Geschichte

Bereits 1917 wurde dem amerikanischen Erfinder Melvin L. Severy ein Patent auf eine Flüssigkeitsreibkupplung gewährt. Allerdings gab es zu dieser Zeit nur dickflüssige Öle mineralischen Ursprungs, die für die Übertragung von hohen Drehmomenten ungeeignet sind. Denn einerseits vermindert sich deren innere Viskosität sehr stark bei Erwärmung und andererseits zeigen sich bei höheren Temperaturen Zersetzungserscheinungen.
 
Erst die Wunder der modernen Chemie verhalfen der Idee zum Durchbruch. Durch die synthetische Herstellbarkeit von Silikonöl war erstmals ein Fluid verfügbar, dass zugleich hochtemperaturstabil ist und nur eine geringe Viskositätsverminderung bei Erwärmung aufweist. Dabei ist die Verwendung von Silikonöl bestenfalls ein guter Kompromiss, da dessen strukturviskoses Verhalten prinzip/bedingt unerwünscht ist.
 
Mit wachsender Differenzdrehzahl (Schergeschwindigkeit) zeigt sich somit eine scheinbare Viskositätsverminderung, der eine degressive Zunahme des übertragbaren Antriebsmoments folgt. Das gegenteilige Verhalten wird als dilatant beschrieben und wäre für die Anwendung in einer Visco-Kupplung ideal, allerdings sind keine dilatanten Reibfluide bekannt die sich unter den spezifischen Belastungen in einer Visco-Kupplung chemisch ähnlich stabil verhalten wie Silikonöl.
 
So wurde die Grundidee in den 70er Jahren von "Harry Ferguson Developments" wieder aufgegriffen und die moderne Visco-Kupplung mit Silikonöl als Übertragungsmedium geboren. Im Kraftfahrzeugbereich wurde die Visco-Kupplung vorerst vor Allem als Wandlergruppe, Schwingungsdämpfer und zum temperaturgesteuerten Antrieb von Kühlerlüftern benutzt. Anfang der 80er Jahre fanden sich nach intensiver Entwicklungsarbeit neue Einsatzzwecke für Allradfahrzeuge:

Visco-Sperre:
Differenzdrehzahlfühlende Differentialsperre

Visco-Transmission:
Mittendifferential und Sperre zwischen Vorder- und Hinterachse
 
Das erste serienmäßige Fahrzeug mit einer Visco-Transmission war übrigens nicht der VW-T3 Syncro, sondern der amerikanische AMC Eagle, der als Vorläufer der heutigen SUVs gilt und von 1979 - 1987 produziert wurde.

 


Funktionsweise

Die Visco-Kupplung ist einer Mehrscheiben-Axialkupplung im Aufbau sehr ähnlich, nur dass die Antriebsmomente üblicherweise über Scherkräfte eines Fluids übertragen werden und nicht durch mechanische Reibung.

Das freie Innenvolumen der Visco-Kupplung ist zu circa 90 % mit hochviskosem Silikonöl gefüllt.
Die Klassifizierung als "Öl" ist für Silikonöl eher irreführend insofern dadurch gewisse Assoziationen einer Schmierfähigkeit hervorgerufen werden. Infolge schwacher zwischenmolekularer Kräfte ist die Tragfähigkeit eines Silikon-Wandfilms jedoch sehr gering, weshalb man insbesondere bei der Materialpaarung Stahl / Stahl von einem Anti-Schmiermittel sprechen kann.
 
Als Eingangsgröße für das übertragbare Antriebsmoment dient der Visco-Kupplung ausschließlich die variable Differenzdrehzahl zwischen den Achsen. Für das Übertragungsverhalten muss grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Modi unterschieden werden. Prinzipiell durchläuft eine Visco-Kupplung zuerst den "Viskose-Modus" und kann bei fortdauernder Belastung anschließend in den so genannten "Hump-Modus" wechseln.
 

Viskosemodus:

Flüssigkeitsreibung


Wenn Gehäuse und Hohlwelle der Visco-Kupplung sich gleich schnell drehen, ist das Silikonöl keinem viskosem Widerstand ausgesetzt. Denn die Außenlamellen im Gehäuse sind drehfest mit der Hinterachse verbunden und die Innenlamellen mit der Vorderachse. Im praktischen Einsatz wird dieser Idealzustand nie erreicht, da während des Fahrbetriebes ständig geringe Drehzahlunterschiede (Reifenschlupf, Kurvenfahrten, leicht unterschiedliche Reifendurchmesser usw.) auftreten.
 
Sobald Außen- und Innenlamellen sich unterschiedlich schnell drehen, entsteht in den Molekülen des Silikonöls infolge der Kohäsion eine innere Reibung, die versucht die Differenzdrehzahl zwischen den Lamellen wieder aufzuheben. Dabei unterliegt das Silikonöl an den Bohrungen und Schlitzen der sich gegeneinander drehenden Lamellen zusätzlichen Scherkräften.
 
