DE102011088060A1

DE102011088060A1 - Pumpeneinheit mit einer Pumpe und einem Hybridantrieb

Info

Publication number: DE102011088060A1
Application number: DE102011088060A
Authority: DE
Inventors: Gernot Rieger; Raphael Zwick; Mario HARSCHER
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-10
Also published as: DE102011088060B4; US20130150199A1; US8876644B2

Abstract

Die Pumpeinheit (1) hat eine Pumpe (2) und einen Hybridantrieb (3). Die Pumpe (2) weist ein Pumpengehäuse (4) sowie eine Pumpenwelle (5) auf. Der Hybridantrieb (3) weist einen Elektromotor (10) sowie einen Antriebswellenanschluss (11) an eine Antriebswelle (12) auf. Der Elektromotor (10) und der Antriebswellenanschluss (11) stehen mittels eines Planetenradsatzes (13) mit der Pumpenwelle (5) in einer die Pumpenwelle (5) jeweils antreibenden mechanischen Wirkverbindung. Ein Stator (15) des Elektromotors (10) ist zumindest teilweise in das Pumpengehäuse (4) integriert. Ein Rotor (14) des Elektromotors (10) ist mechanisch fest mit einem Sonnenrad (23) des Planetenradsatzes (13) verbunden. Der Antriebswellenanschluss (11) ist mechanisch fest mit einem Hohlrad (24) des Planetenradsatzes (13) verbunden. Die Pumpenwelle (5) ist mechanisch fest mit einem Planetenträger (25) des Planetenradsatzes (13) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpeinheit, insbesondere eines Fahrzeuggetriebes, mit einer Pumpe und mit einem Hybridantrieb, wobei die Pumpe ein Pumpengehäuse sowie eine Pumpenwelle aufweist und der Hybridantrieb einen Elektromotor sowie einen Antriebswellenanschluss an eine Antriebswelle aufweist.
Eine derartige Pumpeinheit wird beispielsweise in einem Kfz-Automatikgetriebe zur Hydraulikölversorgung eingesetzt. Sie wird insbesondere vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die Menge an gefördertem Hydrauliköl an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt ist. Das geometrische Pumpenvolumen wird üblicherweise auf die Leerlaufdrehzahl ausgelegt. Da das Fördervolumen mit der Drehzahl zunimmt, fördert eine solche Pumpe im oberen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors oft zuviel Ölvolumen. Dies ist einerseits mit unnötigem Energieeinsatz verbunden und kann andererseits auch zu Kavitationsproblemen, wie z. B. Beschädigungen und Geräuschentwicklungen, führen. Außerdem kann eine ausschließlich mittels des Kfz-Verbrennungsmotors angetriebene Pumpe bei stehendem Verbrennungsmotor kein Öl liefern, so dass öldruckbetätigbare Elemente dann zumindest nicht mehr voll funktionsfähig sind. Ein stillstehender Verbrennungsmotor kann beispielsweise im Rahmen des Start-Stopp-Betriebs, bei dem die Brennkraftmaschine zur Schonung der Umwelt betriebssituationsgerecht kurzzeitig abgeschaltet wird, oder beim Fahren mit abgeschalteter Brennkraftmaschine (= „Segeln“) oder beim elektrisch angetriebenen Fahren vorkommen.
Um in diesen Betriebssituationen die Pumpeinheit dennoch betreiben zu können, werden zusätzlich elektrisch angetriebene Pumpen verwendet. Solche Elektropumpen haben einen verglichen mit einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Pumpe niedrigeren Wirkungsgrad. Außerdem benötigen sie zusätzlichen Bauraum.
In der DE 102 14 637 A1 wird eine Pumpeinheit mit einem hybriden Antrieb beschrieben. Letzterer enthält neben dem Anschluss an den Verbrennungsmotor auch einen Elektromotor. Sowohl der verbrennungsmotorische Antrieb als auch der elektromotorische Antrieb werden mittels eines Planetenradsatzes zum Betrieb der Pumpe verwendet. Der Hybridantrieb ist der eigentlichen Pumpe vorgeschaltet, wodurch der benötigte Bauraum ansteigt.
Eine ähnliche Pumpeinheit ist in der DE 103 29 215 A1 beschrieben, bei der ebenfalls ein hybrider Antrieb mit einem Summationsgetriebe in Form einen Planetenradsatzes zur Kopplung eines verbrennungsmotorisch angetriebenen ersten Leistungsstrangs und eines elektromotorisch angetriebenen zweiten Leistungsstrangs auf die Pumpenwelle vorgesehen ist. Der auch bei diesem Ausführungsbeispiel dem Pumpengehäuse vorgeschaltete Hybridantrieb erhöht wiederum den Bauraumbedarf.
