DE102022212783B3 - Lubrication and cooling system and method for operating a lubrication and cooling system with emergency lubrication of an electric drive - Google Patents

Lubrication and cooling system and method for operating a lubrication and cooling system with emergency lubrication of an electric drive Download PDF

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Abstract

Um Probleme bei der Kühlung und Schmierung eines elektrischen Antriebs zu verringern wird ein verbessertes Schmiersystem vorgeschlagen, wobei das Schmiersystem auch eine Notlauffunktion aufweist.Dazu dient ein Schmier- und Kühlsystem für einen elektrischen Antrieb (20) mindestens umfassend eine elektrische Maschine (EM) und ein Getriebe mit einem Differentialgetriebe (2) und eine elektrische Ölpumpe (9), wobei die Ölpumpe (9) mit einer Steuerung verbunden ist und einen Primärschmierkreislauf aufrechterhält, wobei das Differentialgetriebe (2) axial neben einer Ölwanne (4) angeordnet ist, die eine Verbindung zu einem Gehäuseteil (25) des Differentialgetriebes (2) mit dem Differential aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (25) das Antriebsrad (23) des Differentialgetriebes (2) entsprechend der Außenkontur des Antriebsrads (23) umschließt und die Verbindung eine Bohrung (10) oberhalb des Antriebsradumfangs (U) in einer Bauhöhe (h) in der Ölwanne und dem Gehäuseteil ist,, wobei die Bauhöhe (h) ist so groß, dass sie an den Differentialkorb heranreicht, so dass ein Überlauf direkt am Differentialkorb liegt.In order to reduce problems with the cooling and lubrication of an electric drive, an improved lubrication system is proposed, wherein the lubrication system also has an emergency running function. A lubrication and cooling system for an electric drive (20) is used for this purpose, comprising at least one electric machine (EM) and an Transmission with a differential gear (2) and an electric oil pump (9), the oil pump (9) being connected to a controller and maintaining a primary lubrication circuit, the differential gear (2) being arranged axially next to an oil pan (4) which has a connection to a housing part (25) of the differential gear (2) with the differential, characterized in that the housing part (25) encloses the drive wheel (23) of the differential gear (2) in accordance with the outer contour of the drive wheel (23) and the connection has a bore ( 10) above the drive wheel circumference (U) at a height (h) in the oil pan and the housing part, whereby the height (h) is so large that it reaches the differential cage, so that an overflow is located directly on the differential cage.

Description

Gebiet der ErfindungField of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmier- und Kühlsystem und Verfahren zum Betreiben eines Schmier- und Kühlsystems mit Notlaufschmierung eines elektrischen Antriebs.The present invention relates to a lubrication and cooling system and a method for operating a lubrication and cooling system with emergency lubrication of an electric drive.

Stand der TechnikState of the art

Eine elektrische Fahrzeugachsen-Baugruppe ist eine Lösung für den elektrischen Antrieb von batterieelektrischen Fahrzeugen und Hybridanwendungen. Elektrische Maschine, Leistungselektronik und Getriebe sind dabei zu einer kompakten Einheit kombiniert, die unmittelbar die Fahrzeugachse antreibt. Das reduziert die bisherige Komplexität des E-Antriebs und macht den Fahrzeugantriebsstrang günstiger, kompakter und effizienter.An electric vehicle axle assembly is a solution for the electric drive of battery-electric vehicles and hybrid applications. The electric machine, power electronics and transmission are combined into a compact unit that directly drives the vehicle axle. This reduces the current complexity of the electric drive and makes the vehicle powertrain cheaper, more compact and more efficient.

Die Leistungselektronik der Fahrzeugachsen-Baugruppe wandelt die Gleichspannung der Batterie in die von der elektrischen Maschine benötigte Wechselspannung um. Die elektrische Maschine, die elektrische in mechanische Energie umwandelt, überträgt das Drehmoment auf das Getriebe. Das Getriebe übersetzt die Leistung der elektrischen Maschine auf die Antriebswelle, die die Fahrzeugräder der zugeordneten Fahrzeugachse antreibt.The power electronics of the vehicle axle assembly convert the DC voltage from the battery into the AC voltage required by the electric machine. The electric machine, which converts electrical energy into mechanical energy, transfers the torque to the transmission. The transmission translates the power of the electric machine to the drive shaft, which drives the vehicle wheels of the associated vehicle axle.

Die elektrische Fahrzeugachsen-Baugruppe benötigt aufgrund der mechanisch sich bewegenden bzw. drehenden und miteinander wirkenden Komponenten (wie beispielsweise der Getriebebauteile/Zahnräder), die sich aufgrund von Reibung erwärmen und einem Verschleiß unterliegen, eine Kühlung und Schmierung.The electric vehicle axle assembly requires cooling and lubrication due to the mechanically moving or rotating and interacting components (such as the transmission components/gears) which heat up due to friction and are subject to wear.

Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist.Electrical machines include a fixed stator and a movable rotor, with the rotor being rotatably mounted within an annular stator in the most common design of an electrical machine.

Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.Due to the dielectric loss, electrical machines generate heat during their operation, which, on the one hand, causes a deterioration in the efficiency of the electrical machine and, on the other hand, negatively affects the reliable operation of the electrical machine over its service life. Therefore, in drive arrangements with electrical machines, a cooling device is usually provided which cools the parts of the electrical machine to be cooled.

Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab.Conventional cooling systems for electrical machines use a circulating gaseous or liquid coolant. The coolant circulates, for example, in a housing of the electrical machine or in a rotor shaft designed as a hollow shaft on which the rotor of the electrical machine is arranged. Due to its heat capacity, the coolant absorbs heat and transports it away.

