DE3242381C2 - Flüssigkeitsreibungskupplung - Google Patents

Abstract

Offenbart ist eine Viskoseflüssigkeitskupplung zur Moment/Drehzahlübertragung bzw. -Steuerung zweier rotierender Bauteile, insbesondere z.B. einer von einem Motor angetriebenen Welle und eines Kühlerventilators. Ein Gehäuse und eine Abdeckung werden drehbar von der Antriebswelle getragen, und bilden einen inneren geschlossenen Raum aus, der von einer Platte in zwei Kammern unterteilt wird; die eine Kammer dient als Speicherraum, die andere Kammer als Betriebsraums für das zähflüssige Fluid. Innerhalb des Betriebsraumes befindet sich ein fest mit der Antriebswelle verbundenes und somit mit gleicher Drehzahl rotierendes Flügelrad. Zur Drehzahlsteuerung wird die Flüssigkeitsmenge in der Betriebskammer im Zusammenspiel mit der Speicherkammer mittels Ventileinrichtungen, die an bzw. in der Trennwand der beiden Kammern ausgebildet sind, geregelt. Eine Ventileinrichtung steht im Zusammenspiel mit einem die Kühlwassertemperatur erfühlenden Bimetall, während eine andere durch die Zentrifugalkraft und eine Feder beaufschlagt wird. Somit kann das zähe Fluid, durch in der Trennwand vorgesehene Öffnungen geregelt, von einer Kammer in die andere überströmen.

Description

m < n,

wobei m der Abstand der Steuerkante des ersten Kolbenabschniits (31a) und η der Abstand der Steuerkante des zweiten Kolbenabschnitts (31 b) zur Kante der jeweiligen Öffnung ist, die für deren vollständige Schließung maßgebend ist.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (31) der zweiten Ventileinrichtung in eine Bohrung in der Zwischenwand (10) eingesetzt ist, die die erste (10c. d) und zweite (1Oe, f) öffnung schneidet.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventileinrichtung (223, 228) ein den Öffnungsgrad der ersten öffnung (226) steuerndes federbelastetes Tellerventil (228) sowie ein den Öffnungsgrad der zweiten Öffnung (223b) steuerndes Rückschlagventil (223) umfaßt.

5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventileinrichtung (223,328) ein den Öffnungsgrad der ersten öffnung (324) steuerndes federbelastetes Kugelventil (328) sowie ein den Öffnungsgrad der zweiten Öffnung (273b) steuerndes Rückschlagventil (223) umfaßt.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (223) einen elastisch verformbaren, den Öffnungsgrad der zweiten Öffnung (223b) bestimmenden Abschnitt (223a,Jhat.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitsreibungskupplung gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Kupplung ist aus der DE-OS 28 25 848 bekannt Bei dieser Flüssigkeitsreibungskupplung ist die zweite Öffnung, über die durch das Stauelement während des Betriebs Flüssigkeit aus der Betriebskammer in die Speicherkammer gepumpt wird, stets vollständig geöffnet Beim Abstellen eines die Antriebswelle treibenden Motors und somit dem Stillstand der Antriebswelle und des Gehäuses strömt aufgrund der Schwerkraft ein Teil der in der Speicherkammer befindlichen Flüssigkeit in die Betriebskammer zurück, so daß in dieser bei einem Neustart des Motors relativ viel Flüssigkeit vorl-j handen ist. Aus diesem Grund wird ein Lüfterrad zur Motorkühlung auch bei einem Kaltstart unerwünscht schnell gedreht, bis die in der Betriebskammer vorhandene Flüssigkeit wieder in die Speicherkammer über das Stauelement zurückgepumpt ist Die Erwärmung des Motors dauert somit verhältnismäßig lange.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitsreibungskupplung zu schaffen, die bei kaltem Motor kein nennenswertes Drehmoment auf das Lüfterrad überträgt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beim Abstellen des warmen Motors wird durch die zweite Ventileinrichtung zunächst nur die erste, von der temperaturgesteuerten Ventileinrichtung völlig freigegebene öffnung geschlossen, so daß zuverlässig verhindert ist, daß aus der Speicherkammer Fluid in die Betriebskammer überströmen kann. Da die zweite Öffnung, die für das Rückpumpen des Fluids in die Spcicherkammer zuständig ist, erst später bei vollständigem Stillstand aller Bauteile geschlossen wird, erfolgt beim Auslaufen des Motors noch ein Rückpumpen des Fluids aus der Betriebskammer, so daß sich in dieser beim endgültigen Stillstand des Motor= eine minimale Flüs-4G sigkeiisrnenge befindet, die aufgrund der jetzt beiden vollständig geschlossenen öffnungen erhalten bleibt. Somit wird beim Neustart des Motors das Lüfterrad mit einer minimalen Drehzahl getrieben.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Ausbildung der zweiten Ventileinrichtung aus einfachen mechanischen Bauelementen wie Feder-'jnd Ventiikörper sowie ihre direkte drehzahlabhänige Betätigung mittels der Zentrifugalkraft ist erreicht, daß eine einwandfreie Funktion der Flüssigkeitskupplung bei geringem Aufwand auch über längere Zeit sichergestellt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen näher erläuten. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt der Flüssigkeitsreibungskupplung,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt von F i g. 1,
Fig.3 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Flüssigkeitsreibungskupplung,