In der DE 10 2004 005 430 A1 wird eine weitere Pumpeinheit beschrieben, die neben dem verbrennungsmotorischen Antrieb auch einen zusätzlichen Elektromotor umfasst. Der Rotor des Elektromotors ist in das Pumpengehäuse integriert. Dementsprechend ist das Pumpengehäuse drehbar gelagert. Dadurch erhöht sich der Umsetzungsaufwand, insbesondere auch derjenige zur Abdichtung innerhalb der Pumpe. Außerdem ist diese Lösung ausschließlich auf Innenzahnradpumpen anwendbar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Pumpeinheit der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine bedarfsorientierte Versorgung mit dem zu fördernden Medium ermöglicht und die sich einfach und kompakt realisieren lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Pumpeinheit entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei der Pumpeinheit stehen der Elektromotor und der Antriebswellenanschluss mittels eines Planetenradsatzes mit der Pumpenwelle in einer die Pumpenwelle jeweils antreibenden mechanischen Wirkverbindung. Weiterhin ist ein Stator des Elektromotors zumindest teilweise in das Pumpengehäuse integriert und ein Rotor des Elektromotors ist mechanisch fest mit einem Sonnenrad des Planetenradsatzes verbunden. Außerdem ist der Antriebswellenanschluss mechanisch fest mit einem Hohlrad des Planetenradsatzes verbunden. Darüber hinaus ist die Pumpenwelle mechanisch fest mit einem Planetenträger des Planetenradsatzes verbunden.
Die Pumpeneinheit wird bevorzugt in einem Fahrzeuggetriebe, insbesondere einem Fahrzeug-Automatikgetriebe, eingesetzt. Beispielsweise dient hier die Pumpeneinheit zur Erzeugung eines Hydraulikdruckes mittels dessen in an sich bekannter Weise Schaltelemente zum Ändern einer Übersetzung des Fahrzeuggetriebes (Einlegen von Gängen) betätigt werden können, und/ oder mittels des Hydraulikdruckes wird das Fahrzeuggetriebe in an sich bekannter Weise geschmiert und/oder gekühlt. Die Anwendung der Pumpeneinheit ist jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt, vielmehr sind eine Vielzahl andere Anwendungsbereiche denkbar. So kann sie beispielsweise in einer stationären Hydraulikanlage zur Erzeugung eines Hydraulikdruckes eingesetzt werden oder anderweitig zur Förderung von Flüssigkeiten.
Diese Pumpeinheit lässt sich mit einfachen Mitteln und zugleich in sehr kompakter Bauweise realisieren. Es handelt sich um eine integrierte Bauweise, bei der insbesondere der Elektromotor sehr platzsparend zumindest teilweise in das vorzugsweise feststehende Pumpengehäuse eingebettet ist. Dadurch wird für den Elektromotor nur wenig zusätzlicher Bauraum benötigt. Der Platzbedarf der Pumpeinheit insgesamt ist somit sehr niedrig.
Der Planetenradsatz ist insbesondere ein Summiergetriebe, bei dem mittels des Sonnenrads und mittels des Hohlrads Antriebsleistung einspeisbar und mittels des Planetenträgers Abtriebsleistung an die Pumpenwelle abgebbar ist. Das Sonnenrad, das Hohlrad und der Planetenträger sind dabei insbesondere jeweils drehbar gelagert.
Mittels der erfindungsgemäßen Pumpeinheit ist eine bedarfsorientierte Versorgung mit dem durch die Pumpe zu fördernden Medium (z. B. Öl, Kühlmittel oder dgl.) problemlos möglich. So ist über den Antriebswellenanschluss und die daran angeschlossene Antriebswelle eine insbesondere drehfeste Verbindung z. B. mit einem Verbrennungsmotor möglich. Damit kann der gute Wirkungsgrad eines verbrennungsmotorischen Antriebs zumindest in einem gewissen Drehzahlbereich ausgenützt werden. Außerhalb dieses Drehzahlbereichs kann das Fördervolumen mittels zusätzlicher Einspeisung der elektromotorischen Antriebsleistung an die jeweiligen Anforderungen dynamisch angepasst werden. Die Antriebsleistung des Elektromotors ist insbesondere gezielt zu- und abschaltbar sowie in ihrem Umfang steuerbar. Gegebenenfalls ist außerdem die Rotordrehrichtung des Elektromotors umschaltbar.
