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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Management von Getriebefluidtemperatur.
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EINFÜHRUNG
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Die hierin bereitgestellte Einleitung dient der allgemeinen Darstellung des Kontextes der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Einleitungsabschnitt beschriebenen Umfang, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik.
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Moderne Kraftfahrzeuggetriebe verwenden mehrere Quarts oder Liter Getriebefluid oder Hydrauliköl. Das Getriebefluid dient mehreren Zwecken. Erstens schmiert das Fluid die zahlreichen beweglichen und drehenden Teile innerhalb des Getriebes. Zweitens dient das Fluid als Wärmeübertragungsmechanismus, um eine geeignete Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, und drittens dient die Verwendung in einem hydraulischen Steuersystem für das Getriebe.
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Versuche, die Getriebefluidtemperaturen innerhalb eines akzeptablen Betriebsbereichs aufrechtzuerhalten, beruhten auf einem Getriebeölkühler oder Ölwärmer, der sich entfernt von dem Getriebe befindet, der wirkt, um Wärme abzuführen oder zu absorbieren. Ein Teil des Stroms des Getriebefluids in dem Getriebe wird von dem Betriebsstrom innerhalb des Getriebes zum externen Kühler/Wärmer abgelenkt.
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Bei Starts bei kaltem Wetter kann das kalte Getriebefluid eine hohe Viskosität aufweisen, die die Betriebseffizienz des Getriebes erheblich reduzieren kann, wie beispielsweise durch parasitäre Reibungsverluste oder Pumpwiderstände. Abhängig von der Umgebungstemperatur kann es eine beträchtliche Zeitspanne dauern, bis die Getriebefluidtemperatur in einen Bereich steigt, in dem die Betriebseffizienz auf ein zufriedenstellendes Niveau verbessert wird. Diese Verzögerung ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Reibungserwärmung von den Bauteilen innerhalb des Getriebes selbst die einzige Wärmequelle zur Erhöhung der Getriebefluidtemperatur ist. Während dieser Zeit kann die Betriebseffizienz deutlich reduziert sein, was zum Beispiel zu einer Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs führt.
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Es ist daher offensichtlich, dass eine verbesserte Steuerung der Temperatur des Getriebefluids erwünscht ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein System zum Management der Getriebefluidtemperatur beinhaltet ein Getriebegehäuse, das Getriebekomponenten zum Übertragen von kinetischer Energie und Getriebefluid, und einen Wärmetauscher innerhalb des Getriebegehäuses umschließt. Ein Verfahren zum Management der Getriebefluidtemperatur beinhaltet das Bereitstellen eines Getriebegehäuses, das Getriebekomponenten zum Übertragen von kinetischer Energie und Getriebefluid umschließt und einen Wärmetauscher innerhalb des Getriebegehäuses bereitstellt. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher innerhalb des Arbeitsströmungswegs des Fluids gebracht werden, anstatt lediglich in einem ableitenden Strömungsweg, in dem nur ein Teil des Fluidstroms einem Wärmetauscher ausgesetzt sein kann. Auf diese Weise kann ein viel größerer Teil des Stroms von Getriebefluid, wenn nicht der gesamte Strom, im Getriebegehäuse dem Wärmetauscher ausgesetzt sein. Dies verbessert die Fähigkeit zur Wärmeübertragung durch den Wärmetauscher erheblich, was die Geschwindigkeit verbessert, mit der Wärme in das oder von dem Getriebefluid übertragen werden kann. Beispielsweise ermöglicht das Vorhandensein des Wärmetauschers innerhalb des Getriebes, dass das Getriebefluid bei Kaltstartbedingungen viel schneller erwärmt wird, was die Effizienz und die Betriebseffektivität des Getriebes während der Kaltstartbedingungen erheblich erhöhen kann. In ähnlicher Weise stellt die größere Fähigkeit, Wärme von dem Getriebe zu übertragen, ein viel effektiveres System zum Übertragen von Wärme weg von dem Getriebe bereit, um die Temperatur des Fluids innerhalb eines bevorzugten Bereichs von Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.