F i g. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 3,
F i g. 5 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 3, und Fig. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 3 in einer weiteren Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 wird eine Antriebswelle 1 von einem Motor beispielsweise über einen Ventilattorricmen angetrieben. Ein Gehäuseteil 3 ist mittels eines Kugellagers 2 drehbar auf der Antriebswelle 1 gelagert und

durch Schrauben 5 mittels einer Abdeckung 4 verbunden, wodurch eine innere Kammer ausgebildet ist In dieser ist ein Flügelrad 6 aufgenommen, das mit der Antriebswelle 1 (Stelle 7) über eine Kerbverzahnung verbunden und durch Materialverformung (Stelle 8) gesichert ist Das Flügelrad 6 dreht sich somit zusammen mit der Antriebswelle 1 unter Einhaltung eines geringen Abstands zu den inneren Flächen des Gehäuseteils 3 und der Abdeckung 4; es hat ferner eine Verbindungsöffnung 6a.

Eine Zwischenwand 10 ist innen mit der Abdeckung 4 verbunden und teilt die innere Kammer in eine Betriebskammer 11 und eine Speicherkammer 12 für viskoses Fluid auf, das in bestimmter Menge eingebracht ist Die Abdeckung 4 hat an ihrem äußeren Abschnitt Schraubenbolzen 4a zur Montage eines Lüfterrades (nicht gezeigt) zur Motorkühlung und ferner an einem mittigen Abschnitt einen mit einem O-Ririg 14 abgedichteten drehbaren Zapfen 13. Als erste Ventileinrichtung ist ein Plattenventil 16 am rechten Ende des Zapfens 13 mittels einer Schraube 15 befestigt und wird so mit diesem mitgedreht Ein Ende 17a eines spiralförmigen Bimetalls 17 steht mit dem linken Ende des Zapfens 13 ir: Eingriff, während das andere Ende 176 des Bimetalls durch eine Halteeinrichtung 18 festgelegt ist, die fest am Gehäuse 4 (Stelle 19) angebracht ist Das Bimetall 17 ist so ange^: ordnet, daß es Temperaturschwänkungen eines Kühlwassers erfühlt und dadurch den Zapfen 13 dreht, wodurch das Plattenventil 16 in Reaktion auf Änderungen der Kühlwassertemperatur geschwenkt wird.

