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.
 


Mängel der T3 Visco

Bei der überwiegenden Mehrheit 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 Syncro-Getrieben.
 
Die so oft anzutreffenden "extreme Verhärtung" der T3-Visco ist allerdings keine Alterungserscheinung sondern ein Konstruktionsfehler. 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 den Mangel zu beheben.  

Testaufbau:

Ein simpler Testaufbau mit einem Manometer zeigt die Virulenz des Mangels.  

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.

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

 

 


Mängel der T4 Visco

Schwache Serienabstimmung

Die Visco Kupplung des T4 Syncro weist zwar (im Gegensatz zum T3 Syncro) keine Konstruktionsfehler auf, dafür ist diese jedoch in der Standard-Abstimmung im harten Geländeeinsatz oft überfordert.

Die Werksabstimmung der Visco Kupplung mit circa 400 Nm bei 10 U/min ist zwar für Eis und Schnee in der Regel ausreichend, aber im schwierigen Gelände meist an der Grenze. Insbesondere bei leistungsgesteigerten und schweren Fahrzeugen dreht die Vorderachse dadurch unnötig lange durch, bevor sich die Hinterachse zuschaltet. Erfahrungsgemäß hat man sich dann schon festgefahren.

Standard-Kurve mit 400Nm
Deswegen bieten wir für schwere und leistungsgesteigerte Fahrzeug mit ABS auch eine sportlichere Abstimmung der Visco-Kupplung an, die dadurch wesentlich schneller reagiert als die Standard-Visco Kupplung. Im FAQ-Bereich zur T4 Visco sind die 3 Varianten (Standard, Sport, Super-Sport) detailiert beschrieben um die Auswahl für den eigenen Bus zu erleichtern.

Serie und +25% (Sport-Visco)
Serie und +50% (Super Sport-Visco)

Erhöhte Hump-Temperatur

Anders als bei der schnelllaufenden Visco-Kupplung des T3 Syncro, wird beim T4-Syncro die automatische Sperr-Funktion (Hump-Modus) im Gelände wesentlich häufiger abgerufen. Die dabei auftretenden, hohen Temperaturspitzen bewirken einen vorzeitigen Verschleiß des Silikonöls. Als Folge davon steigt die Hump-Temperatur. Bei einer neuen Visco-Kupplung liegt die Hump-Temperatur bei ungefähr 40°C. Durch den Verschleiß kann diese durchaus auf 80°C und höher ansteigen.

Eine erhöhte Hump-Temperatur kann dazu führen, dass sich der Bus in schwierigem Gelände bevorzugt über die Vorderachse eingräbt, während die automatische Sperr-Funktion (Hump-Modus) viel zu spät oder gar nicht mehr einsetzt.
Deswegen legen wir die Hump-Temperatur der T4- Visco-Kupplungen sorgfältig auf die untere Toleranzgrenze. Zusätzlich füllen wir die Visco-Kupplung mit Inert-Gas statt mit Umgebungsluft um die Temperaturbeständigkeit des Silikonöls zu steigern.

Rostige Wellenhülse

Der gravierendste Mangel betrifft die blanke, unscheinbare Wellenhülse am Stahldeckel der T4 Viscokupplung. Denn durch die rauen Umweltbedingungen am Fahrzeug-Unterboden, neigt die Wellenhülse dazu Rost anzusetzen. Die Rostnarbe wandert schließlich irgendwann bis zu den Dichtlippen des Wellendichtrings am Differential, woraufhin eine meist unbemerkte Leckage des Getriebeöls einsetzt. Durch die drehende Bewegung der Visco-Kupplung und den dabei entstehenden Fliehkräften kommt es zudem nur bedingt zu einer leicht erkennbaren Tropfenbildung.

Ölschlamm-Bildung durch undichten Wellendichtring  

Zahlreiche Getriebeschäden am hinteren Differential nehmen hier ihren Anfang. Denn die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass dadurch der Ölstand im hinteren Differential beim T4 Syncro fast immer zu niedrig ist. Teilweise liefen die Differentiale beinahe trocken.

Wir haben diesen Mangel behoben, indem wir die rostgefährdete Wellenhülse gegen eine eigens für uns angefertigte Wellenhülse aus rostfreien Edelstahl ersetzen. Die Oberfläche der Wellenhülse ist zusätzlich drallfrei geschliffen und mittels eines Spezialverfahrens gehärtet um einen verschleißfreien Lauf zu gewährleisten.

Wellenhülsen - 1.4404 V4A
 


Lebensdauer

Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik hat in einer eigenen Diplomarbeit die Standfestigkeit der T3-Viscokupplung 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 durch die Oxidation des Luftsauerstoffs eine Erhöhung des übertragenen Drehmoments über die Laufzeit. 

Dieses Verhalten kann jedoch nur bei Visco Kupplungen beobachtet werden, deren Gasblase aus herkömmlicher Umgebungsluft besteht.
Unsere Visco-Kupplungen werden ausschließlich mit Inert-Gas gefüllt. Dadurch wird verhindert, dass das Silikonöl durch die Einwirkung des Luftsauerstoffs allmählich eindickt.

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.

Bei der Visco-Kupplung des T3-Syncro wölbt sich dabei der Stahldeckel, bevor die Dichtringe versagen und die Visco-Kupplung ausläuft. Beim T4-Syncro wölbt sich zuerst auch der Stahldeckel, danach reißt aber in der Regel das Alu-Gehäuse auf. In beiden Fällen müssen zumindest die schadhaften Lamellen ersetzt werden.

Gerissener Stahldeckel
Gerissenes Alu-Gehäuse
Verformtes Gehäuse
Getellerte Lamellen

Weiterführende Informationen zur Lebensdauer


Viskoser Dauerlauf - Zähigkeitszunahme
Viskoser Dauerlauf - Lebensdauerkurve
Hump - Lebensdauer

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