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Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsreibungskupplung mit Füllungsregelung
mit einem gegenüber der Antriebswelle drehbaren, die getriebene Kupplungshälfte
bildenden abgeschlossenen Gehäuse, das durch eine Trennwand in eine Vorratskammer
und eine Antriebskammer mit darin befindlicher Antriebsscheibe unterteilt ist und
einem an der Trennwand angeordneten, in einen Ringraum der treibenden Kupplungshälfte
hineinreichenden Pumpelement zum Überführen der Arbeitsflüssigkeit von der Antriebs-
in die Vorratskammer.
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Mit einer derartigen Flüssigkeitsreibungskupplung ist es möglich,
durch Veränderung ihrer Füllung in Funktion einer Eingangsgröße den Schlupf und
damit die Drehzahl der getriebenen Kupplungshälfte relativ zur Antriebsscheibe zu
steuern. Insbesondere im Antrieb von Kühllüftern, von Brennkraftmaschinen finden
derartige Flüssigkeitsreibungskupplungen Anwendung, um die Drehzahl des Kühllüfters
in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine steuern zu können.
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Die Veränderung der Füllung geschieht bei einer bekannten Flüssigkeitsreibungskupplung
eingangs beschriebener Bauart dadurch, daß das an der Trennwand angeordnete, in
den Ringraum der treibenden Kupplungshälfte hineinreichende Pumpelement als Prallblech
ausgebildet ist und unmittelbar davor die Trennwand eine Bohrung aufweist, die die
Antriebskammer mit der Vorratskammer verbindet. Infolge des sich vor dem Prallblech
aufbauenden hydrodynamischen Drucks wird Flüssigkeit von der Antriebskammer durch
die Bohrung in die Vorratskammer gepumpt. Die abgepumpte Flüssigkeit fließt entweder
durch eine Rückflußöffnung in die Antriebskammer zurück oder wird, bei verschlossener
Rückflußöffnung, in der Vorratskammer belassen. Im letzteren Falle verringert sich
die Füllung der Antriebskammer und vergrößert sich der Schlupf der Kupplung; das
bedeutet, daß sich die Drehzahl z. B. eines an der getriebenen Kupplungshälfte befestigten
Kühllüfters verringert.
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Die Höhe des sich vor dem Prallblech aufbauenden hydrodynamischen
Drucks ist vom Schlupf und von der Viskosität der Arbeitsflüssigkeit abhängig. Es
hat sich nun gezeigt, daß dieser Druck, insbesondere bei niedrigem Schlupf, verhältnismäßig
klein und damit die Wirkung des Pumpelementes schlecht wird. Es ist jedoch wünschenswert,
um ein rasches Ansprechen der Kupplung auf die Eingangsgröße zu erhalten, die Pumpelemente
so zu gestalten, daß mit ihnen eine große Pumpleistung erzielt wird.
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Unter dem Gesichtspunkt guter Drehmomentübertragung ist eine Arbeitsflüssigkeit
mit entsprechend hohem Viskositätsgrad erforderlich. Bei Arbeitsflüssigkeiten hoher
Viskosität zeigt sich jedoch bei bekannten Pumpelementen eine abnehmbare Pumpleistung.
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Eine optimale Wirkungsweise des Pumpelementes und der Flüssigkeitsreibungskupplung
lassen sich daher mit einem bekannten Pumpelement nicht vereinen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Pumpelement in einer
Flüssigkeitsreibungskupplung mit Füllungsregelung so auszuführen, daß eine gute
Pumpwirkung, insbesondere auch bei niedrigem Schlupf und bei hoher Viskosität der
Arbeitsflüssigkeit erhalten wird, so daß die Flüssigkeitsreibungskupplung rasch
auf Änderungen einer Eingangsgröße anspricht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stirnfläche
des Pumpelementes mit der benachbarten Grundfläche des Ringraumes in der treibenden
Kupplungshälfte einen gegen die Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit geöffneten
spitzen Winkel bildet und benachbart des theoretischen Scheitels dieses Winkels
eine die Antriebskammer mit der Vorratskammer verbindende Bohrung angeordnet ist.
Vorteilhaft wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Winkel zwischen
5 und 30° gewählt.
