Entwicklung eines Modells einer Flüssigkeitskupplung mit Konzeption und Konstruktion eines Teststandes

Im Rahmen des Studierendenprojekts haben die Studierenden das Modell einer Flüssigkeitskupplung, auch Viscokupplung genannt, entwickelt und deren Funktion mit einem dafür aufgebauten Teststand überprüft. Anhand der Messung der Drehzahl und des Drehmomentes jeweils an der antreiben und abtreibenden Achse, ist eine exakte Aussage über die Kraftübertragung der Flüssigkeitskupplung möglich. Die Flüssigkeitskupplung kann mit unterschiedlicher Fluiden befüllt werden. Die Eigenschaften der Fluide bezüglich der Kraftübertragung kann untersucht werden. Auf der abtreibenden Achse dient eine Wirbelstrombremse, welche ebenfalls von den Studierenden entwickelt wurde, zur mechanischen Lastsimulation.

Im klassischen Sinne kommt meist eine mechanische Kupplung zum Einsatz, die Drehzahl und Drehmoment über die Reibung zwischen Kupplungsautomat (Druckplatte) und Mitnehmerscheibe (Kupplungsbelag) überträgt. Wegen dieser Reibung kommt es allerdings zu Leistungsverlusten, Wärmeentwicklung und hohem Verschleiß der Bauteile. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, kommen Flüssigkeitskupplungen, wie die in der Automobilbranche sehr bekannte Visco-Kupplung, zum Einsatz. 

Das Projekt orientiert sich an dieser Visco-Kupplung und nutzt sie, vor allem als mechanische Vorlage, zur Entwicklung eines Teststandes einer Flüssigkeitskupplung, siehe  Abb. 2

Um die Funktionsweise der Flüssigkeitskupplung zu überprüfen, muss an der abtreibenden Achse die Zuschaltung einer mechanischen Last ermöglicht werden. Hierfür kommt eine Wirbelstrombremse zum Einsatz, wie sie auch bei Fitnessgeräten wie Crosstrainern verwendet wird. Das System arbeitet rein induktiv und ohne Reibung. Es besteht im Prinzip aus einer Kupferscheibe und einer Magnethalterung mit 24 Quadermagnet. Bewegt man die Magnete in Richtung Kupferscheibe, so erzeugen die induzierten Ströme in der Kupferplatte ein magnetisches Feld, welches dem Gesamtfeld entgegenwirkt und zu einer Bremskraft führt. Abb.6 zeigt die Kupferscheibe mit einem Flansch zur Befestigung an der Antriebsachse. Der Zahnkranz am Rand der Kupferscheibe dient zur Messung der Drehzahl am Abtrieb mit einer Lichtschranke. Abb. 7 zeigt den Magnethalter mit dem Hebel zum Eintauchen der Magnete auf die Kupferscheibe. Die genaue Anordnung der Komponenten am Teststand ist in Abb. 1 zu erkennen.

Es wird jeweils die Drehzahl der antreibenden Achse, durch den Motor-Encoder, und der abtreibenden Achse, durch die Lichtschranke an der Wirbelstrombremse, gemessen. Um aber die Funktion der Flüssigkeitskupplung zu testen, muss auch jeweils das Drehmoment gemessen werden. Zur Messung des Drehmoments werden auf den Achsen Torsionsdehnungsmessstreifen aufgeklebt. Diese haben zwei DMS die gegensinnig jeweils um 45° zur Achsrichtung angeordnet sind. Anhand der Torsionsdehnung kann das Drehmoment ermittelt werden.

Bei den Versuchen mit unterschiedlichen Fluiden, d.h. das Kupplungsgehäuse wird mit unterschiedlichen Fluiden befüllt, wird der Antriebsmotor immer mit der gleichen Spannungsänderung am Motor beaufschlagt. Der Anstieg der Leistung äußert sich in einem sprunghaften Anstieg des Drehmoments und daraus folgend in einem Anstieg der Drehzahl. Dieser Drehzahlsprung sollte idealerweise einem Sprungsignal entsprechen. Anschließend wird die Kupplung mithilfe der Wirbelstrombremse belastet, wodurch sich die Drehzahl verringert. In einem Video ist der Grundlegende Testablauf aufgezeichnet, siehe Abb. 10 Zur Ermittlung der Eigenschaften der Kupplung wird der Versuch mit drei verschiedenen Fluiden (Wasser, Silikonöl, Oobleck) durchgeführt. Zudem wird die Kupplung mit einer festen Achse, d.h. die Kupplung wird blockiert bzw. festgestellt, und im Leerlauf getestet.

Der Teststand kann nun zur Testung des Verhaltens unterschiedlicher Fluide in der Kupplung eingesetzt werden. Trotzdem wird der Teststand von Studierenden im Rahmen ihrer Bachelorarbeiten weiter verbessert, dies umfasst im Einzelnen:

• Statt mit Handbetrieb soll die Wirbelstrombremse mit einer exakten elektronischen Steuerung, bestehend aus einem Spindelantrieb mit Schrittmotor, betrieben werden. 
• Überarbeitung und Neudimensionierung der Flüssigkeitskupplung, dabei soll unter anderem ein Plexiglasrohr als Außengehäuse verwendet werde, damit die Kupplung einsehbar ist.
• Ausstattung der Drehmomentmessung mit einer 2GHz-Funk-Datenübertragung