In der Zwischenwand \O sind ferner eine erste Öffnung 10c, 1Od, deren Öffnungsgrad durch das Plattenventil 16 der ersten Ventileinrichtung mitbestimmt wird, sowie eine zweite Öffnung 10 f, 1Oe, wie F i g. 2 zeigt Der Öffnungsgrad beider Öffnungen wird mittels einer zweiten Ventileinrichtung 31 gesteuert, die einen in eine beide Öffnungen schneidende Bohrung 106 eingesetzten Kolben umfaßt, der einen ersten Kolbenabschnitt 31a und einen zweiten Kolbenabschnitt 316 aufweist Wie Fig.2 zeigt, dient der erste Kolbenabschnitt 316 zum Verschließen der ersten Öffnung, die bei Freigabe durch das Plattenventil 16 und den Kolbenabschnitt 31a ein Überströmen von Fluid aus der Speicherkanvner in die Betriebskammer zuläßt, während der zweite Kolbenabschnitt 316 zum Verschließen der zweiten Öffnung dient, über die Fluid in die Speicherkammer zurückgepumpt wird. Dieses Rückpumpen erfolgt über ein Stauelement 10a, das an der Zwischenwand 10 bei der zweiten Öffnung 1Oe, 10/angeordnet ist Die Bohrung 106 ist radial gerichtet, so daß der Kolben der zweiten Ventileinrichtung 31 einerseits durch die Zentrifugalkraft infolge der rotierenden Zwischenwand 10 und andererseits durch Jine Feder 33, die zwischen dem zweiten Kolbenabschnitt 316 und einem Anschlag 32 angeordnet ist, beaufschlagt wird.

Die Dimensionierung des Kolbens 31 der zweiten Ventileinrichtung ist so festgelegt, daß ein Abstand m der maßgebenden Steuerkante des ersten Kolbenabschnitts 31a zur Schließkante der ersten Öffnung 10c, 1Od kleiner ist als ein Abstand π der maßgebenden Steu- eo erkante des zweiten Kolbenabschnitts 316 zur Schließkante der zweiten Öffnung 1Ö/, löe. Ferner ist die Feder 33 so abgestimmt, daß der erste Kolbenabschnitt 31a den Fluidstrom durch die erste Öffnung 10c, 10c/ unterbricht, sobald die Motordrehzahl unter die Leerlaufdrehzahl abgesunken ist.

Nachstehend wird die Funktionsweise der Flüssigkeitsreibungskupplung bo%chrieben. Wenn der Motor gestartet wird, drehen sich Antriebswelle 1 und Flügelrad 6 miteinander. Aufgrund einer geringen Menge viskosen Fluids in der Betriebskammer 11 wird von einem Flügelrad 6 ein Drehmoment auf das Gehäuse 3,4 aufgrund der viskosen Scherkraft zwischen den einander zugeordneten Flächen des Flügelrads 6 und des Gehäuses 3, 4 übertragen. Aufgrund der geringen Menge des Fluids innerhalb der Betriebskammer 11 ist die Drehzahl der Zwischenwand 10 der angetriebenen Seite im Vergleich zur Drehzahl der treibenden Seite ziemlich gering. Dennoch wird der Kolben 31 gegen die beaufschlagende Kraft der Feder 33 aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt, und hierdurch die beiden Öffnungen 10c, c/bzw. 10s, /freigegeben.

Nach Oberschreiten eines vorgegebenen Werts der Kühlwassertemperatur wird das Plattenventil 16 durch die Bewegung des Bimetalls 17 verdreht und gibt dadurch die erste Öffnung 10c, d gegenüber der Speicherkammer 12 frei, so daß Fluid durch die erste Öffnung in die Betriebskammer 11 überströmt Aufgrund des Anstiegs der Fluidmenge wird die Scherkraft zwischen Flügelrad 6 und Gehäuse 3, 4 und somit das übertragene Drehmoment erhöht Folglich steigt die Drehzahl der angetriebenen Seite proportional zum Anstieg der Fluidmenge, die in die Betriebskammer 11 übertragen wird.

