DE10329215A1

DE10329215A1 - Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE10329215A1
Application number: DE2003129215
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Ing. Frotscher; Bernd Dr. Vahlensieck; Uwe Dipl.-Phys. Griesmeier; Karl-Hermann Dr. Ketteler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2005-01-13

Abstract

Die Aufgabe, eine Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe (1) mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Getriebes (2) an Kraftfahrzeugen mit Schmiermittel beziehungsweise Getriebeöl zu schaffen, welche eine weitestgehend kontinuierliche und störungsfreie Versorgung des Getriebes (2) mit Getriebeöl, insbesondere auch beim Start-Stopp-Betrieb, gewährleistet, ohne das Bordnetz des Kraftfahrzeugs übermäßig zu belasten, wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Antriebsvorrichtung über zwei Leistungsstränge "I" und "II" verfügt, wobei der eine Leistungsstrang "I" von einem Verbrennungsmotor (3) und der andere Leistungsstrang "II" von einem Elektromotor (4) antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe und ein Verfahren zum Betreiben derselben nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise von Anspruch 7.
Bekanntermaßen wird der für den Betrieb von Getrieben benötigte Ölvolumenstrom von Ölpumpen mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Verfügung gestellt, die als sogenannten Konstantpumpen bekannt geworden sind. Diese Pumpen werden in verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen derart angetrieben, dass zwischen dem Verbrennungsmotor und der Pumpe eine direkte, oder über Zahnradstufen oder Kettentriebe indirekte mechanische Verbindung besteht. Dabei wird die Pumpe mit einer Drehzahl angetrieben, die der Drehzahl des antreibenden Verbrennungsmotors direkt proportional ist.
Als nachteilig hat sich hierbei jedoch herausgestellt, dass bei stehendem Verbrennungsmotor auch die Pumpe steht, so dass in einer solchen Betriebssituation öldruckbetätigbare Schaltelemente, wie beispielsweise Kupplungen und Bremsen in einem Automat- oder Lastschaltgetriebe, nicht mit einem ausreichenden Öldruck versorgt werden können. Insbesondere die Forderung nach einer Start-Stopp-Fähigkeit eines Getriebes kann dadurch nicht erfüllt werden. Bei einem solchen Start-Stopp-Betrieb eines Kraftfahrzeuges wird die Brennkraftmaschine zur Schonung der Umwelt betriebssituationsgerecht kurzzeitig abgeschaltet, und danach automa tisch und betriebssituationsgerecht wieder in Betrieb genommen.
Ferner ist es bekannt, dass der Schmierölbedarf und der Betätigungsöldruck eines Getriebes in der Regel nicht mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors ansteigt, sondern von anderen Parametern wie beispielsweise der Öltemperatur oder dem Bedarf nach Übersetzungsänderungsvorgängen abhängt. Vorteilhafterweise sollte daher der von der Getriebeölpumpe gelieferte Ölvolumenstrom nach diesen Parametern gesteuert werden.
Gängige Lösungen, insbesondere solche mit direkt angetriebenen Konstantpumpen bieten diese Möglichkeit der bedarfsgerechten Steuerung jedoch nicht. Die Auswahl und Auslegung derartiger herkömmlicher Pumpen erfolgt üblicherweise nämlich hinsichtlich eines Betriebspunktes, bei dem der Verbrennungsmotor mit Leerlaufdrehzahl dreht (gemäß dem ungünstigsten Fall hinsichtlich der Antriebsdrehzahl), das Getriebeöl eine hohe Temperatur aufweist und das benötigte Ölvolumen beziehungsweise der notwendige Öldruck zum Beispiel für eine Schaltung vergleichsweise hoch ist.
