DE69801076T2

DE69801076T2 - Kühlventilatorkupplung mit zerteiltem Rotor

Info

Publication number: DE69801076T2
Application number: DE69801076T
Authority: DE
Inventors: Swaminathan Gopalswamy; Gary Lee Johnston; Gary Lee Jones; William Charles Kruckemeyer; Samuel Miller Linzell; Michael Leslie Oliver
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: EP0882903B1; EP0882903A1; US5896964A; DE69801076D1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlgebläsekupplung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Hintergrund der Erfindung

Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren verwenden herkömmlich ein Gebläse, um Kühlluft durch einen Kühler zu bewegen und die Temperatur eines darin zirkulierenden Kühlmittelfluides zu verringern. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist allgemein eine Kupplung vorgesehen, die in Eingriff tritt, wenn sich das Motorkühlmittel oberhalb einer bestimmten vorgewählten Temperatur befindet, und aus dem Eingriff ausrückt, wenn sich das Kühlmittel unterhalb dieser Temperatur befindet. Oftmals verwendet die Kupplung die viskosen Eigenschaften eines enthaltenen Fluides, um eine erhöhte Gebläsewinkelbeschleunigung vorzusehen. Eine typische Viskokupplungskonstruktion verwendet ein Fluid, das in einem Reservoir gehalten ist und in eine Arbeitskammer eingeführt wird, wobei es mit der Kupplung in Eingriff steht und das befestigte Gebläse dreht. Die Kupplung treibt das Gebläse bei annähernd der Eingangsdrehzahl an, wenn eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist, und ermöglicht, daß sich das Gebläse bei einer niedrigen ausgerückten Drehzahl drehen kann, wenn eine zusätzliche Kühlung nicht erforderlich ist. Die Kupplung steht allgemein mit einem Thermostat in Eingriff, der auf Luft anspricht, die durch den Kühler strömt, der sich bei einer Temperatur entsprechend der Kühlmitteltemperatur des Motors befindet. Die Viskokupplung (viscous clutch) kann allgemein nur eingerückt oder ausgerückt werden, und sie wird bei oder nahe der Motordrehzahl eingerückt, sogar, wenn die Kühlanforderungen bei einer niedrigeren Drehzahl geliefert werden könnten.
Kupplungsvorrichtungen einschließlich Kupplungen zum Gebrauch in Umgebungen, wie beispielsweise Kühlsystemen, die mit elektromagnetomechanischen Eingriffsmechanismen arbeiten, sind bekannt, wobei eine Drehung eines Ausgangselementes relativ zu einem angetriebenen Eingangselement mittels magnetischen Flusses gesteuert wird. Die magnetischen Flußlinien verlaufen durch die Eingangs- und Ausgangselemente und durch Luft- oder Fluidspalte, um ein Drehelement zu übertragen. Es sind Fluide entwickelt worden, die die Eingangs- und Ausgangselemente voneinander freigeben, wodurch eine relative und unabhängige Drehung dazwischen zugelassen wird, wenn das Magnetfeld abwesend ist. Wenn die erforderliche elektromagnetische Wicklung erregt wird, sperrt das magnetische Fluid die Eingangs- und Ausgangselemente miteinander für eine einheitliche Drehung. Allgemein bedeutet dies, daß das Gebläse nahezu augenblicklich auf Motordrehzahl beschleunigt wird, was in einer Aufbringung von hohen Belastungen resultiert und dazu neigt, unerwünschte Geräuschpegel zu erzeugen. Zusätzlich wird der elektrische Strom allgemein mit einer für Einzeleingriff wirksamen Rate (single engagement effective rate) an die Wicklung angelegt, wenn es erwünscht ist, das Gebläse anzutreiben.
Es sind Fluide zum Gebrauch bei elektromagnetomechanischen Kraftübertragungsvorrichtungen bekannt, bei denen Material, wie beispielsweise feine pulverförmige Eisen- oder Eisenlegierungspartikel, in einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Mineralöl oder Silikon, getragen ist. Von einer Suspension ferromagnetischer Partikel in einem Fluidmedium ist es bekannt, daß diese die Rheologie des Fluides beeinflussen, insbesondere wenn es einem magnetischen Fluß ausgesetzt ist. Genauer können Flußcharakteristiken innerhalb von Millisekunden um mehrere Größenordnungen geändert werden, wenn es einem geeigneten magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die ferromagnetischen Partikel bleiben unter dem Einfluß von magnetischen Feldern und angelegten Kräften suspendiert. Mit derartigen magnetorheologischen Fluiden hat es sich herausgestellt, daß diese erwünschte elektro-magnetomechanische interaktive Eigenschaften zum vorteilhaften Gebrauch bei Vorrichtungen zur Übertragung variabler Energie, wie beispielsweise Kupplungen, aufweisen, wobei Magnetfelder die wesentliche Kopplung in dem Energieübertragungsprozeß liefern. Beispielsweise weisen magnetorheologische Fluide einen selbstumkehrbaren Anstieg der Viskosität auf, wenn sie einer Erhöhung in einem extern vorgesehenen Magnetfeld ausgesetzt sind. Das allgemeine Magnetfeld wird über einen Raumbereich allgemein auf eine variable Art und Weise abhängig von der Strecke von der Quelle des Feldes verteilt, wobei die Flußdichte in der Nähe der Oberfläche der Quelle hoch ist. Die Rheologie des Fluides variiert abhängig von der magnetischen Flußdichte und dem Ort in dem Magnetfeld.
Die US-A-2,924,315 offenbart eine magnetische Kopplungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei die Induktor- und Armaturanordnungen eine Vielzahl von radialen Primärspalten mit im wesentlichen zylindrischer Form definieren, die durch zwei sich tatsächlich erstreckende (actually-extending) Sekundärspalte relativ begrenzter radialer Tiefe flankiert sind.
Die GB-A-734 774 beschreibt eine andere magnetische Kopplungsvorrichtung mit einer Vielzahl relativ bewegbarer beabstandeter Kopplungselemente, die durch einen magnetisierbaren Spalt oder magnetisierbare Spalte getrennt sind, in welchen magnetische Partikel wirken können, um eine mechanische Kraft zwischen den Kopplungselementen zu übertragen, wenn das Spaltmaterial durch Ausbildung eines Magnetfeldes über den Spalt oder die Spalte magnetisch erregt wird, wobei schutzoxidbeschichtete Magnetpartikel teilweise oder vollständig als Spaltmaterial verwendet sind.
