DE3443523C2 - Zweistufenkupplung für den Antrieb eines Kühllüfters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistufenkupplung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Zweistufenkupplungen sind in verschiedenen Bauarten bekannt. So ist es beispielsweise bekannt (DE-PS 23 41 208), zwei Reibungs­ kupplungen zu einer Baueinheit zusammenzufassen, mit der zwei verschiedene Drehzahlen von einer Welle abwechselnd abgenommen werden können. Solche Zweistufenkupplungen weisen zwar bei ihrem Einsatz beispielsweise zum Antrieb von Kompressoren den Vorteil auf, daß der Kompressor in zwei Stufen hochgefahren werden kann, was sich günstig auf den Antrieb auswirkt. Sollen solche Kupplungen aber für den Kühllüfterantrieb, beispielswei­ se von Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt werden, dann weisen sie den Nachteil auf, daß die von Elektromagnetreibungskupplungen her bekannten Schaltgeräusche auftreten und daß eine Regelung der Lüfterdrehzahl, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen nicht möglich ist.

Bekannt ist zwar auch eine für das Kühlgebläse einer Brenn­ kraftmaschine gedachte Zweistufenkupplung (DE-OS 31 48 014), bei der neben einer elektromagnetisch betätigbaren Reibungs­ kupplung eine sogenannte Viskositätskupplung vorgesehen ist, die mit Flüssigkeitsreibung arbeitet und in Abhängigkeit von dem Füllungsgrad einer Flüssigkeitskammer, in der sich eine Reibscheibe dreht, eine Anpassung der Lüftergeschwindigkeit an den gewünschten Kühlbedarf erlaubt. Die bei solchen Bauarten vorgesehene elektromagnetische Reibungskupplung soll dabei die Schlupfwirkung der Viskositätskupplung ausschalten. Die Zu­ schaltung einer elektromagnetisch betätigbaren Reibungskupplung zu der Schlupfkupplung ist relativ aufwendig, weil zu diesem Zweck elektrische Anschlüsse vorgesehen werden müssen, die sich wegen der drehenden Teile nicht ohne weiteres verwirklichen lassen und für die Viskositätskupplung nicht vorgesehen werden müssen.

Bekannt sind auch andere regelbare Kupplungen, wie beispiels­ weise Induktionskupplungen oder Wirbelstromkupplungen, die aber wegen der für die Übertragung der gewünschten Drehmomente im allgemeinen zu großen Abmessungen und Gewichte nicht für Lüfterkupplungen einsetzbar erschienen. Ein Lüfterantrieb, bei dem eine Drehmomentübertragung zwischen einer Antriebswelle und dem Ventilator nach dem Wirbelstromprinzip erfolgt, ist zwar ebenfalls bekannt (DE 32 03 143 A1). Dort wird jedoch zu diesem Zweck ein aus magnetischem Material bestehender Läufer und ein Permanentmagnet mit wechselnder Polarität vorgesehen, so daß der Ventilator bei abgeschalteter Reibungskupplung nur mit einer vorbestimmten und von der Motordrehzahl, mit der die Drehzahl der Lüfterantriebswelle gekoppelt ist, abhängigen Schleppdrehzahl mitläuft. Eine Regelung der Abtriebsdrehzahl mit zwei Kupplungseinheiten, wie bei den eingangs erwähnten Bauarten, ist nicht möglich.