Steigt nun an einer Konstantpumpe die Antriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors zum Beispiel auf den dreifachen Wert der Leerlauf- bzw. Auslegungsdrehzahl, so steht dem Getriebe unter Umständen dreimal so viel Öl zur Verfügung, wie eigentlich benötigt wird. Multipliziert man die überschüssige Ölmenge mit dem Druckniveau, auf dem sie produziert wird, ergibt sich die entsprechende hydraulische Verlustleistung in diesem Betriebsfall.
Um diesem Missstand zu begegnen, bietet sich als denkbare Alternative der Antrieb einer Ölpumpe durch einen gesteuerten Elektromotor an, der unabhängig vom Verbrennungsmotor arbeitet ( EP 0 896 653 B1 ).
Der Vorteil einer solchen Lösung wird insbesondere darin gesehen, dass dieselbe start-stopp-fähig ist, da auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors eine Ölförderung durch elektromotorische Leistung gewährleistet ist. Zudem kann der Ölvolumenstrom vorteilhaft so eingestellt werden, dass das Getriebe mit der jeweils optimalen Ölmenge versorgt wird. Des Weiteren wird als vorteilhaft angesehen, dass das Nenn-Verdrängungsvolumen der Pumpe und demgemäss die Pumpe selbst klein ausgelegt werden kann, und dass die Pumpe in einem bezüglich ihres Wirkungsgrades optimalen Drehzahlbereich betreibbar ist.
Demgegenüber hat sich jedoch in der Praxis als nachteilig erwiesen, dass die mechanische Energie zum Betrieb der Pumpe mit einem schlechten Wirkungsgrad erzeugt wird, da verbrennungsmotorische Leistung zunächst in einer Lichtmaschine in elektrischen Strom und dieser nachfolgend im besagten Elektromotor wieder in mechanische Energie gewandelt wird. Weiterhin ist als nachteilig zu verzeichnen, dass der verwendete Elektromotor unter ungünstigen Bedingungen (hohe Öltemperatur) beziehungsweise Anforderungen (im Zuge eines Schaltvorgangs) eine derart hohe Leistung aufnimmt, dass die Leistungsfähigkeit eines heutigen Fahrzeug-Bordnetzes überschritten wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen zu schaffen, welche eine weitestgehend kontinuierliche und störungsfreie Getriebeölversorgung insbesondere auch in einer Start-Stopp-Betriebsphase gewährleistet, ohne das Bordnetz des Kraftfahrzeugs übermäßig zu belasten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben der besagten Antriebsvorrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Antriebsvorrichtung über zwei Leistungsstränge „I" und „II" verfügt, wobei der eine Leistungsstrang „I" von einem Verbrennungsmotor und der andere Leistungsstrang „II" von einem Elektromotor antreibbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Leistungsstränge „I" und „II" in einem Summierungsgetriebe zusammengeführt. Das Summierungsgetriebe ist seinerseits vorzugsweise als Planetengetriebe ausgebildet.
Zweckmäßigerweise sind dabei die Getriebe-Ölpumpe mit einem Planetenträger, der Elektromotor mit einem Sonnenrad und der Verbrennungsmotor über eine mechanische Koppelung mit einem Hohlrad des Summierungsgetriebes verbunden, wobei der Planetenträger über Planetenräder radial nach innen mit dem Sonnenrad und radial nach außen mit dem Hohlrad im Zahneingriff steht.
Die mechanische Koppelung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Summierungsgetriebe ist durch einen Kettentrieb, eine Zahnradpaarung oder eine andere geeignete mechanische Koppelung gebildet.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme sieht vor, dass der Elektromotor, das Summierungsgetriebe sowie die Getriebe-Ölpumpe auf einer zu der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors parallelen Raumachse angeordnet sind.
Das Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Kraftfahrzeuggetriebes mit Schmiermittel beziehungsweise unter Betätigungsdruck stehendem Getriebeöl zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebsvorrichtung der Getriebe-Ölpumpe bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades und einer optimalen Ölmenge derart betrieben wird, dass eine Anpassung der Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe an unterschiedliche Drehzahlen des Verbrennungsmotors, an die aktuelle Temperatur des Getriebeöls und/oder an andere Parameter, wie etwa die Übersetzungsänderungstätigkeit des Getriebes erfolgt.
