte
Fluid nicht mehr an die Arbeitsfläche gelangen.
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Somit kann durch das Fluid kein Drehmoment mehr übertragen werden
und die Drehzahl der Sekundärseite der Kupplung geht gegen Null. Die noch vorhandene
Restdrehzahl ist durch die Lagerreibung und Ventilationsverluste im Innern der Kupplung
bedingt.
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In Fig. 2 ist die Kupplungsscheibe 1, nach der Zeichnungsfigur 1 von
rechts gesehen, dargestellt. In dieser Fig. 2 sind besonders deutlich die radialen
Fördernuten 9', 9" zu erkennen.
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Aus dem Schnitt durch die Primärscheibe 1 gemäß Fig. 5 ist der Verlauf
und die Anordnung der Fördernuten 8 im Mantelteil 6 ohne weiteres ersichtlich.
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Die Fig. 4 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche
Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 sind funktionsmäßig anstelle der radialen Fördernuten 9', 9" ein oder
mehrere Pumpschlitten 10 angeordnet, die das Fluid entgegen der Zentrifugalkraft
nach innen in den durch das U-Profil gebildeten Vorratsraum der Primärscheibe 1
fördern. Dabei können die Pumpschlitten 10 am Schenkel 7 angeordnet sein, aber auch
am Gehäuse 11. Die Wirkungsweise der Kupplung nach Fig. 4 entspricht der Wirkungsweise
der Kupplung nach Fig. 1, abgesehen von den abgewandelten Maßnahmen zur Beförderung
des Fluids in das Innere der Primärscheibe 1.
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In Fig. 5 ist ein Pumpschlitten 10 in vergrößertem Maßstab dargestellt.
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In Fig. 6 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei
dem die Kupplung in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt wird. Dazu dient ein
temperaturabhängiges Betätigungselement 16,
beispielsweise als Bimetall-Element
18 ausgebildet, welches sich bei Erwärmung nach außen (in der Zeichnung nach links)
wölbt. Der Aufbau der Primärscheibe 1 entspricht dem der beiden vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele.
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Anstelle des Ventils 4 tritt ein Steueröffnungsventil 17, welches
an einem Arm eines Winkelhebels 19 befestigt ist. Der Winkelhebel 19 ist an einem
Drehlager 21 schwenkbar gelagert und wird durch eine Druckfeder 20 (in der Zeichnung)
nach links gedrückt. Im kalten Zustand wird die Kraft der Druckfeder 20 von dem
Bimetall-Element 18 aufgenommen, so daß das Steueröffnungsventil 17 geschlossen
ist.
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Bei Temperaturen unterhalb des Ansprechpunktes der Kupplung verschließt
damit der Ventilhebel bzw. Winkelhebel 19 in Verbindung mit dem Steueröffnungsventil
17 die in der Primärscheibe 1 befindliche Steuerbohrung 5. Mit zunehmender Temperatur
wölbt sich das an der Frontseite der Kupplung angebrachte Bimetall-Element 18 nach
außen, so daß die in der Drehachse der Kupplung sich befindende Druckfeder 20 den
Hebel 19 entsprechend der Stellung des Bimetall-Elementes 18 kontinuierlich öffnen
kann. Bei abnehmender Temperatur drückt das Bimetall-Element 18 über einen Schaltstift
22 den Winkelhebel 19 kontinuierlich in die Schließstellung.
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Durch entsprechende Massenverteilung am Ventilhebel 19 kann erfindungsgemäß
zusätzlich zur Temperaturregelung eine drehzahlabhängige Regelung durchgeführt werden.
Durch die Kombination
dieser beiden Regelungsarten ist ein vollwertiger
Ersatz für einen eiektrischen Ventilatorantrieb für die Kühlung einer Brennkraftmaschine
in einem Straßenfahrzeug gefunden. Der kritische Betriebszustand für die Kühlung
ist Leerlauf bzw. Langsamfahrt mit hoher Motorleistung. Beide Zustände sind gleichbedeutend
mit niedrigen Motor- d.h.
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niedrigen Ventilatordrehzahlen. Durch die Kombination der Temperatur-
und Drehzahlsteuerung der Kupplung ist es möglich, sehr hoch ins Schnelle zu übersetzen,
d.h. schon bei niedrigen Motordrehzahlen hohe Ventilatordrehzahlen und damit hohe
Luftdurchsätze durch einen Kühler zu erhalten. Sobald eine bestimmte Drehzahl überschritten
wird, kann, sofern erforderlich, in Stufen, durch Verwendung eines zweiten und dritten
Ventils der Ventilator abgeschaltet werden, da erfahrungsgemäß hö-here Motordrehzahlen
in einem Kraftfahrzeug gleich-zusetzen sind mit höheren Fahrgeschwindigkeiten und
damit höheren Staudrücken, die für die Förderung der Kühl luft ausreichend sind.
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Die erfindungsgemäße Kupplung weist bezüglich des Regelverhaltens
gegenüber den vorbekannten Kupplungen, bei denen sich der Vorratsraum für das Fluid
im Sekundärteil der Kupplung befindet, entscheidende Vorteile auf.
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Der Druck, den die rotierenden Fluidmassen auf die umgebenden Wände
ausüben und der in der Zuschaltphase des Regelvorganges für die Füllung des Arbeitsraumes
sorgt, hängt quadratisch mit der Drehzahl zusammen. Befindet sich der Vorratsraum
auf
der Sekundärseite der Kupplung, so variiert der Druck im Arbeitsraum mit der Sekundärdrehzahl.
Dadurch ergeben sich zu Beginn des Zuschaltvorganges relativ kleine Drücke, die
gegen Ende des Regelvorganges, d.h. mit steigender Sekundärdrehzahl infolge des
quadratischen Zusammenhanges sehr stark zunehmen. Die wirkt sich auf die Sekundärdrehzahl
in der Weise aus, daß bis kurz vor dem Erreichen der Zuschalttemperatur die Sekundärdrehzahl
sich wenig verändert und im Bereich der letzten 2 bis 3 °C die volle Drehzahlsteigerung
eintritt. Die Pumpwirkung bei den bekannten Kupplungen wird durch die Differenzdrehzahl
zwischen Primär- und Sekundärseite bewirkt. Bei voll zugeschalteter Kupplung, d.h.
bei kleiner Differenzdrehzahl zwischen Primär- und Sekundärseite, tritt die Pumpwirkung
durch die der Arbeitsraum entleert wird und damit die Sekundärdrehzahl abgesenkt
wird, nur sehr allmählich ein, d.h. im Abschaltvorgang haben die bekannten Kupplungen
eine große Hysterese.
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Da bei der erfindungsgemäßen Kupplung der Vorratsraum in der Primärscheibe
1 integriert ist, wirkt auf die mit Primärdrehzahl rotierende Fluidmasse im Vorratsraum
immer der maximale Druck der unabhängig von der Sekundärdrehzahl,
d.h.
unabhängig vom Zuschaltgrad der Kupplung ist. Darüber hinaus ist durch Anbringung
der Fördernuten 8 bzw. 9', 9" auf der Primärseite die Pumpwirkung im Gegensatz zu
den bekannten Kupplungen nicht von der primär- und sekundärseitigen Differenzdrehzahl
abhängig. Dies bedeutet, daß der Abschaltvorgang mit relativ kleiner Hysterese eintritt
und die Zuschaltung linear über der Zuschalttemperatur erfolgt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und Unterkombinationen
der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.
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- Ansprüche -