Aus der DE 10 2021 205 656 A1 ist ein Kühlsystem mit einer lastpunktabhängigen Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine bekannt. Das Kühlsystem weist zumindest einen Kühlmittelpfad auf, der sich zumindest teilweise in einen Rotor der elektrischen Maschine erstreckt. In dem Kühlmittelpfad ist zumindest ein passives Ventil angeordnet, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt.From the DE 10 2021 205 656 A1 a cooling system with a load point-dependent cooling of a rotor of an electrical machine is known. The cooling system has at least one coolant path that extends at least partially into a rotor of the electric machine. At least one passive valve is arranged in the coolant path and regulates the flow rate of the coolant through the coolant path.

Nur mit einem abgestimmten Thermomanagment sowie entsprechenden Kühl bzw. Schmierstoffen ist ein effizienter, sicherer Betrieb des elektrifizierten Antriebsstrangs möglich.
Bekannt sind Lösungen mit passiver Spritzölschmierung durch Nutzung der Förderwirkung von umlaufenden Getriebeelementen. Dabei wird beispielsweise mit einer Ölsumpfschmierung mit Differential-Antriebsraddeflektor gearbeitet, wobei der Deflektor dazu dient, die Ölplantschverluste eines Differentialrades zu reduzieren. Um die Schmierung von Zahnrädern und Lagern dennoch zu gewährleisten, befindet sich an der in Getriebeeinbaulage tiefsten Stelle des Deflektors ein Ölkanal bzw. eine Öffnung zum Differentialrad. Das Differentialrad schleudert durch die Drehbewegung Ölnebel in den Getrieberaum, um alle weiteren Lager und Zahnradpaare zu schmieren.Efficient, safe operation of the electrified drive train is only possible with coordinated thermal management and appropriate coolants and lubricants.
Solutions with passive spray oil lubrication by using the conveying effect of rotating gear elements are known. For example, oil sump lubrication with a differential drive wheel deflector is used, whereby the deflector serves to reduce the oil splashing losses of a differential wheel. In order to ensure the lubrication of gears and bearings, there is an oil channel or an opening to the differential gear at the lowest point of the deflector in the gearbox installation position. As the differential gear rotates, it throws oil mist into the transmission compartment in order to lubricate all other bearings and gear pairs.

Bekannt ist auch, eine passiv gesteuerte Druckumlaufschmierung durch eine mechanisch über den Radsatz angetriebene Ölpumpe einzusetzen. Baulich dienen dazu ein Trockensumpf mit Druckumlaufschmierung und ein Hochtank. Durch die mechanisch betriebene Gerotor Pumpe wird der Ölsumpf im Getriebe von Öl leer gesaugt und in den Hochtank gepumpt. Damit werden Plantschverluste durch das Antriebsrad des Differentials weitgehend reduziert. Lager und Zahnräder werden bedarfsgerecht durch Ölleitungsquerschnitts-Verengungen wie Blenden und Drosseln aus diesem unter Druck stehenden Ölverteilungssystem geschmiert.It is also known to use a passively controlled pressure circulation lubrication system using an oil pump driven mechanically via the wheelset. Structurally, a dry sump with pressure circulation lubrication and an elevated tank are used for this purpose. The mechanically operated gerotor pump sucks oil out of the oil sump in the gearbox and pumps it into the high tank. This largely reduces churning losses caused by the differential drive wheel. Bearings and gears are lubricated as needed through oil line cross-sectional restrictions such as orifices and throttles from this pressurized oil distribution system.

Durch eine aktiv gesteuerte Druckumlaufschmierung über eine mittels einem zusätzlichen elektrischen Pumpenantriebsmotor betriebene Ölpumpe, lassen sich einige Probleme vermeiden. Wird die elektrische Pumpe aus Effizienzgründen nicht betrieben oder steht diese wegen eines Defekts still, sammelt sich Öl im Ölsumpf, was Schleppverluste durch Plantschen ansteigen lässt.
Während die elektrisch betriebene Ölpumpe sowohl aus Performance-, als auch aus Effizienzsicht häufig die technisch beste Lösung darstellt, gehen damit einige Nachteile einher.Some problems can be avoided through actively controlled pressure circulation lubrication via an oil pump operated by an additional electric pump drive motor. If the electric pump is not operated for efficiency reasons or is stopped due to a defect, oil collects in the oil sump, which increases drag losses due to splashing.
While the electrically operated oil pump is common from both a performance and efficiency perspective is the technically best solution, it comes with some disadvantages.

Für die ausschließliche Bereitstellung des Schmierölstromes über die Druckumlaufschmierung wird eine hohe Einschaltdauer der elektrischen Pumpe gefordert. Sämtliche Komponenten wie elektrische Leistungsendstufe, Pumpenantriebsmotor und Ölpumpe müssen für Dauerbetrieb ausgelegt werden. Wird darüber hinaus eine Getriebeöl-Lebensdauerfüllung kundenseitig gefordert, so kann die Forderung nach einem Ölfilter und entsprechendem Servicebedarf resultieren.
Bei Ausfall von elektrischer Leistungsendstufe oder Pumpenantriebsmotor oder Pumpe kann die Schmierölversorgung nicht sichergestellt werden und ein Betrieb des Fahrzeuges ist nicht möglich.
Somit sind hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit sämtlicher Komponenten gestellt und die Funktion der Pumpe muss durch geeignete Diagnose-Maßnahmen geprüft werden können (Strommessung, Druckschalter, etc.).
Bei inaktiver Getriebesteuerung ist keine Schmierung durch die elektrisch betriebene Pumpe möglich, so dass ein Abschleppen nur mit angehobener Achse erlaubt ist.
Bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten, bspw. beim Rangieren/Parkieren, können die von der elektrisch betriebenen Ölpumpe verursachten Geräusche störend wirken, wodurch u.U. zusätzliche Maßnahmen zur Geräusch- und Vibrationsunterdrückung erforderlich sind.
Bei tiefen Temperaturen ist ein voll funktionsfähiger Betrieb der Ölpumpe infolge der hohen Viskosität des Öls ggf. nicht möglich.In order to exclusively provide the lubricating oil flow via the pressure circulation lubrication system, the electric pump requires a long duty cycle. All components such as the electrical power stage, pump drive motor and oil pump must be designed for continuous operation. If the customer also requires a lifetime filling of gear oil, this may result in a requirement for an oil filter and the corresponding need for service.
If the electrical power output stage or pump drive motor or pump fails, the supply of lubricating oil cannot be ensured and the vehicle cannot be operated.
This means that high demands are placed on the reliability of all components and the function of the pump must be able to be checked using suitable diagnostic measures (current measurement, pressure switch, etc.).
When the transmission control is inactive, no lubrication is possible using the electrically operated pump, so towing is only permitted with the axle raised.
At low driving speeds, for example when maneuvering/parking, the noise caused by the electrically operated oil pump can be disruptive, which may require additional measures to suppress noise and vibration.
At low temperatures, fully functional operation of the oil pump may not be possible due to the high viscosity of the oil.