In Fortbildung dieses Steuerungsverfahrens kann der Elektromotor im Hinblick auf die aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors stehen oder derart mit einem negativen, gleichbleibenden oder positiven Drehmoment betrieben werden, dass am Ausgang (Planetenträger) des Summierungsgetriebes eine betriebssituationsoptimale Ölpumpendrehzahl erzeugt wird.
Die vorgeschlagene Antriebsvorrichtung hat in bezug auf herkömmliche Antriebsvorrichtungen den wesentlichen Vorteil, dass dieselbe start-stopp-fähig ist und leicht an Verbrennungsmotoren (Diesel/Otto) mit unterschiedlichen Drehzahlbereichen angepasst werden kann, indem lediglich die Steuerungssoftware einer an sich bekannten Steuerungs- und Regelungsvorrichtung für den Elektromotor entsprechend ausgelegt wird.
Zudem kann unter Beachtung bestimmter Sollwerte für die Ölförderung laufend die aktuelle Motorleistung des Verbrennungsmotors beziehungsweise dessen Drehzahl für die Ansteuerung des Elektromotors Berücksichtigung finden, indem dieselbe mittels eines Drehzahlsensors überwacht und der Steuerungs- und Regelungsvorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Schließlich ist der Elektroenergieverbrauch durch den Elektromotor auf ein Minimum reduziert, da dieser, abgesehen von einem Totalausfall des Verbrennungsmotors, lediglich in einer Start-Stopp-Phase und in Reaktion auf sich ändernde Drehzahlen des Verbrennungsmotors zur Erzeugung einer solchen Differenzdrehzahl im Summierungsgetriebe in den Antrieb aktiv eingreift, dass eine betriebsoptimale Ölpumpendrehzahl erreicht wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt sehr schematisch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung.
Danach setzt sich die Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe 1 mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Getriebes 2 an einem Kraftfahrzeug mit Schmiermittel beziehungsweise Getriebeöl erfindungsgemäß aus zwei Leistungssträngen „I" und „II" zusammen, von denen der eine Leistungsstrang „I" von einem Verbrennungsmotor 3 und der andere Leistungsstrang „II" von einem Elektromotor 4 antreibbar ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Leistungsstränge „I" und „II" in einem Summierungsgetriebe 5 zusammengeführt, welches seinerseits als Planetengetriebe ausgebildet ist.
Dieses Planetengetriebe 5 umfasst ein Sonnenrad 6, das mit der Antriebswelle 7 des Elektromotors 4 drehfest verbunden ist, sowie mit diesem Sonnenrad kämmende Planetenräder 16, die von einem Planetenträger 8 getragen werden. Der Planetenträger 8 seinerseits ist zudem mit der Antriebswelle 9 der Getriebe-Ölpumpe 1 verbunden.
Um nun die Getriebe-Ölpumpe 1 auch mechanisch durch den Verbrennungsmotor 3 antreiben zu können, kämmen die Planetenräder 16 mit der Innenverzahnung eines Hohlrades 10, das über eine mechanische Koppelung 11 mit dem Verbrennungsmotor 3 wirkverbunden ist.
Vorliegend ist die mechanische Koppelung 11 durch einen Kettentrieb gebildet. Jedoch kann es auch angezeigt sein, diesen durch eine geeignete Zahnradpaarung oder eine andere an sich bekannte mechanische Koppelung 11 zu ersetzen (nicht näher dargestellt).
Zweckmäßigerweise sind dabei der Elektromotor 4, das Summierungsgetriebe 5 und die Getriebe-Ölpumpe 1 auf einer zur Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 3 parallelen Raumachse angeordnet.
