DE102006011119B4

DE102006011119B4 - Kupplungsanordnung mit Wärmeausdehnungskupplung

Info

Publication number: DE102006011119B4
Application number: DE102006011119.2A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Linnig
Original assignee: Karl Heinz Linnig GmbH and Co KG
Current assignee: Karl Heinz Linnig GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: DE102006011119A1

Abstract

Kupplungsanordnung (1) für eine Kühleinrichtung, insbesondere von Verbrennungsmotoren, wobei die Kühleinrichtung über eine erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung (2) direkt mit einer Antriebswelle (8) verbindbar ist, und bei nicht geschalteter erster elektromagnetischer Kupplung (2) über eine Wirbelstromkupplung (3) auf eine niedrigere Schleppdrehzahl antreibbar ist, wobei die Wirbelstromkupplung (3) über eine zweite Kupplung schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung eine schaltbare Wärmeausdehnungskupplung (4) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung für eine Kühleinrichtung, insbesondere von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Kupplungsanordnungen für Kühleinrichtungen sind unter anderem in der DE 199 14 440 A1 , der DE 30 43 929 A1 und der DE 2920 646 A1 gezeigt.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 317 703 B1 ist eine elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung bekannt, bei welcher eine Einrichtung über eine erste Reibscheibenkupplung direkt mit einem Antrieb verbindbar ist. Bei abgeschalteter erster Reibscheibenkupplung kann durch eine zweite Reibscheibenkupplung eine Wirbelstromkupplung zugeschaltet werden, so dass eine verminderte Drehzahl realisiert ist. Durch Verwendung eines Stufenkugellagers kann eine zusätzliche weiter verminderte Schleppdrehzahl eingestellt werden. Durch diese Anordnung lassen sich somit verschiedene Geschwindigkeitsstufen erreichen.
Bei der bekannten Kupplungsanordnung können verschiedene Drehzahlen für eine Kühleinrichtung, insbesondere von Verbrennungsmotoren, zur Verfügung gestellt werden, damit die Kühleinrichtung entsprechend der geforderten Kühlleistung betrieben werden kann.
Eine Regelung der Kühlleistung kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn bei einem Verbrennungsmotor die Außentemperatur niedrig ist, beispielsweise im Winter, und eine zu früh einsetzende Kühlung nicht nötig, eventuell sogar unerwünscht ist.
Eine Anordnung gemäß der EP 0 317 703 B1 auf der Basis zweier elektromagnetischer Kupplungen, sowie einer Wirbelstromkupplung hat sich in der Praxis zwar als zweckmäßig erwiesen, nachteilig ist jedoch, dass der komplette Aufbau vergleichsweise aufwändig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplungsanordnung bereitzustellen, die einen vergleichsweise einfacheren und robusteren Aufbau hat.
Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Ausführungsbeispielen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung mit elektromagnetisch betätigbarer Reibscheibenkupplung und Wirbelstromkupplung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gegenüber der bekannten Lösung entscheidend verbessert. Mittels einer zwischen der Antriebswelle und dem Läufer der bekannten Wirbelstromkupplung angebrachten Wärmeausdehnungskupplung wird bei gekoppelter Wärmeausdehnungskupplung der Läufer der Wirbelstromkupplung auf die Drehzahl der Antriebswelle gebracht, und somit ein Mitschleppen der, an der Wirbelstromkupplung ankoppelnden Kühleinrichtung erreicht. Durch die Verwendung einer Wärmeausdehnungskupplung entfällt die zweite elektromagnetische Kupplung, sowie deren Regelungstechnik. Zusätzlich zur zweiten elektromagnetischen Kupplung entfallen auch die Lagervorrichtungen welche zu den Läufern der zweiten elektromagnetischen Kupplung gehören, da die Wärmeausdehnungskupplung direkt mit der Antriebswelle verbindbar ist.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die zu kuppelnden Bauteile der Wärmeausdehnungskupplung durch Wärmeausdehnung insbesondere unmittelbar miteinander verbindbar. Dadurch sind keine weiteren Kupplungsmechaniken notwendig, da der Kupplungsvorgang direkt durch die Wärmeausdehnung der zu kuppelnden Bauteile erfolgt. Dies stellt eine weitere Reduktion des nötigen Aufwandes dar.