Die tatsächliche Anwendung der Technologie mit magnetorheologischen Fluiden in derartigen Anwendungen, wie beispielsweise Kühlgebläsekupplungen von Fahrzeugen, hat sich bis jetzt langsam entwickelt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlgebläsekupplung vorzusehen, die eine praktische und konkurrenzfähige Konstruktion aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlgebläsekupplung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlgebläsekupplung vorgesehen, die einen Rotor und Flußring umfaßt, der zur Minimierung der Lasten angeordnet ist, die erforderlich sind, um sowohl eine gekoppelte als auch entkoppelte Drehung zu bewirken, während eine leicht herstellbare Konstruktion beibehalten wird. Ein Ziel dieser Erfindung ist es, eine praktische und konkurrenzfähige (competitive) Konstruktion zu schaffen. Genauer umfaßt eine Kühlgebläsekupplung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Eingangselement, das konstant bei Motordrehzahl oder bei einem gewählten Prozentsatz derselben angetrieben wird. Ein Ausgangselement ist an dem Eingangselement so gelagert, daß es im entkoppelten Zustand darauf in einem im wesentlichen nicht drehenden Zustand gelagert ist und abwechselnd dazu zusammen mit diesem bei einer Vielzahl von Drehzahlen konzentrisch drehbar ist. Ein Raum, der zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen vorgesehen ist, umfaßt eine Menge magnetorheologischen Fluides. Ein Eingriffsmechanismus umfaßt den geteilten Rotor und Wicklung, wobei ein ferromagnetisches Element so positioniert ist, um einen Bereich, der nachstehend als der "wirksame Spalt" bezeichnet ist, zwischen dem Rotor und dem ferromagnetischen Element zu definieren. Die Wicklung wird mit einem gegebenen Strom selektiv erregt, um eine Drehmomentübertragung zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen zu bewirken, die eine Drehzahl des Gebläses vorsieht, die auf die Kühlanforderungen des zugehörigen Motors zugeschnitten ist.
Während des Betriebs, wenn eine elektronische Steuereinheit (ECU) die Lieferung eines erhöhten Stromes an die Wicklung bewirkt, steigt die Dichte des magnetischen Flusses über den wirksamen Spalt zwischen dem Rotor und dem ferromagnetischen Element. Die resultierende Drehmomentübertragung von dem Eingangselement an das Ausgangselement wird über den wirksamen Spalt und durch das magnetorheologische Fluid bewirkt. Wenn die Menge an Strom erhöht wird, erhöht sich die Drehmomentübertragung auf eine allmähliche und fortschreitende Art und Weise.
Die Wicklung wird von dem Rotor zwischen zwei geteilten, im wesentlichen spiegelbildlichen Hälften getragen. Der Rotor ist so befestigt, daß er sich zusammen mit der Eingangswelle dreht. Das ferromagnetische Element ist als ein Ring ausgebildet, der konzentrisch mit dem Rotor radial außerhalb desselben positioniert und in dem Ausgangselement befestigt ist. Die Wicklung steht mit der ECU durch einen Koaxialstift in Verbindung, der sich auch mit der Eingangswelle dreht. Um eine elektrische Verbindung zur Signalübertragung an die sich drehende Wicklung beizubehalten, umfaßt ein Verbinder eine Rohrwelle, die in einem Lager des Ausgangselementes getragen und von einem Paar eingekapselter Kontakte begleitet ist, die mit den einzelnen Leitern des Koaxialstiftes in Eingriff stehen.
Das Ausgangsdrehmoment der Kupplung ist so eingestellt, um die gewünschte Gebläsedrehzahl durch Steuerung der Größe des Schlupfdrehmomentes innerhalb der Kupplung zu liefern. Für jede Anwendung der Kühlgebläsekupplung ist das Betriebsgebläsedrehmoment einmalig. Bei jeder Konstruktion wird das Gesamtdrehmoment, das Ausgangsdrehmoment und das Schlupfdrehmoment bestimmt. Aus dem Schlupfdrehmoment wird die Größe der Schlupfwärme, die erzeugt wird, bestimmt. Beim Betrieb der Kupplung wird durch den Gebrauch eines Algorithmus die Gebläsedrehzahl nur bis zu einem Punkt erhöht, für den bestimmt worden ist, daß dort die maximal erwünschte Größe an Schlupfdrehmomentwärme erzeugt wird. Vorteilhafterweise begrenzt dies die innerhalb erzeugte Schlupfdrehmomentwärme in der Kupplung. Wenn die Kühlanforderungen des Motors eine zusätzliche Gebläsedrehzahl erfordern, wird das Eingangsstromsignal auf einen maximalen Wert erhöht, der eine Verriegelung zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen bewirkt, so daß sich diese zusammen als eine Einheit drehen. Dies beseitigt die Erzeugung von Schlupfdrehmomentwärme. Die Kühlgebläsekupplung ist so ausgebildet, daß maximale Kühlbedingungen nur unter extremen Bedingungen der Motordrehzahl und der Fahrzeuglast auftreten. Wenn der maximale Kühlzustand vorüber ist, wird der Eingangsstrom verringert, wodurch zugelassen wird, daß die Kupplung eine Gebläsedrehzahl gemäß der Motorkühlanforderungen modulieren kann.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung müssen keine Dichtungen für den ausschließlichen Zweck zur Aufnahme der Versorgung mit magnetorheologischem Fluid verwendet werden. Eine Menge an Fluid wird in der Kupplung zur ausreichenden Befüllung des wirksamen Spaltes unter dem Einfluß von Zentrifugalkraft während der Drehung getragen. Wenn die Kupplung bewegungslos ist, setzt sich das Fluid unter dem Einfluß von Schwerkraft ab und wird in Innenhohlräumen unterhalb des Niveaus der Lager gesammelt. Der Rotor ist so geformt, um sicherzustellen, daß zu diesem Zweck ein ausreichendes offenes (freies) Fassungsvermögen vorhanden ist. Die Kupplung umfaßt einen Innenhohlraum, der durch eine Serie von wandartigen Strukturen definiert ist, die vorteilhafterweise geneigte Oberflächen umfassen, um das sich absetzende Fluid von den Lagern weg zu lenken. Die Lager sind abgedichtete, in sich abgeschlossene Einheiten, die die Auswärtswanderung von Fluid hemmen, das diese erreicht.