Aus der DE-PS 4 70 057 ist eine Verbundkupplung für eine Kraft­ übertragung von einem Antriebsmotor auf die Treibräder einer Diesellokomotive bekannt. Die Verbundkupplung weist eine Wir­ belstromkupplung und eine elektromagnetische Reibungskupplung auf, wobei die Beschleunigung der Diesellokomotive beim Anfahr­ vorgang aus dem Stillstand durch die Wirbelstromkupplung aufge­ bracht wird und die elektromagnetische Reibungskupplung erst einschaltet, wenn annähernd die normale Fahrgeschwindigkeit er­ reicht ist. Dadurch sollen die bei den großen zu übertragenden Kräften besonders gefährdeten Reibungskupplungen geschont wer­ den, indem sowohl ihre mechanische Beanspruchung sowie auch ihre starke Wärmeentwicklung während der Hauptanfahrzeit ver­ mieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweistufenkupp­ lung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf ver­ hältnismäßig einfache Weise eine kompakte klein bauende Kupp­ lung erreicht wird, die eine Regelung der Abtriebsdrehzahlen für den Antrieb eines Kühllüfters zuläßt, dennoch aber störende Schaltgeräusche weitgehend vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 vorgesehen. Dieser Ausgestaltung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß nur in einem Bruchteil der Einsatzzeiten von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahr­ zeugmotoren, die volle Kühlleistung und damit auch die volle Lüfterdrehzahl erforderlich ist, während in allen anderen Fällen eine wesentlich geringere Kühlleistung genügt. Die Er­ findung sieht daher für den überwiegenden Anwendungsbereich eine Wirbelstromkupplung vor, die eine stufenlose und feinfüh­ lige Anpassung der Lüfterdrehzahl an den Kühlbedarf ermöglicht. Zweckmäßig arbeitet dabei die Wirbelstromkupplung in einem Bereich, der einem Kühlleistungsbedarf entspricht, für den Lüfterdrehzahlen von etwa 60% der maximalen Lüfterdrehzahlen erforderlich sind. Dies bedeutet, daß in diesem Bereich nur etwa 36% des maximalen Drehmoments und nur 20% der gesamten Ventilatorleistung zu übertragen sind. Diese Größenordnung können ohne weiteres von einer Wirbelstromkupplung übertragen werden, die bei diesen Voraussetzungen verhältnismäßig klein baut und auch nur Wärmemengen entwickelt, die ohne weiteres noch abzuführen sind. Durch die Erfindung wird daher erreicht, daß nahezu im gesamten Einsatzbereich der Lüfterkupplung keine Schaltgeräuschbelästigung auftritt, wie dies beispielsweise bei je nach Kühlmittelbedarf ständig ein- und ausschaltenden Elektromagnetreibungskupplungen der Fall ist. Die bei der Er­ findung vorgesehene Reibungskupplung schaltet nur dann ein, wenn in etwa der maximale Kühlluftbedarf vorliegt, und in diesem Fall weist die Erfindung auch den Vorteil auf, daß der Lüfterantrieb über die Wirbelstromkupplung schon auf einen Wert hochgefahren ist, der einen übermäßigen Verschleiß der Teile der Reibungskupplung beim Zuschalten vermeidet. Vorteilhaft ist bei der neuen Ausgestaltung, daß beide Antriebsstufen über Elektromagnetwirkung erfolgen, so daß elektrische Leitungszu­ führungen und eine Bauform ohnehin vorgesehen werden müssen, welche für eine einfache Stromzufuhr sorgt.

In vorteilhafter Weiterentwicklung des Gegenstandes der Erfin­ dung können die Magnetkörper beider Kupplungseinheiten drehbar auf einer mit den Lüfterschaufeln fest verbundenen Nabe und ihre Ankerteile zu beiden Seiten einer gemeinsamen mit der Nabe fest verbundenen Mitnehmerscheibe angeordnet sein, wobei beide Magnetkörper über ein, beide Ankerteile umschließendes, gloc­ kenförmiges Gehäuse miteinander verbunden werden können. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine kompakte Bauform und erlaubt es auch, gemäß den Merkmalen des Unteranspruches 5 und 6, die strombeaufschlagten Spulenkörper gegenüber den drehbaren Teilen feststehend anzuordnen, so daß die Stromzufuhr einfach wird. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den anderen Unteransprüchen, wobei die Merkmale des Anspruches 10 eine gedrängte Bauweise erlauben und die Merkmale des Anspruches 11 auf einfache Weise die Abfuhr der in der Wirbelstromkupplung entstehenden Wärme erlauben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbei­ spieles dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfin­ dungsgemäß ausgestaltete Zweistufenkupplung für einen Lüfterantrieb und

Fig. 2 die Teilansicht der Kupplung der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II, jedoch ohne die auf die Kupplung auf­ geschraubte Ventilatorscheibe.

Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Zweistufenkupp­ lung besteht aus einer hohlen Nabe 1, die über ein Nadellager 2 und ein Kugellager 3 drehbar auf einem hohlen Lagerzapfen 4 angeordnet ist, auf dem eine Hülse 5 dafür sorgt, daß die beiden Lager auf Abstand gehalten werden. Der Lagerzapfen 4 seinerseits ist über einen Schraubbolzen 6 an einem nur schema­ tisch dargestellten Querträger 7 verschraubt, der ortsfest angeordnet ist. Fest mit dem Lagerzapfen 4 verschweißt ist ein Haltesteg 8, an dem ein Spulenträger 9 für eine Spule 10 mit Hilfe der Schraube 11 angebracht ist. Elektrische Anschlüsse 12 zur Spule 10 verlaufen durch den Haltesteg 8 und den Spulenträger 9. In nicht näher dargestellter Weise ist ein Halteträger 13 und eine Haltestange 14 fest mit dem Querträger 7 oder einem anderen ortsfesten Teil verbunden. Der Träger 13 und die Haltestange 14 sind über eine Schraube 15 fest mit einem Spulenkörper 16 verschraubt, in dem eine Spule 17 aufgenommen ist, deren elektrische Anschlüsse 18 durch das Rohr 14 und durch den Spulenkörper 16 verlaufen.

Drehbar gegenüber den bisher beschriebenen, feststehenden Teilen ist die Nabe 1 angeordnet, gegenüber der der Spulenkörper 16 durch das Kugellager 19 und die beiden zu jeweils einer Kupplungseinheit 20 bzw. 21 gehörenden Magnet­ körper drehbar angeordnet sind. Der zu der Kupplungseinheit 21, die eine elektromagnetisch betätigbare Reibungskupplung ist, gehörende Magnetkörper ist als Antriebsriemenscheibe 22 ausge­ bildet, die über das Nadellager 23 drehbar auf der Nabe 1 ange­ ordnet ist. Mit Hilfe der Schraube 48 fest mit der Antriebsriemenscheibe 22 verbunden ist eine senkrecht zu der Achse 24 der Kupplung stehende Wand 25′ eines glockenförmigen Gehäuses 25, dessen parallel zu der Achse 24 verlaufende Außenwand 25 einen Ringraum 26 umschließt, der nach innen von den Polfingern 27 des Magnetkörpers 28 begrenzt wird, der zu der Kupplungseinheit 20 gehört, welche seine Wirbelstromkupplung ist. Der aus den Polfingern 27 in bekannter Weise bergestellte und mit einem Polring 29 versehene Magnetkörper 28 ist über die Schraube 30 fest mit dem glockenförmigen Gehäuse 25 verbunden.

In den zwischen den Polfingern 27 und der Außenwand des Gehäu­ ses 25 gebildeten Ringraum 26 ragt ein Ankerring 31 herein, der beim Ausführungsbeispiel einteilig mit den radialen Stegen 32 einer als Speichenrad ausgebildeten Mitnehmerscheibe 33 ausgebildet ist. Die Mitnehmerscheibe 33 ist ihrerseits über mehrere, auf ihrem Inneren Durchmesser verteilte Schrauben 34 mit einem Flansch 35 der Nabe 1 verschraubt. Drehfest mit der Mitnehmerscheibe 33 ist außerdem eine ringförmige Reibscheibe 36 verbunden, die jedoch in gewissem Umfang axial gegenüber der Mitnehmerscheibe 33 und deren Stegen 32 bewegbar ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Reibscheibe 36 über eine mit den Schrauben 34 drehfest mit dem Flansch 35 der Nabe 1 und ande­ rerseits über die Schrauben 37 drehfest mit ihr selbst ver­ bundene federnde Metallmembran 38 in der in der Fig. 1 gezeig­ ten Lage gehalten ist, in der sie durch die Federkraft der Membran 38 an den Stegen 32 der Mitnehmerscheibe 33 anliegt. Diese Reibscheibe 36 bildet einen schmalen Luftspalt mit der Stirnfläche 39 der Antriebsriemenscheibe 22, und sie wirkt mit dieser Stirnfläche bei Beaufschlagung der Spule 17 mit Reibkontakt so zusammen, daß eine drehfeste Verbindung zwischen Mitnehmerscheibe 33 und Nabe 1 und der Antriebsriemenscheibe 22 hergestellt ist.