Wird die elektrische Pumpe aus Effizienzgründen nicht betrieben oder steht diese wegen eines Defekts still, sammelt sich Öl im Ölsumpf.
Wird der Ölsumpf und das Differentialrad nicht durch einen Deflektor getrennt, entstehen Schleppverluste durch Plantschen. Wird der Ölsumpf durch einen Deflektor getrennt oder taucht das Differentialrad nicht in den Ölsumpf ein ist keine Schmierung des Getriebes möglich.If the electric pump is not operated for efficiency reasons or is stopped due to a defect, oil collects in the oil sump.
If the oil sump and the differential gear are not separated by a deflector, drag losses occur due to splashing. If the oil sump is separated by a deflector or if the differential gear is not immersed in the oil sump, the transmission cannot be lubricated.

Aus der DE 10 2021 132 150 A1 ist ein Differentialgetriebe für ein Fahrzeug eventuell mit ejnem Elektronantrieb bekannt. Es ist ein Beölungssystem vorgeschlagen, bei dem das Öl über das Differentialrad geschleudert wird. Anschließend wird das Öl in einem oder mehreren Behältern gesammelt und von dort aus durch das Getriebe verteilt, um eine Schmierung der Lager, Zahnräder und Wellen zu ermöglichen. Im Getriebe befindet sich eine Ölpumpe für die Kühlung der E-Maschine/-n. Die Pumpe saugt das Öl im Sumpf durch einen Ölfilter, am tiefsten Punkt des Getriebes.
Es ist hierbei zu erkennen, dass bei dem Verfahren zum Betrieb des Getriebes die entsprechenden Zuführvorrichtungen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt sind, und die Pumpe derart betrieben sind, dass ein Ölniveau innerhalb des Ölsammelraums höher / oberhalb des Verbindungskanals liegt / gehalten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei entsprechender Kurvenfahrt die ausreichende Ölzuführung in dem Aufnahmeraum stattfinden kann.From the DE 10 2021 132 150 A1 A differential gear for a vehicle possibly with an electric drive is known. An oiling system is proposed in which the oil is thrown over the differential gear. The oil is then collected in one or more containers and from there distributed through the gearbox to lubricate the bearings, gears and shafts. There is an oil pump in the transmission for cooling the electric machine(s). The pump sucks the oil in the sump through an oil filter, at the lowest point of the transmission.
It can be seen here that in the method for operating the transmission, the corresponding feed devices, which are not shown here for the sake of clarity, and the pump are operated in such a way that an oil level within the oil collecting space is higher / above the connecting channel / is maintained . This ensures that sufficient oil supply can take place in the receiving space even when cornering.

In der DE 100 34 561 A1 wird Schmiermittel in einem Getriebe so verteilt, dass eine Optimierung des Schmiermittels in unterschiedlichen Sammelräumen stattfindet, wobei Menge des Schmiermittels von der Drehzahl abhängt. Die Aufgabe ist dabei, Scherverluste im Schmieröl des Getriebes zu minimieren.In the DE 100 34 561 A1 Lubricant is distributed in a gearbox in such a way that the lubricant is optimized in different collecting spaces, whereby the amount of lubricant depends on the speed. The task is to minimize shear losses in the lubricating oil of the gearbox.

Die US 2020 / 0 271 194 A1 zeigt eine Fahrzeugantriebsvorrichtung, die eine rotierende elektrische Maschine, einen Leistungsübertragungsmechanismus, der eine rotierende Antriebskraft zwischen der rotierenden elektrischen Maschine und einer Vielzahl von Rädern überträgt, ein Gehäuse, das zumindest einen Teil des Leistungsübertragungsmechanismus und der rotierenden elektrischen Maschine aufnimmt, und eine Hydraulikpumpe umfasst, wobei der Leistungsübertragungsmechanismus einen Differentialgetriebemechanismus umfasst, der das von einer Seite der rotierenden elektrischen Maschine eingegebene Drehmoment auf die Vielzahl von Rädern verteilt. Die Fahrzeugantriebsvorrichtung hat eine erste charakteristische Konfiguration, bei der: das Gehäuse mit einem ersten Vorratsbehälter, der von der Hydraulikpumpe angesaugtes Öl im Inneren des Gehäuses speichert, und einem zweiten Vorratsbehälter, der Öl im Inneren des Gehäuses speichert, versehen ist; die Hydraulikpumpe eine Pumpe ist, die immer in Verbindung mit der Drehung des Differentialgetriebemechanismus angetrieben wird; ein Förderanschluss der Hydraulikpumpe mit einem Vorrat in Verbindung steht, durch den Öl dem zweiten Vorratsbehälter zugeführt wird; zumindest ein Teil des Differentialgetriebemechanismus in dem ersten Behälter untergebracht ist; und eine erste Höhe eine Höhe einer Öloberfläche in dem ersten Behälter in einem Zustand ist, in dem die Drehung der mehreren Räder gestoppt ist, und die erste Höhe eine solche Höhe ist, dass zumindest ein Teil des Differentialgetriebemechanismus in dem ersten Behälter gespeichertes Öl eingetaucht ist.The US 2020 / 0 271 194 A1 shows a vehicle drive device that includes a rotating electric machine, a power transmission mechanism that transmits a rotating driving force between the rotating electric machine and a plurality of wheels, a housing that houses at least a part of the power transmission mechanism and the rotating electric machine, and a hydraulic pump, wherein the power transmission mechanism includes a differential gear mechanism that distributes the torque input from one side of the rotating electric machine to the plurality of wheels. The vehicle driving device has a first characteristic configuration in which: the housing is provided with a first reservoir that stores oil sucked by the hydraulic pump inside the housing and a second reservoir that stores oil inside the housing; the hydraulic pump is a pump that is always driven in conjunction with the rotation of the differential gear mechanism; a delivery port of the hydraulic pump is connected to a reservoir through which oil is supplied to the second reservoir; at least a part of the differential gear mechanism is housed in the first container; and a first height is a height of an oil surface in the first container in a state in which the rotation of the plurality of wheels is stopped, and the first height is a height such that at least a part of the differential gear mechanism is immersed in oil stored in the first container .