Zeichnungskurzbeschreibung

Fig. 1 ist eine Darstellung einer Kühlgebläsekupplung mit geteiltem Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zusammenpassenden Kühlgebläse und Verbinder aufgebaut.
Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Kühlgebläsekupplung mit geteiltem Rotor von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Verbinders.
Fig. 4 ist eine andere perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Verbinders.
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm für eine beispielhafte Kupplungssteuerroutine gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsform

Fig. 1 zeigt eine Kühlgebläsekupplung mit geteiltem Rotor, die als die beispielhafte Ausführungsform gezeigt und allgemein mit 12 bezeichnet ist. Die Kupplung 12 ist in Verbindung mit einer Kühlgebläseanordnung mit einer Gebläseanordnung 10 und einer Verbinderanordnung 11 gezeigt. Die Kupplung 12 umfaßt ein Eingangselement 14 und ein Ausgangselement 15, das die Gebläseanordnung 10 trägt. Das Ausgangselement 15 ist im wesentlichen mit einer Vielzahl von Kühlrippen 16 bedeckt, die axial angeordnet sind, so daß Wärme wirksam an die Luft übertragen wird, die an der Kupplung 12 vorbeiströmt. Die Verbinderanordnung 11 steht mit der Kupplung 12 in Eingriff und umfaßt einen starren Arm, der sich radial außerhalb der Reichweite des Gebläses 10 zur Verbindung mit dem zugehörigen Kabelbaum des Fahrzeugs (nicht gezeigt) erstreckt.
In Fig. 2 sind die wirksamen Elemente der Kupplung 12 expliziter gezeigt. Das Eingangselement 14 umfaßt eine Eingangswelle 17, die mit einem gemeinsamen Befestigungsmittel durch eine Gewindeöffnung 18 versehen ist. Die Eingangswelle 17 ist derart ausgebildet, daß sie mit einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) des Fahrzeugs durch die Öffnung 18 auf eine gut eine gut bekannte Art und Weise zur Drehung bei Motordrehzahl oder einem anderen gewählten Prozentsatz derselben durch den Gebrauch einer Antriebsriemenscheibe verbunden ist. Insbesondere umfaßt die Eingangswelle 17 eine axiale Welle mit einem ersten Verbindungsende 19 und einem zweiten Anschlußende 20. Die Gewindeöffnung 18 ist an dem ersten Ende 19 vorgesehen und in einem vergrößerten Segment 21 ausgebildet. Benachbart des vergrößerten Segmentes 21 verjüngt sich die Eingangswelle 17 und umfaßt ein Segment 22 mit verringertem Durchmesser, das zwischen der ringförmigen Schulter 23 und dem Anschlußende 20 ausgebildet ist. Zusätzlich bildet ein weiteres Segment 24 mit verringertem Durchmesser eine ringförmige Keilnut in der Nähe des Anschlußendes 20.
An dem Eingangselement 14 ist eine Rotoranordnung 30 durch geteilte, im wesentlichen spiegelbildliche Hälften 31 und 32 ausgebildet, wobei eine Wicklungsanordnung 33 dazwischen getragen ist. Die Rotorhälfte 31 ist scheibenförmig und umfaßt einen radial inneren Abschnitt 35 mit verringerter Dicke. Ähnlicherweise ist die Rotorhälfte 32 scheibenförmig und umfaßt einen radial inneren Abschnitt 35 mit verringerter Dicke. Die Rotorhälften 31 und 32 werden durch einen Prozeß relativ leicht hergestellt, wie beispielsweise spanende Bearbeitung von Stahl oder durch Pulvermetallurgie. Die Rotorhälften 31 und 32 passen zusammen, um einen ringförmigen Hohlraum 36 und eine Zentralöffnung 37 zu bilden. Ein Paar radial angeordneter Löcher 38 und 39 erstreckt sich zwischen dem ringförmigen Hohlraum 36 und der Zentralöffnung 37. Die Rotorhälften sind aneinander durch eine Vielzahl sich axial erstreckender Befestigungselemente befestigt, von denen das Befestigungselement 40 repräsentativ dafür ist.