Fest mit der Nabe 1 verbunden ist über die Schrauben 40 eine Befestigungsscheibe 41, an der wiederum mit den Schrauben 42 mehrere Lüfterflügel 43 angebracht sind. Wird daher durch Be­ aufschlagung der Spule 17 Reibkontakt zwischen der An­ triebsriemenscheibe 22 und der Nabe 1 hergestellt, so laufen die Lüfterflügel 43 mit der maximalen Antriebsdrehzahl, die von einem nicht dargestellten Antrieb über Riemen auf die Antriebs­ riemenscheibe 22 geleitet wird.

Ist der Kühlluftbedarf jedoch nicht so groß, daß der Lüfter mit maximaler Drehzahl laufen muß, was meistens beim Betrieb einer Brennkraftmaschine der Fall ist, so wird, beim Ausführungsbei­ spiel bei einem Kühlleistungsbedarf, der Lüfterdrehzahlen ent­ spricht, die unter der maximalen Lüfterdrehzahl, vorzugsweise kleiner als 60% der maximalen Lüfterdrehzahl sind, die Spule 17 durch eine nicht dargestellte, aber bekannte Einrichtung abgeschaltet, während gleichzeitig die Spule 10 der Wirbelstromkupplung eingeschaltet wird. Dadurch erfolgt die Kraftübertragung von der Antriebsriemenscheibe 22 nun nicht mehr direkt über die Mitnehmerscheibe 33 zur Nabe 1, sondern über das Gehäuse 25 und die mit diesem fest verbundenen Polfingern 27 über magnetische Kraftlinien zum Ankerring 31, der wiederum mit der Nabe 1 drehfest verbunden ist. Von diesem Schaltzeitpunkt ab läßt sich die Drehzahl der Lüfterflügel 43 daher durch die Beaufschlagung der Spule 10 stufenlos nach unten regeln, und zwar feinfühlig, so daß die Kühlleistung der Lüfterflügel 43 dem jeweils gewünschten Kühlbedarf angepaßt werden kann. Natürlich ist es zu diesem Zweck notwendig, neben der Schalteinrichtung, die wechselweise die Spule 17 oder 10 schaltet, auch noch eine Einrichtung vorzusehen, die den Kühlbedarf des Motors ermittelt. Dies ist im allgemeinen ein im Kühlwasser des Motors angeordneter Temperaturfühler, dessen der steigenden oder fallenden Temperatur entsprechendes Signal als Maß für die Strombeaufschlagung der Spule 10 dienen kann. Die Steuerung der Spulen von Wirbelstromkupplungen ist bekannt und kann auch für die vorliegende Zweistufenkupplung in gleicher Weise verwirklicht werden.

Die beim Betrieb der Wirbelstromkupplung anfallende Wärme am Ankerring 31 und den angrenzenden Teilen kann in sehr einfacher Weise dadurch abgeführt werden, daß das sich mit der maximalen Drehzahl (der Antriebsriemenscheibe 22) drehende Gehäuse 25 mit Durchströmöffnungen 44 bzw. 45 sowohl in der radialen Wand 25′ als auch in der zylinderförmig verlaufenden Außenwand versehen wird. Dadurch kann ein Luftstrom im Sinne der Pfeile 46 und 47 durch das Gehäuse 25 erreicht werden, der für die notwendige Wärmeabfuhr sorgt. Die Wärmeentwicklung im Wirbelstromteil ist aus den eingangs genannten Gründen nicht sehr groß. Der Wirbel­ stromteil selbst läßt sich, wie anhand Fig. 1 zu erkennen ist, auch relativ klein bauen, weil das in dem Schaltbereich der Wirbelstromkupplung 20 zu übertragende Drehmoment nur etwa 36% des maximalen Drehmomentes und die zu übertragende Leistung nur etwa 20% der maximalen Ventilatorleistung beträgt, die, wie ausgeführt, über die Reibungskupplung 21 übertragen wird.