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Schmiersystem für einen elektrischen Antrieb anzugeben, wobei das Schmiersystem auch eine Notlauffunktion aufweist.It is an object of the invention to provide an improved lubrication system for an electric drive, the lubrication system also having an emergency running function.

Unter einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Schmiersystems mit einer Notlauffunktion anzugeben.In a further aspect, an object of the invention is a method for operating of a lubrication system with an emergency running function.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Schmier- und Kühlsystem für einen elektrischen Antrieb mindestens umfassend eine elektrische Maschine und ein Getriebe mit einem Differential mit Antriebsrad und eine elektrische Ölpumpe, wobei die Ölpumpe mit einer Steuerung verbunden ist und einen Primärschmierkreislauf aufrechterhält, wobei das Differential axial neben einer Ölwanne angeordnet ist, die eine Verbindung zu einem Gehäuseteil des Getriebes mit dem Differential aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil das Antriebsrad des Differentials entsprechend der Außenkontur des Antriebsrads umschließt.The object is achieved with a lubrication and cooling system for an electric drive comprising at least an electric machine and a transmission with a differential with a drive wheel and an electric oil pump, the oil pump being connected to a controller and maintaining a primary lubrication circuit, the differential being axially adjacent an oil pan is arranged, which has a connection to a housing part of the transmission with the differential, characterized in that the housing part encloses the drive wheel of the differential in accordance with the outer contour of the drive wheel.

Das Gehäuseteil umschließt das Antriebsrad mit geringem Abstand, so dass ein Bauraum vorhanden ist, in dem sich wenig Öl bereits sammeln kann.The housing part encloses the drive wheel at a small distance, so that there is an installation space in which little oil can collect.

Erfindungsgemäß wird zur Schmierung eines Antriebselementes eine Ölpumpe zur aktiven Schmierung verwendet. Des Weiteren ist zur passiven Schmierung ein Auffangbehälter nämlich die Ölwanne vorgesehen, wobei der Auffangbehälter einen Überlauf aufweist, der das Antriebselement versorgt.According to the invention, an oil pump is used for active lubrication to lubricate a drive element. Furthermore, a collecting container, namely the oil pan, is provided for passive lubrication, the collecting container having an overflow that supplies the drive element.

Ein Vorteil des im Ölsumpf platzierten Antriebsrad-Deflektor und -gehäuse mit Überlauf ist, dass die Ölwanne flacher ausgeführt werden kann. Damit kann der Ölsumpfspiegel über den Antriebsradumfang angehoben werden, ohne dass Ölplantschen auftritt. Die Notlaufschmierung ist durch die im Fall der aktiven Pumpe über die Druckumlaufschmierung oder im Fall der inaktiven Pumpe durch den Überlauf im Deflektor sichergestellt.An advantage of placing the drive wheel deflector and housing with overflow in the oil sump is that the oil pan can be made flatter. This allows the oil sump level to be raised above the drive wheel circumference without oil splashing occurring. The emergency lubrication is ensured by the pressure circulation lubrication in the case of the active pump or by the overflow in the deflector in the case of the inactive pump.

Die erfindungdgemäße Lösung umfasst, dass die Verbindung eine Bohrung über den Antriebsradumfang in der Ölwanne und dem Gehäuseteil ist.The solution according to the invention includes that the connection is a hole over the drive wheel circumference in the oil pan and the housing part.

Eine alternative Lösung umfasst, dass die Verbindung eine ventilgesteuerte Verbindung zwischen der Ölwanne und dem Gehäuseteil ist.An alternative solution includes that the connection is a valve-controlled connection between the oil pan and the housing part.

Die oben beschriebene Verbindung stellt zumindest einen Teil eines Sekundärkreislaufs dar, der ansonsten so verläuft, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.The connection described above represents at least part of a secondary circuit which otherwise runs as is known from the prior art.

Die Lösung besteht aus einer elektrisch betriebenen Kühl-/Schmierölpumpe (Primärschmierkreis) und einer bei inaktiver Ölpumpe wirksamen passiven Spritzölschmierung (Sekundärschmierkreis). Daraus resultiert ein hinsichtlich Performance, Effizienz und Ausfallssicherheit optimiertes Kühl-/Schmiersystem. Durch diese Erfindung werden einerseits die Plantsch-Verluste minimiert und zusätzlich bei nicht aktiver elektrischer Ölpumpe eine minimale Grundversorgung sichergestellt. Auch im Falle einer defekten elektrischen Ölpumpe ist ein Notlaufbetrieb gewährleistet.The solution consists of an electrically operated cooling/lubricating oil pump (primary lubrication circuit) and a passive spray oil lubrication system that is effective when the oil pump is inactive (secondary lubrication circuit). This results in a cooling/lubrication system that is optimized in terms of performance, efficiency and reliability. On the one hand, this invention minimizes the splashing losses and also ensures a minimum basic supply when the electric oil pump is not active. Even in the event of a defective electric oil pump, emergency operation is guaranteed.