Da Silikonöle den strukturviskosen Fluiden zugerechnet werden, bei denen die Viskosität mit wachsender Scherbelastung sinkt, ergibt sich ein degressives Übertragungsverhalten für das Antriebsmoment. Das übertragbare Moment ist im Wesentlichen von der momentanen Viskosität des Silikonöls und der Geometrie des Lamellenpakets abhängig. Die momentane Viskosität ergibt sich wiederum aus der Basis-Viskosität, der Temperatur und der Scherbelastung.
 
 

Humpmodus:

Festkörperreibung


Durch die innere Reibung im Viskose-Modus erwärmt sich das Silikonöl. Da Silikonöle eine hohe Wärmeausdehnung (circa das 40-fache von Aluminium) aufweisen, steigt der Innendruck in der hermetisch abgeschlossenen Visco-Kupplung. Dabei bedingt vor Allem der Füllgrad (z.B. 90 %) der Visco-Kupplung die Schnelligkeit des Druckanstiegs. Bei anhaltender Differenzdrehzahl wird die enthaltene Luft somit immer stärker komprimiert und geht mit dem Silikonöl in Lösung bis ein effektiver Füllgrad von 100 % erreicht wird. Der Innendruck steigt in diesem Zustand sprungartig an, und würde bei einer weiteren Energiezufuhr zur Zerstörung der Visco-Kupplung führen, da diese auf einen maximalen Innendruck von circa 100 bar ausgelegt ist. Hier kommt die Visco-Kupplung in den Hump-Modus. Der Hump-Effekt wurde früher gelegentlich als dilatantes Verhalten des Silikonöls beschrieben, doch der Hump-Effekt hat nichts mit plötzlichen Viskositätssprüngen zu tun, denn Silikonöl ist das Gegenteil von dilatant, nämlich strukturviskos.
 
In Realität sind die Vorgänge etwas komplexer: Bedingt durch eine destabilisierte Strömung liegt in der Visco-Kupplung eine inhomogene Druckverteilung vor. Dadurch entstehen unterschiedliche Lamellenspalte. Entscheidend ist hier die Fertigungsart der Lamellen, denn durch das Stanzen entsteht an der Oberseite eine abgerundete Einzugskante und an der Unterseite ein scharfer Grat. Die abgerundete Kante wirkt dabei wie ein hydrodynamischer Schmierkeil an dem die Lamelle aufschwimmt und der scharfe Grat schabt das Silikon von der benachbarten Lamellenoberfläche.

 
Werden die Spalte zu eng, dann reißt der Silikonfilm und es kommt zur mechanischen Reibung zwischen den Lamellen. Aufgrund dessen erhöht sich schlagartig das übertragene Drehmoment, wodurch die Differenzdrehzahl in der Visco-Kupplung rasch sinkt. In der Fahrpraxis bedeutet dieser Momentenanstieg, dass sich ein hängengebliebenes Fahrzeug nun entweder befreien kann oder dass der Motor abstirbt. Die Temperatur fällt und die Visco-Kupplung wechselt wieder in den Viskose-Modus. Der Hump-Modus ist zur kurzzeitigen Traktionserhöhung in Extremsituationen gedacht und gleichzeitig konstruktiver Selbstschutz der Kupplung vor Überhitzung.
 


Probleme

Bei 90 % der alten T3-Viscos zeigt sich beim Prüflauf vor der Überholung das gleiche Bild:
Das einer extremen Verhärtung:

Gebrochene Antriebswelle im VA-Getriebe
Diese extrem verhärteten Visco-Kupplungen befinden sich während des alltäglichen Fahrbetriebs praktisch ständig im Hump-Zustand. Denn das Vorderachsgetriebe erreicht üblicherweise Temperaturen um die 60°C, weshalb Vorder- und Hinterachse als starr verbunden anzusehen sind. Die daraus resultierenden Verspannungen im Antriebsstrang machen sich durch das übermäßige "Rubbeln" der Vorderachse in engen Kurven mit griffigem Untergrund bemerkbar. Dies führt nicht nur zu erhöhtem Reifenverschleiß (Sägezahnprofil), sondern im schlimmsten Fall zu einem Schaden an den SyncroGetrieben.
 
Die so oft anzutreffenden "extreme Verhärtung" der T3-Visco ist allerdings keine Alterungserscheinung sondern ein Konstruktionsproblem. Denn diese spezifische, extreme Verhärtung der T3-Visco tritt nur auf, wenn die Visco-Kupplung Getriebeöl aus dem vorderen Verteilergetriebe gesaugt hat. Das Problem des "Ölsaugens" war bei Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik (SDP) Ende der 1980er Jahre bemerkt worden, weshalb es auch in einer eigenen Diplomarbeit untersucht wurde.


