DE3443524A1

DE3443524A1 - Wirbelstromkupplung

Info

Publication number: DE3443524A1
Application number: DE19843443524
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dieter Dr.-Ing. 4750 Unna Böhm; Willi Dipl.-Ing. 4630 Bochum Korte
Original assignee: Maschinenfabrik Stromag GmbH
Current assignee: Stromag GmbH
Priority date: 1984-11-29
Filing date: 1984-11-29
Publication date: 1986-06-05
Anticipated expiration: 2004-11-30
Also published as: DE3443524C2

Description

Wirbelstromkupplung
Die Erfindung betrifft eine Wirbelstromkupplung mit homopolar angeordneten und mit ihren Stirnseiten mindestens teilweise axial voreinanderliegenden Polkörpern, sowie mit einer den Polkörpern zugeordneten Spule und einem mit einem der zu kuppelnden Teile drehfest verbundenen Ankerring.
Eine Wirbelstromkupplung dieser Art ist bekannt (Anwendungen der Antriebstechnik, Otto Krausskopf, Verlag Mainz 1974, Seite 289, Abb. 6.8). Bei dieser bekannten Wirbelstromkupplung, die als Stirndrehkupplung bezeichnet ist, ist der Ankerring als Scheibenläufer ausgebildet und greift zwischen die beiden koaxial angeordneten Polkörper, die drehbar gegenüber dem Ankerring angeordnet sind und zwischen sich fest eine Spule aufnehmen. Kupplungen dieser Art weisen eine schwere Bauart auf, insbesondere wenn hohe Drehmomente übertragen werden sollen. Sie eigenen sich daher nicht in den Fällen, wo eine raumsparende Bauart bei einem zumindestens zeitweise erforderlichen hohen Drehmoment notwendig ist. Für den Antrieb von Lüftern im Kühlaggregat von Fahrzeugmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, haben daher bisher Wirbelstromkupplungen kaum Eingang gefunden, obwohl sie eine gerade bei solchem Einsatz gewünschte Regelung der Lüfterdrehzahl ermöglichen würden. Die Praxis setzt vielmehr kombinierte Kupplungen (DE-OS 31 48 014) mit einer Reibungs- und einer Flüssigkeitsreibungskupplung oder Lüfterantriebe ein (DE-OS 32 03 143), bei denen eine Elektromagnet-Reibungskupplung mit einer nach dem Wirbelstromprinzip arbeitenden, aber nur mit einem Permanentmagneten versehenen Kupplung kombiniert ist, durch die der Läufer auf eine bestimmte Schleppdrehzahl gebracht werden kann, die aber nicht regelbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei geringen Abmessungen einerseits ein hohes Drehmoment aufzubringen ermöglicht, andererseits aber auch eine Drehzahlregelung für einen Lüfterantrieb o.dgl. ermöglicht.
Die Erfindung besteht ausgehend von der Uberlegung, daß gerade bei Lüfterantrieben für Kraftfahrzeugmotoren die maximale Lüfterleistung nur in den seltensten Fällen notwendig wird, bei einer Wirbelstromkupplung der eingangs genannten Art darin, daß der Ankerring einer der Polkörper ist, daß dieser erste Polkörper axial verschiebbar gegenüber dem zweiten Polkörper angeordnet und mit seiner Stirnfläche unter Reibschluß an die ihm zugewandte Stirnfläche des zweiten Polkörpers anlegbar ist, und daß der zweite Polkörper mit dem anderen der zu kuppelnden Teile drehfest verbunden ist.