Ein Teil des Fluids in der Betriebskammer 11. der aufgrund der Zentrifugalkraft an deren äußeren Abschnitt geschleudert wird, strömt gegen das Stauelement 10a, dessen Drehzahl kleiner als die des Flügelrads ist. Somit entsteht ein Staudruck, der im sogenannten Pumpbetrieb eine Rückströmung des Fluids durch die zweite Öffnung 1Oe, 10/in die Speicherkammer 12 bewirkt Das Fluid wird durch die Speicherkammer 12, die erste Öffnung 10c, d, die Betriebskammer 11 und die zweite Öffnung 1Oe, /umgewälzt und seine Menge somit in der Betriebskammer 11 somit konstant gehalten. Diese Umwälzung stellt sich während des Leerlaufs des Motors (ca. 500 U/min) ein.

Falls der Motor unterkühlt wird, bewirkt das Bimetall 17 eine Bewegung des Plattenventils 16 in seine schließenr.'e Richtung, wodurch der Öffnungsgrad der ersten Öffnung 10c, d verringert wird. Der Zustrom des Fluids in die Betriebskammer wird daher eingeschränkt oder unterbrochen, während aufgrund des Pumpbetriebs weiter Flüssigkeit in die Speicherkammer 12 zurückgeführt wird und zwar so lange, als sich die Drehzahlen zwischen der treibenden und der angetriebenen Seite unterscheiden. Die Flüssigkeitsmenge innerhalb der Betriebskammer 11 nimmt daher ab und die Drehzahl des Gehäuses 3, 4 und somit des Lüfterrades wird verringert.

Beim Abstellen des Motors drehen sich die Antriebswelle 1 und das Flügelrad 6 aufgrund der Trägheitskraft noch eine kurze Zeit weiter, während sich die getriebene Seite etwas längen dreht. Beim Absinken der Motordrehzahl unter die Leerlaufdrehzahl wird nun durch den ersten Kolbenabschnitt 31a die Öffnung 10c, d unterbrochen, so daß ein Überströmen des Fluids in die Betriebskammer 11 verhindert ist. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch aufgrund der erwähnten Dimensionierung des Kolbens 31 (m < n) ein Fluiddurchgang über die zweite Öffnung 1Oe, /noch möglich, so daß aufgrund der nach Unterschreiten der Leerlaufdrehzahl noch vorhandenen Relativdrehung im Pumpbetrieb weiter Fluid aus der Betriebskammer in die Speicherkammer gebracht wird. Die in der Betriebskammer verbleibende Fluidmenge ist somit äußerst gering. Erst nach völligem Stillstand der

Bauteile wird durch die zweite Ventileinrichtung auch die zweite Öffnung verschlossen, so daß die in der Betriebskammer vorhandene geringe Menge an Fluid erhalten bleibt und beim (Neu-)Start des Motors das Lüfterrad nur mit geringen Drehzahlen dreht.

Die Fig.3 bis 5 zeigen eine weitere Ausführungsform, wobei gleiche Bezugszeichen wie in F i g. 1 gleiche bzw. ähnliche Bauteile bezeichnen. Die Abdeckung 4 weist hierbei an ihrer äußeren Seite eine Vielzahl von Vorsprüngen 46 und Schraubenlöchern 4c auf, an denen to das Lüfterrad befestigt wird.

