Visco-Kupplung

Die Visco-Kupplung wird im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Im Prinzip überträgt sie in ihrem Inneren eine Drehbewegung über eine kreisförmige Scheibe (Lamelle) an der Eingangsseite an ein Fluid, welches wiederum eine weitere Lamelle an der Ausgangsseite antreibt. Durch diese Bauform überträgt die Visco-Kupplung ein Drehmoment und ermöglicht einen Drehzahlausgleich. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle ist, umso größer wird das Drehmoment, welches die Visco-Kupplung übertragen kann.

Anwendungen im Fahrzeugbau

1. Bei einem kupplungsgesteuerten Allradantrieb wird eine Achse permanent vom Motor angetrieben. Die zweite Achse wird bei Bedarf aber ohne Zentraldifferential angetrieben. Damit ein Drehzahlausgleich zwischen den Achsen möglich wird, trennt man die Antriebswelle zu einer Achse auf und verbindet sie über eine Visco-Kupplung. Beispiele:

   Subaru Justy JMA/MS (Visco-Kupplung bindet Hinterachse an),

   VW T3 Syncro (Visco-Kupplung bindet Vorderachse an),

   Porsche 996 (911) Allrad (Visco-Kupplung bindet Vorderachse an),

   Volvo XC70 (Visco-Kupplung bindet Hinterachse an),

   Opel Calibra 4x4

   Audi R8 (Visco-Kupplung bindet Vorderachse an)

2. Die Visco-Kupplung wird mit einem Differential (Differentialgetriebe) (als Achs- oder Zentraldifferential) oder Planetengetriebe (als Zentraldifferential) kombiniert. Dort bremst sie die Ausgleichsbewegung zwischen den Abtriebswellen oder (häufiger) zwischen Differentialkorb / Planetenträger einerseits und einer Abtriebswelle andererseits.
3. Der Lüfter vor dem Motor ist oft über eine Visco-Kupplung angetrieben, welche über die Temperatur des Kühlmittels wirkt.

Zu 1: Sobald die permanent angetriebene Achse zu viel Leistung bekommt, vergrößert sich der Schlupf an deren Rädern. Die Achse dreht dadurch schneller, als es der Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht und sie dreht auch schneller als die andere Achse. Dadurch entsteht eine Differenzdrehzahl zwischen den Achsen, die auch zu einer Differenzdrehzahl in der Visco-Kupplung führt. Je höher diese Differenzdrehzahl ist, umso stärker wird die zweite Achse über die Visco-Kupplung angetrieben. Steht die erste, direkt angetriebene Achse auf Eis und dreht durch, so wird die gesamte Leistung über die Visco-Kupplung an die zweite Achse übertragen.

Zu 2: Die Visco-Kupplung bremst die Drehzahldifferenzen, die an einem Differential auftreten. Wenn die Drehzahldifferenz an einer Achse zu groß wird (z.B. ein Rad auf Eis), dann bremst die Visco-Kupplung diese Ausgleichsbewegung und verteilt Antriebsmoment auf das langsamere Rad. Bei Zentraldifferentialen wird die Drehzahldifferenz zwischen den Achsen reduziert, wenn z.B. eine Achse auf Eis steht oder in der Luft hängt.

Technik

In einer Visco-Kupplung können je nach Auslegung bis zu 150 bar Innendruck entstehen. Neben dem Drehzahlausgleich wirkt die Visco-Kupplung auch als Schwingungsdämpfer im Antriebsstrang.

Aufbau

Die Grafik zeigt eine Visco-Kupplung, die Leistung und Drehmoment über die Antriebsseite (1) zum Differential (D) einer Achse weiterleitet. Die Visco-Kupplung selbst besteht aus einem Gehäuse (2), dessen Innenseite gleichzeitig als Träger für die Außenlamellen (3) dient. Zwischen den Außenlamellen (3) und den Innenlamellen (4) befindet sich ein Fluid (5). Die Innenlamellen (4) selbst werden von einem Innenlamellenträger (6) gehalten, der gleichzeitig Antriebswelle ist. Das Gehäuse wird über eine Dichtung (7) gegen das Auslaufen des Fluids (5) und das Eindringen von Staub geschützt.