Durch diese Ausgestaltung wird der Einsatz eines gesonderten Ankerringes überflüssig, so daß eine gedrängte Bauweise möglich wird. Außerdem kann die Auslegung so erfolgen, daß die Kupplung in dem Betriebsbereich, in dem nur ein verhältnismäßig kleines Drehmoment und demzufolge auch Lüfterdrehzahlen erwünscht sind, die deutlich unter der Maximaldrehzahl liegen, ausschließlich als Wirbelstromkupplung arbeitet. Die Kupplung läßt daher eine sehr feinfühlige Regelung der Lüfterdrehzahl zu. Für den weniger oft erforderlichen maximalen Leistungsbereich, indem die volle Lüfterdrehzahl erforderlich wird, wird die Spule so beaufschlagt, daß die dadurch erzeugte Magnetkraft ausreicht, um den ersten Polkörper zur Anlage am zweiten Polkörper zu bringen. Die Kupplung arbeitet dann als Reibungskupplung und läßt die Ubertragung hoher Drehmomente zu.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich, wenn der erste Polkörper gegen die Kraft einer Feder an den zweiten Polkörper anlegbar ist. Die Kraft der Feder und die Magnetkraft können dabei so aufeinander abgestimmt werden, daß die Kupplung von nämlich ortsfest angeordnet werden, so daß die Stromzuführung keine Schwierigkeiten macht.
Die Riemenscheibe kann an der dem ersten Polkörper zugewandten Seite der Ausnehmung mit Stegen versehen sein, die einen Luftdurchtritt von der Ausnehmung her erlauben. Wird der mit der Riemenscheibe verbundene Polkörper dann in seinem dem ersten Polkörper zugewandten Stirnflächenbereich mit Polfingern ausgerüstet, die als Lüfterschaufeln wirken, so kann eine Kühlluftströmung durch die Ausnehmung hindurch in den Polfingerbereich erfolgen. Die im Wirbelstromkupplungsbereich anfallende Wärme läßt sich so leicht abführen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der neuen Wirbelstromkupplung, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Wirbelstromkupplung und Fig. 2 die Ansicht der Wirbelstromkupplung der Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Befestigungsflansch 1 mit einem fest daran angeordneten Lagerzapfen 2 gezeigt, der in nicht dargestellter Weise ortsfest, beispielsweise an einem Motorblock oder an geeigneter Stelle hinter einem Kühler angebracht werden kann. Auf dem Lagerzapfen 2 ist eine Nabe 3 drehbar mit Hilfe eines Wälzlagers 4 und eines Nadellagers 5 gelagert, die einen Flansch 3a aufweist, der in mehrere, beim Ausführungsbeispiel in acht, radial nach außen abstehende Arme 3b übergeht.
An den äußersten Enden weisen die Arme 3b Gewindebohrungen 6 auf, in denen, in nicht näher dargestellter Weise, jeweils Lüfterschaufeln eines Kühllüfters befestigt werden können, die sich mit ihrem radial innen liegenden Teil auf dem Absatz 7 an einem bestimmten Wert der Erregung der Spule ab als Reibungskupplung und unterhalb dieses Wertes als regelbare Wirbelstromkupplung arbeitet. Zweckmäßig wird dieser Umschaltpunkt so gewählt, daß er in einem Betriebspunkt liegt, bei dem etwa 60 % der maximalen Lüfterdrehzahl erforderlich sind. Die Erfahrung hat gezeigt,' daß nur etwa 10 % der Einsatzzeit einer für den Lüfterantrieb von Kraftfahrzeugmotoren vorgesehenen Kupplung in dem Bereich oberhalb von 60 % der maximalen Lüfterdrehzahl liegen, während 90 % der Betriebszeit unterhalb dieses Wertes liegen. In diesem größeren Betriebsbereich arbeitet die Kupplung daher als Wirbelstromkupplung und läßt die gewünschte Drehzahlregelung zu. Die Kupplung weist den Vorteil auf, daß sie ohne Schaltgeräusch in diesem Bereich arbeitet und die Lüfterdrehzahl jeweils abhängig von der Temperatur des Kühlwassers, beispielsweise genau an die erforderlichen Werte, anpassen kann.
Eine baulich einfache Ausführung der neuen Kupplung ergibt sich, wenn als Feder eine Ringmembran vorgesehen ist, die abwechselnd mit dem ersten Polkörper und dem Flansch einer Nabe verbunden ist, an dem auch die Lüfterflügel anbringbar sind.
