DE3122960C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeits-Reibungskupplung, insbesondere für Kühlluftventilatoren von Brennkraftmaschinen, bestehend u. a. aus einem Antriebsteil, einem Abtriebsteil, einem Arbeitsraum mit Scherflächen zwischen beiden Teilen, einer zwischen beiden Teilen vorhandenen Scherflüssigkeit, die durch eine Pumpeinrichtung in einen Vorratsraum gefördert werden kann, wobei die Pumpeinrichtung im wesentlichen aus einem Keil besteht, der an der Trennwand zwischen Arbeitsraum und Vorratsraum angeordnet ist, in den Arbeitsraum hineinragt, gegenüber Antriebs- oder Abtriebsteil im Betrieb eine Relativbewegung ausführt und durch seine Schrägfläche eine Verengung für die Scherflüssigkeit in deren Strömungsrichtung darstellt und eine Öffnung zwischen Schrägfläche und Vorratsraum zur Überführung der Scherflüssigkeit vorgesehen ist.

Eine solche Flüssigkeits-Reibungskupplung ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 14 75 327 bekannt. Nach dieser bekannten Patentschrift ist der Keil der Pumpeinrichtung so auszuführen, daß seine Schrägfläche einen spitzen Winkel mit der benachbarten Fläche bildet und benachbart des theoretischen Scheitels dieses Winkels die Bohrung zum Abpumpen der Scherflüssigkeit vorgesehen wird. Dabei nutzt eine solche Pumpeinrichtung den Staudruck in der direkten Umgebung der Bohrungsmündung aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Pumpeinrichtung für eine Flüssigkeits-Reibungskupplung zu erstellen, welche bei möglichst geringem technischen Aufwand einen deutlich höheren Druck liefert, um ein schnelleres Entleeren des Arbeitsraumes bei entsprechendem Temperaturanstieg durchführen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Durch die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierkeiles zwischen der Schrägfläche des Keiles und dem gegenüberliegenden Wandungsteil sowie durch die Anordnung der Öffnung im Bereich des höchsten Druckes des Schmierkeiles, nämlich etwa im Bereich von 60% bis 90% der Länge der Projektion der Schrägfläche, in Strömungsrichtung gesehen, wird ohne zusätzlichen Aufwand gegenüber dem Stand der Technik eine wesentliche Druckerhöhung an der Stelle der Entnahme der Scherflüssigkeit erzielt, so daß die Entleerungsgeschwindigkeit des Arbeitsraumes ganz erheblich gesteigert werden kann. Wie ja aus der hydrodynamischen Schmierungstheorie bekannt ist, können in solchen Schmierkeilen ganz erhebliche Druckkräfte aufgebaut werden. Die Ausnutzung dieser Kräfte zum Regeln einer Flüssigkeits-Reibungskupplung in einem Kühlluftventilator für eine Brennkraftmaschine ermöglicht sehr schnelle Regelvorgänge und ein sicheres Entleeren des Arbeitsraumes von Scherflüssigkeit.

Nach dem Kennzeichen des Anspruches 2 ist es ohne weiteres möglich, den Keil am Ende der Schrägfläche sofort abzubrechen und mit einem Absatz zu versehen. Dies ist möglich, da nach der Schmierkeiltheorie der Druck an dieser Stelle sehr steil auf den Wert Null abfällt und kurz dahinter bereits ein Unterdruck entstehen kann.

Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 3 ist es sinnvoll, den Keilwinkel Alpha etwa im Bereich bis zu 10° auszuführen. Zwar ist der Ort des Druckmaximums unabhängig vom Keilwinkel Alpha - wie später noch näher zu erläutern ist -, jedoch ist der Druck selbst vom Keilwinkel abhängig und nimmt mit kleineren Winkeln zu.

Die Bohrung zum Abführen der Scherflüssigkeit kann zur Verkleinerung der Drosselverluste gegen die Strömungsrichtung geneigt ausgeführt werden.

Das Verhältnis Keilhöhe zu Keillänge bewegt sich vorzugsweise im Bereich von 1 : 5 bis 1 : 30. Dabei können mehrere am Umfang symmetrisch verteilte Keile angeordnet werden, so daß sich die mittleren dynamische Drücke aller Keile momentenfrei zu einer reinen Axialkraft summieren.