Eine Wicklung 41, die eine Vielzahl von Drahtwindungen umfaßt, die auf einen Spulenkörper gewickelt sind, ist in dem ringförmigen Hohlraum 36 vorgesehen. Die Wicklung umfaßt ein Paar Zuleitungen 42 und 43, wobei an jedem Ende des Wicklungsdrahtes eine derselben befestigt ist. Die Zuleitungen 42 und 43 erstrecken sich durch die Löcher 38 bzw. 39 und sind an abwechselnden Leitern eines koaxialen Stiftes 44 fixiert. Der koaxiale Stift 44 umfaßt ein vergrößertes Ende 45 und ein sich verjüngendes Ende 46. Das vergrößerte Ende 45 sitzt in einer kreisförmigen Öffnung 47 in dem Ende 20 der Eingangswelle 17. Ein Paar Schlitze 48, 49 erstreckt sich von dem Ende 20 der Eingangswelle 17 und überschneidet sich mit der kreisförmigen Öffnung 47, so daß die Zuleitungen 42, 43 während des Einsetzens des Koaxialstiftes 44 in die kreisförmige Öffnung 7 durch diese hindurch laufen können. Die gesamte Wicklungsanordnung 33 mit Wicklung 41, Zuleitungen 42, 43 und Koaxialstift 44 dreht sich gemeinsam mit der Eingangswelle 17 und der Rotoranordnung 30 und wirkt gemeinsam als das Eingangselement 14.
Das Ausgangselement 15 umfaßt eine mehrteilige schalenartige Anordnung, die einen Innenhohlraum 50 um den Großteil des Eingangselementes 14 herum im wesentlichen umschließt. Das Ausgangselement 15 ist im allgemeinen ähnlich einem im wesentlichen geschlossenen Zylinder geformt. Das Ausgangselement 15 umfaßt eine Vorderwand 51, eine ringförmige Seitenwand 52 und eine Rückwand 43. Die Vorderwand 51 ist als eine separate Einheit hergestellt und an einer anderen Einheit, die die ringförmige Seitenwand 52 und die Rückwand 53 umfaßt, durch eine Vielzahl von Befestigungseinrichtungen befestigt, von denen die Befestigungseinrichtung 59 repräsentativ ist. Die Vorderwand 51 und die Einheit, die die ringförmige Seitenwand 52 und die Rückwand 53 umfaßt, werden durch einen bekannten Prozeß hergestellt, wie beispielsweise durch Aluminiumguß. Die Rückwand 53 umfaßt eine Vielzahl von Gewindeöffnungen 54 zur Befestigung der Gebläseanordnung 10 daran. Die Rückwand 53 zeigt auch eine kreisförmige Öffnung 55, die eine Oberfläche vorsieht, auf der das Ausgangselement 15 an dem Abschnitt 22 mit verringertem Durchmesser des Eingangselementes 14 gelagert ist.
Eine Kugellageranordnung 57 des abgedichteten, in sich geschlossenen Typs, der in der Technik allgemein bekannt ist, ist zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 gegen eine ringförmige Schulter 23 und einen Flansch 58 positioniert, wobei ein zylindrischer Abstandshalter 56 zwischen der Kugellageranordnung 57 und der Rotoranordnung 30 positioniert ist. Die Kugellageranordnung 57 umfaßt eine innere Spur, die auf den Abschnitt 22 mit verringertem Durchmesser der Eingangswelle 17 gepreßt ist, und eine äußere Spur, die in der kreisförmigen Öffnung 55 des Ausgangselementes 15 enthalten ist. Die inneren und äußeren Spuren stehen mit einer Vielzahl von Kugeln in Eingriff, die in einem Käfig enthalten sind, und die Kugellageranordnung 57 umfaßt einen allgemein ringförmigen Aufbau, der abgedichtet ist und eine innere Schmiermittelversorgung trägt. Die rückwärtige Wand 53 umfaßt eine geneigte ringförmige Fläche 26. Die Fläche 26 lenkt Fluid weg von der Lageranordnung 58, das sich entlang der rückwärtigen Wand 53 unter der Wirkung von Schwerkraft nach unten absetzt, wenn die Kupplung 12 bewegungslos ist.
Das Ausgangselement 15 ist zusätzlich an der Eingangswelle 17 durch die Vorderwand 51 gelagert, die durch eine Lageranordnung 60 gelagert ist, die in Öffnung 61 positioniert ist. Die Kugellageranordnung 60 ist auch von dem abgedichteten, in sich abgeschlossenen Typ und umfaßt eine äußere Spur, die innerhalb der Öffnung 61 des Ausgangselementes 15 enthalten ist. Die äußere Spur und eine entsprechende innere Spur stehen mit einer Vielzahl von Kugeln in Eingriff, die in einem Käfig enthalten sind, und die Kugellageranordnung 60 umfaßt eine allgemein ringförmige Konstruktion. Die innere Spur ist an der Eingangswelle 17 durch die dazwischenliegende Verbinderanordnung 11 gelagert. Die Vorderwand 51 umfaßt ein sich einwärts erstreckendes ringförmiges Bein 27 mit einer geneigten Fläche 28, die Fluid von der Lageranordnung 60 weg lenkt, das sich entlang der Vorderwand 51 unter der Wirkung von Schwerkraft absetzt, wenn die Kupplung 12 bewegungslos ist.