Die Steuerung des Schmier- und Kühlsystem steuert den Primärkreislauf und bei Ausfall mindestens einer der elektrischen Komponenten erfolgt eine Notschmierung über den Sekundärkreislauf.The control of the lubrication and cooling system controls the primary circuit and if at least one of the electrical components fails, emergency lubrication takes place via the secondary circuit.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Schmier- und Kühlsystems mit Notlaufschmierung eines elektrischen Antriebs, wobei der elektrische Antrieb je nach Betriebsmodus über den Primärschmierkreislauf oder den Sekundärschmierkreislauf geschmiert und gekühlt wird.The task is also solved with a method for operating a lubrication and cooling system with emergency lubrication of an electric drive, the electric drive being lubricated and cooled via the primary lubrication circuit or the secondary lubrication circuit depending on the operating mode.

Die Betriebsmodi umfassen ein stehendes oder ein sich bewegendes Fahrzeug und bei bewegtem Fahrzeug ist mindestens ein Effizienzmodus, ein Performance-Modus, ein Silent-Modus und ein Abschleppmodus definiert.The operating modes include a stationary or a moving vehicle and when the vehicle is moving, at least one efficiency mode, a performance mode, a silent mode and a towing mode are defined.

Das Verfahren stellt den Sekundärschmierkreislauf durch einen Überlauf der Ölwanne durch Bohrungen bereit.The process provides the secondary lubrication circuit by overflowing the oil pan through holes.

Das Verfahren stellt alternativ den Sekundärschmierkreislauf durch eine Ölverbindung mit Ventil und Schwimmer in der Ölwanne bereit.The method alternatively provides the secondary lubrication circuit through an oil connection with a valve and float in the oil pan.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Fahrzeugachsenbaugruppe mit erfindungsgemäßem Schmiersystem in einem Betriebszustand ohne aktive Ölpumpe,
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der elektrischen Fahrzeugachsenbaugruppe mit erfindungsgemäßem Schmiersystem in einem Betriebszustand mit aktiver Ölpumpe,
  • 3 Details des Ölsumpfs und des Getriebes,
  • 4 eine Betriebsstrategie des Kühl- und Schmiersystems in Abhängigkeit von unterschiedlichen Fahrzuständen des elektrischen Antriebs der elektrischen Fahrzeugachsenbaugruppe; und
  • 5 ein Drehmoment/Geschwindigkeits-Leistungsdiagramm des elektrischen Antriebs mit Darstellung unterschiedlicher Betriebsmodi.
The invention is described below by way of example with reference to the drawings.
  • 1 shows a schematic cross-sectional representation of an electric vehicle axle assembly with a lubrication system according to the invention in an operating state without an active oil pump,
  • 2 shows a schematic cross-sectional representation of the electric vehicle axle assembly with a lubrication system according to the invention in an operating state with an active oil pump,
  • 3 Details of the oil sump and gearbox,
  • 4 an operating strategy of the cooling and lubrication system depending on different driving states of the electric drive of the electric vehicle axle assembly; and
  • 5 a torque/speed performance diagram of the electric drive showing different operating modes.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

1 zeigt in einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße Schmier- und Kühlsystem des elektrischen Antriebs 20. 1 shows a schematic representation of the lubrication and cooling system according to the invention of the electric drive 20.

Der elektrische Antrieb 20 umfasst im Wesentlichen eine Fahrzeugachse mit einer Getriebeeinheit 1 mit Getriebegehäuse, einer elektrischen Maschine EM, einer Ölwanne 4, einem Filter 8, einer Ölpumpe 9, einen Ölkühler 7 sowie entsprechenden Ölleitungen 6 zur Schmierung des Getriebes und zur Kühlung der elektrischen Maschine EM.The electric drive 20 essentially comprises a vehicle axle with a transmission unit 1 with a transmission housing, an electrical machine EM, an oil pan 4, a filter 8, an oil pump 9, an oil cooler 7 and corresponding oil lines 6 for lubricating the transmission and cooling the electrical machine E.M.

Der Rotor 21 weist eine Rotorwelle 22 und ein Rotorpaket auf, das fest auf der Rotorwelle 22 angeordnet ist, auf.The rotor 21 has a rotor shaft 22 and a rotor package that is fixedly arranged on the rotor shaft 22.

Das Kühlsystem weist einen Öllsumpf in der Ölwanne 4, eine Ölpumpe 9 und einen Ölkühler 7 auf, wobei die Ölpumpe 9 Öl aus dem Ölsumpf über den Ölkühler 7 in unterschiedliche Ölpfade, unter anderem in den Kühlmittelpfad zur Kühlung des Rotors 20, fördert. Die Ölpumpe 9 ist dabei elektrisch angetrieben. Weitere ÖIpfade können beispielsweise zu der Getriebeeinheit 1 oder einer Lagerversorgung führen. Der genaue Verlauf der Ölleitungen ist nicht dargestellt, folgt aber einem dem Fachmann bekannten Stand der Technik.The cooling system has an oil sump in the oil pan 4, an oil pump 9 and an oil cooler 7, with the oil pump 9 conveying oil from the oil sump via the oil cooler 7 into different oil paths, including into the coolant path for cooling the rotor 20. The oil pump 9 is electrically driven. Further oil paths can lead, for example, to the transmission unit 1 or a bearing supply. The exact route of the oil lines is not shown, but follows a state of the art known to those skilled in the art.

Das Getriebe umfasst ein Differentialgetriebe 2, das in Seitenwellen 3 eintreibt. Das Differential wird von einem Antriebsrad 23 und einem mit der elektrischen Maschine verbundenen Radsatz 24 angetrieben. Das Antriebsrad 23 läuft axial neben der Ölwanne 4 in einem kapselnden Gehäuseteil 25. Das Gehäuseteil ist mit einem Abstand von wenigen Millimetern zum Antriebsrad 23 angeordnet.The transmission includes a differential gear 2, which drives in side shafts 3. The differential is driven by a drive wheel 23 and a wheel set 24 connected to the electric machine. The drive wheel 23 runs axially next to the oil pan 4 in an encapsulating housing part 25. The housing part is arranged at a distance of a few millimeters from the drive wheel 23.