Die Schrägfläche 4 des Keiles 3 kann natürlich in besonders vorteilhafter Weise einteilig aus dem Blechmaterial der Trennwand 2 geprägt sein.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Teillängsschnitt durch eine Flüssigkeits-Reibungskupplung in prizipieller Bauart;

Fig. 2 Schnitt durch die vergrößerte Darstellung der an der Pumpwirkung beteiligten Bauteile mit Druckverlauf über den Keil.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Flüssigkeits-Reibungskupplung. Im vorliegenden Fall wird die Welle 10 durch die Brennkraftmaschine angetrieben, so daß der mit ihr fest verbundene Läufer 1 umläuft. Das Gehäuse 8 mit dem Deckel 9 ist frei drehbar auf der Welle 10 gelagert und trägt an seinem Außenumfang einen Ventilatorflügel 11. Der Läufer 1 ist so zwischen das Gehäuse 8 und eine Trennwand 2 angeordnet, daß er mit dem Gehäuse 8 und gegebenenfalls auch mit der Trennwand 2 Scherflächen 12 bildet, welche beim Vorhandensein einer Scherflüssigkeit 14 ein Drehmoment von der Welle 10 auf den Ventilatorflügel 11 übertragen können. Dabei bilden diese Scherflächen 12 den sogenannten Arbeitsraum. Der Deckel 9 ist als Vorratsraum 13 für die Scherflüssigkeit 14 ausgebildet, die beim Umlauf des Gehäuses 8 und des Deckels 9 als Flüssigkeitsring etwa die dargestellte Position einnimmt. Innerhalb dieser dargestellten Position ist in der Trennwand 2 eine Zulauföffnung 18 für die Scherflüssigkeit vorgesehen, welche allerdings über einen Ventilhebel 17 in Abhängigkeit von der Stellung des Bimetallbügels 15 und unter Zwischenschaltung eines Stiftes 16 temperaturabhängig verschließbar ist. Die Zulauföffnung 18 befindet sich im Bereich der sich ringförmig ausbildenden Scherflüssigkeit 14. Zum Entleeren des Arbeitsraumes, der durch die Scherflächen 12 gebildet ist, ist am radial äußeren Umfang des Läufers 1 an der Trennwand 2 ein Keil 3 angeordnet, der in Fig. 2 näher erläutert wird. Dieser Keil 3 weist eine Öffnung 5 auf, durch die laufend bei Relativbewegung zwischen dem Läufer 1 einerseits und dem Gehäuse 8 bzw. dem Deckel 9 andererseits Scherflüssigkeit 14 vom Arbeitsraum in den Vorratsraum 13 gepumpt wird. In der dargestellten Stellung des Bimetallbügels 15 entsprechend einer niedrigen Umgebungstemperatur ist die Zulauföffnung 18 geschlossen, so daß die Scherflüssigkeit in sehr kurzer Zeit aus dem Arbeitsraum in den Vorratsraum gepumpt wird, so daß die Scherflächen 12 bis zur Öffnung 5 ohne Scherflüssigkeit sind. Dadurch fehlt praktisch die Übertragung eines Drehmomentes vom Läufer 1 auf der Gehäuse 8 und den Ventilatorflügel 11, so daß dieser i. W. durch die Lagerreibung noch angetrieben wird bzw. durch den von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs herrührenden Luftstrom. Mit steigender Temperatur im Kühlsystem der Brennkraftmaschine, wobei vorausgesetzt wird, daß der Kühler in Fahrtrichtung gesehen vor dem Bimetallbügel 15 angeordnet ist, wird bei einer vorgegebenen Temperatur der Bimetallbügel in die gestrichelte Lage springen. Dadurch wird die Zulauföffnung 8 geöffnet und Scherflüssigkeit 14 kann über diese Zulauföffnung in die Arbeitsräume dringen und die Scherflächen 12 benetzen. Damit setzt nun die Drehmomentübertragung zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 8 mit dem Ventilatorflügel 11 ein, so daß eine erhöhte Kühlwirkung einsetzt. Dabei verhindert der Schlupf zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 8 bzw. der Trennwand 2 solche hohen Drehzahlwerte, welche unnötiges Geräusch des Ventilatorflügels 11 mit sich bringen würde. Gleichzeitig ist damit auch die Leistungsaufnahme der Flüssigkeits-Reibungskupplung automatisch begrenzt.

Fig. 2 zeigt nun die Ausbildung des Keiles 3 zum Abpumpen der Scherflüssigkeit. Die Strömungsrichtung der Scherflüssigkeit ist mit dem Pfeil F vorgegeben. Dies wird entweder dadurch erreicht, daß sich die Trennwand 2, an welcher der Keil 3 angeordnet ist, gegenüber dem Läufer 1 entgegen der Richtung des Pfeiles F bewegt oder der Läufer 1 sich gegenüber der Trennwand 2 in Richtung des Pfeiles F bewegt. Somit wird die Scherflüssigkeit in den enger werdenden Spalt der Schrägfläche 4 des Keils 3 hineingezwungen. Auf der Schrägfläche 4 entsteht dabei ein hydrodynamischer Druck, dessen Verlauf aus der hydrodynamischen Schmiertheorie her bekannt ist (z. B. Schlichting: Grenzschichttheorie, 5. Auflage 1965). Hieraus ergibt sich die Druckerhöhung im Schmierkeil mit folgender Formel:

In dieser Formel bedeuten:

ρ, νdie Dichte und Zähigkeit der Scherflüssigkeit;Udie Geschwindigkeit,B₁den freien Spalt zwischen dem Läufer 1 und der Trennwand 2 und B₂die Keilhöhe entsprechend dem Absatz 6; αden Winkel, mit dem die Schrägfläche 4 gegenüber der Trennwand 2 aufsteigt;

Der Wert k gibt das Verhältnis x zu l gemäß Fig. 2 an, wobei x vom Beginn der Schrägfläche 4 an in Richtung des Pfeiles F ansteigt. Aus der Formel ist ersichtlich, daß die Druckerhöhung außer von den spezifischen Daten der Scherflüssigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit noch von zwei Faktoren abhängig ist. Der eine Faktor sagt aus, daß die Druckerhöhung mit kleiner werdendem Winkel und mit kleiner werdendem Schmierspalt zunimmt und der andere Faktor gibt u. a. die Lage des Druckmaximums wieder. Dabei ergeben sich die theoretischen Grenzwerte für die Lage des Druckmaximums bei großen Werten für B₁ zu B₂ zu k = 0,5 und für kleine Werte für B₁ zu B₂ zu k = 1. Dabei muß jedoch berücksichtigt werden, daß der Grenzwert von k = 1 nicht sinnvoll ist, da unmittelbar hinter dem Ende der Schrägfläche 4 der Druck auf Null und sogar in einen negativen Bereich absinkt. Die Öffnung 5 zur Überführung der Scherflüssigkeit aus den Arbeitsräumen in den Vorratsraum ist nun so angeordnet, daß sie auf der Schrägfläche 4 in einen Bereich mündet, in welchem die Werte x₁ und x₂ den Wert von 60% bis 90%, bezogen auf die Gesamtlänge l in Pfeilrichtung F gesehen annehmen. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß gemäß der hydrodynamischen Schmierungstheorie die Abhängigkeit der Druckerhöhung auf der Schrägfläche 4, bezogen auf die Anströmgeschwindigkeit, linear ist. Dies gibt erheblich bessere Voraussetzungen für die praktische Verwertbarkeit als die quadratische Abhängigkeit des Staudrucks von der Geschwindigkeit gemäß dem Stand der Technik. Da die Lage des Druckmaximums allein von der Bemessung von B₁ und B₂ abhängig ist, da weiterhin, wie bereits dargelegt, der Wert k nicht unter 0,5 absinkt und zudem der Bereich von k < 0,9 nicht sinnvoll genutzt werden kann, ergibt sich ein besonders günstiger Bereich für die Bemessung B₁ zu B₂ im Bereich zwischen 1,1 und < 5.

Claims (7)

1. Flüssigkeits-Reibungskupplung, insbesondere für Kühlluftventilatoren von Brennkraftmaschinen, bestehend u. a. aus einem Antriebsteil, einem Abtriebsteil, einem Arbeitsraum mit Scherflächen zwischen beiden Teilen, einer zwischen beiden Teilen vorhandenen Scherflüssigkeit, die durch eine Pumpeinrichtung in einen Vorratsraum gefördert werden kann, wobei die Pumpeinrichtung im wesentlichen aus einem Keil besteht, der an der Trennwand zwischen Arbeitsraum und Vorratsraum angeordnet ist, in den Arbeitsraum hineinragt, gegenüber Antriebs- oder Abtriebsteil im Betrieb eine Relativbewegung ausführt und durch seine Schrägfläche eine Verengung für die Scherflüssigkeit in deren Strömungsrichtung darstellt und eine Bohrung zwischen Schrägfläche und Vorratsraum zum Überführen der Scherflüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherflüssigkeit (14) zwischen dem Antriebs- (1) bzw. Abtriebsteil (2, 8) und der Schrägfläche (4) des Keiles (3) einen hydrodynamischen Schmierkeil bildet und die Öffnung (5) innerhalb eines Bereiches (x₁ bis x₂) von 60% bis 90% der Gesamtlänge (l) der Projektion der Schrägfläche, in Strömungsrichtung F gesehen, angeordnet ist.

2. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (3) am Ende der Schrägfläche (4) im Bereich des geringsten Scherflüssigkeitsspaltes einen Absatz, vorzugsweise von der Keilhöhe (B₂), aufweist.

3. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel (α) vorzugsweise gleich oder kleiner als 45° ausgeführt ist.

4. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (5) gegen die Strömungsrichtung (F) geneigt angeordnet ist.

5. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Keilhöhe (B₂) zu Keillänge (l) etwa im Bereich zwischen 1 : 5 und 1 : 30 ausgeführt ist.

6. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere am Umfang symmetrisch verteilte Keile (3) angeordnet sind.

7. Flüssigkeits-Reibungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von B₁ zu B₂ vorzugsweise zwischen 1,1 und 5 beträgt.