Die an der Abdeckung 4 befestigte Trennplatte 10 weist an ihrer radial äußeren Seite einen Fluiddurchgang 221, 222 auf, der durch eine Trennwand 10/ unterbrochen ist und sich auf der Seite der Speicherkammer in einen Kanal 10Λ fortsetzt. Gegenüberliegend diesem Kanal ist auf der Seite der Betriebskammer ein Stauelerr.crii iQg angeordnet, das die gleiche Funktion wie das Stauelement 10a in Fi g. 1 übernimmt, d. h. im Pumpbetrieb der Kupplung einen Staudruck aufbaut, der die Fluidüberströmung aus der Betriebskammer in die Speicherkammer bewirkt In der Trennwand 10/ ist eine mittige öffnung tO/ ausgebildet, in der als Teil der zweiten Ventileinrichtung ein Rückschlagventil 223 eingebaut ist, das aus Harz oder Gummiwerkstoff besteht. Ein zun- 2s genförmiger Abschnitt 223a des Rückschlagventils ist, wie durch die strichpunktierten Linien dargestellt, elastisch verformbar. Dadurch kann das viskose Fluid über die zweite öffnung 223b, die a!s Einkerbung in dem Rückschlagventil ausgebildet ist, durch den Flüssigkeitsdurchgang 221,222 in die Speicherkammer 12 überströmen.

Im diametral gegenüberliegenden Abschnitt der Zwischenwand 10 befinden sich Ausnehmungen 224 und 225, welche durch eine erste öffnung 226 miteinander in Verbindung stehen. Als weiteres Element der zweiten Ventileinrichtung dient ein Tellerventil 228, das in einer Bohrung 227a in einem zylindrischen Bauteil 227 angeorndet ist, welches an der Zwischenwand 10 befestigt ist. Das Tellerventil 228 wird durch eine Feder 229, deren eines Ende gegen das Bauteil 227 ansteht, in seine Schließstellung gedruckt. F i g. 5 zeigt den Zustand, in welchem das Tellerventil 228 aufgrund der Zentrifugalkraft bei drehender Zwischenwand in Richtung des Pfeils A in seine Öffnungsstellung gebracht wird, so daß die Ausnehmungen 224 und 225 über die erste öffnung 226 einen Fluiddurchgang ermöglichen. Das Plattenventil 16, hier in seiner verschließenden Stellung gezeigt, übernimmt dieselbe temperaturabhängige Funktion wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.

Die Funktionsweise dieser Ausführungsform gleicht derjenigen der ersten. Beim Starten des Motors, Antriebswelle 1 und Flügelrad 6 drehen sich miteinander, wird nur ein geringes Drehmoment von dem Flügelrad auf das Gehäuse 3, 4 übertragen, da die Menge des in der Betriebskammer 11 vorhandenen Fluids gering ist. Die Feder 229 ist jedoch so abgestimmt, daß das Tellerventil 228 aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen bewegt und somit in seine geöffnete Stellung gebracht wird. Nach dem Überschreiten einer bestimmten Kühlwassertemperatur öffnet das Plattenventil 16 mittels des Bimetalls 17 und ermöglicht dadurch den Fluidübertritt aus der Specherkammer in die Betriebskammer, wodurch wie beschrieben die Drehzahl der angetriebenen Seite ansteigt. Ein Teil des Fluids innerhalb der Betriebskammer strömt gegen das Stauelement 10^ und erzeugt hierdurch einen Staudruck, der den elastischen Abschnitt 223a des Rückschlagventils 223 von der Trennwand 10/ abhebt Das Fluid kann somit auf ähnliche Weise in die Speicherkammer zurückströmen. Ebenso wird die Drehzahl bei einer Unterkühlung des Motors verringert, indem das Bimetall 17 das Plattenventil 16 ins eine Schließstellung bewegt, wodurch der Fluiddurchgang über die erste Öffnung 226 eingeschränkt oder unterbrochen wird, so daß aufgrund der dann abnehmenden Fluidmenge in der Betriebskammer die Drehzahl des Lüfl.errades sinkt. Der Pumpantrieb, d. h. das Rückpumpen in die Speicherkammer wird durch die Funktion des Plattenventils nicht beeinträchtigt.