Dem Planetenradsatz ist bevorzugt eine zusätzliche, ins Langsame übersetzende Übersetzungsstufe, insbesondere bestehend aus einer Stirnradstufe oder einem Kettentrieb, antriebstechnisch vorgeschaltet. Diese Übersetzungsstufe reduziert somit die über die Antriebswelle eingeleitete Drehzahl zum Antrieb des Planetenradsatzes. Die zusätzliche Übersetzungsstufe ist zur Reduzierung des benötigten Bauraumes der Pumpeinheit bevorzugt in den Planetenradsatz integriert, beispielsweise in ein Hohlrad des Planetenradsatzes, oder zu dem Planetenradsatz unmittelbar benachbart angeordnet. Über diese zusätzliche Übersetzungsstufe können der bauraumbedarf der Pumpeinheit, die Pumpendynamik (Bereitschaftszeit für den bereitgestellten Pumpendruck) und Kavitationseinflüsse in der Pumpe weiter optimiert werden. Durch die Übersetzung ins Langsame kann die Pumpe der Pumpeinheit insbesondere mit einem größeren geometrischen Verdrängungsvolumen ausgeführt werden, was dynamische Vorteile mit sich bringt. Beispielsweise spricht eine größere Pumpe schneller auf Drehzahländerungen an. Durch eine Erhöhung des Verdrängungsvolumens bei einer gleichzeitigen Reduzierung der Pumpendrehzahl können des weiteren störende Kavitationserscheinungen, wie Pumpenverschleiß, Geräusche etc., deutlich reduziert werden. Andererseits ermöglichen hohe Drehzahlen in gewissem Maße einen wirkungsgradbesseren Betrieb des Elektromotors.
Aufgrund des Übersetzungsverhältnisses des Planetenradsatzes und gegebenenfalls der zusätzlichen Übersetzungsstufe kann der Elektromotor bei solchen, insbesondere bei höheren Drehzahlen betrieben werden, bei denen er einen günstigeren Wirkungsgrad aufweist. Ein solcher günstiger Drehzahlbereich des Elektromotors liegt beispielsweise zwischen 3000–8000 1/min. Weiterhin kann der Elektromotor aufgrund der im Planetenradsatz hervorgerufenen Momentenerhöhung insbesondere kleiner ausgeführt werden. Dies trägt ebenfalls zur Reduzierung des benötigten Bauraums bei.
Für eine praktische Anwendung mit einem besonders guten Verhältnis aus Bauraumbedarf, Wirkungsgrad und Kavitationseigenschaften, welche sich besonders zum Einsatz in einem Fahrzeuggetriebe, insbesondere einem Fahrzeug-Automatikgetriebe eignet, hat sich eine Übersetzung i_P des Planetenradsatzes von i_P = 2 bis i_P = 6 als vorteilhaft erwiesen. Des Weiteren hat sich hierbei als vorteilhaft erwiese, wenn die Übersetzung i_Ü der zusätzlichen Übersetzungsstufe i_Ü > 1 bis i_Ü = 2 beträgt. Die Pumpe der Pumpeinheit ist dann bevorzugt so ausgeführt, dass deren geometrisches Verdrängungsvolumen V_g = 5 bis V_g = 20 cm³ beträgt. Hierdurch kann die Drehzahl des Elektromotors auf die genannten, vorteilhaften 3000–8000 1/min eingestellt werden. Mit einer derart ausgeführten Pumpeneinheit in einem wird eine hervorragende Pumpendynamik erzielt, bei einer gleichzeitigen deutlichen Reduzierung der genannten Kavitationserscheinungen und mit einem relativ niedrigen Bauraumbedarf.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Pumpeinheit, insbesondere für ein Fahrzeuggetriebe, bevorzugt ein Fahrzeug-Automatikgetriebe, beträgt die Übersetzung des Planetenradsatzes i_P = 4 und die Übersetzung der zusätzlichen Übersetzungsstufe i_Ü = 2. Das geometrische Verdrängungsvolumen der Pumpeinheit beträgt dann insbesondere im Bereich von V_g = 20 cm³. Hierdurch kann die Drehzahl des Elektromotors im Betrieb der Pumpeinheit auf einen wirkungsgradoptimalen Wert von ca. 6000 1/min eingestellt werden. Zudem können Kavitationserscheinungen in der Pumpe auf ein unmerkliches Maß reduziert werden. Es kann dabei auch ein niedriger Bauraumbedarf erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Pumpeinheit hat also aufgrund der teilweisen Integration des Elektromotors in das Pumpengehäuse einen vergleichsweise kleinen Platzbedarf. Sie lässt sich bedarfsorientiert und vor allem sehr effizient, d. h. mit einem hohen Wirkungsgrad, betreiben und kann mit einfachen Mitteln realisiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Pumpeinheit ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der Magnetkomponenten, insbesondere Permanentmagnete, des Rotors des Elektromotors an einer Innenumfangsfläche eines das Pumpengehäuse umgebenden, und insbesondere auf einer Pumpenwelle drehbar gelagerten, hohlzylindrischen Rotor-Bauteils angeordnet sind. Dadurch lässt sich ein sehr kompakter Gesamtaufbau realisieren. Die vom Elektromotor hervorgerufene Drehbewegung erfolgt insbesondere an dem hohlzylindrischen Rotor-Bauteil, wohingegen das Pumpengehäuse vorteilhafterweise feststehend ausgebildet ist. Letzteres vermeidet den ansonsten erforderlichen Zusatzaufwand für eine drehbare Lagerung des Pumpengehäuses und für eine dadurch mit bedingte kompliziertere Abdichtung innerhalb der Pumpe.