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Die vorliegende Erfindung steht in starkem Kontrast zu Systemen, die einen Getriebefluidwärmetauscher außerhalb des Getriebegehäuses bereitstellen können und daher nur einen Teil des Stroms von Getriebefluid zu dem externen Wärmetauscher senden können, der die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmetauschers und die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Wärme ausgetauscht werden kann. Beispielsweise kann ein extern montierter Wärmetauscher nur etwa ein Drittel des Fluidvolumens aufnehmen, das durch das Getriebe strömt. Weiterhin erfordert die Positionierung des Wärmetauschers außerhalb des Getriebegehäuses, dass ein Teil des normalen Betriebsstroms von Fluid von einem neuen oder unterschiedlichen Weg verlagert wird, der sonst nicht für den Betrieb des Getriebes erforderlich ist. Die Montage des Wärmetauschers innerhalb des Getriebegehäuses ermöglicht die Positionierung dieses Wärmetauschers direkt im Weg des normalen Fluidstroms durch das Getriebe, was auch bei Nichtvorhandensein eines Wärmetauschers eingetreten wäre. Dies bietet ferner die Möglichkeit, die Konfiguration des Wärmetauschers zu optimieren und jegliche Störung des Stroms von Getriebefluid durch das Getriebe zu minimieren und/oder zu vermeiden.
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Zusätzlich erfordert die Positionierung des Wärmetauschers außerhalb des Getriebes das Hinzufügen von Fluidkommunikationskanälen zwischen dem Getriebe und dem entfernt montierten Wärmetauscher. Diese Zunahme des Weges für das Getriebefluid erfordert zusätzliche Energie, um zu bewirken, dass das Fluid durch diesen zusätzlichen Weg strömt. In einigen Fällen kann dies sogar nicht nur zusätzliche Ventile erfordern, sondern kann auch ein sekundäres Pumpsystem erfordern, um diesen Teil des Fluids durch diesen zusätzlichen Weg zu drängen. Alle diese Faktoren erhöhen die Energiemenge, die erforderlich ist, um den entfernt montierten Wärmetauscher zu nutzen, und reduzieren die Effizienz des Getriebes. Die Montage des Wärmetauschers innerhalb des Getriebegehäuses gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vermeidet die Notwendigkeit dieser Strukturen und erhöht somit die Gesamteffizienz des Getriebes erheblich.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Ansprüche und der Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin:
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1 eine schematische Veranschaulichung eines Antriebssystems 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist;
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2 eine perspektivische Querschnittsansicht einer Ölwanne 200 eines Getriebes 202 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist;
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3A eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers 214 von 2 ist;
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3B eine perspektivische Querschnittsansicht des Wärmetauschers von 2 und 3A ist;
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4 einen Ölwannenbereich 400 in einem Getriebe gemäß einer exemplarischen Ausführungsform veranschaulicht;
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5A eine perspektivische Ansicht eines weiteren Wärmetauschers 500 ist; und
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5B eine perspektivische Querschnittsansicht des Wärmetauschers 500 ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die enthaltene Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor.
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Antriebssystems 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform. Das Antriebssystem 100 beinhaltet einen Motor 102, der über eine Kupplung 104 einem Getriebe 106 kinetische Energie zuführt. Das Getriebe 106 kann über einen Drehmomentwandler 108 mit der Kupplung 104 verbunden sein. Der Drehmomentwandler 108 ist mit einer Vielzahl von kinetischen Energieübertragungsvorrichtungen 110 verbunden. Diese kinetischen Energieübertragungsvorrichtungen 110 können beispielsweise Reibungskupplungen und Bremsen sein, die mit Planetenradsätzen oder dergleichen angeordnet sind. Das Getriebe 106 beinhaltet ein Gehäuse 112, das die Komponenten des Getriebes 106 zusammen mit Getriebefluid oder Getriebeöl umschließt, das die Komponenten innerhalb des Getriebes 106 schmiert und kühlt/wärmt. Bei einem Automatikgetriebe kann das Getriebefluid auch verwendet werden, um Kupplungen zu betätigen, um Zahnradsätze in einem hydraulischen Steuersystem (nicht dargestellt) selektiv in Eingriff zu bringen.