Bei einer nicht aktiven oder defekten Ölpumpe siehe 1, steigt der Ölspiegel im Getriebe-Ölsumpf, da sich die im Umlauf befindliche Ölmenge im Ölsumpf der Ölwanne 4 sammelt. Bei Betriebspunkten in denen keine Kühlung, aufgrund geringer Verlustleistung und folglich niedriger Temperaturen, notwendig ist, kann die elektrisch betriebene Ölpumpe deaktiviert werden. Trotzdem muss eine Grundschmierung des Getriebes sichergestellt sein. Deshalb ist im Ölsumpf ein Überlauf 10 in den abgeschlossenen Gehäuseteil 25 des Differentials vorgesehen. Steigt der Ölstand 5a in der Ölwanne 4 durch eine deaktivierte oder defekte Ölpumpe 9 an, fließt Öl in diesen abgeschlossenen Gehäuseteil 25 des Differentialzahnrades, des Antriebsrads 23, und wird von dort im Getriebe 2 verteilt. Eine Grundschmierung der Getriebeeinheit 1 ist damit sichergestellt. Der Überlauf 10 ist dabei oberhalb des Antriebsradumfangs U in einer Bauhöhe h angebracht. Die Bauhöhe h ist so groß, dass sie an den Differentialkorb heranreicht, so dass der Überlauf direkt am Differentialkorb liegt.If the oil pump is not active or defective, see 1 , the oil level in the transmission oil sump rises because the amount of oil in circulation collects in the oil sump of the oil pan 4. At operating points where no cooling is necessary due to low power loss and consequently low temperatures, the electrically operated oil pump can be deactivated. Nevertheless, basic lubrication of the gearbox must be ensured. Therefore, an overflow 10 is provided in the oil sump into the closed housing part 25 of the differential. If the oil level 5a in the oil pan 4 rises due to a deactivated or defective oil pump 9, oil flows into this closed housing part 25 of the differential gear, the drive gear 23, and is distributed from there in the transmission 2. This ensures basic lubrication of the gear unit 1. The overflow 10 is mounted above the drive wheel circumference U at a height h. The overall height h is so large that it reaches the differential carrier, so that the overflow is directly on the differential carrier.

Bei einer aktiven Ölpumpe, dargestellt in 2 und 3, sinkt der Ölspiegel 5b im Getriebe-Ölsumpf der Ölwanne 4, da die gesamte Ölmenge in den Getriebe-Kreislauf gepumpt wird. Dies führt dazu, dass sich kein Öl im abgesperrten Gehäuseteil 25 des Differentialgetriebes 2 befindet.
Die Minimalmengenschmierung im Getriebe wird über nicht dargestellte Ölkanäle sichergestellt. Gleichzeitig wird kein Öl durch Plantschen im Getriebe verteilt und damit sind auch die Schleppverluste reduziert.
Der Überlauf 10 wird durch eine oder mehrere Bohrungen realisiert. Eine zusätzliche Möglichkeit ist, dass ein Schwimmer angebracht wird, der ein Ventil öffnet. With an active oil pump, shown in 2 and 3 , the oil level 5b in the transmission oil sump of the oil pan 4 drops because the entire amount of oil is pumped into the transmission circuit. This means that there is no oil in the shut-off housing part 25 of the differential gear 2.
The minimum quantity lubrication in the gearbox is ensured via oil channels, not shown. At the same time, no oil is distributed through splashing in the gearbox and drag losses are therefore reduced.
The overflow 10 is realized through one or more holes. An additional option is to attach a float that opens a valve.

Dies hat den Vorteil, dass nur eine geringe, steuerbare Ölmenge in den abgesperrten Bereich des Gehäuseteils 25 strömen kann.This has the advantage that only a small, controllable amount of oil can flow into the closed area of the housing part 25.

Die 4 zeigt in einem Prozessdiagramm ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Schmier- und Kühlmittelsystems einem elektrischen Antrieb mit einem primären und sekundären Kühl- und Schmiermittelkreislauf in Abhängigkeit der unterschiedlichen Fahrzustände des elektrischen Antriebs.The 4 shows in a process diagram a method for operating the lubricant and coolant system according to the invention in an electric drive with a primary and secondary coolant and lubricant circuit depending on the different driving states of the electric drive.

Unterschiedliche Fahrzustände werden vordefiniert und sind beispielhaft gelistet:

  • • Effizienzmodus: Betriebsmodus für maximale Reichweite bei eingeschränkter Fahrleistung. Vorwiegend wird dieser Modus im CityDrive oder im moderaten Highway-Drive gewählt.
  • • Performance-Modus: Betriebsmodus für maximale Fahrleistung. Dabei werden definierte Grenzwerte für Drehmoment und/oder Drehzahl überschritten.
  • • Silent-Modus: Betriebsmodus für Parkieren/Rangieren. Fahrzeuggeschwindigkeit und Betriebsdauer sind begrenzt, z.B. max. 5km/h und max. 2 Minuten.
  • • Abschleppmodus: Betriebsmodus für Abschleppen bei nicht angehobener Antriebsachse. Maximale zulässige Fahrzeuggeschwindigkeit und Abschleppweg sind begrenzt z.B. max. 60km/h und max. 15km.
Different driving states are predefined and are listed as examples:
  • • Efficiency mode: Operating mode for maximum range with limited driving performance. This mode is primarily selected in CityDrive or moderate Highway Drive.
  • • Performance mode: Operating mode for maximum driving performance. Defined limit values for torque and/or speed are exceeded.
  • • Silent mode: operating mode for parking/maneuvering. Vehicle speed and operating time are limited, e.g. max. 5km/h and max. 2 minutes.
  • • Towing mode: Operating mode for towing when the drive axle is not raised. Maximum permissible vehicle speed and towing distance are limited, e.g. max. 60km/h and max. 15km.