Für Visco-Kupplungen wird als Fluid (5) häufig Silikonöl verwendet, da es sich durch eine hohe Viskosität auszeichnet, welche eine im Vergleich zu Öl geringere Temperaturabhängigkeit zeigt.

Die Charakteristik der Drehmoment- und Leistungsübertragung hängt von der Anzahl der Lamellen (3+4, meist aus Stahl), deren Innen- und Außendurchmesser und der Viskosität des Fluids (5) ab. Das Fluid (5) wird bei unterschiedlichen Drehzahlen von An- und Abtriebslamellen geschert und überträgt dadurch das Moment.

Sowohl Außenlamellen (3) als auch Innenlamellen (4) können sich axial bewegen und werden beispielsweise durch Federringe so eingestellt, dass sie sich ohne Drehzahldifferenz nicht berühren. Ein mechanischer Kontakt der Lamellen sollte daher höchstens ausnahmsweise und nur dann entstehen, wenn der Hump-Effekt konstruktiv vorgesehen wurde.

Hump-Effekt

In der Regel sind die Lamellen geschlitzt und die Visco-Kupplung enthält einen gewissen Anteil an Restluft. Bei der Bewegung wird diese Luft in den Schlitzen der Lamellen verteilt. Durch Erwärmung kann es nun dazu kommen, dass sich das Silikonöl ausdehnt und die Luft erst komprimiert und dann aufnimmt. Wenn die Luft vollständig im Silikonöl gelöst wurde und ein Teil der Lamellen (Außen- oder Innenlamellen) ein Flügelprofil hat, werden sie nun unter Differenzdrehzahl gegen die anderen Lamellen gedrückt. Dadurch entsteht ein mechanischer Reibkontakt, der das übertragbare Drehmoment stark ansteigen lässt und gleichzeitig die Reibleistung im Fluid verringert.

Die Kupplung bietet dadurch bei starker Belastung gleichzeitig höhere Drehmomentkapazität und einen Selbstschutz gegen Überhitzung.

Der Hump-Effekt tritt erst ein, wenn die Kupplung eine gewisse Temperatur erreicht hat, er ist für normale fahrdynamische Anwendungen nicht planbar. Da der Hump-Effekt ein hydrodynamischer Effekt ist, wirkt er nur so lange, wie Differenzdrehzahl an der Kupplung anliegt. Es wird also durch den Hump keinesfalls ein starrer Durchtrieb ermöglicht.

Kompatibilität mit elektronischen Regelsystemen

Eine Visco-Kupplung überträgt Drehmoment in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl – auch wenn die Achsen/Räder weitgehend entkoppelt sein müssen, z. B. bei Bremsungen mit einem Antiblockiersystem (ABS) oder Eingriffen des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP). Diese Regelsysteme sind (nach derzeitiger Auslegung) auf möglichst unabhängig voneinander steuerbare Räder angewiesen. Deshalb werden die erforderlichen Anpassungen zur Visco-Kupplung hin verlegt, wobei ein Freilauf oder eine Trennkupplung verwendet werden kann.

Aufgrund der bisher fehlenden Anpassung der ESP-Systeme wurden Visco-Kupplungen weitgehend von anderen Lösungen verdrängt, etwa von der Haldex-Kupplung und rein elektronisch gesteuerten Lamellenkupplungen.

Literatur

• Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6

Siehe auch

• Drehmomentwandler
• Strömungsgetriebe

Weblinks

• www.ArsTechnica.de - Aufbau von Viscokupplungen
• GKN Driveline Hauptanbieter von Visco-Kupplungen, Firmenprofil in der englischen Wikipedia: GKN plc