Wie der einzigen Figur weiter entnommen werden kann, ist vorliegend innerhalb des Getriebes 2 ein Ölvorrat vorgesehen, aus dem das Getriebe 2 im Umlauf mittels der Getriebe-Ölpumpe 1 mit Getriebeöl versorgt wird.
Ferner ist dem Elektromotor 4 eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 13 zugeordnet, die ihrerseits über eine Steuerungsleitung 15 mit dem Elektromotor 4 sowie über eine Sensorleitung 14 mit einem Motordrehzahlsensor 17 am Verbrennungsmotor 3 verbunden ist. In Auswertung der sensierten aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 3 werden entsprechende Steuersignale zum Betrieb des Elektromotors 4 bereitstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung verfahrensgemäß näher beschrieben.
Wie bereits oben dargelegt, soll mittels der Getriebe-Ölpumpe 1 eine störungsfreie und kontinuierliche Versorgung des Getriebes 2 mit Schmiermittel, vorliegend Getriebeöl, gewährleistet werden. Der Antrieb der Getriebe-Ölpumpe 1 erfolgt vornehmlich durch den Verbrennungsmotor 3, der seinerseits über das Summierungsgetriebe 5 mit der Getriebe-Ölpumpe 1 wirkverbunden ist.
Für gleichbleibende Drehzahlen des Verbrennungsmotors 3 ist sicherlich eine kontinuierliche Versorgung des Getriebes 2 mit Getriebeöl durch eine entsprechende Auslegung des Durchflussvolumens der Getriebe-Ölpumpe 1 mit optimalem Wirkungsgrad derselben erzielbar. Gänzlich anders sieht es jedoch außerhalb dieses idealisierten Zustandes aus, wie zum Beispiel beim Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeugs oder auch bei einer Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 2.
In diesen Fällen sind Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors 3 gegebenenfalls bis zum Stillstand oder aus dem Stillstand heraus zu verzeichnen, die sich ihrerseits ohne weitere Maßnahmen nachteilig auf die Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe 1 auswirken.
Ferner ist auch ein Einfluss der aktuellen und sich gegebenenfalls ändernden Temperatur des Getriebeöls selbst auf die Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe 1 zu verzeichnen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Zusammenführung der beiden Leistungsstränge „I" (Verbrennungsmotor 3) und „II" (Elektromotor 4) ist nunmehr eine Antriebsvorrichtung geschaffen, die bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades der Getriebe-Ölpumpe 1 sowie einer betriebsoptimalen Getriebeölmenge derart betrieben werden kann, dass eine Anpassung der Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe 1 an unterschiedliche Drehzahlen des Verbrennungsmotors 3 und/oder an die aktuelle Temperatur des Getriebeöls und/oder an andere Parameter, wie beispielsweise die Übersetzungsänderungstätigkeit des Getriebes erfolgt.
Im wesentlichen wird dies durch einen definierten Eingriff des Elektromotors 4 in den Antrieb der Ölpumpe 1 bewerkstelligt, indem dieser im Hinblick auf die aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 derart mit einem negativen, gleichbleibenden oder positiven Drehmoment betrieben wird, dass die in der jeweiligen Betriebssituation gewünschte Drehzahl der Getriebe-Ölpumpe 1 erzeugt wird.
Mit der vorstehenden Erfindung kann daher laufend eine an den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 3 bedarfsgerecht angepasste Drehzahl der Getriebe-Ölpumpe 1 derart realisiert werden, dass beispielsweise die Drehzahl des Elektromotors 4 bei niedrigen Drehzahlen des Verbren nungsmotors 3 bis hin zum Stand desselben kontinuierlich ansteigt. Ebenso kann für einen größeren Ölbedarf, resultierend zum Beispiel aus größeren Leckölverlusten infolge höherer Öltemperaturen, eine steigende Drehzahl des Elektromotors 4 angezeigt sein.
Demgegenüber können jedoch auch geringere Drehzahlen des Elektromotors 4 bei steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors 3 und/oder geringeren Ölbedarf erforderlich werden.
Schließlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Elektromotor 4 ein negatives Moment aufbringt, um auf sehr hohe Drehzahlen des Verbrennungsmotors 3, beispielsweise einhergehend mit einem geringeren Ölbedarf, reagieren zu können.
Ist dagegen ein Gleichlauf des Verbrennungsmotors 3 zum Beispiel unter Last zu verzeichnen, kann der Elektromotor 4 stillstehen, beziehungsweise wird dieser mit leicht negativen Moment betrieben.
Die entsprechenden Steuersignale bezieht der Elektromotor 4, wie bereits oben erläutert von besagter Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 13.
Fällt der Verbrennungsmotor 3, aus welchen Gründen auch immer gänzlich aus, so wird die Getriebe-Ölpumpe 1 ausschließlich vom Elektromotor 4 betrieben, so dass auch in einer solchen Situation Getriebe-Schaltvorgänge problemlos durchführbar sind.
Ähnlich verhält es sich einem Ausfall des Elektromotors 4. In diesem Fall kann weiterhin Getriebeöl gepumpt werden, wenn das Sonnenrad 6 des vorliegenden Planetengetriebes dadurch gebremst wird, dass durch den Elektromotor 4 ein gewisser Drehwiderstand aufgebaut wird, und der Verbrennungsmotor 3 läuft.

1: Getriebe-Ölpumpe
2: Getriebe
3: Verbrennungsmotor
4: Elektromotor
5: Summierungsgetriebe
6: Sonnenrad
7: Antriebswelle des Elektromotors
8: Planetenträger
9: Antriebswelle der Getriebe-Ölpumpe
10: Hohlrad
11: mechanische Koppelung
12: Kardanwelle des Verbrennungsmotors
13: Steuer- und Regeleinheit
14: Sensorleitung
15: Steuerungsleitung
16: Planetenrad
17: Drehzahlsensor
„I": erster Leistungsstrang
„II": zweiter Leistungsstrang

Claims

Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe (1) mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Getriebes (2) an Kraftfahrzeugen mit Schmiermittel beziehungsweise Getriebeöl, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung über zwei Leistungsstränge „I" und „II" verfügt, bei der ein Leistungsstrang „I" von einem Verbrennungsmotor (3) und der andere Leistungsstrang „II" von einem Elektromotor (4) antreibbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leistungsstränge „I" und „II" in einem Summierungsgetriebe (5) zusammengeführt sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Summierungsgetriebe (5) als Planetengetriebe ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Summiergetriebe (5) die Getriebe-Ölpumpe (1) mit einem Planetenträger (8), der Elektromotor (4) mit einem Sonnenrad (6) und der Verbrennungsmotor (3) über eine mechanische Koppelung (11) mit einem Hohlrad (10) des Summierungsgetriebes (5) verbunden sind, wobei der Planetenträger (8) über Planetenräder (16) radial nach innen mit dem Sonnenrad (6) und radial nach außen mit dem Hohlrad (10) im Zahneingriff steht.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Koppelung (11) zwischen dem Verbrennungsmotor (3) und dem Summierungsgetriebe (5) durch einen Kettentrieb, eine Zahnradpaarung oder eine andere mechanische Koppelung (11) gebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4), das Summierungsgetriebe (5) sowie die Getriebe-Ölpumpe (1) auf einer zu der Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (3) parallelen Raumachse angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für eine Getriebe-Ölpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Kraftfahrzeuggetriebes mit Schmiermittel beziehungsweise unter Betätigungsdruck stehendem Getriebeöl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung der Getriebe-Ölpumpe bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades und einer optimalen Ölmenge derart betrieben wird, dass eine Anpassung der Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe an unterschiedliche Drehzahlen des Verbrennungsmotors, an die aktuelle Temperatur des Getriebeöls und/oder an andere Parameter, wie etwa die Übersetzungsänderungstätigkeit des Getriebes erfolgt.