In der 5 ist das Drehmoment der elektrischen Maschine über der Drehzahl aufgetragen. Dabei sind Bereiche markiert, die den unterschiedlichen Betriebsmodi entsprechen.In the 5 The torque of the electric machine is plotted against the speed. Areas are marked that correspond to the different operating modes.

Der in 4 dargestellte Prozess startet in einer ersten Stufe 30 mit einer Abfrage zur Aktivierung des Getriebe-Kühl- Schmiermittelkreislaufs. Im Schritt 31 wird abgeprüft, ob sich das Fahrzeug bewegt.The in 4 The process shown starts in a first stage 30 with a query to activate the transmission-coolant-lubricant circuit. In step 31 it is checked whether the vehicle is moving.

Steht das Fahrzeug wird im Schritt 32 abgeprüft, ob die Ölsumpf-Vorkonditionierung aktiv ist, wenn ja wird im Schritt 36 überprüft, ob die untere Ölsumpf-Grenztemperatur vorliegt. Mit einer weiteren ja-Entscheidung wird erfasst, ob die Ölpumpe aktiviert ist, Schritt 37.
Schritt 38 überprüft, ob eine Änderung der Ölsumpftemperatur innerhalb der Grenzwerte vorliegt. Liegt eine solche Änderung vor, wird Rückmeldung R_precon ausgegeben. Wenn keine Änderung erfolgt ist, wird die Rückmeldung R_err_lub, nämlich „Fehlfunktion Schmieröl Vorkonditionierung“ ausgegeben.If the vehicle is stationary, it is checked in step 32 whether the oil sump preconditioning is active; if so, it is checked in step 36 whether the lower oil sump limit temperature is present. A further yes decision determines whether the oil pump is activated, step 37.
Step 38 checks whether there is a change in the oil sump temperature within the limits. If such a change occurs, feedback R_precon is output. If no change has been made, the feedback R_err_lub, namely “Lubricating oil preconditioning malfunction”, is output.

Der Zustand „Fahrzeug in Bewegung“ nach Schritt 31 liefert ein Eingabesignal zur Anforderung eines Schmierölbedarfs, Schritt 33.
Im Schritt 34 wird abgeprüft, ob die Getriebesteuerung aktiv ist. Sollte das nicht der Fall sein, springt der Ablauf zur Abfrage M_trail, die untersucht, ob ein Abschleppmodus aktiv ist.
Der Schritt M_per prüft, welcher Betriebsmodus im Moment aktiviert ist. Dabei werden die unterschiedlichen Betriebszustände wie der Performance-Modus M_per, der Effizienzmodus M_eff, der Silent-Modus M_sil und der Abschleppmodus M_trail nacheinander aufgerufen und abgefragt.The “vehicle in motion” state after step 31 provides an input signal to request a lubricating oil requirement, step 33.
In step 34 it is checked whether the transmission control is active. If this is not the case, the process jumps to the M_trail query, which checks whether a towing mode is active.
The M_per step checks which operating mode is currently activated. The different operating states such as the performance mode M_per, the efficiency mode M_eff, the silent mode M_sil and the towing mode M_trail are called up and queried one after the other.

Abhängig vom Betriebsmodus wird der Prozess weitergeführt. Ist der Performance-Modus aktiv, springt das Verfahren auf Schritt 41 und aktiviert dem Primärschmierkreis über die aktivierte elektrische Pumpe 9. Diese wird im Schritt 42 aktiv geschaltet. Im Schritt 43 wird die Öltemperatur überprüft und daraufhin angesehen, ob die Öltemperatur innerhalb der Grenzwerte liegt. Wird diese Frage mit Ja beantwortet erfolgt die Rückmeldung R_prim, dass die Funktion des Primärkreislaufs vorhanden ist.
Bewegt sich die Öltemperatur außerhalb der vorgegebenen Grenzwerte des Schrittes 43 erfolgt die Rückmeldung R_err_prim, was einer Ausgabe einer Fehlfunktion des Primärkreislaufs entspricht.Depending on the operating mode, the process continues. If the performance mode is active, the method jumps to step 41 and activates the primary lubrication circuit via the activated electric pump 9. This is activated in step 42. In step 43 the oil temperature is checked and it is checked whether the oil temperature is within the limit values. If the answer to this question is yes, the response R_prim will be that the function of the primary circuit is present.
If the oil temperature moves outside the specified limit values in step 43, the feedback R_err_prim occurs, which corresponds to an output of a malfunction in the primary circuit.

Der Ablauf für den Effizienzmodus entspricht dem Ablauf des Performance-Modus, bis auf eine zusätzliche Abfrage 39, in der abgefragt wird, ob die obere Öl-Grenzwerttemperatur erreicht ist. Wenn diese Temperatur bereits erreicht ist, folgt der Ablauf im Performance-Modus und der Primärschmierkreislauf wird entsprechend aktiviert. Sollte die Temperatur nicht erreicht sein, folgt der Ablauf dem Zweig des Silent-Modus. Im Schritt 40 wird dazu der Sekundärschmierkreislauf aktiv. Auch im Abschleppmodus wird der Schritt 40 angefahren. Im Schritt 44 wird die elektrische Ölpumpe als inaktiv festgelegt.
Schritt 45 überprüft wieder die Öltemperatur und fragt danach, ob sie innerhalb der Grenzwerte liegt. Wenn ja, wird eine Rückmeldung R_sec erzeugt, dass der Sekundärkreislauf funktional vorhanden ist. Wenn die Öltemperatur nicht in den vorgegebenen Grenzwerten liegt, wird dir Fehlermeldung R_err_sec ausgegeben.The process for the efficiency mode corresponds to the process for the performance mode, except for an additional query 39, which asks whether the upper oil limit temperature has been reached. If this temperature has already been reached, the process follows in performance mode and the primary lubrication circuit is activated accordingly. If the temperature is not reached, the process follows the silent mode branch. In step 40, the secondary lubrication circuit becomes active. Step 40 is also approached in towing mode. In step 44, the electric oil pump is set as inactive.
Step 45 checks the oil temperature again and asks if it is within the limits. If so, feedback R_sec is generated that the secondary circuit is functionally present. If the oil temperature is not within the specified limits, you will receive the error message R_err_sec.

Das Verfahren stellt die minimale Grundschmierung und Aufrechterhaltung der Notlaufeigenschaften des Getriebes bei inaktiver/defekter Ölpumpe sicher. Dadurch wird der Ölplanschverlust im Regelbetrieb reduziert.The process ensures minimal basic lubrication and maintenance of the emergency running properties of the gearbox when the oil pump is inactive/defective. This reduces the oil splashing loss in regular operation.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
GetriebeeinheitGear unit
22
DifferentialgetriebeDifferential gear
33
SeitenwelleSide wave
44
Ölwannesump
5a5a
Ölstand, Ölpumpe nicht aktivOil level, oil pump not active
5b5b
Ölstand, Ölpumpe aktivOil level, oil pump active
66
Ölleitung zur Schmierung des Getriebes und zur Kühlung der elektrischen MaschineOil line for lubricating the gearbox and cooling the electrical machine
77
Kühlercooler
88th
Filterfilter
99
ÖlpumpeOil pump
1010
Überlaufoverflow
EME.M
elektrische Maschineelectric machine
2020
elektrische Antriebelectric drive
2121
Rotorrotor
2222
RotorwelleRotor shaft
2323
Antriebsraddrive wheel
2424
RadsatzWheelset
2525
GehäuseteilHousing part
30-4530-45
VerfahrensschritteProcedural steps
UU
Umfang AntriebsradDrive wheel circumference
hH
Bauhöheheight

Claims (8)

Schmier- und Kühlsystem für einen elektrischen Antrieb (20) mindestens umfassend eine elektrische Maschine (EM) und ein Getriebe mit einem Differentialgetriebe (2) und eine elektrische Ölpumpe (9), wobei die Ölpumpe (9) mit einer Steuerung verbunden ist und einen Primärschmierkreislauf aufrechterhält, wobei das Differentialgetriebe (2) axial neben einer Ölwanne (4) angeordnet ist, die eine Verbindung zu einem Gehäuseteil (25) des Differentialgetriebes (2) mit dem Differential aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (25) das Antriebsrad (23) des Differentialgetriebes (2) entsprechend der Außenkontur des Antriebsrads (23) umschließt und die Verbindung eine Bohrung (10) oberhalb des Antriebsradumfangs (U) in einer Bauhöhe (h) in der Ölwanne und dem Gehäuseteil ist, wobei die Bauhöhe (h) ist so groß, dass sie an den Differentialkorb heranreicht, so dass ein Überlauf direkt am Differentialkorb liegt.Lubrication and cooling system for an electric drive (20) comprising at least an electric machine (EM) and a transmission with a differential gear (2) and an electric oil pump (9), the oil pump (9) being connected to a control and a primary lubrication circuit maintained, with the differential gear drive (2) is arranged axially next to an oil pan (4), which has a connection to a housing part (25) of the differential gear (2) with the differential, characterized in that the housing part (25) is the drive wheel (23) of the differential gear ( 2) corresponding to the outer contour of the drive wheel (23) and the connection is a hole (10) above the drive wheel circumference (U) at a height (h) in the oil pan and the housing part, the height (h) being so large that it reaches close to the differential carrier, so that there is an overflow directly on the differential carrier. Schmier- und Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine ventilgesteuerte Verbindung zwischen der Ölwanne (4) und dem Gehäuseteil (25) ist.Lubrication and cooling system Claim 1 , characterized in that the connection is a valve-controlled connection between the oil pan (4) and the housing part (25). Schmier- und Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung einen Sekundärkreislauf herstellt.Lubrication and cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that the connection creates a secondary circuit. Schmier- und Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den Primärkreislauf steuert und bei Ausfall mindestens einer der elektrischen Komponenten eine Notschmierung über den Sekundärkreislauf erfolgt.Lubrication and cooling system Claim 3 , characterized in that the controller controls the primary circuit and if at least one of the electrical components fails, emergency lubrication takes place via the secondary circuit. Verfahren zum Betreiben eines Schmier- und Kühlsystems nach Anspruch 3 mit Notlaufschmierung eines elektrischen Antriebs (20), wobei der elektrische Antrieb je nach Betriebsmodus über den Primärschmierkreislauf oder den Sekundärschmierkreislauf geschmiert und gekühlt wird.Method for operating a lubrication and cooling system Claim 3 with emergency lubrication of an electric drive (20), the electric drive being lubricated and cooled via the primary lubrication circuit or the secondary lubrication circuit depending on the operating mode. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Betriebsmodi ein stehendes oder ein sich bewegendes Fahrzeug umfassen und bei bewegtem Fahrzeug mindestens ein Effizienzmodus, ein Performance-Modus, ein Silent-Modus und ein Abschleppmodus definiert werden.Procedure according to Claim 5 , wherein the operating modes include a stationary or a moving vehicle and at least one efficiency mode, a performance mode, a silent mode and a towing mode are defined when the vehicle is moving. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Sekundärschmierkreislauf durch den Überlauf der Ölwanne durch Bohrungen (10) bereitgestellt wird.Procedure according to Claim 6 , whereby the secondary lubrication circuit is provided by the overflow of the oil pan through bores (10). Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Sekundärschmierkreislauf durch eine Ölverbindung mit Ventil und Schwimmer in der Ölwanne (4) bereitgestellt wird.Procedure according to Claim 7 , whereby the secondary lubrication circuit is provided by an oil connection with a valve and float in the oil pan (4).
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