DE3128959C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Flüssigkeitsreibungs­ kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Viskositätskupplungen sind bereits bekannt. Bei solchen Viskositätskupplungen findet zur Übertragung des Drehmoments von einer Antriebswelle auf eine Abtriebswelle ein zwischen geeigneten Kupplungselementen befindliches viskoses Medium Anwendung, beispielsweise Silikonöl. Bei den bekannten Viskositätskupplungen erfolgt die Steuerung der Kupplung zur Veränderung der Drehmomentübertragung durch mechanische Verstellung der Kupplungselemente, was aber den Nachteil hat, daß die Zustände einer völligen Trennung (100% Schlupf) und eines völligen Eingriffs (0% Schlupf) kaum erreichbar sind. Dieser Nachteil beruht auf dem Newtonschen Verhalten zäher Medien, d. h. die Scherung dieser Medien erfolgt mit einer zu den wirkenden Scher­ spannungen direkt proportionalen Geschwindigkeit. Infolge­ dessen findet, unabhängig davon, wie gering die von den Kupplungselementen erzeugten Scherspannungen auch sein mögen, stets eine gewisse Scherung des Mediums statt.

Es sind auch schon Fluide bekannt, deren Strömungseigenschaften einer Veränderung unterliegen, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Diese Zubereitungen, die früher als "elektroviskose Medien", nun­ mehr aber zutreffender als "elektrorheologische Medien" bezeichnet werden, bestehen aus Aufschlämmungen fein ver­ teilter hydrophiler Feststoffpartikelchen in hydrophoben Flüssigkeiten. Beim Fehlen eines elektrischen Feldes zeigen diese Fluide Newtonsches Verhalten. Wird ein elektrisches Feld angelegt, verhalten sich diese elektro­ rheologischen Medien jedoch annähernd wie ein "Binghamscher Körper", und bis zu einem als Fließgrenze bekannten Schwellen­ wert als Maximum der Scherspannungen tritt bei allen unter­ halb dieses Maximums liegenden Scherspannungen keine Scherung auf. Das die Fließgrenze bildende Maximum der Scherspannung hängt von der jeweiligen Zusammensetzung des Mediums und des ausgelegten elektrischen Feldes ab. Bei einem gegebenen Medium steht die Fließgrenze normalerweise in linearem Zusammen­ hang mit der eine bestimmte Schwellenspannung übersteigenden angelegten Spannung, wobei dieser Zusammenhang mit k (E - E _O ) beschrieben werden kann, wobei E und E _O die an­ gelegte Spannung bzw. die Schwellenspannung sind und k die Proportionalitätskonstante ist. Wird das Medium mit einer die Fließgrenze übersteigenden mechanischen Scherspannung beansprucht, tritt eine Scherung mit zu der Differenz zwischen der Fließgrenze und der jeweiligen Scherspannung proportionaler Geschwindigkeit auf.

Die Möglichkeit der elektrischen Steuerung einer Viskositätskupplung durch Verwendung eines elektro­ rheologischen Mediums wurde erstmalig in der US-PS 24 17 850 offenbart, in welcher eine einfache Scheibenkupplung be­ schrieben ist, bei welcher die Kupplungsscheiben durch ein elektrorheologisches Medium voneinander getrennt sind. Diese bekannte Viskositätskupplung läßt sich bei unter der Fließgrenze liegenden Spannungen in im wesentlichen völligem Eingriffszustand halten, wenn eine geeignete Spannung zwischen den Kupplungsscheiben angelegt wird, während jedoch ein völliger Ausrückzustand auch bei Wegnehmen der gesamten angelegten Spannung wegen der natürlichen Viskosität des Mediums ebenso wie bei allen anderen bekannten Viskositäts­ kupplungen nicht erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Flüssigkeitsreibungskupplung mit elektrorheologischem Ar­ beitsmittel zu schaffen, die bei kompakter Bauweise eine Steuerbarkeit der Kupplung zwischen einem völligen Ein­ rückzustand (0% Schlupf) im einen Drehsinn über einen völligen Ausrückzustand (100% Schlupf) bis zu einem völligen Einrückzustand (0% Schlupf) im entgegengesetzten Drehsinn ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Anordnung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Konstruktion hat, insbesondere bei zylindrischer Ausbildung der Antriebselemente, den Vorteil eines großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Bei zylindrischen Antriebselementen kann deren Radius ver­ hältnismäßig klein mit Bezug auf ihre Länge gemacht werden, wobei die Schergeschwindigkeit des Arbeitsmittels kleinge­ halten und dadurch auch die Erwärmung niedrig gehalten werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung ist in der Zeichnung dargestellt, bei welcher zwei Gruppen zylindrischer Antriebselemente um eine gemeinsame geometrische Achse drehbar sind.

Ein zylindrisches Ge­ häuse 40 mit einem abgedichteten Wellenlager 41 an seinem einen Stirnende und zwei koaxialen Wellenlagern 42 und 43 an seinem anderen Stirnende ist innen mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Achszapfen 44 versehen, die sich jeweils in der Längsmitte des Gehäuses befinden und ein frei drehbares Zahnrad 45 tragen.

Eine in dem Lager 41 gelagerte Antriebswelle 46 ist an konzentrischen zylindrischen Antriebselementen 47 und 48 be­ festigt, von denen der äußere Zylinder 47 stirnseitig einen Zahnkranz 49 aufweist, der mit den Zahnrädern 45 in Eingriff steht. Entsprechend ausgebildete konzentrische zylindrische Antriebselemente 50 und 51 sind auf der anderen Seite der Zahnräder 45 angeordnet und mit einer kurzen, in dem äußeren Lager 43 gelagerten Hohlwelle 52 verbunden, wobei der äußere Zylinder 50 wiederum stirnseitig einen mit den Zahnrädern 45 in Eingriff stehenden Zahnkranz aufweist.

Mit den zylindrischen Antriebselementen koaxial ineinandergeschachtelt angeordnet sind ebenfalls zylindrische Abtriebselemente 53 und 54, die an einer Seite einer elektrisch nichtleitenden Scheibe 55 befestigt sind, die drehbar zwischen den beiden dargestellten, gegenüber­ liegenden Wellenzapfen 44 und zwei weiteren, dazu um 90° winkelversetzten, nicht dargestellten Wellenzapfen angeordnet ist. Alternativ dazu können auch drei Wellen­ zapfen 44 mit Zahnrädern 45 mit Winkelabständen von jeweils 120° angeordnet sein. Auf ihrer anderen Seite trägt die Scheibe 55 zwei weitere zylindrische Abtriebs­ elemente 56 und 57, die konzentrisch mit den anderen Antriebselementen 50 und 51 ineinandergeschachtelt ange­ ordnet sind. Der Abtriebszylinder 57 ist hohl und verläuft durch das innere Lager 42 hindurch zu einer elektrisch nichtleitenden Hülse 59, die ihn mit einer Abtriebswelle 58 verbindet und zwei Schleifringe 60 und 61 trägt.

Die beiden Abtriebszylindergruppen 56, 57 und 53, 54 sind jeweils mit einem der Schleifringe 60 und 61 elektrisch ver­ bunden. Die Antriebszylinder 47, 48, 50 und 51 sind über die Zahnräder 45 und die Wellenzapfen 44 elektrisch mit einem am Gehäuse angeordneten Anschluß 62 verbunden. Die Zwischenräume zwischen den Antriebs- und Abtriebszylindern sind vollständig mit einem elektrorheologischen Medium 63 gefüllt. Wenn die Antriebswelle 46 im Betrieb umläuft, werden die Antriebs­ zylinder 50 und 51 über die Zwischenräder 45 entgegen der Drehrichtung der Antriebszylinder 47 und 48 und mit der gleichen Drehzahl mitgedreht. Die auf die beiden Abtriebs­ zylindergruppen wirkenden viskositätsbedingten Mitnahme­ kräfte sind daher gleich und entgegengesetzt gerichtet, vorausgesetzt, daß die Viskosität des Mediums im ganzen Volumen gleichförmig ist, und infolgedessen findet keine resultierende Drehung der Abtriebswelle 58 statt. Eine zwischen dem Anschluß 62 und dem einen oder anderen der Schleifringe 60 und 61 angelegte elektrische Steuerspannung erhöht den Scherwiderstand des Mediums zwischen den be­ treffenden Antriebs- und Abtriebszylindergruppen, so daß zwischen diesen eine stärkere Mitnahme stattfindet und die Abtriebswelle 58 entsprechend im einen oder anderen Drehsinn gedreht wird.

Das die gegenläufige Drehung der oberen Antriebs­ zylindergruppe erzeugende Zwischenzahnradanordnung kann alternativ auch durch eine zweiteilige, außerhalb des Gehäuses befindliche Vorgelegewellenanordnung ersetzt werden (nicht dargestellt), um eine mögliche Beschädigung der Teilchen des elektrorheologischen Mediums durch Quetschung zwischen den Zahnrädern zu vermeiden. Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß eine direkt analoge, ebene Kupplungsplatten aufweisende Abwandlung dieses Aus­ führungsbeispiels ebenfalls möglich ist, wobei anstelle der Zylinder ringförmige Platten Anwendung finden.

Claims (4)

1. Steuerbare Flüssigkeitsreibungskupplung mit elektro­ rheologischem Arbeitsmittel, das sich zwischen dem mit einer Antriebswelle verbundenen Antriebsteil und dem mit einer Abtriebswelle verbundenen Abtriebsteil der Kupplung befindet und an welches über Antriebs- und Abtriebsteil, die elektrisch leitend sind, eine elektrische Steuerspannung anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
Antriebsteil und Abtriebsteil der Kupplung jeweils zwei paar­ weise miteinander zusammenwirkende Gruppen von jeweils mit­ einander verbundenen Antriebselementen (47, 48; 50, 51) und Abtriebselementen (53, 54; 56, 57) aufweisen,
Antriebs- und Abtriebselemente der jeweils miteinander paar­ weise zusammenwirkenden Gruppen (z. B. 47, 48; 53, 54) jeweils konzentrisch angeordnet und die beiden Gruppenpaare (47, 48, 53, 54; 50, 51, 56, 57) jeweils miteinander koaxial und axial hintereinanderliegend angeordnet sind, und
die beiden Antriebselementengruppen (47, 48; 50, 51) gegen­ läufig von der Antriebswelle (46) angetrieben werden und die auf die Abtriebswelle (58) wirkenden beiden Abtriebselementen­ gruppen (53, 54; 56, 57) fest miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander isoliert und mit getrennten Steuer­ spannungsanschlüssen (60, 61) versehen sind.

2. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Abtriebselemente (47, 48; 53, 54; 50, 51; 56, 57) jeweils zylindrisch ausgebildet und konzentrisch ineinandergeschachtelt angeordnet sind.

3. Flüssigkeitsreibungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (46) nur mit einer (47, 48) der beiden Antriebselementengruppen drehfest verbunden ist und diese beiden Antriebselementengruppen jeweils ein mit einem stirnseitigen Zahnkranz (49) versehenes Antriebs­ element (47, 50) aufweisen, die mit dazwischen angeordneten Zwischenzahnrädern (45) in Eingriff stehen, die um zur Antriebselementenachse radiale Achsen drehbar sind.

4. Flüssigkeitsreibungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle (46) koaxial mit den beiden Abtriebselementengruppen angeordnet ist.