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Das erfindungsgemäße Pumpelement zeigt gegenüber dem bekannten als
Prallblech ausgebildeten Pumpelement mit davor angeordneter Bohrung wesentlich größere
Pumpwirkung, insbesondere bei niedrigem Schlupf und bei Verwendung von Arbeitsflüssigkeiten
hoher Viskosität. Das ergibt sich daraus, daß, wie bei Versuchen festgestellt wurde,
der Druck am Eingang der Bohrung drei- bis zehnmal höher liegt als am Eingang der
Bohrung des bekannten Pumpelementes bei sonst gleichen Bedingungen.
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Als Erklärung dafür kann folgende Überlegung dienen: In dem von der
Trennwand des getriebenen Kupplungsteils und der Ringnut der Antriebsscheibe der
Kupplung begrenzten Ringraum besteht infolge des Schlupfes eine relative Flüssigkeitsströmung
mit annähernd linearer Geschwindigkeitsverteilung. An den Wänden des Ringraumes
stimmt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit mit der jeweiligen Wandgegeschwindigkeit
überein. Bei dem bekannten Pumpelement mündet die Bohrung an der Oberfläche der
Trennwand in eine Flüssigkeitsschicht, die relativ zu ihr bewegungslos ist. Das
nachgeschaltete Prallblech staut nun die Flüssigkeit, wobei der Staudruck vom Wert
Null an der Trennwandoberfläche mit wachsendem Abstand von der Trennwand zunimmt.
Der Druckaufbau vor dem Prallblech wird an der Mündungsstelle der Bohrung nur zum
Teil wirksam. Anders ist es bei dem erfindungsgemäßen Pumpelement. Hier mündet die
Bohrung in relativ zu ihr bewegte Flüssigkeitsschichten, die durch das Pumpelement
abgebremst werden. Der Staudruck wird direkt in der Umgebung der Bohrungsmündung
wirksam.
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Infolge der guten Pumpwirkung des Pumpelementes ist es daher möglich,
auch bei geringem Schlupf ein rasches Ansprechen der Kupplung auf Änderungen der
Eingangsgröße zu erhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsreibungskupplung, F i g. 2 einen Querschnitt der
in F i g. 1 dargestellten Flüssigkeitsreibungskupplung nach der Linie II-II, F i
g. 3 einen Schnitt der in F i g. 2 dargestellten Flüssigkeitsreibungskupplung nach
der Linie III-III, F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 3, F i
g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 3 und F i g. 6 eine graphische Gegenüberstellung
des Druckverlaufs in Abhängigkeit des Schlupfes am Pumponelement einer vorbekannten
(X) und einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsreibungskupplung(Y).
Eine
erfindungsgemäße Flüssigkeitsreibungskupplung 10, im Beispiel in Verbindung
mit einem Kühllüfter 15 für den Kühler einer Brennkraftmaschine eingebaut, besteht
aus einer treibenden, 11, und einer getriebenen Kupplungshälfte 12. Die treibende
Kupplungshälfte 11, als Scheibe ausgebildet, ist drehfest auf eine Antriebswelle
16 aufgepreßt, während die getriebene Kupplungshälfte 12 sich über
ein Kugellager 23 auf der Antriebswelle 16 abstützt. Die getriebene
Kupplungshläfte 12 ist als zweigeteiltes Gehäuse mit zwei durch eine Trennwand
53 abgetrennten Kammern, einer Antriebskammer 40 und einer Vorratskammer
60, ausgebildet. Die Antriebsscheibe 11 ist drehbar in der Antriebskammer
40 angeordnet. Auf ihrer, der Trennwand 53 abgewandten Seite bildet sie zusammen
mit der getriebenen Kupplungshälfte 12 enge, konzentrisch zur Drehachse verlaufende
Labyrinthgänge, die in ihrer Gesamtheit mit 56 bezeichnet sind.