In den Fig. 3 und 4 sind Aspekte der Verbinderanordnung 11 detaillierter gezeigt. Die Unteranordnung von Fig. 3 zeigt Innenkomponenten der Verbinderanordnung 11. Eine Halterung 63 weist eine allgemein ringförmige Form auf und umfaßt ein Paar von Schlitzen 64 und 65, die einen Zentralkontakt 67 bzw. einen Außenkontakt 68 aufnehmen. Die Zentral- und Außenkontakte 67, 68 ragen in eine axiale Öffnung 69 der Halterung 63 hinein. Der Zentralkontakt 67 umfaßt ein sich verjüngendes einwärts gebogenes Anschlußende 70 zum Kontakt mit dem Zentralleiter des Koaxialstiftes 44. Der Außenkontakt 68 umfaßt ein gegabeltes, einwärts gebogenes Anschlußende 71 zum Kontakt mit dem Außenleiter des Koaxialstiftes 44. Ein Paar Drähte 72 und 73 sind mit den Zentral- bzw. Außenkontakten 67, 68 verbunden.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Unteranordnung von Fig. 3 in einem Gehäuse 74 eingekapselt, das eine rohrförmige Verlängerung 75 umfaßt. Eine Halterung 76 umfaßt ein Paar Trägerarme 77, 78 und steht mit dem Gehäuse 74 in Eingriff. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich, wenn die Verbinderanordnung 11 mit der Kupplung 12 in Eingriff steht, die Halterung 76 radial vor die Gebläseanordnung 10. Die Halterungsarme 77, 78 halten die Drähte 72, 73 in einer sicheren Position weg von den rotierenden Komponenten, und ein elektrischer Verbinder (nicht gezeigt) ist an einer Randposition vorgesehen.
In Fig. 2 ist ein Eingriff zwischen der Verbinderanordnung 11 und der Kupplung 12 deutlicher gezeigt. Der koaxiale Stift 44 ist in dem Gehäuse 74 aufgenommen und steht mit den Zentral- und Außenkontakten 67, 68 in Eingriff. Das Gehäuse 74 ist nichtdrehbar in Position montiert und umfaßt ein Lager 60 zum Eingriff mit der rohrförmigen Verlängerung 75, die drehbar befestigt ist. Die rohrförmige Verlängerung 75 erstreckt sich zwischen der Innenspur der Kugellageranordnung 60 und der Eingangswelle 17. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt die rohrförmige Verlängerung 75 ein Paar Schlitze 79 und 80, die durch einen Clip 81 an der Eingangswelle 17 gehalten sind. Demgemäß dreht sich die rohrförmige Verlängerung 75 zusammen mit der Eingangswelle 17.
Das Ausgangselement 15 ist an der Eingangswelle 17 so getragen, daß das Eingangselement 14 drehbar ist, während das Ausgangselement 15 zumindest teilweise davon ausgerückt bleibt, wenn ein gewisser Schlupf zwischen den beiden besteht. Das Ausgangselement 15 ist an der Eingangswelle 17 durch die Kugellageranordnungen 57, 60 gelagert, um sich allgemein mit einer niedrigeren Drehzahl als das Eingangselement 14 zu drehen. Daher wird das Kühlgebläse 10, das mit dem Ausgangselement 15 verbunden ist, ohne Eingriffsmittel zwischen dem Ausgangselement 15 und dem Eingangselement 14 allgemein nicht mit ausreichendem Drehmoment angetrieben, um eine Kühlluftströmung zu bewirken. Um dieses Eingriffsmittel vorzusehen, umfaßt die Gebläsekupplung 12 einen Mechanismus für variablen Eingriff, der die magnetorheologischen Eigenschaften eines innerhalb gehaltenen Fluides umfaßt.
Es sind magnetorheologische Fluide, die eine Suspension aus festen Partikeln in einer gewählten Flüssigkeit umfassen, bekannt, wobei die Fließgrenze des Fluides überschritten werden muß, um eine Strömung einzuleiten. Wenn das Fluid einem Magnetfeld ausgesetzt wird, steigt die Strömungsschwellenfließgrenze, wenn die Flußdichte in dem Feld ansteigt. Von der Fließgrenze ist es auch bekannt, daß sie ansteigt, wenn die Volumenfraktion an Festpartikeln in der Suspension erhöht wird. Demgemäß kann eine gewünschte Fließgrenze für ein gewähltes magnetorheologisches Fluid, das in einer Kupplung arbeitet, durch Steuerung der Volumenfraktion an suspendierten Partikeln erreicht werden. Magnetorheologische Fluide, die bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind detailliert von dem ebenfalls übertragenen U.S. Patent 5,667,715 beschrieben, mit dem Titel "Magnetorheological Fluids", das am 8. April 1996 eingereicht wurde. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung trägt das magnetorheologische Fluid, das in dem Hohlraum 83 enthalten ist, einen gewählten Volumenprozentsatz an festen Partikeln, der einen im wesentlichen vollständigen Gleitvorgang / Schlupfvorgang zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 ermöglichen kann, wenn die Kupplung ausgerückt ist. Eine allmählich ansteigende Drehmomentübertragung wird zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 bewirkt, wenn die Kupplung einrückt, und sieht eine im wesentlichen vollständige Kupplung vor, wenn die Kupplung vollständig eingerückt ist, wobei minimaler Schlupf zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen 14 und 15 vorherrscht.