Eine solche Anordnung ergibt eine spielfreie Drehmomentübertragung, läßt aber die notwendige Axialverschiebung zu. Die Spule kann vorteilhaft mit zwei getrennt erregbaren Wicklungsteilen versehen sein, wobei die von einem Wicklungsteil erzeugbare Magnetkraft, die den ersten Polkörper anzieht, kleiner als die entgegengesetzt wirkende Kraft der Feder ist, so daß erst dann, wenn der zweite Wicklungsteil erregt wird, die Umschaltung auf Reibungskupplungsbetrieb erfolgt.
Eine einfache Ausführung ergibt sich, wenn der mit dem zweiten Polkörper versehene Kupplungsteil eine auf der Nabe drehbar gelagerte Riemenscheibe ist, die mit einer ringförmigen und axial verlaufenden Vertiefung versehen ist, in die von der offenen Seite her die Spule hereinragt. Die Spule kann auf diese Weise den Armen 3b abstützen können. An jeweils vier der insgesamt acht Arme 3b sind Gewindebohrungen 8 vorgesehen, an denen eine beim Ausführungsbeispiel aus zwei parallel zueinander angeordneten Ringscheiben 9a, 9b bestehende Ringmembran 9 mit Hilfe von Schrauben 10 fest mit den Armen 3b verbunden ist. Diese Ringmembran 9 ist im Bereich der anderen vier Arme 3b über Schrauben 11 mit Innensechskant, deren Köpfe frei in Bohrungen 12 in den Armen 3b hereinragen, fest mit einem ersten Polkörper 13 verbunden. Der Polkörper 13 ist dabei mit einer ringförmigen Aussparung 14 versehen, in die ein Zentrierring 15 eingesetzt ist, der von den Befestigungsschrauben 11 zusammen mit der Ringmembran 9 fest gegen den ersten Polkörper 13 gedrückt wird.
Der Zentrierring 15 ist gleichmäßig über seinen Umfang mit Ausnehmungen 16 versehen, durch welche die Köpfe der Schrauben 10 frei hindurchragen können. Diese Ausnehmungen 16 wechseln mit Ausnehmungen 17 kleineren Durchmessers ab, durch welche die Schrauben 11 hindurchgeführt werden können. Die Ringmembran 9 weist gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilte acht Öffnungen zum Durchführen der Schrauben 10 bzw. 11 auf, wobei diese Öffnungen jeweils mit den Öffnungen 16 und 17 im Zentrierring bzw. mit den Gewindebohrungen 8 und den Öffnungen 12 in den Armen 3b sowie mit Gewindebohrungen 18 im ersten Polkörper 13 fluchten.
Der erste Polkörper 13 ist auf diese Weise fest mit der Nabe 3 in Drehrichtung verbunden, weil er mit jeweils vier Schrauben drehfest mit der Ringmembran 9 verbunden ist, die ihrerseits über vier Schrauben 10 drehfest mit den Armen 3b und der Nabe 3 verbunden ist. Der erste Polkörper 13 kann aber in Axialrichtung gegen die Wirkung der Ringmembran 9 um ein gewisses Maß verschoben werden, wenn die Kraft der Ringmembran 9, die ihn in der in Fig. 1 dargestellten Lage hält, durch eine entsprechende Axialkraft überwunden wird.