Beim Abstellen des Motors drehen sich die Antriebswelle 1 und das Flügelrad 6 aufgrund der Trägheitskraft noch eine kurze Zeit weiter, während die angetriebene Seite etwas länger rotiert. Die beaufschlagende Kraft der Feder 229 ist so abgestimmt, daß das Tellerventil 228 in sein« geschlossene Stellung gedruckt wird, wenn die Motordrehzahl die Leerlaufdrehzahl unterschrietct. In diesem Moment wird somit die Fluidverbindung zwischen der Speicherkarnmer 12 und der Betriebskammer 11 in Richtung letzterer unterbrochen. Das Rückpumpen des Fluids aus deir Betriebskammer 11 in die Speicherkammer 12 kann jedoch über das Rückschlagventil 223 noch so lange fortgesetzt werden, als eine Relativbewegung zwischen der getriebenen und der antreibenden Srite vorhanden ist. Somit verbleibt nur noch eine geringe Fluidmenge in der Betriebskammer.

F i g. 11 zeigt eine Abwandlung der zweiten Ventileinrichtung, die anstelle des Tellerventils 228 Verwendung finden kann. Hierbei besteht die Verbindung für den Fluiddurchgang aus der Speicherkammer in die Betriebskammer aus einer in der Zwischenwand 10 vorgesehenen Bohrung 325, die sich in einen Kanal 324 als erste öffnung fortsetzt. In der Bohrung 325 ist ein Kugelventil 328 angeordnet, das durch eine Feder 329 in Achsrichtung der Bohrung 325 gegen den Kanal 324 gedrückt wird und diesen somit verschließt. Vorzugsweise ist der Grund der Bohrung 325 als leicht kegeliger Ventilsitz ausgebildet, wobei die Achse des Kanals 324 mit der Kegelmittellinie zusammenfällt. Unterliegt das Kugelventil 328 der Zentrifugalkraft, wird es in die Öffnungsstellung gemäß den strichpunktierten Linien in F i g. 6 gebracht und öffnet somit vollständig den Fluiddurchgang zwischen der Bohrung 325 und dem Kanal 324. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels ist gleich dem vorangehenden und braucht somit nicht eigens erläutert zu werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsreibungskupplung mit einer Antriebswelle, auf der drehbar ein geschlossenes Gehäuse gelagert ist, das von einer mit ihm festen Zwischenwand in eine Speicherkammer und eine Betriebskammer für viskoses Fluid unterteilt ist, wobei in der Betriebskammer ein fest mit der Antriebswelle verbundenes Flügelrad angeordnet ist, und wobei in der Zwischenwand eine erste Öffnung, deren Öffnungsgrad temperaturabhängig durch eine erste Ventileinrichtung gesteuert wird, sowie eine zweite Öffnung vorgesehen sind, an deren Mündung in die Betriebskammer ein Stauelement angeordnet ist, das bei Relativdrehung zwischen dem Flügelrad und dem Gehäuse eine Strömung aus der Betriebskammer in die Speicherkammer bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsgrad der ersten Offoung (10c; 1Od; 226; 324) sowie der zweiten Öffnung (iOÄ Iöe; 233b) durch eine zweite Ventileinrichtung (31; 223, 228; 223,328) derart gesteuert wird, daß der Öffnungsgrad der beiden Öffnungen mit sinkender Drehzahl des Gehäuses (3) abnimmt und daß bei Stillsetzung der Antriebswelle (1) die erste öffnung (10c, 1Od; 226;324) vor der zweiten öffnung (1Oi 1Oe; 2236J geschlossen wird.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventileinrichtung einen federbeaufschlagten Kolben (31) mit zwei Kolbenabschnitten (i'la, 31Zj^ mit je einer Steuerkante umfaßt, von denen der erste (3IaJ den Öffnungsgrad der ersten öffnung (10c. d) und der zweite (31 b) denjenigen der zweiten Öffnung (1Oe Q steuert, und daß für die Dimensionierung des Kolbens (31) gilt: