DE19750675C1

DE19750675C1 - Ölpumpe

Info

Publication number: DE19750675C1
Application number: DE19750675A
Authority: DE
Inventors: Josef Haupt
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-11-15
Filing date: 1997-11-15
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2017-11-16
Also published as: US6350108B1; WO1999025979A1; EP1030975A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ölpumpe für Kraftfahrzeugge triebe, insbesondere automatische Getriebe nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Automatische oder stufenlose Getriebe von Kraftfahrzeugen benötigen für die Versorgung der Schmiereinrichtung und der Steuer- und Betätigungseinrichtungen eine Ölpumpe, die oft mals als Verdrängerpumpe ausgestaltet ist und mit der Dreh zahl des Antriebsmotors des Kraftfahrzeuges angetrieben wird.

Heute wird noch überwiegend die Ölpumpe als sogenannte Kon stantpumpe ausgebildet, deren Förderstrom proportional mit ihrer Antriebsdrehzahl ansteigt. Die Auslegung der Pumpe erfolgt dabei im allgemeinen bei der Leerlaufdrehzahl des Motors. Der dabei gelieferte Förderstrom muss bereits die Anforderungen des zu versorgenden automatischen Getriebes erfüllen. Bei höheren Drehzahlen des Motors fördert eine derartige Konstantpumpe jedoch ein Mehrfaches der erfor derlichen Menge. Dadurch nehmen derartige Konstantpumpen zuviel Leistung auf, kavitieren und erzeugen ein zu hohes Geräuschniveau. Ausserdem müssen die Kanalquerschnitte stark überdimensioniert werden.

Es wurden auch bereits sogenannte Verstellpumpen in automa tische Getriebe eingebaut, deren Förderstrom besser an den Bedarf angepasst werden kann, die jedoch im verbrauchsrele vanten unteren bis mittleren Motordrehzahlbereich einen schlechteren Wirkungsgrad als eine Konstantpumpe aufweisen.

Ausserdem liefern sie zu wenig Öl bei niedrigen Motordreh zahlen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden bereits sauggere gelte Konstantpumpen für die automatischen Getrieben von Personenkraftwagen vorgeschlagen (EP 0 682 756) und zwar in Form einer sauggedrosselten Radialkolbenpumpe, die ab einer bestimmten Drehzahl einen nahezu konstanten Förderstrom liefert, der eine ebenso nahezu konstante Leistungsaufnahme erfordert. Allerdings ist eine sauggedrosselte Radialkol benpumpe noch mit dem Nachteil einer hohen Geräuschentwick lung behaftet.

Schliesslich wurden auch rein elektrisch betriebene Pumpen in automatische Getriebe für Personenwagen eingebaut, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass sie das elektrische Bordnetz des Pkw zu stark belasten, wenn sie ausschliess lich die gesamte Ölversorgung des automatischen Getriebes sicherstellen müssen.

Des weiteren sind mechanisch angetriebene 2-Pumpensysteme (Tandempumpen) bekannt, bei denen eine der beiden Pumpen bei höheren Drehzahlen auf drucklose Förderung geschaltet wird (Anlage Cadillac). Diese liefern aber auch zu wenig Öl im unteren Drehzahlbereich und sind schlecht steuerbar. Die nicht ausreichende Fördermenge bei kleinen Drehzahlen kann damit erklärt werden, dass der volumetrische Wirkungsgrad sehr schlecht ist und deshalb auch der Einsatz von zwei langsam drehenden Pumpen nicht sinnvoll ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ölpumpe für Kraftfahrzeuggetriebe zu schaffen, die ein niedriges Geräu schniveau aufweist und die in jedem Drehzahlbereich genau den benötigten Förderstrom zur Verfügung stellt.

Ausgehend von einer Ölpumpe der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit dem im kennzeich nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal; vorteil hafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrie ben.