Claims (13)

1. Zweistufenkupplung für den Antrieb eines Kühllüfters für einen Verbrennungsmotor mit zwei parallel geschalteten und wechselweise elektromagnetisch betätigbaren Kupplungseinheiten, die jeweils eine, abhängig vom Kühlleistungsbedarf geschaltete Spule aufweisen und von denen eine als Reibungskupplung ausge­ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Kupplungs­ einheit (20) eine mit der Reibungskupplung (21) baulich inte­ grierte Wirbelstromkupplung ist, deren zugeordnete Spule (10) bei einem Kühlleistungsbedarf eingeschaltet wird, der Lüfter­ drehzahlen entspricht, die deutlich unter der maximalen Lüfter­ drehzahl liegen.

2. Zweistufenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spule (10) der Wirbelstromkupplung bei einem Kühlleistungsbedarf eingeschaltet wird, der einer Lüfter­ drehzahl von weniger als 60% der maximalen Lüfterdrehzahl ent­ spricht.

3. Zweistufenkupplung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkörper (22, 28) beider Kupplungseinheiten (20, 21) drehbar auf einer mit den Lüfterschaufeln (43) fest verbundenen Nabe (1) und die Ankerteile (36, 31) zu beiden Seiten einer gemeinsamen, mit der Nabe (1) fest verbundenen Mitnehmerscheibe (33) angeordnet sind.

4. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Magnetkörper (22, 28) über ein, beide Ankerteile (36, 31) umschließendes, glockenförmiges Gehäuse (25) miteinander verbunden sind.

5. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (1) drehbar auf einem La­ gerzapfen (4) einer ortsfest anbringbaren Halterung (7) gela­ gert ist, an der beide Spulen (17, 10), jeweils dem Mag­ netkörper (22 bzw. 28) ihrer Kupplungseinheit (21 bzw. 20) zu­ geordnet, befestigt sind.

6. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkörper (22, 28) beider Kupplungseinheiten (21, 20) jeweils mit einer ringförmigen Aus­ nehmung (22a bzw. 28a) versehen sind, die nach der von der ge­ meinsamen Mitnehmerscheibe (33) abgewandten Seite offen ist und in welche die zugeordnete, nicht drehbare Spule (17 bzw. 10) hereinragt.

7. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkörper der Reibungskupp­ lung (21) als Antriebsriemenscheibe (22) ausgebildet ist.

8. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mitnehmerscheibe (33) zuge­ wandte Stirnseite (39) der Antriebsriemenscheibe (22) als Reib­ fläche für eine den Ankerteil der Reibungskupplung (21) bilden­ de, drehfest, aber axial beweglich mit der Mitnehmerscheibe (33) verbundene Reibscheibe (36) ausgebildet ist.

9. Zweistufenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsriemenscheibe (22) fest mit dem glockenförmigen Gehäuse (25) verbunden ist.

10. Zweistufenkupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (25) an seinem, von der Antriebsriemenscheibe (22) abgewandten Ende fest mit dem von Polfingern (27) gebildeten Magnetkörper (28) der Wirbelstromkupplung (20) verbunden ist, der mit der ringförmigen Außenwand des Gehäuses (25) einen Ringspalt (26) bildet, in den der Ankerring (31) der Wirbelstromkupplung hereinragt.

11. Zweistufenkupplung nach Anspruch 4 und 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (25) mit Durchströmöffnungen (44, 45) zur Erzeugung einer Kühlluftströmung versehen ist.

12. Zweistufenkupplung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ankerring (31) fest an der Mitnehmerscheibe (33) angebracht ist.

13. Zweistufenkupplung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ankerring (31) mit den radialen Stegen (32) der als Speichenrad ausgebildeten Mitnehmerscheibe (33) ein Stück bildet.