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Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform umschließt das Getriebegehäuse 112 auch einen Wärmetauscher 114. Der Wärmetauscher 114 ist innerhalb des Getriebegehäuses 112 positioniert, um eine Wärmeübertragung zu und/oder von dem in dem Getriebegehäuse 112 umschlossenen Getriebefluid zu ermöglichen. Der Wärmetauscher 114 kann unter Verwendung von Fluidwärmeübertragungsmedium in Fluidverbindung stehen, das in der Lage ist, innerhalb des Wärmetauschers 114 zu zirkulieren und zu dem und von dem Wärmetauscher 114 über Kanäle zu strömen, die sich durch Wände des Getriebegehäuses 112 zu einem Thermomanagementsystem 116 erstrecken, das außerhalb des Getriebes 106 positioniert ist. Beispielsweise kann ein Thermomanagementsystem 116 außerhalb des Getriebes 106 positioniert sein und dazu dienen, die Übertragung von Wärme zwischen mehreren Komponenten innerhalb eines Automobils zu verteilen und zu managen.
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Das Thermomanagementsystem 116 in 1 beinhaltet einen Wärmetauscher 118, der dem Motor 102 und/oder einer anderen thermisch aktiven Vorrichtung, wie beispielsweise einem Kühler 120, zugeordnet sein kann. Das Thermomanagementsystem 116 kann eine beliebige Anzahl von Wärmetauschern beinhalten, die Wärme mit beispielsweise dem Kühler 120, einem Motorblock innerhalb des Motors 102, einem Abgaskrümmer, einem Abgassystem des Motors, Servolenkungssystemen und/oder dergleichen austauschen können. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine spezielle Struktur eines Thermomanagementsystems beschränkt, außer dass das System in der Lage ist, ein Wärmeaustauschmedium durch den Wärmetauscher 114 innerhalb des Getriebes 106 zu zirkulieren.
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Der Wärmetauscher 118 kann in selektiver Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher 114 sein. Die Strömung von Fluid zum Wärmetauscher 114 wird über ein Fluidschaltsystem gesteuert, wovon ein Beispiel schematisch als ein Ventil 122 veranschaulicht ist. Ein weiteres Beispiel eines Fluidschaltsystems kann ein Thermostat beinhalten. Das Thermomanagementsystem 116 kann ferner eine Steuerung 124 beinhalten, die den Fluidstrom zu dem Wärmetauscher 114 steuert, basierend auf beispielsweise einem Signal, das von einem Temperatursensor 126 empfangen wird, der innerhalb des Getriebegehäuses 112 positioniert ist. Auf diese Weise kann die Steuerung 124 selektiv den Fluidstrom zu dem Wärmetauscher 114 schalten, um beispielsweise dem Wärmetauscher 114 Wärme zuzuführen, um die Temperatur des Getriebefluids zu erhöhen, wie es bei einem Kaltstartzustand wünschenswert ist, oder die Steuerung 124 kann selektiv den Fluidstrom zu dem Wärmetauscher 114 umschalten, um beispielsweise Wärme von dem Wärmetauscher 114 zu entfernen, um die Temperatur des Getriebefluids innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs aufrechtzuerhalten.
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Bei dem in 1 schematisch veranschaulichten exemplarischen Getriebe 106 kann auch eine Pumpe/ein Filter 128 innerhalb des Getriebegehäuses 112 positioniert sein. Die Pumpe/der Filter 128 veranlassen das Getriebefluid, innerhalb des Getriebegehäuses 112 zu zirkulieren, um Schmierung, Thermomanagement bereitzustellen, und/oder zur Verwendung innerhalb eines hydraulischen Steuersystems, um selektiv Kupplungen und/oder Zahnradsätze innerhalb des Getriebes in einem Automatikgetriebe in Eingriff zu bringen. In der exemplarischen Ausführungsform von 1 ist der Wärmetauscher 114 nahe bei und/oder angrenzend an einem Einlass zu der Pumpe/dem Filter 128 positioniert, sodass eine wesentliche Mehrheit des Stromes des Getriebefluids, das durch das Getriebe umgewälzt wird, die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers 114 berührt. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetauscher 114 und dem Getriebefluid maximiert, wodurch die Wärmeübertragungskapazität erhöht, und die Zeitspanne, die benötigt wird, um die Temperatur des Getriebefluids in einen gewünschten Betriebsbereich zu ändern, erheblich verringert werden kann. Zusätzlich kann die Konfiguration des Wärmetauschers 114 angepasst sein, um den Kontakt des Getriebefluids mit dem Wärmetauscher 114 zu optimieren oder zu maximieren, bevor es in den Einlass der Pumpe/des Filters 128 eintritt, wie dies gemäß den nachfolgenden exemplarischen Wärmetauschern erläutert wird.