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist das hohlzylindrische Rotor-Bauteil stirnseitig mit einer Rotor-Stirnabdeckung versehen, in deren Zentrum das Sonnenrad des Planetenradsatzes angeordnet ist. Dadurch wird eine sehr platzsparende feste mechanische Verbindung zwischen dem mittels elektromagnetischer Kräfte in eine Drehbewegung versetzbaren hohlzylindrischen Rotor-Bauteil und dem Sonnenrad geschaffen. Grundsätzlich kann die Rotor-Stirnabdeckung als vollflächiges Scheibenelement oder als Strebenelement nach Art eines Speichenrads ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung umfasst das Hohlrad des Planetenradsatzes ein hohlzylindrisches Hohlrad-Bauteil, das stirnseitig mit einer Hohlrad-Stirnabdeckung versehen ist, in deren Zentrum der Antriebswellenanschluss angeordnet ist. Auch dadurch lässt sich der benötigte Bauraum reduzieren. Die Hohlrad-Stirnabdeckung ermöglicht eine effiziente und einfach zu realisierende feste mechanische Verbindung beispielsweise einer im Antriebswellenanschluss drehfest platzierten Antriebswelle eines Verbrennungsmotors mit dem Hohlrad des Planetenradsatzes. Außerdem kann auch die Hohlrad-Stirnabdeckung entweder ein vollflächiges Scheibenelement oder ein Stegelement sein. Zwischen dem Antriebswellenanschluss und der Antriebswelle ist bevorzugt die zusätzliche Übersetzungsstufe, wie eine Stirnradstufe oder ein Kettentrieb, antriebstechnisch zwischengeschaltet. Diese bewirkt eine Reduzierung der Drehzahl der Antriebswelle.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung grenzt das hohlzylindrische Hohlrad-Bauteil an seiner von der Hohlrad-Stirnabdeckung abgewandten Stirnseite an die Rotor-Stirnabdeckung an, insbesondere berührungslos, d. h. ohne die Rotor-Stirnabdeckung unmittelbar mechanisch zu kontaktieren, da zwischen beiden Komponenten eine relative Drehbewegung auftreten kann. Die eng benachbarte Anordnung des Hohlrad-Bauteils an der Rotor-Stirnabdeckung wirkt sich ebenfalls günstig auf den Platzbedarf aus.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung bilden das hohlzylindrische Hohlrad-Bauteil und die Hohlrad-Stirnabdeckung ein Gehäuse für den Planetenradsatz. Insofern kann vorteilhafterweise ein gesondertes Gehäuse entfallen, wodurch der Herstellungsaufwand und der Platzbedarf sinken.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Synchronmotor. Ein Synchronmotor lässt sich besonders einfach abbremsen, indem insbesondere Spulenwicklungen eines im Stator angeordneten Spulensystems kurzgeschlossen werden. Bei kurzgeschlossenen Spulenwicklungen im Stator erzeugt der Synchronmotor ein Bremsmoment, sodass die Drehzahl der Pumpenwelle insbesondere einer Drehzahl einer an den Antriebswellenanschluss drehfest angeschlossenen Antriebswelle im Übersetzungsverhältnis des Planetenradsatzes vom Hohlrad auf den Planetenträger und abzüglich eines sich im Elektromotor einstellenden Schlupfes entspricht.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind Spulenwicklungen des Stators des Elektromotors mittels einer Steuereinheit kurzschließbar, wobei die Steuereinheit zur strombeaufschlagungsfreien Beeinflussung einer Drehzahl der Pumpenwelle ausgelegt ist. Die Steuereinheit steuert insbesondere die Strombeaufschlagung eines die Spulenwicklungen umfassenden Stator-Spulensystems. Sie ist insbesondere auch dazu ausgelegt, die Spulenwicklungen kurzzuschließen, um die Drehzahl der Pumpenwelle zu beeinflussen, insbesondere zu reduzieren, ohne die Spulenwicklungen mit Strom zu beaufschlagen. Damit lässt sich die Pumpeinheit so dimensionieren, dass die meisten Betriebszustände, d. h. Anforderungen an den zu fördernden Volumenstrom und/oder an den im zu fördernden Medium herrschenden Druck, ohne Bestromung der Stator-Spulenwicklungen des Elektromotors abgedeckt werden können. Dies ist insofern günstig, da der Gesamtwirkungsgrad der Hybrideinheit bei Einspeisung einer elektromotorisch erzeugten Antriebs(teil)leistung sinkt. Der Gesamtwirkungsgrad liegt erheblich höher, wenn die Antriebsleistung über den Antriebswellenanschluss, und dort insbesondere über eine drehfest angeschlossene Antriebswelle vorzugsweise eines Verbrennungsmotors, eingespeist wird.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, die Spulenwicklungen pulsweitenmoduliert kurzzuschließen. Dadurch lässt sich die Zeitspanne, innerhalb derer die Spulenwicklungen kurzgeschlossen sind und innerhalb derer ein Bremsmoment erzeugt wird, insbesondere bedarfsorientiert beeinflussen. Über das pulsweitenmodulierte Kurzschließen der Stator-Spulenwicklungen ist der zeitliche Mittelwert des Bremsmoments gezielt einstellbar. Die Drehzahl der Pumpenwelle und damit der geförderte Volumenstrom der Pumpe lassen sich auf diese Weise zumindest innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs sehr einfach und vorzugsweise kontinuierlich beeinflussen, insbesondere reduzieren. So lassen sich insbesondere sehr niedrige Drehzahlen der Pumpenwelle und geringe Förder-Volumenströme realisieren – und dies unabhängig von einer Beeinflussung der am Antriebswellenanschluss beispielsweise eingespeisten verbrennungsmotorischen Antriebsleistung und insbesondere ohne Strombeaufschlagung des Elektromotors. Eine bedarfsgerechte Versorgung mit dem zu fördernden Medium ist also sehr einfach und mit einem guten Wirkungsgrad (da ohne Bestromung des Elektromotors) möglich. Dies gilt insbesondere auch bei Verwendung einer Konstantpumpe.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Pumpe eine Kontaktpumpe oder eine Feststellpumpe. Die Pumpeinheit ist in ihren Einsatzmöglichkeiten sehr flexibel. Insbesondere ist sie nicht auf die Verwendung eines bestimmten Pumpentyps festgelegt. So ist eine Konstantpumpe beispielsweise relativ günstig im Anschaffungspreis, wohingegen bei einer Verstellpumpe das Fördervolumen zusätzlich mechanisch einstellbar ist. Beispiele für eine Konstantpumpe sind eine Zahnradpumpe oder eine Flügelzellenpumpe. Beispiele für eine Verstellpumpe sind eine Pendelschieberpumpe oder eine verstellbare Flügelzellenpumpe.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Pumpe eine Getriebeölpumpe, eine Kühlmittelpumpe oder eine Motorölpumpe. Diese Anwendungsfälle sind allerdings nur beispielhaft zu verstehen. Die Pumpeinheit kann auch für andere, außerhalb des Kfz-Bereichs gelegene Anwendungsfälle mit Vorteil zum Einsatz gelangen. Die Vorteile der hohen Integration, also des geringen Platzbedarfs, der einfachen Realisierung und des hohen Gesamtwirkungsgrads sind jeweils gegeben.
Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kupplungseinheit angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer hybrid angetriebenen Pumpeneinheit in einer auf eine Pumpenwellenachse bezogenen Längsschnittdarstellung.
Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel einer Pumpeinheit 1 ist eine insbesondere hoch integrierte Hybridpumpe zur bedarfsorientierten Ölversorgung eines Kfz-Automatikgetriebes. Die Pumpeinheit 1 umfasst als Hauptkomponente eine Pumpe in Form einer Hydraulikpumpe 2 sowie einen Hybridantrieb 3.
Die Hydraulikpumpe 2 hat ein feststehendes Pumpengehäuse 4, in dem eine Pumpenwelle 5 drehbar um eine Drehachse 6 gelagert ist. In dem Pumpengehäuse 4 ist ein Pumpenrad 7 aufgenommen, das mittels der Pumpenwelle 5 in eine Drehbewegung versetzt werden kann. Außerdem umfasst die Hydraulikpumpe 2 ein Pumpen-Hohlrad 8 sowie eine Sichel 9. Bei einer Rotation des Pumpenrads 7 wird Öl mit einem Öl-Volumenstrom in einen nicht dargestellten abführenden Kanal eingespeist, von wo aus das Öl in das Getriebe weitergeleitet wird. Die Hydraulikpumpe 2 ist eine Konstantpumpe. Die das Öl fördernden Komponenten sind in an sich bekannter Weise aufgebaut.
Grundsätzlich kann anstelle der im Ausführungsbeispiel der Figur gezeigten Hydraulikpumpe 2 auch eine andere Pumpe oder ein anderer Pumpentyp, beispielsweise eine Verstellpumpe, verwendet werden. Ebenso ist ein anderer Einsatzzweck, beispielsweise als Kühlmittelpumpe oder als Motorölpumpe, denkbar.
Der Hybridantrieb 3 umfasst einen Elektromotor 10 sowie einen Anschluss 11 für eine Antriebswelle 12, die von einem nicht näher gezeigten Verbrennungsmotor angetrieben ist. Außerdem hat der Hybridantrieb 3 einen Planetenradsatz 13, der den ersten über die Antriebswelle 12 verbrennungsmotorisch gespeisten Antriebsstrang und den zweiten über den Elektromotor 10 gespeisten Antriebsstrang mechanisch auf die Pumpenwelle 5 koppelt.
Antriebstechnisch zwischen der Antriebswelle 12 und dem Anschluss 11 ist bevorzugt, jedoch nicht zwingend, eine zusätzliche, hier allerdings nicht gezeigte Übersetzungsstufe angeordnet, welche die Drehzahl der Antriebswelle 12 für den Planetenradsatz 13 herabsetzt. Die zusätzliche Übersetzungsstufe kann bevorzugterweise in den Anschluss 11 integriert sein oder unmittelbar benachbart dazu angeordnet sein.
Der Elektromotor 10 hat einen drehantreibbar um die Drehachse 6 gelagerten Rotor 14 und einen feststehenden Stator 15, welcher als integrierter Bestandteil des Pumpengehäuses 4 ausgebildet ist. Der Stator 15 umfasst ein Spulensystem, das mit Strom beaufschlagt werden kann, um den Rotor 14 in eine Drehbewegung zu versetzen. Das Spulensystem setzt sich aus einer Vielzahl von Statorwicklungen 16 zusammen, die an einer Außenumfangsfläche 17 des Pumpengehäuses 4 in entsprechende, nicht näher gezeigte Ausnehmungen am Pumpengehäuse 4 eingebettet sind. Der Rotor 14 ist als hohlzylindrisches Bauteil ausgeführt, das das Pumpengehäuse 4 umgibt und das mit einer Innenumfangsfläche 18 benachbart zu der Außenumfangsfläche 17 des Pumpengehäuses 4 angeordnet ist. Zwischen der Außenumfangsfläche 17 und der Innenumfangsfläche 18 ist ein Luftspalt 19 vorgesehen. An der Innenumfangsfläche 18 des Rotors 14 sind Permanentmagnete 20 platziert.
Der Elektromotor 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Synchronmotor ausgeführt. Die Strombeaufschlagung der Statorwicklungen 16 ist mittels einer Steuereinheit 21 einstellbar. Außerdem ist die Steuereinheit 21 so an das Spulensystem des Stators 15 angeschlossen, um bei Bedarf die Statorwicklungen 16 kurzzuschließen. Die Steuereinheit 21 ist also so ausgelegt, die zum Kurzschluss der Statorwicklungen 16 erforderlichen Schalthandlungen zu veranlassen. Insbesondere kann die Steuereinheit 21 auch ein pulsweitenmoduliertes Kurzschließen der Statorwicklungen 16 veranlassen.
Der Planetenradsatz 13 umfasst ein mittels eines Lagers 22 drehbar auf der Pumpenwelle 5 gelagertes Sonnenrad 23, ein Hohlrad 24 sowie einen mit Planetenrädern 25 versehenen Planetenträger 26. Das Sonnenrad 23 ist fest mit einer Rotor-Stirnabdeckung 27 verbunden. Insbesondere erstreckt sich das Sonnenrad 23 mit einem entsprechenden Fortsatz bis in eine korrespondierende konzentrisch zur Drehachse 6 angeordnete zentrale Ausnehmung in der Rotor-Stirnabdeckung 27, wobei eine drehfeste mechanische Verbindung zwischen dem Sonnenrad 23 und der Rotor-Stirnabdeckung 27 gebildet ist. In ihrem radialen Randbereich ist die Rotor-Stirnabdeckung 27 mechanisch fest an einer axialen Stirnwand 28 des hohlzylindrischen Bauteils des Rotors 14 angebracht, sodass insgesamt eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Rotor 14 und dem Sonnenrad 23 gegeben ist. Dabei können das hohlzylindrische Bauteil des Rotors 14, die Rotor-Stirnabdeckung 27 und das Sonnenrad 23 jeweils als gesonderte Komponenten ausgeführt sein. Alternativ kann auch eine einstückige Ausführung aller drei Komponenten oder zumindest von zweien dieser drei Komponenten vorgesehen sein.
Das Sonnenrad 23 steht mit seiner Außenverzahnung in einer kämmenden Wirkverbindung mit einer korrespondierenden Außenverzahnung der drehbar auf dem Planetenträger 26 gelagerten Planetenräder 25. Die Planetenräder 25 haben außerdem mit ihrer Außenverzahnung eine kämmende Wirkverbindung mit einer an einer Innenumfangsfläche des Hohlrads 24 vorgesehenen Innenverzahnung. Der Planetenträger 26 ist drehfest auf der Pumpenwelle 5 montiert. Das Hohlrad 24 umfasst neben dem eigentlichen hohlzylindrischen Bauteil eine Hohlrad-Stirnabdeckung 29, in deren Zentrum der Anschluss 11 angeordnet ist, und die drehfest mit der Antriebswelle 22 verbunden ist. Die Antriebswelle 22 ist drehbar um die Drehachse 6 gelagert, wobei die Pumpenwelle 5 und die Antriebswelle 12 keine unmittelbare Verbindung haben. Beide Wellen 5 und 12 können mit unterschiedlicher Drehzahl rotieren. Das hohlzylindrische Bauteil des Hohlrads 24 und die Hohlrad-Stirnabdeckung 29 können wiederum entweder als zwei getrennte, mechanisch fest verbundene Komponenten oder als einstückiges Bauteil ausgeführt sein.
Den Planetenradsatz 13 können zwei Räder (gesondert oder gemeinsam) antreiben, nämlich das Sonnenrad 23 und das Hohlrad 24. Der Abtrieb erfolgt über eine Komponente, nämlich den fest mit der Pumpenwelle 5 verbundenen Planetenträger 26.
Bei dem Hybridantrieb 3 ist also eine verbrennungsmotorische über die Antriebswelle 12 bzw. den Anschluss 11 einspeisbare Antriebsleistung mit einer vom Elektromotor 10 erzeugten elektromotorischen Antriebsleistung weitestgehend beliebig kombinierbar und auf die Pumpenwelle 5 koppelbar. Der Hybridantrieb 3 stellt also zwei Antriebsquellen zur Verfügung, deren Anteil zum Antrieb der Pumpenwelle 5 bedarfsgerecht und unter dem Gesichtspunkt eines jeweils bestmöglichen Gesamtwirkungsgrads eingestellt werden kann.
Aufgrund der Einbettung des Stators 15 in das Pumpengehäuse 4 hat die Pumpeinheit 1 ein äußerst niedriges Bauvolumen. Vorteilhafterweise dient das Hohlrad 24 zusammen mit der Hohlrad-Stirnabdeckung 29 als Gehäuse für den Planetenradsatz 13, wodurch der Platzbedarf ebenfalls klein gehalten wird.
Der Elektromotor 10 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Synchronmotor ausgeführt, sodass ein Kurzschließen der Statorwicklungen 16 ein Bremsmoment erzeugt. Die Höhe des zeitlich gemittelten Bremsmoments kann in gewissen Grenzen durch die pulsweitengesteuerte Modulation des Kurzschlusses eingestellt werden. Dadurch lässt sich die Drehzahl der Pumpenwelle beeinflussen, ohne dass das Stator-Spulensystem mit Strom beaufschlagt werden muss.
Insgesamt ist die Pumpeinheit 1 also ein sehr kompaktes Bauteil, das zugleich mit einfachen Mitteln realisiert ist und trotzdem eine sehr effiziente und vor allem bedarfsorientierte Ölförderung ermöglicht. Außerdem kann der benötigte Ölvolumenstrom auch bei einem Stillstand oder bei einer zu niedrigen Drehzahl der Antriebswelle 12 sicher zur Verfügung gestellt werden, da dann die (zusätzlich) erforderliche Antriebsleistung ohne Weiteres von dem Elektromotor 10 geliefert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Pumpeinheit
2: Hydraulikpumpe
3: Hybridantrieb
4: Pumpengehäuse
5: Pumpenwelle
6: Drehachse
7: Pumpenrad
8: Pumpen-Hohlrad
9: Sichel
10: Elektromotor
11: Anschluss
12: Antriebswelle
13: Planetenradsatz
14: Rotor
15: Stator
16: Statorwicklungen
17: Außenumfangsfläche des Pumpengehäuses
18: Innenumfangsfläche des hohlzylindrischen Rotor-Bauteils
19: Luftspalt
20: Permanentmagnete
21: Steuereinheit
22: Lager
23: Sonnenrad
24: Hohlrad
25: Planetenräder
26: Planetenträger
27: Rotor-Stirnabdeckung
28: axiale Stirnwand
29: Hohlrad-Stirnabdeckung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10214637 A1 [0004]
DE 10329215 A1 [0005]
DE 102004005430 A1 [0006]

Claims

Pumpeinheit, insbesondere eines Fahrzeuggetriebes, mit einer Pumpe (2) und mit einem Hybridantrieb (3), wobei • die Pumpe (2) ein Pumpengehäuse (4) sowie eine Pumpenwelle (5) aufweist, • der Hybridantrieb (3) einen Elektromotor (10) sowie einen Antriebswellenanschluss (11) an eine Antriebswelle (12) aufweist, • der Elektromotor (10) und der Antriebswellenanschluss (11) mittels eines Planetenradsatzes (13) mit der Pumpenwelle (5) in einer die Pumpenwelle (5) jeweils antreibenden mechanischen Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Stator (15) des Elektromotors (10) zumindest teilweise in das Pumpengehäuse (4) integriert ist und ein Rotor (14) des Elektromotors (10) mechanisch fest mit einem Sonnenrad (23) des Planetenradsatzes (13) verbunden ist, • der Antriebswellenanschluss (11) mechanisch fest mit einem Hohlrad (24) des Planetenradsatzes (13) verbunden ist, und • die Pumpenwelle (5) mechanisch fest mit einem Planetenträger (25) des Planetenradsatzes (13) verbunden ist.
Pumpeinheit nach Anspruch 1, bei der Magnetkomponenten (20) des Rotors (14) des Elektromotors (10) an einer Innenumfangsfläche (18) eines das Pumpengehäuse (4) umgebenden hohlzylindrischen Rotor-Bauteils angeordnet sind.
Pumpeinheit nach Anspruch 2, bei der das hohlzylindrische Rotor-Bauteil stirnseitig mit einer Rotor-Stirnabdeckung (27) versehen ist, in deren Zentrum das Sonnenrad (23) des Planetenradsatzes (13) angeordnet ist.
Pumpeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Hohlrad (24) des Planetenradsatzes (13) ein hohlzylindrisches Hohlrad-Bauteil umfasst, das stirnseitig mit einer Hohlrad-Stirnabdeckung (29) versehen ist, in deren Zentrum der Antriebswellenanschluss (11) angeordnet ist.
Pumpeinheit nach Anspruch 3 und 4, bei der das hohlzylindrische Hohlrad-Bauteil an seiner von der Hohlrad-Stirnabdeckung (29) abgewandten Stirnseite an die Rotor-Stirnabdeckung (27) angrenzt.
Pumpeinheit nach Anspruch 4 oder 5, bei der das hohlzylindrische Hohlrad-Bauteil und die Hohlrad-Stirnabdeckung (29) ein Gehäuse für den Planetenradsatz (13) bilden.
Pumpeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Spulenwicklungen (16) des Stators (15) des Elektromotors (10) mittels einer Steuereinheit (21) kurzschließbar sind, wobei die Steuereinheit (21) zur strombeaufschlagungsfreien Beeinflussung einer Drehzahl der Pumpenwelle (5) ausgelegt ist.
Pumpeinheit nach Anspruch 7, bei der die Steuereinheit (21) dazu ausgelegt ist, die Spulenwicklungen (16) pulsweitenmoduliert kurzzuschließen.
Pumpeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Pumpe (2) eine Konstantpumpe oder eine Verstellpumpe ist.
Pumpeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Planetenradsatz (13) eine zusätzliche, ins Langsame übersetzende Übersetzungsstufe, insbesondere eine Stirnradstufe oder ein Kettentrieb, antriebstechnisch vorgeschaltet ist.
Pumpeinheit nach Anspruch 10, bei der • der Planetenradsatzes (13) eine Übersetzung i_P von i_P = 2 bis i_P = 6, insbesondere i_P = 4, aufweist, und • die zusätzlichen Übersetzungsstufe eine Übersetzung i_Ü von i_Ü > 1 bis i_Ü = 2, insbesondere i_Ü = 2, aufweist und • die Pumpe (2) so ausgeführt ist, dass deren geometrisches Verdrängungsvolumen V_g = 5 bis V_g = 20 cm³, insbesondere im Bereich von V_g = 20 cm³, beträgt.