Visco-Kupplung (Bauart GKN), Viscous Coupling

Bild 1: Visco-Kupplung für Hang-On Allradsysteme
(also ohne Zentraldifferenzial), Schnittmodell

Visco-Kupplung (Prinzip-Skizze)

Bild 2: Visco-Kupplung für Hang-On Allradsysteme, Prinzipskizze

Visco-Kupplung mit Differenzial, Schnittmodell

Bild 3: Visco-Kupplung mit Differenzial, Schnittmodell.
Ein Seitenrad wird gegen den Differenzialkorb gebremst

Visco-Kupplung mit Differenzial (Bauart GKN), Prinzipskizze

Bild 4: Visco-Kupplung mit Differenzial, Prinzipskizze

Die Visco-Kupplung

In der Visco-Kupplung wird die Leistung über ein Fluid (in der Regel Silikon-Öl) übertragen. Im Prinzip erinnert sie an eine hydrodynamische Kupplung (Föttinger-Kupplung ohne Drehmomentwandlung in Automatik-Getrieben älterer Bauart).

Es gibt normalerweise keine mechanische Verbindung zwischen der Eingangs- und Ausgangswelle. Prinzipbedingt kann die Visco-Kupplung nur Drehmomente übertragen, wenn eine Drehzahldifferenz vorhanden ist, bedeutet aber auch, dass bei einer Drehzahldifferenz auch Leistungsverluste entstehen, d.h. ein kleiner Teil der Motorleistung kommt nicht am Rad an, sondern wird von der Visco-Kupplung in Wärme umgewandelt.

Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Drehzahldifferenz (horizontale Achse) und dem Drehmoment (vertikale Achse), welches bei einer bestimmten Drehzahl übertragen werden kann:

Drehmoment in Abhängigkeit von der Differenzdrehzahl. Charakteristik einer Visco-Kupplung.

Praktisch ergibt das folgende Charakteristik:

Wie man sieht, überträgt die Visco-Kupplung auch bei kleinsten Drehzahldifferenzen ein Moment.

Als Fluid dient meist Silikonöl, mit dem die Viskokupplung zu über 90% befüllt wird (der genaue Wert hängt von der Auslegung ab). Die Luft wird von den Schlitzen in den Lamellen (siehe folgendes Bild, A = Aussenlamelle, I = Innenlamelle) aufgenommen.

Lamellen einer Visco-Kupplung, A = Aussenlamelle, I = Innenlamelle

Wenn sich die Visko-Kupplung im Betrieb erwärmt, dehnt sich das Silikonöl aus und die Luft wird immer mehr im Silikonöl gelöst, so dass die Kupplung bei starker Erwärmung unter Umständen keine Luftblasen mehr enthält. Sobald dieser Zustand erreicht ist, steigt der Druck in der Visco-Kupplung stark an und der folgende Effekt kann bei geeigneter konstruktiver Auslegung eintreten:

Hump Effekt

Bei der Visco-Kupplung kann durch die technische Auslegung ein spezieller Effekt hervorgerufen werden, der als Hump-Effekt bekannt ist. Der Hump-Effekt bewirkt, dass die Visco-Kupplung bei größerer Belastung plötzlich höhere Drehmomente überträgt, ohne das sich die Drehzahldifferenz geändert hätte. Dies tritt ein, wenn die Luft vollständig gelöst wurde, und falls die Lamellen eine spezielle Form haben. Die Innenlamellen werden so an ihren radialen Nuten geformt, dass sie ein Flügelprofil erhalten. Wenn die Luft völlig im Silikonöl gelöst ist, werden die Innenlamellen gegen die Außenlamellen gedrückt, wodurch zusätzliche mechanische Reibung zwischen den Lamellen entsteht.

Der Hump Effekt ist nicht richtig planbar, er tritt ein, wenn die Visco-Kupplung mechanisch überlastet wird, dies kann bei niedrigerer Drehzahldifferenz und längerer Beanspruchung auftreten oder bei hoher Drehzahldifferenz schon nach kurzer Beanspruchung.

Durch den Hump-Effekt überträgt die Visco-Kupplung mehr Moment, und bringt das Fahrzeug dadurch schneller aus der Situation, die für die Überlastung verantwortlich ist.
Der Hump-Effekt funktioniert nur bei Drehzahldifferenz, es entsteht keine 100%ige Sperrwirkung durch den Hump-Effekt. Sobald die Drehzahldifferenz verschwindet, fällt auch der hydrotynamische Effekt weg, der die Innenlamellen gegen die Außenlamellen drückt und die Visco-Kupplung arbeitet wieder normal.
Allerdings: Je wärmer die Visco-Kupplung ist, um so schneller kehrt sie bei Überlast in den Hump-Modus zurück.

Der Hump-Effekt wurde früher gelegentlich falsch als dilatantes Verhalten des Silikonöls beschrieben - wie gezeigt, nimmt das übertragene Drehmoment normalerweise degressiv mit zur Drehzahl zu. Bei dilatanten Fluiden steigt dagegen mit der Drehzahldifferenz auch die Viskosität, so dass ein besonder starker Anstieg zu beobachten wäre. Doch der Hump-Effekt hat nichts mit solchen Viskositätssprüngen zu tun, denn Silikonöl ist nicht dilatant.

Literatur zum Hump-Effekt: SAE Technical Papers 900557 ‘Induced Torque Amplification in Viscous Couplings’ von Herbert Taureg und Dr. Joachim Horst, März 1990

Hang-On Systeme

Das Sperrdifferenzial aus Bild 3/4 kann sowohl als Achsdifferenzial wie auch als Zentraldifferenzial verwendet werden. Daneben gibt es noch eine weitere Möglichkeit, einen Allradantrieb mit der Visco-Kupplung zu bauen: Das Hang-On System.

Normalerweise wird zur Aufteilung der Leistung zwischen Vorder- und Hinterachse ein Zentraldifferenzial verwendet. Man kann aber auch einfach die Leistung von einer Achse an die andere Achse mit einem einfachen Zahnradsatz weiterleiten. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass ein Drehzahlunterschied zwischen Vorder- und Hinterachse so nicht ausgeglichen werden kann. Setzt man jedoch in die Kardanwelle eine Visco-Kupplung ein, dann erlaubt diese kleine Drehzahlunterschiede.

Über die Anwendung der Visco-Kupplung im Porsche 911 Turbo gibt von den Porsche Entwicklern es einen ausführlichen Bericht in der ATZ

Erläuterung zu den Bildern 1, 2, 4:

  1. Abtriebswelle

  2. Außenlamellenträger

  3. Außenlamelle, wird vom Außenlamellenträger durch eine Verzahnung mitgenommen

  4. Innenlamelle, wird vom Innenlamellenträger durch eine Verzahnung mitgenommen

  5. Fluid (Silikonöl)

  6. Antriebswelle

  7. Gehäuse des (offenen) Differenzials

  8. Tellerrad

  9. Kegelrad (Antrieb, z.B. von der Kardanwelle)

Steckbrief