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2 stellt eine perspektivische Querschnittsansicht einer Ölwanne 200 eines exemplarischen Getriebes 202 dar. Die Ölwanne 200 ist typischerweise mit einem Getriebefluid (nicht dargestellt) bis zu einem Niveau 204 gefüllt, sodass die Komponenten, die sich innerhalb der Ölwanne 200 befinden, in das Getriebefluid eingetaucht sind. Das Getriebe 202 beinhaltet ein Getriebegehäuse 206 mit Wänden 208, die die äußere Ausdehnung des Getriebegehäuses 206 definieren und die Komponenten innerhalb des Gehäuses 206 einschließen, und das Getriebefluid innerhalb des Gehäuses 206 halten. Ein Getriebefluidfilter 210 ist innerhalb der Ölwanne 200 des Getriebes 202 positioniert. Der Getriebefluidfilter 210 beinhaltet einen Einlass 212, der Getriebefluid von der Ölwanne 200 empfängt. Der Filter 210 kann einen Teil einer Pumpe ausbilden oder kann in Fluidverbindung mit einer Pumpe (nicht dargestellt) stehen, die das Fluid veranlasst, in den Einlass 212 und durch den Filter 210 zu strömen. In einer anderen exemplarischen Ausführungsform kann die Getriebeölwanne 200 keinen Filter 210 beinhalten, sondern kann nur eine Pumpe (nicht dargestellt) beinhalten. In jedem Fall wird Getriebefluid von der Ölwanne 200 zur Verwendung an anderer Stelle in dem Getriebe gezogen.
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Ein Wärmetauscher 214 ist ebenfalls innerhalb der Ölwanne 200 des Getriebegehäuses 206 positioniert. Der Wärmetauscher 214 ist so konfiguriert, dass er das Aussetzen des Getriebefluids, das von der Ölwanne 200 und in den Einlass 212 zu den Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 214 gezogen wird, optimiert. Beispielsweise kann der Wärmetauscher 214, wie es leichter unter Bezugnahme auf 3A und 3B verstanden werden kann, eine U-Form ausbilden, um den Einlass 212 im Wesentlichen zu umgeben, sodass im Wesentlichen der gesamte Strom (siehe Strömungslinien 220) des Getriebefluids, der von der Ölwanne 200 in den Einlass 212 strömt, die Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 214 berührt, wodurch die Kapazität des Wärmetauschers 214 maximiert wird, um Wärme zu dem und/oder von dem Getriebefluid zu übertragen.
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Wie in 3A und 3B veranschaulicht, ist der Wärmetauscher 214 eine Konfiguration, die einen gestapelten Satz von sichelförmigen Platten 222 beinhaltet. Die Platten 222 sind hohl, um einen Strom von Wärmeübertragungsfluidmedien innerhalb der Platten 222 bereitzustellen. Die Oberfläche der Platten 222 kann Oberflächenmerkmale (nicht dargestellt) wie Vertiefungen, Führungen oder Rippen aufweisen, um den Strom des Fluids über die Wärmeübertragungsoberflächen zu beeinflussen und/oder die Oberflächen- oder Wärmeübertragungscharakteristika der Wechselwirkung zwischen dem Getriebefluid und den Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauschers 214 zu verbessern oder zu maximieren, um die Fähigkeit der Wärmeübertragung zwischen dem Getriebefluid und dem Wärmetauscher 214 zu verbessern. Die Oberflächenmerkmale können auch so ausgelegt sein, dass sie den Druckabfall des Stroms über die Wärmeaustauschflächen minimieren und/oder die Wärmeübertragungscharakteristika zwischen den Öl- und Wärmeaustauschflächen verbessern.