Erkenntnis der Diplomarbeit Thaller

 
Die bemerkenswerte Erkenntnis: Bei winterlichen Außentemperaturen bildet sich aufgrund der hohen Wärmeausdehnung des Silikonöls ein statischer Unterdruck in der Visco-Kupplung, der beim Anfahrvorgang verstärkt wird. Durch diesen Unterdruck saugt die Visco-Kupplung während der Kaltlaufphase portionsweise Getriebeöl ein und geht nach und nach kaputt. Dieses Problem ist unabhängig von der Laufleistung. Im Kurzstreckenbetrieb kann bereits nach 2000 km eine extreme Verhärtung der Visco-Kupplung auftreten. Das Ergebnis der Untersuchung kam jedoch im Sommer 1990 reichlich spät. Letztlich wurden seitens SDP keinerlei Versuche mehr unternommen das Problem zu beheben.
 
Ein simpler Testaufbau mit einem Manometer zeigt die Virulenz des Problems.

 


Testaufbau

Im ersten Schritt wurde eine bei einer Raumtemperatur von 16°C befüllte Visco-Kupplung mit einem Überdruck von 1 bar beaufschlagt. Um die absolute Dichtheit des Testaufbaus zu überprüfen wurde die Visco-Kupplung in ein Wasserbad untergetaucht. Es zeigten sich keinerlei Anzeichen einer Undichtheit.
Im zweiten Schritt wurde der verschärfte Winterbetrieb simuliert, indem die Visco-Kupplung über Nacht in einem Tiefkühlschrank arktischen Temperaturen von -15°C ausgesetzt wurde.
Durch die Abkühlung zeigte das Manometer einen eklatanten Druckabfall, es ist nur mehr ein Restdruck von 0,15 bar verblieben. Somit verursacht eine Temperaturdifferenz von 31°C in der Visco-Kupplung bereits einen statischen Druckabfall von 0,85 bar. Nach der Erwärmung stellt sich wieder der Ausgangsdruck von 1 bar ein.
Die übliche Befüllungsmethode bei Umgebungsdruck und Temperatur, bedeutet somit die latente Gefahr einer irreparablen, extremen Verhärtung der Visco-Kupplung während der Wintermonate.
 


Unser Ansatz

Um das unterdruckbedingte "Öl-Saugen" zu verhindern, erfolgt die Befüllung der Visco-Kupplung über ein Spezialventil.

Dadurch ist es möglich in die Visco-Kupplung einen geringen statischen Überdruck einzubringen. Zusätzlich kann über das Spezialventil der statische Vordruck feinjustiert an die Umgebungstemperatur angepasst werden.

Es wird im Vergleich zur damaligen SDP Werksabstimmung einen andere Füllmenge und eine angepasste Viskosität benötigt. Mit einem Prüfstand ist das Erarbeiten einer neuen Abstimmung jedoch eine lösbare Aufgabe.

 


Lebensdauer

Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik hat in einer eigenen Diplomarbeit die Standfestigkeit der Visco-Kupplung unter vorgegebene Betriebsbedingungen untersuchen lassen. Die Untersuchungen ergaben eine deutliche Abhängigkeit der Visco-Kupplungs-Lebensdauer von der Differenzdrehzahl, der Verlustleistung und der Höhe des Hump-Moments. Grundsätzlich muss allerdings nach zwei getrennten Lebensdauer-Kategorien unterschieden werden:


Viskoser Dauerlauf

Die Lebensdauer der Visco-Kupplung im ViskoseModus (Flüssigkeitsreibung) hängt zum Großteil von der Verschleißfestigkeit des Silikonöls ab, da sich die Alterung des Silikonöls in einer schleichenden Verhärtung der Visco-Kupplung manifestiert. Somit bewirkt die Zähigkeitszunahme des Öls eine Erhöhung des übertragenen Drehmoments über die Laufzeit.

Hump Zyklenfestigkeit

Im Hump unterliegen die Lamellen verschleißintensiven mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Ab einem gewissen Verschleiß verlieren die Lamellen die Fähigkeit zur Hump-Auslösung. Das zum Selbstschutz notwendige Hump-Moment kann dann nicht mehr erreicht werden. Dies kann dann zu einer Überhitzung der Kupplung führen, wobei der Innendruck unaufhaltsam ansteigt.

Weiterführende Informationen zur Lebensdauer


Viskoser Dauerlauf - Zähigkeitszunahme
Viskoser Dauerlauf - Lebensdauerkurve
Wahl der Basis-Viskosität
Hump - Lebensdauer

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