Der Hohlraum 83 trägt ein ausreichendes Volumen an magnetorheologischem Fluid, um den wirksamen Spalt 85 unter dem Einfluß von Zentrifugalkraft zu füllen, wenn sich die Kupplung 12 während Betriebsperioden des zugehörigen Fahrzeugmotors dreht. Der Aufbau der Rotoranordnung 30 und des Ringes 84 minimiert die Menge an magnetorheologischem Fluid, die erforderlich ist. Wenn der zugehörige Motor aus ist und die Kupplung 12 bewegungslos ist, setzt sich das Fluid in dem Hohlraum 83 unter dem Einfluß von Schwerkraft ab. Die Menge an Fluid, die sich in der oberen Hälfte der Einheit befindet, gelangt in die untere Hälfte 82 des Hohlraums 83 hinunter. Der durch den Aufbau der Kupplung 12 gebildete Hohlraum ist ausreichend groß, um das sich absetzende Fluid in der unteren Hälfte 82 unterhalb des Niveaus der Lageranordnungen 57 und 60 und unterhalb der Öffnung 55 aufnehmen zu können.
Der Eingriffsmechanismus der Kupplung 12 umfaßt prinzipiell einen Elektromagneten, der die Rotoranordnung 30, ein ferromagnetisches Element in der Form eines Flußringes 84 und den wirksamen Spalt 85 umfaßt, der dazwischen vorhanden ist. Der ferromagnetische Flußring 84 wird aus Stahlmaterial oder Pulvermetall gebildet und ist an der Stufe 86 der ringförmigen Seitenwand 52 des Ausgangselementes 15 getragen. Der Flußring 84 liegt an Fläche 87 zu dem magnetorheologischen Fluid frei, das in dem Hohlraum 83 enthalten ist. Die Fläche 88 der Rotoranordnung 30 liegt auch zu dem magnetorheologischen Fluid frei, das in dem Hohlraum 83 enthalten ist. Das durch die Wicklungsanordnung 33 erzeugte Magnetfeld führt einen magnetischen Fluß in den wirksamen Spalt 85 ein, der mit dem Pegel des Stromes in den Windungen der Wicklung variiert, so daß die Menge an Schlupf zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 mit ansteigendem Strom verringert wird. Wenn die Wicklungsanordnung 30 aberregt ist, wird ein Ausrücken bewirkt, so daß sich das Eingangselement 14 relativ frei drehen kann, während das Ausgangselement 15 im wesentlichen nicht angetrieben ist.
In der Kupplung 12 werden, wenn die Dichte des magnetischen Flusses, der durch die Wicklungsanordnung 30 erzeugt wird, durch den wirksamen Spalt 85 und den Flußring 84 erhöht wird, die Weissschen Bezirke in dem nichtmagnetisierten fermomagnetischen Material des Flußringes 84 und dem magnetorheologischen Fluid mit dem angelegten Magnetfeld sausgerichtet. Ein Ergebnis dieser Polarisierung ist, daß die Menge an Schlupf, die zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 zugelassen ist, verringert wird. Somit wird, wenn der Strom, der an die Wicklungsanordnung 30 angelegt wird, erhöht wird, die Drehzahl des Ausgangselementes 15 proportional in Richtung der Drehzahl des Eingangselementes 14 erhöht. Demgemäß ist eine variable Gebläsekupplung vorgesehen, wobei die Menge an Drehmoment, die übertragen wird, je nach Bedarf gemäß den Kühlanforderungen des zugehörigen Fahrzeugmotores fortschreitend erhöht wird. Die Bildung einer elektronischen Steuerung einer Kupplung auf diese Art und Weise unter Verwendung einer ECU ist im allgemeinen in der Technik bekannt.