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Zur übertragung eines Drehmomentes zwischen treibender und getriebener
Kupplungshälfte 11 bzw. 12 ist die Antriebskammer 40 mit einer
viskosen Arbeitsflüssigkeit gefüllt. Wird die Antriebsscheibe 11
über die
Antriebswelle 16 angetrieben, so wird die Arbeitsflüssigkeit von ihr mitgerissen
und verteilt sich infolge der auf sie einwirkenden Fliehkräfte über den Umfang der
Antriebsscheibe 11. Sie gelangt hierbei in die zwischen treibender und getriebener
Kupplungshälfte gebildeten Spalträume, unter anderem in die Labyrinthgänge
56 und in einen Ringraum 92, der zwischen der Antriebsscheibe
11 und der Trennwand 53 an einem größeren Umkreis als dem der Labrinthgänge
gebildet ist. Da die Spalträume eng sind und die Arbeitsflüssigkeit die Fähigkeit
besitzt, Scherkräfte zu übertragen, wird die Kupplungshälfte 12
mitgerissen
und wird mit einer Drehzahl umlaufen, die infolge des Schlupfes zwischen treibender
und getriebener Kupplungshälfte kleiner ist als die Drehzahl der Antriebsscheibe
11.
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Die Größe des Schlupfes ist außer von konstruktiven Merkmalen der
Kupplung, der Belastung der Antriebsscheibe, im Beispiel durch den Kühllüfter, und
der Viskosität der Arbeitsflüssigkeit noch von der Füllung der Antriebskammer
40 mit Arbeitsflüssigkeit abhängig. Je geringer die Füllung der Spalträume
mit Arbeitsflüssigkeit ist, um so kleiner sind die übertragbaren Scherkräfte und
um so größer wird der Schlupf. Durch Verändern der Füllung der Arbeitskammer
40 mit Arbeitsflüssigkeit kann daher die Drehzahl der getriebenen Kupplungshälfte
12 und damit die des Kühllüfters gesteuert werden.
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Zu diesem Zweck sind an der der Antriebskammer zugewandten Seite der
Trennwand 53 zwei Pumpelemente 90, 91 befestigt, die in den zwischen der
Trennwand 53 und der Antriebsscheibe 11 gebildeten Ringraum 92 eingreifen
(F i g. 3 und 4). Dieser Ringraum 92 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel
ebenso wie die Pumpelemente 90 bzw. 91 rechteckigen Querschnitt, wobei
zwischen Pumpelement und Ringraum nur schmale Spalte belassen sind.
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Die Pumpelemente weisen eine zur Grundfläche 92a des Ringraumes
92 parallele Fläche 100 und eine Fläche 102 auf, die mit der
benachbarten Grundfläche 92 a des Ringraumes 92 einen spitzen Winkel
A, vorteilhaft zwischen 5 und 30° bildet. Dieser Winkel ist gegen die Strömungsrichtung
der Arbeitsflüssigkeit im Ringraum 92 geöffnet. Benachbart des theoretischen
Scheitels dieses Winkels weist jedes der Pumpelemente eine die Antriebskammer
40 mit der Vorratskammer 60 verbindende Bohrung 71, 72 auf.
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Weiterhin ist am Umkreis, an dem diese Bohrungen der Pumpelemente
münden, eine weitere öffnung 73 in der Trennwand 53 vorgesehen, durch die die Arbeitsflüssigkeit
von der Vorratskammer 60
zurück in die Antriebskammer 40 fließen kann.
Diese Öffnung 73 kann durch einen Arm 85 mehr oder weniger abgedeckt bzw. freigegeben
werden. Der ,4rm 85 sitzt drehfest an einem in die Vorratskammer 60 reichenden
Wellenstummel 83, der an einem die getriebene Kupplungshälfte 12 abschließenden
Deckel 62 gelagert ist. In das aus der Kupplung ragende Ende des Wellenstummels
83 ist mit ihrem einen Ende eine Bimetallspirale 80 geklemmt, deren
anderes Ende eine Bimetallspirale 80 geklemmt, deren anderes Ende am Deckel
62 befestigt ist.
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Diese Bimetallspirale 80 liegt im Luftstrom der durch den Kühler
der Brennkraftmaschine geströmten Kühlungsluft und spricht auf die Temperaturänderungen
dieser Kühlungsluft, die ein Maß für die Temperatur des den Kühler durchfließenden
Kühlmittels ist, an. Dabei verdreht die Bimetallspirale 80 über den Wellenstummel
83 den Arm 85 zwischen den in F i g. 2 strichpunktiert und gestrichelt
gezeigten Lagen 85 a und 85 b.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsreibungskupplung
ist wie folgt: Bei ruhender Kupplung befindet sich die Arbeitsflüssigkeit, wie in
F i g. 1 gezeigt, im unteren Teil der Kammern 40 und 60. Beginnt die Antriebsscheibe
11 sich zu drehen, werden die Arbeitsflüssigkeit in der Antriebskammer
40, die Kupplungshälfte 12 und sodann die Arbeitsflüssigkeit in der
Vorkammer 60
mitgerissen. Infolge der Fliehkräfte verteilt sich die Arbeitsflüssigkeit
über den Umfang der beiden Kammern. Die getriebene Kupplungshälfte 12 dreht
sich um das Maß des Schlupfes langsamer als die Antriebsscheibe 11, so daß sich
im Ringraum 92 zwischen der Trennwand 53 und der Antriebsscheibe
11 eine Relativströmung einstellt, deren Geschwindigkeit von der Größe des
Schlupfes abhängt. An den Wänden des Ringraumes stimmt die Geschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit
mit der jeweiligen Wandgeschwindigkeit überein, d. h., relativ zur Trennwand
53 und zu den an ihr befestigten Pumpelementen 90
bzw. 91 steigt
die Geschwindigkeit vom Wert Null an der Trennwandoberfläche zu einem Maximalwert
an der Grundfläche 92 a des Ringraumes 92 an.
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Diese Flüssigkeitsströmung trifft auf die Pumpelemente 90, 91
und wird durch den sich verjüngenden Spalt zwischen den Flächen 102 und
100 am Pumpelement und der Grundfläche 92 a des Ringraumes gezwungen.
Längs der Fläche 102 am Pumpelement wird die Strömung abgebremst, so daß
sich nahe der Mündung der Bohrung 71 ein hoher Druck aufbaut und Flüssigkeit
durch die Bohrungen 71, 72 von der Antriebskammer 40 in die Vorratskammer
60 fließt.
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Das Kühlmittel im Kühler z. B. einer Brennkraftmaschine sei zunächst
noch kalt. Die auf die Bimetallspirale 80 auftreffende Kühlungsluft ist daher
auch kalt, und der Arm 85 wird in der mit 85 a bezeichneten Lage gehalten,
d. h., die Öffnung 73 ist geschlossen.
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Die durch die Pumpelemente fließende Flüssigkeit bleibt zunächst in
der Vorratskammer 60. Die Arbeitsflüssigkeit in der Antriebskammer
40 verringert
sich, und der Schlupf zwischen der treibenden
und getriebenen Kupplungshälfte vergrößert sich. Der Kühllüfter 15 dreht sich daher
nur langsam, und das Kühlmittel im Kühler der Brennkraftmaschine kann schnell auf
Betriebstemperatur kommen. Die nun durch den warmen Kühler strömende Kühlungsluft
erwärmt die Bimetallspirale 80. Diese dehnt sich aus und verdreht dabei den Arm
85 in Richtung zur Lage 85 b. Die Öffnung 73 wird freigegeben, und
Arbeitsflüssigkeit kann von der Vorratskammer 60 in die Antriebskammer 40 zurückfließen.
Der Schlupf zwischen treibender und getriebener Kupplungshälfte wird kleiner, so
daß sich die Drehzahl des Kühllüfters 15 erhöht und das Kühlmittel im Kühler
stärker gekühlt wird.
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Bei zu starker Kühlung wird die Öffnung 73 über die Bimetallspirale
wieder ganz oder teilweise überdeckt, so daß sich die Füllung der Antriebskammer
wieder verringert, der Schlupf größer und die Drehzahl des Kühllüfters kleiner wird.
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Bei richtiger Abstimmung der einzelnen Kupplungselemente, wie z. B.
der Pumpleistung der Pumpelemente 90, 91, der Öffnung 73 und der Bimetallspirale
80 wird sich in der Kupplung der gewünschten Betriebstemperatur des Kühlmittels
im Kühler ein Gleichgewichtszustand einstellen. Die erforderliche Drehzahl des Kühllüfters
15 und damit der Schlupf zwischen treibender und getriebener Kupplungshälfte der
Kupplung wird dadurch aufrechterhalten, daß infolge der Stellung des Arms 85 durch
die Öffnung 73 gerade so viel Arbeitsflüssigkeit in die Antriebskammer 40 zurückfließen
kann, wie durch die beiden Pumpelemente 90 bzw. 91 von der Antriebskammer
40 in die Vorratskammer 60 gefördert wird.