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können die einzelnen Bauteile der Wärmeausdehnungskupplung direkt als radartige, insbesondere scheibenförmige Bauteile ausgebildet sein, wobei unterschiedlichste Profile in radialer Richtung denkbar sind. Es können hierbei insbesondere Profile zur Gewichts- und zur Elastizitätsoptimierung eingesetzt werden, welche beispielsweise stegartig oder Z-förmig in radialer Richtung ausgebildet sein können. Durch eine angepasste Ausbildung des Kupplungsbauteils, beispielsweise als radiales Doppel-T-Profil, kann die kuppelnde Fläche beispielsweise im Hinblick auf deren Größe optimiert werden, ohne die Gesamtmasse der Kupplungsbauteile wesentlich zu vergrößern. Es können auch Profile genutzt werden, welche insbesondere im Bezug auf die Elastizität und/oder den Verschleiß optimierte Eigenschaften zeigen, wie beispielsweise eine Z-förmige Ausbildung zur Vermeidung der Überdehnung der Bauteile durch zu hohe Verspannungskräfte. Durch eine angepasste Formgebung kann auch erreicht werden, dass Werkstoffe mit höchsten Temperaturausdehnungskoeffizienten verwendet werden können, und damit die Zeitspanne des Kupplungsvorgangs erheblich verkürzt werden kann.
Ein vorteilhaftes und zweckmäßiges Ausführungsbeispiel ist in der 1 dargestellt und in der Beschreibung unter Angabe weiterer erfindungswesentlicher Einzelheiten beschrieben. Die Figur zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung mit einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung, einer Wirbelstromkupplung und einer Wärmeausdehnungskupplung im Längsschnitt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung, wobei nur die elektromagnetisch betätigbare Reibscheibenkupplung, die Wirbelstromkupplung und die Wärmeausdehnungskupplung als einzelne Teile gezeigt sind.
Die Wirkungsweise und der Aufbau einer elektromagnetisch betätigbaren Reibscheibenkupplung zum Antrieb einer Kühleinrichtung ist in der eingangs erwähnten EP 0 317 703 B1 sowie in der DE 32 03 143 D2 oder im deutschen Gebrauchsmuster GM 8109726 des Anmelders ausführlichst beschrieben. Auf diese Veröffentlichungen wird ergänzend ausdrücklich Bezug genommen.
1 zeigt die Kupplungsanordnung 1 zum Antrieb einer Kühleinrichtung, insbesondere von Verbrennungsmotoren, bestehend aus einer ersten elektromagnetischen Kupplung 2, einer Wirbelstromkupplung 3 und einer Wärmeausdehnungskupplung 4. Entsprechend einer hohen benötigten Kühlleistung der Kühleinrichtung kann mittels der ersten elektromagnetischen Kupplung 2 durch Schalten der Magnetspule 5 eine Aufhängung 6 des Lüfterrades 7, welches hier als Kühleinrichtung vorgesehen ist, direkt mit einer Antriebswelle 8 über eine Lüfternabe 9 verbunden werden. Bei nicht gekuppelter erster elektromagnetischer Kupplung 2, also bei z. B. geringerem Bedarf an Kühlleistungen, kann mittels der Wärmeausdehnungskupplung 4 die Wirbelstromkupplung 3 angekoppelt, und somit die Aufhängung 6 des Lüfterrads 7 mitgeschleppt werden, damit diese auf einer niedrigeren Drehzahl als die der Antriebswelle 8 angetrieben wird.
Die Wärmeausdehnungskupplung 4 umfasst einen Läufer 10 sowie ein Kupplungsbauteil 11. Im nicht gekuppelten Zustand der Wärmeausdehnungskupplung 4 ist zwischen dem Kupplungsbauteil 11 und dem Läufer 10 ein Luftspalt 12 vorhanden. Das Kupplungsbauteil 11 der Wärmeausdehnungskupplung 4 hat einen derart angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten, dass bei entsprechender Wärmezufuhr, welche beispielsweise eine Erhöhung der benötigten Kühlleistung der Kühleinrichtung erfordert, der Spalt 12 durch die Wärmeausdehnung des Kupplungsbauteils 11 geschlossen wird. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels haben sich Spaltbreiten zwischen 0,02 mm und 0,2 mm als zweckmäßig herausgestellt.
Da das Kupplungsbauteil 11 drehfest auf der Antriebswelle 8 befestigt ist, und bei entsprechender hoher Temperatur der Luftspalt 12 zwischen dem Kupplungsbauteil 11 und dem Läufer 10 der Wirbelstromkupplung 3 geschlossen wird, kann bei gekuppelter Wärmeausdehnungskupplung 4 über eine drehfeste Verbindung zwischen dem Läufer 10 und dem Kupplungsbauteil 11 der Läufer 10 der Wirbelstromkupplung 3 auf die Drehzahl der Antriebswelle 8 gebracht werden. Durch eine angepasste Auswahl des Materials des Kupplungsbauteils 11 wird der Vorgang des Ankuppelns an den Läufer 10 der Wirbelstromkupplung 3 nicht instantan erfolgen, sondern bei kontinuierlicher Annäherung von zwei Kupplungsflächen 13a und 13b werden sich anfangs Relativdrehzahlen zwischen den sich annähernden Kupplungsflächen 13a und 13b ausbilden, bis eine kraftschlüssige Verbindung besteht. Als zweckmäßig haben sich im Ausführungsbeispiel Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 0,002 mm/°C und 0,008 mm/°C herausgestellt. Die Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit der verwendeten Materialien hängt von vielen Faktoren, wie z. B. der absoluten Temperatur und dem Temperaturgradienten ab. Im Falle des Ausführungsbeispiels wurden Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten von 0,003 mm/s bis 0,04 mm/s genutzt, was zu einer angepassten Einkupplungsgeschwindigkeit führt.
Sind die Kupplungsflächen 13a und 13b in Kontakt, ist also der Einkupplungsvorgang der Wärmeausdehnungskupplung 4 abgeschlossen, so stellen die Bauteile über ein Schließen des Spalts 12 eine kraftschlüssige Verbindung her, was den gekuppelten Zustand der Wärmeausdehnungskupplung darstellt. Durch Variation der verwendeten Materialien, welche beispielsweise Aluminium, Magnesium, Kupfer, Blei oder auch Kunststoffe wie beispielsweise PVC sein können, lassen sich bei verschiedenen Temperaturen der Wärmeausdehnungskupplung unterschiedlichste Drehmomente, beispielsweise bei Aluminium zwischen 10 Nm und 125 Nm, bei Kunststoff zwischen 50 Nm und 200 Nm übertragen.
Um eine Aktivierung des Kupplungsvorganges der Wärmeausdehnungskupplung 4 herbeizuführen, ist es zweckmäßig, die Wärmeausdehnungskupplung in direktem Wirkzusammenhang mit einer Wärmequelle, im Fall des Verbrennungsmotors mit dem Kühler, zu bringen. Die Wärmeausdehnungskupplung 4 wird daher vorzugsweise derart angeordnet, dass sie bei einem vorgegebenen Erwärmungsgrad des Kühlers eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Antriebswelle 8 und dem Läufer 10 der Wirbelstromkupplung 4 herstellt. Im Ausführungsbeispiel ist ein Abdeckblech 14 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere ein Kupferblech vorgesehen, welches eine gute Wärmeleitung zur Wärmeausdehnungskupplung, speziell zum Kupplungsbauteil 11 der Wärmeausdehnungskupplung erzeugt, ohne dass Verschmutzungen in den Spalt 12 der Wärmeausdehnungskupplung 4 gelangen können.
Die Verwendung einer Wärmeausdehnungskupplung zur Zuschaltung einer Wirbelstromkupplung zur Regelung einer Kühleinrichtung bringt demnach erhebliche Aufwandsersparnis und führt zu einer Reduktion von störungsanfälligen Bauteilen wie zum Beispiel einer zweiten elektromagnetischen Reibscheibenkupplung.
In 2 ist schematisch der Aufbau der Kupplungsanordnung, welche eine elektromagnetisch betätigte Reibscheibenkupplung 2, eine Wirbelstromkupplung 3 und eine Wärmeausdehnungskupplung 4 umfasst, zur besseren Anschauung gezeigt. In 2 ist dargestellt, dass sowohl das Kupplungsbauteil 11 der Wärmeausdehnungskupplung 4 als auch der Reibscheibenkupplungsläufer 16 drehfest mit der Antriebswelle 8 verbunden sind, wohingegen die Aufhängungen 6 des Lüfterrads nicht permanent mit der Antriebswelle 8 verbunden ist, was beispielsweise durch ein Lager 15 realisiert sein kann. Ein leichtes Mitlaufen der Aufhängung des Lüfterrades, verursacht durch Lagerreibung ist möglich.
Das Kupplungsbauteil 11 der Wärmeausdehnungskupplung 4 welches über Wärmeaustausch in Wirkzusammenhang mit einer nicht gezeigten Wärmequelle steht, dehnt sich bei ausreichender Erwärmung derart aus, dass der Spalt 12 zwischen den Kupplungsflächen 13a und 13b geschlossen wird. Im gekuppelten Zustand der Wärmeausdehnungskupplung 4, also bei geschlossenem Spalt 12, bildet der Läufer 10 der Wirbelstromkupplung 3 mit dem Kupplungsbauteil 11 der Wärmeausdehnungskupplung 4 eine kraftschlüssige Verbindung aus und wird somit drehfest mit dem Kupplungsbauteil 11 und damit mit der Antriebswelle 8 verbunden. Die Aufhängung 6 des Lüfterrads 7 wird nunmehr mit der Schleppdrehzahl der Wirbelstromkupplung 3 angetrieben. Sobald eine höhere Kühlleistung erforderlich ist, kann mittels der elektromagnetischen Kupplung 2 die Aufhängung 6 des Lüfterrades direkt an die Antriebswelle 8 angekoppelt und somit auf die Drehzahl der Antriebswelle gebracht werden.
Zusätzlich zum gezeigten Ausführungsbeispiel besteht auch die Möglichkeit, Kaskaden von Wärmeausdehnungskupplungen zu integrieren, welche auf unterschiedliche Temperaturen abgestimmt sind und unterschiedliche Kühlleistungen mittels entsprechender Wirbelstromkupplungen erzeugen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die Wärmeausdehnungskupplung als axiale Kupplung entlang der Drehachse der Antriebswelle anzubringen, wodurch die zu kuppelnden Flächen im Wesentlichen entlang der Drehachse angeordnet wären.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsanordnung
2: erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung
3: Wirbelstromkupplung
4: Wärmeausdehnungskupplung
5: Magnetspule
6: Aufhängung des Lüfterrad
7: Lüfterrad
8: Antriebswelle
9: Lüfternabe
10: Läufer
11: Kupplungsbauteil
12: Spalt
13a: Kupplungsflächen
13b: Kupplungsflächen
14: Abdeckblech
15: Lager
16: Reibscheibenkupplungsläufer

Claims

Kupplungsanordnung (1) für eine Kühleinrichtung, insbesondere von Verbrennungsmotoren, wobei die Kühleinrichtung über eine erste elektromagnetische Reibscheibenkupplung (2) direkt mit einer Antriebswelle (8) verbindbar ist, und bei nicht geschalteter erster elektromagnetischer Kupplung (2) über eine Wirbelstromkupplung (3) auf eine niedrigere Schleppdrehzahl antreibbar ist, wobei die Wirbelstromkupplung (3) über eine zweite Kupplung schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kupplung eine schaltbare Wärmeausdehnungskupplung (4) ist.
Kupplungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Bauteile (10, 11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) durch Wärmeausdehnung verbindbar sind.
Kupplungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (11) radartig ausgebildet ist, wobei es in radialer Richtung insbesondere ein Stegprofil oder ein Z-Profil aufweist.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskupplung (4) einen Spalt (12) zwischen den zu kuppelnden Bauteilen (10, 11) aufweist, wobei wenigstens ein Bauteil (11) einen auf den Spalt (12) abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.
Kupplungsanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (12) zwischen den Bauteilen (10, 11) im Bereich zwischen 0,02 mm und 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,02 mm und 0,2 mm liegt.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Bauteile (10, 11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) derart ausgebildet sind, dass im gekuppelten Zustand eine kraftschlüssige Verbindung entsteht.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zu kuppelnden Bauteile (11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 0,001 mm/°C und 0,03 mm/°C, insbesondere zwischen 0,002 mm/°C und 0,008 mm/°C aufweist.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zu kuppelnden Bauteile (11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) eine Wärmeausdehnungsrate von 0,001 mm/s bis 0,05 mm/s, insbesondere zwischen 0,003 mm/s und 0,04 mm/s aufweist.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Bauteile (10, 11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) derart ausgebildet sind, dass während des Kupplungsvorganges Relativdrehzahlen entstehen.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Bauteile (10, 11) der Wärmeausdehnungskupplung (4) über radial gegenüberliegende Flächen (13a, 13b) kuppeln.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Flächen (13a, 13b) im Wesentlichen parallel zu der Antriebswelle (8) angeordnet sind.
Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kuppelnden Flächen (13a, 13b) im Wesentlichen senkrecht zu einer Antriebswelle (8) angeordnet sind.
Anordnung welche eine Wärmequelle, insbesondere einen Kühler, und eine Kupplungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle und die Kupplungsanordnung (1) derart angeordnet sind, dass ab einem vorgegebenen Erwärmungsgrad der Wärmequelle ein Kraftschluss der schaltbare Wärmeausdehnungskupplung (4) erfolgt.