In Fig. 5 ist der allgemeine Ablauf einer ECU-Routine zur Steuerung der intern erzeugten Wärme der Kupplung 12 bei Erhöhung des Stromes an die Wicklungsanordnung 30 gezeigt. Wenn die Kühlanforderungen ansteigen, erhöht die ECU entsprechend die Drehzahl der Gebläseanordnung 10 durch Erhöhung des Eingriffsniveaus zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15, und der Prozeß wird umgekehrt, wenn die Kühlanforderungen abnehmen. Wenn die Menge an übertragenem Drehmoment erhöht wird, wird die Menge an Schlupf zwischen dem Eingangselement 14 und dem Ausgangselement 15 verringert. Das Ausgangsdrehmoment der Kupplung 12 wird so eingestellt, um die erwünschte Gebläsedrehzahl durch Steuerung der Menge an Schlupfdrehmoment innerhalb der Kupplung zu liefern. Für jede Anwendung der Kühlgebläsekupplung mit geteiltem Rotor ist das Betriebsgebläsedrehmoment einmalig. Bei jeder Konstruktion wird das Gesamtdrehmoment, das Ausgangsdrehmoment und das Schlupfdrehmoment bestimmt. Aus dem Schlupfdrehmoment wird die durch die Schlupfgröße erzeugte Wärme bestimmt. Im Betrieb der Kupplung wird durch den Gebrauch eines Algorithmus, wie beispielsweise in Fig. 5 beschrieben, die Gebläsedrehzahl nur bis zu einem Punkt erhöht, für den bestimmt worden ist, daß an diesem die maximal erwünschte Größe an Schlupfdrehmomentwärme erzeugt wird. Vorteilhafterweise begrenzt dies die Schlupfdrehmomentwärme, die innerhalb erzeugt wird, in der Kupplung. Wenn die Kühlanforderungen des Motors eine zusätzliche Gebläsedrehzahl erfordern, wird das Eingangsstromsignal bis auf einen maximalen Wert erhöht, der eine Verriegelung zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen bewirkt, so daß sich diese gemeinsam als eine Einheit drehen können. Dies beseitigt die Erzeugung von Schlupfdrehmomentwärme. Die Kühlgebläsekupplung mit geteiltem Rotor ist derart ausgebildet, daß maximale Kühlbedingungen nur unter extremen Bedingungen der Motordrehzahl und der Fahrzeuglast auftreten. Wenn der maximale Kühlzustand vorüber ist, wird der Eingangsstrom verringert, wodurch zugelassen wird, daß die Kupplung die Gebläsedrehzahl gemäß den Motorkühlanforderungen modulieren kann.
Genauer werden in der Routine von Fig. 5 Kühlanforderungen durch Ablesen der Kühltemperatur bei Schritt 89 und Herstellen eines Vergleiches mit einer Solltemperatur bei Schritt 90 bestimmt. Wenn eine zusätzliche Kühlung nicht erforderlich ist, wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Drehzahl der Gebläseanordnung 10 verringert werden soll (nicht gezeigt). Wenn eine zusätzliche Kühlung erforderlich ist, fährt die Routine durch Ablesen des Eingangsstrompegels bei Schritt 91 und dem Vergleich des tatsächlichen Wertes mit dem maximalen Sollwert bei Schritt 92 fort. Wenn der Eingangsstrom bereits bei dem maximalen Wert ist, wird das Ausgangselement 15 vollständig mit dem Eingangselement 14 in Eingriff gebracht, so daß sich die beiden gemeinsam ohne Schlupf drehen, und es ist keine weitere Aktion erforderlich. Wenn der Eingangsstrom kleiner als der maximale Strom ist, wird ein Vergleich zwischen dem gegenwärtigen Gebläseschlupfdrehmoment, das durch den Eingangsstrom aus einer Nachschlagetabelle bei Schritt 93 angegeben ist, und dem maximalen Sollschlupfdrehmoment bei Schritt 94 durchgeführt. Das maximale Sollschlupfdrehmoment wird für die Anwendung vorbestimmt. Wenn die maximale Schlupfdrehmomentschwelle nicht erreicht worden ist, wird der Eingangsstrom zu der Wicklungsanordnung 30 bei Schritt 95 erhöht. Wenn die maximale Schlupfdrehmomentschwelle erreicht worden ist, wird der Eingangsstrom auf den maximalen Strom bei Schritt 96 eingestellt, der den Strom darstellt, der erforderlich ist, um die Eingangs- und Ausgangselemente 14, 15 vollständig in Eingriff zu bringen. Daher wird interne durch das Schlupfdrehmoment erzeugte Wärme durch im wesentlichen Beseitigung des Schlupfes im wesentlichen beseitigt.
Mittels der vorliegenden Erfindung wird eine praktische und konkurrenzfähig konstruierte magnetorheologische Gebläsekupplung vorgesehen. Der Rotor und der Flußring werden auf eine unkomplizierte Art und Weise aus Stahl oder Pulvermetall hergestellt und sind so angeordnet, daß eine minimale Menge an magnetorheologischem Fluid erforderlich ist. Innere Wärme, die durch die Kupplung erzeugt wird, wird durch die ECU gemanagt, um eine Überhitzung zu verhindern, was die Lebensdauer vorteilhaft beeinflußt.

Claims

1. Kühlgebläsekupplung (12) mit:

einem Eingangselement (14), das mit einer gewählten Geschwindigkeit angetrieben wird;

einem Ausgangselement (15), das an dem Eingangselement (14) durch zumindest eine Lageranordnung (57, 60) gelagert ist, so daß es in einem ausgerückten Zustand daran getragen wird und mit verschiedenen Geschwindigkeiten relativ zu der gewählten Geschwindigkeit des Eingangselementes (14) drehbar ist;

einem Wirkspalt (85), der zwischen den Eingangs- und Ausgangselementen (14, 15) vorhanden ist und eine Menge an magnetorheologischem Fluid in ausreichendem Volumen umfaßt, um den Wirkspalt (85) zu füllen, wenn das Eingangselement (14) angetrieben wird, und einem Eingriffsmechanismus mit einer Rotoranordnung (30), die ein Magnetfeld erzeugt, und einem ferromagnetischen Element (84), das in der Nähe der Rotoranordnung (30) über den Wirkspalt (85) positioniert ist, wobei die Rotoranordnung (30) ein gespaltenes Paar von im wesentlichen spiegelbildlichen Hälften (31, 32) umfaßt, die einen ringförmigen Hohlraum (36) definieren, der eine Wicklungsanordnung (33) trägt;

wobei, wenn ein elektrischer Strom an die Wicklungsanordnung (33) geliefert wird, die Größe eines Magnetfeldes, das zwischen der Rotoranordnung (30) und dem ferromagnetischen Element (84) durch den Wirkspalt (85) und das darin enthaltene magnetorheologische Fluid verläuft, eine Scherbeanspruchung erhöht, was in einer resultierenden Drehmomentübertragung von dem Eingangselement (14) zu dem Ausgangselement (15) resultiert, die über den Wirkspalt (85) und durch das magnetorheologische Fluid bewirkt wird, so daß, wenn der elektrische Strom erhöht wird, die Eingangs- und Ausgangselemente auf eine selektiv ansteigende Art und Weise in Eingriff gebracht werden, und wobei, wenn das Eingangselement (14) statisch ist, sich das magnetorheologische Fluid auf ein Niveau unterhalb der Lageranordnung (57, 60) absetzt;

einer Eingangswelle (17), die die Rotoranordnung (30) trägt und ein Anschlußende (20) umfaßt, das einen Koaxialstift (44) trägt, der mit der Wicklungsanordnung (33) elektrisch verbunden ist; und

einer Verbinderanordnung (11), die mit dem koaxialen Stift (44) in Eingriff steht und die Kupplung (12) mit einer zugeordneten Verdrahtung elektrisch verbindet;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Verbinderanordnung (11) einen Zentralkontakt (67) und einen Außenkontakt (68) umfaßt, wobei der Zentralkontakt (67) ein sich verjüngendes Anschlußende (70) umfaßt, das mit dem koaxialen Stift (44) in Eingriff steht, und der Außenkontakt (68) ein gegabeltes Anschlußende (71) umfaßt, das mit dem Koaxialstift (44) in Eingriff steht.

2. Kühlgebläsekupplung (12) nach Anspruch 1, wobei die Verbinderanordnung (11) so angeordnet ist, daß sie sich von dem Ausgangselement (15) weg erstreckt, und eine rohrförmige Verlängerung (75) umfaßt, die sich zwischen dem Lager (60) und dem Eingangselement (14) erstreckt, und wobei sich die rohrförmige Verlängerung (75) mit der Geschwindigkeit des Eingangselementes (14) dreht, und ein Gehäuse (74) umfaßt, das mit der rohrförmigen Verlängerung (75) in Eingriff steht, die auf eine nicht drehbare Art und Weise getragen ist, wobei das Paar Kontakte (67, 68) in dem Gehäuse (74) gehalten ist.

3. Kühlgebläsekupplung (12) nach Anspruch 1, wobei das Ausgangselement (15) eine nichtmagnetische Schale umfaßt, die eine Rückwand (53) und eine vordere Wand (51) aufweist, die eine ringförmige Seitenwand (52) an der Eingangswelle (17) trägt, und wobei die ringförmige Seitenwand (52) eine Stufe (86) umfaßt, die das ferromagnetische Element (84) trägt.

4. Kühlgebläsekupplung (12) nach Anspruch 1, wobei die Verbinderanordnung (11) eine Aufnahme (63) mit einem Paar Schlitzen (64, 65) umfaßt, die den Zentralkontakt (67) und den Außenkontakt (68) tragen, und wobei die Aufnahme (63) in dem Gehäuse (74) getragen ist.

5. Kühlgebläsekupplung (12) nach Anspruch 1, wobei die Menge an magnetorheologischem Fluid von ausreichendem Volumen ist, um den Wirkspalt (85) unter dem Einfluß einer Zentrifugalkraft zu füllen, wenn das Eingangselement (14) angetrieben wird, und wobei, wenn das Eingangselement (14) statisch ist, sich das magnetorheologische Fluid unter dem Einfluß von Schwerkraft auf ein Niveau abwärts absetzt, das vollständig unterhalb der Lageranordnung (57, 60) liegt.