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Der Wärmetauscher 214 beinhaltet eine Ablenkplatte 216, die dazu dienen kann, den Strom des Getriebefluids von der Ölwanne 200 in Kontakt mit Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 214 zu leiten. Alternativ kann die Ablenkplatte 216 so konfiguriert sein, dass sie den Strom von Getriebefluid von der Ölwanne 200 zu dem Einlass 212 über einen Strömungsweg verhindert oder blockiert, der sonst nicht mit den Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 214 in Kontakt kommen könnte. Eine solche Ablenkplatte 216 kann in den Fällen nützlich sein, in denen es nicht genügend Platz gibt, um eine Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers 214 bereitzustellen, wie beispielsweise, wo beispielsweise der Einlass 212 sehr nahe an einer Wand 208 des Getriebegehäuses 206 positioniert sein kann.
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Der Wärmetauscher 214 beinhaltet einen Einlasskanal 218 und einen Auslasskanal 220, die sich durch entsprechende Kanäle 224 in den Wänden 208 des Getriebegehäuses 206 erstrecken. Auf diese Weise kann der Wärmetauscher 214 in Fluidverbindung mit der Außenseite des Getriebes stehen, um den Strom eines Fluidwärmeübertragungsmediums zu ermöglichen, das beispielsweise durch ein exemplarisches Thermomanagementsystem 116 bereitgestellt und/oder gesteuert wird.
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4 zeigt einen weiteren exemplarischen Ölwannenbereich 400 in einem Getriebe 402. Der Getriebeölwannenbereich 400 beinhaltet eine Pumpe 406, einen Filter 408 und den Wärmetauscher 214. Der Einlass zum Filter 408 befindet sich nahe an einer Wand 410 des Getriebegehäuse-Ölwannenbereichs 400. Daher ist nicht genügend Platz vorhanden, um Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauschers zwischen dem Einlass und der Wand 410 zu positionieren. In diesem Fall dient die Ablenkplatte 216 dem Blockieren des Stroms des Fluids von der Ölwanne 400 in den Einlass, wo keine Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers positioniert sind. Vielmehr leitet die Ablenkplatte 216 den Fluidstrom in den Einlass um, sodass das Fluid die Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 214 vor dem Eintritt in den Einlass berührt.
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5A und 5B veranschaulichen eine weitere exemplarische Ausführungsform eines Wärmetauschers 500, der eine zentrale Öffnung 502 beinhaltet, die von Wärmeaustauschflächen von ringförmigen Platten 504 umgeben ist. Dieser Wärmetauscher 500 kann innerhalb eines Getriebegehäuses so positioniert sein, dass die zentrale Öffnung 502 einen Fluideinlass aufnimmt. Auf diese Weise umgeben die Wärmeaustauschflächen der ringförmigen Platten 504 im Wesentlichen die zentrale Öffnung 502, die den Strom von Fluid in einen Einlass erfordert, der in der zentralen Öffnung positioniert ist, um die Wärmeaustauschflächen der ringförmigen Platten 504 zu berühren. Andere alternative Ausführungsformen eines Wärmetauschers können an die Umgebung und/oder Strukturen innerhalb des Gehäuses angepasst werden, um eine Wärmeübertragung zu und/oder von dem Getriebefluid bereitzustellen und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu bleiben. Beispielsweise kann ein Wärmetauscher als Rohranordnung oder jede andere Struktur ausgebildet sein.
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Der Wärmetauscher kann irgendwo innerhalb des Getriebegehäuses positioniert sein, solange zumindest eine gewisse Wärmeübertragung ermöglichende Berührung zwischen dem Wärmetauscher und dem Getriebefluid innerhalb des Getriebegehäuses bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der Wärmetauscher in einem Bereich innerhalb des Getriebegehäuses positioniert sein, in dem das Getriebefluid auf den Wärmetauscher aufgespritzt werden kann oder der Wärmetauscher in seinem eigenen Ölwannenbereich (nicht dargestellt) sitzen kann, um andere Überlegungen wie Packet- und/oder Raumbeschränkungen einzubeziehen.