Drehbar auf der Nabe 3 ist mit Hilfe eines Kugellagers 19 und eines Nadellagers 20 eine Riemenscheibe 21 gelagert, die aus einem magnetisch wirksamen Material besteht und in dem dem ersten Polkörper 13 zugewandten Bereich mit mehreren homopolar angeordneten Polfingern 22 ausgerüstet ist, die ähnlich einer Stirnverzahnung von der Riemenscheibe 21 axial abragen. Diese Polfinger 22 liegen axial vor einem Ringbereich 23 des ersten Polkörpers 13 und besitzen Stirnflächen 22a, die der Ringstirnfläche 23a des ersten Polkörpers 13 axial gegenüberliegen. Der Bereich derPolfinger 22 und der mit den Eingreifnuten 24 für Keilriemen versehene Bereich der Riemenscheibe 21 sitzen auf einem an den Lagern 19 und 20 drehbar gehaltenem Mittelstück 21a über radiale Stege 25, welche eine ringförmige Ausnehmung 26 zwischen dem äußeren Ringteil (24) der Riemenscheibe 21 und deren inneren Teil 21a auf der linken Seite begrenzen. In diese mit parallelen Wänden versehene Ausnehmung 26 ragt eine Spule 27 herein, die an einem Spulenträger 28 angebracht ist, welche wiederum fest mit dem Flansch 1 verbunden ist und auch die elektrischen Zuleitungen 29 zu der Spule 27 aufnimmt.
Schließlich ist der erste Polkörper 13, der dem zweiten, im wesentlichen aus den Pol fingern 22 und den anderen magnetischen Teilen bestehenden Polkörper 30 axial gegenüberliegt, auf der von dem zweiten Polkörper 30 abgewandten Seite mit radial verlaufenden Rippen 31 versehen, die als Lüfterschaufeln wirken und zusammen mit den ebenfalls in der Art von Lüfterschaufeln wirkenden Polfingern 22 für eine Kühlluftströmung im Bereich der beiden Polkörper sorgen. Die radial nach außen durch die Polfinger 22 strömende Luft kann dabei durch die zwischen den Stegen 25 bestehenden Zwischenräume und durch die Ausnehmung 26 durchtreten, so daß der gesamte Bereich der Wirbelstromkupplung von Kühlluft durchströmt wird.
Die von der Ringmembran 9 ausgeübte Rückhaltekraft auf den ersten Polkörper 13 ist so auf die von der Spule 27 in der Anordnung ausübbaren Magnetkraft abgestimmt, daß der Polkörper 13 bis zu einem vorbestimmbaren Schaltpunkt in der in der Fig.
1 gezeigten Lage verbleibt. Bis zu diesem Schaltpunkt ist daher die Rückstellkraft der Ringmembran 9 größer als die im Magnetkreis durch die Erregung de Spule 27 ausgeübte Magnetkraft, die beim Beispiel der Fig. 1 eine Anziehungskraft auf den ersten Polkörper 13 ausübt, die nach rechts wirkt. Die Rückstellkraft der Ringmembran 9 wirkt nach links. Beim Erreichen des Schaltpunktes überwiegt die Magnetkraft und zieht den ersten Polkörper 13 gegen die Wirkung der Ringmembran 9 nach rechts, bis dessen Stirnfläche 23a an der Stirnfläche 22a des zweiten Polkörpers 30 anliegt. Von diesem Zeitpunkt an arbeitet die Kupplung als eine Reibungskupplung, welche die an der Riemenscheibe 21 vorliegende Drehzahl 1 : 1 auf die Lüfterflügel überträgt. In dieser Stellung arbeitet die Kupplung mit voller Drehzahl und mit voller Leistung.
Der Schaltpunkt, in dem die Magnetkraft die Kraft der Ringmembran 9 überwindet, wird so gewählt, daß die Umschaltung von Wirbelstrombetrieb auf Reibungskraftübertragung dann erfolgt, wenn mehr als etwa 60 % der maximalen Drehzahl des Lüfters für den Kühlbedarf erforderlich werden. Dies kann in bekannter Weise über die Messung der Temperatur des Kühlwassers eines Verbrennungsmotores ermittelt werden. Die Temperatur des Kühlwassers dient dabei als Maß für die Beaufschlagung der Spule 27.
Von einer bestimmten Kühlwassertemperatur ab, die nach Möglichkeit nicht oder nur unwesentlich überschritten werden soll, erfolgt dann die Beaufschlagung so, daß die Magnetkraft die Federkraft der Ringmembran 9 überwindet.
Es ist möglich, die Spule 27 mit zwei Wicklungsteilen zu versehen, wobei der erste Wicklungsteil mit seiner Magnetkrafterregung nicht ausreicht, um die Kraft der Ringmembran 9 zu überwinden. Erst wenn ein zweiter Wicklungsteil zugeschaltet wird, wird der erste Polkörper 13 an den zweiten Polkörper 30 gezogen und die Kupplung arbeitet als Reibungskupplung.
Die neue Kupplung erlaubt daher in den meisten Einsatzzeiten eine feinfühlige Drehzahlregelung, weil sie als Wirbelstromkupplung arbeitet. Bei höherem Kühlleistungsbedarf wird auf die Funktion als Reibungskupplung umgeschaltet.
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Claims

Ansprüche 1. Wirbelstromkupplung mit homopolar angeordneten und mit ihren Stirnseiten mindestens teilweise axial voreinanderliegenden Polkörpern, sowie mit einer den Polkörpern zugeordneten Spule und einem mit einem der zu kuppelnden Teile drehfest verbundenen Ankerring, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerring einer der Polkörper (13, 30) ist, daß dieser erste Polkörper (13) axial verschiebbar gegenüber dem zweiten Polkörper (30) angeordnet und mit seiner Stirnfläche (23a) unter Reibschluß an die ihm zugewandte Stirnfläche (22a) des zweiten Polkörpers (30) anlegbar ist, und daß der zweite Polkörper (30) mit dem anderen (21) der zu kuppelnden Teile (21, 3) drehfest verbunden ist.
2. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Polkörper (13) gegen die Kraft einer Feder (9) an den zweiten Polkörper (30) anlegbar ist.
3. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der Feder (9) und die Magnetkraft so aufeinander abgestimmt sind, daß die Kupplung von einem bestimmten Wert der Erregung der Spule (27) ab als Reibungskupplung und unterhalb dieses Wertes als regelbare Wirbelstromkupplung arbeitet.
4. Wirbelstromkupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Feder eine Ringmembran (9) vorgesehen ist, die abwechselnd mit dem ersten Polkörper (13) und dem Flansch (3a) einer Nabe (3) verbunden ist, an dem auch die Lüfterflügel anbringbar sind.
5. Wirbelstromkupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (27) mit zwei getrennt erregbaren Wicklungsteilen versehen ist und daß die von einem Wicklungsteil erzeugbare Magnetkraft, die den ersten Polkörper (13) anzieht, kleiner als die entgegengesetzt wirkende Kraft der Feder (9) ist.
6. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem zweiten Polkörper (30) versehene Kupplungsteil eine auf der Nabe (3) drehbar gelagerte Riemenscheibe (21) ist.
7. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Riemenscheibe (21) mit einer ringförmigen und axial verlaufenden Vertiefung (26) versehen ist, in die von der offenen Seite her die Spule (27) hereinragt.
8. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Riemenscheibe (21) an der dem ersten Polkörper (13) zugewandten Seite der Ausnehmung (26) mit Stegen (25) versehen ist, die einen Luftdurchtritt von der Ausnehmung her erlauben.
9. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Riemenscheibe (21) verbundene Polkörper (30) in seinem dem ersten Polkörper (13) zugewandten Stirnflächenbereich mit Polfingern (22) ausgerüstet ist, die als Lüfterschaufeln wirken.
10. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Polkörper (13) auf seiner vom zweiten Polkörper (30) abgewandten Seite mit rippenförmigen Lüfterschaufeln (31) ausgestattet ist.
11. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmembran (9) an einen der beiden Polkörpern über einen Zentrierring (15) angebracht ist, der in einer Vertiefung (14) des Polkörpers (30) gehalten ist.
12. Wirbelstromkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (3) auf einem Lagerzapfen (2) gehalten ist, der fest mit einem Befestigungsflansch (1) verbunden ist, an dem die Spule (27) fest angeordnet ist.