Die erfindungsgemässe Kombination aus einem herkömmlichen mechanischen Antriebsteil mit einem elektrischen Antriebs teil bietet den Vorteil, dass die Ölpumpe mit einem kleine ren Verdrängungsvolumen im Vergleich zu den rein mechanisch betriebenen Ölpumpen ausgestattet werden kann; die Verwen dung eines elektrischen Antriebsteils ermöglicht es, bei kleinen Motordrehzahlen die Ölpumpe auf höhere Drehzahlen zu bringen und damit mehr Öl im niedrigen Drehzahlbereich zu fördern. Im niedrigen Drehzahlbereich, d. h. im Bereich bis zu 1500 U/min, wird die Pumpe ausschliesslich durch das elektrische Antriebsteil angetrieben. Der vorgesehene Frei lauf ermöglicht, dass die Drehzahl der Ölpumpe höher sein kann als die Drehzahl des Verbrennungsmotors. In einem Drehzahlbereich, der bei etwa 1500 U/min beginnt, dreht der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges schneller als der das elektrische Antriebsteil bildende Elektromotor. Der Ver brennungsmotor läuft nun auf den Freilauf auf und übernimmt den Antrieb der Ölpumpe. Gleichzeitig wird das elektrische Antriebsteil abgeschaltet.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäss der vorliegen den Erfindung kann das elektrische Antriebsteil als unab hängige elektrische Pumpe ausgebildet sein, die zusammen mit der mechanisch angetriebenen Pumpe mit einer Ventilein richtung verbunden ist, die das automatische Getriebe mit dem erforderlichen Ölstrom versorgt. In diesem Fall erfolgt die Grundversorgung der Schmierung sowie der Wandler über das mechanische Antriebsteil, das vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges angetrieben wird, während die Grundversor gung der Kupplungen über das elektrische Antriebsteil er folgt. In der Ventileinheit erfolgt eine überlagerte Öl stromsteuerung; schliesslich ist es auch möglich, das me chanische Antriebsteil durch ein beliebiges anderes An triebsteil zu ersetzen. Zu einer weiteren Ausgestaltung wird ein hydraulischer Speicher eingesetzt, der es ermög licht, dass gefördertes Öl zwischen Schaltungen gespeichert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele darge stellt sind. Es zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung des theoretischen und des praktischen Förderstroms einer Konstantpumpe,

Fig. 2 einen Schnitt durch die wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemässen Ölpumpe,

Fig. 2a eine Ansicht auf den Motor-Rotor der erfindungsge mässen Ölpumpe, der zugleich das Pumpenhohlrad bildet.

Fig. 3 eine graphische Darstellung des bekannten und des erfindungsgemässen Förderstromverlaufs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels einer Ölpumpe mit zwei unabhängig vonein ander ausgebildeten Antriebs- und Pumpenteilen,

Fig. 4a eine Darstellung wie Fig. 4, jedoch zusätzlich mit hydraulischem Speicher und Rückschlagventil, und

Fig. 5 graphische Vergleichsdarstellungen der erforderli chen Pumpenabgabeleistungen ausserhalb der Getriebeschal tung (geschlossene oder geregelte Wandlerüberbrückungskupp lung).

Bei der in Fig. 1 gezeigten graphischen Darstellung ist an der Abszisse die Drehzahl n_Mot des Motors und an der Ordina te die Fördermenge V abgetragen. Die gestrichelte Linie zeigt dabei den zunehmenden theoretischen Förderstrom einer herkömmlichen Konstantpumpe in Abhängigkeit von der Dreh zahl, während die ausgezogene Linie den tatsächlichen För derstrom darstellt. Der tatsächliche Förderstrom ist um die innere Pumpenleckage geringer als der theoretische Förder strom. Man erkennt, dass im Drehzahlbereich bis ca. 1000 U/min wegen der grossen inneren Pumpenleckage, eine Unter versorgung des Getriebes mit Öl erfolgt und in einem höhe ren Drehzahlbereich, beginnend mit etwa 3000 U/min, eine Überversorgung erfolgt.

Erfindungsgemäss ist nun der Antrieb der Ölpumpe, die ein Gehäuse, ein Pumpenrad und ein Hohlrad aufweist, unterteilt in ein mechanisches Antriebsteil und in ein elektrisches Antriebsteil, die getrennt ansteuerbar sind, wobei bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das elektrische Antriebs teil in das mechanische Antriebsteil integriert ist.

In Fig. 2, in denen nur die wesentlichen für das Verständ nis der Erfindung notwendigen Bauteile der Ölpumpe mit Be zugszeichen versehen sind, ist mit 4 das Pumpengehäuse be zeichnet, in dem ein Pumpenrad 3 und ein Hohlrad 5 angeord net sind. Mit 2 ist ein Wandlerhals bezeichnet und mit 6 eine Statorwicklung. Im Hohlrad 5 ist ein integrierter Kä figläufer 7 vorgesehen, wie es aus Fig. 2a deutlicher her vorgeht. Es sind jedoch ausser dem Prinzip des Kurzschluss- oder Käfigläufermotors auch noch andere Prinzipien von elektrischen Maschinen denkbar.

Im niedrigen Drehzahlbereich, d. h. bis etwa 1500 U/min treibt ausschliesslich das elektrische Antriebsteil die Ölpumpe an. Dabei ermöglicht der mit 1 bezeichnete Frei lauf, dass die Drehzahl der Ölpumpe höher sein kann als die Drehzahl des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges.

Das elektrische Antriebsteil besteht aus der Statorwicklung 6, dem Hohlrad 5, das z. B. in Käfigläuferausführung als Rotor des elektrischen Antriebsteil funktioniert und der (nicht dargestellten) Stromversorgung. Die Stromversorgung kann dabei entweder durch Umwandlung des Gleichstroms aus dem Bordnetz in einen Wechselstrom, insbesondere Drehstrom, sichergestellt werden oder durch Nutzung des Drehstromes der Drehstromlichtmaschine, indem z. B. diese vor den Gleichrichter-Dioden angezapft wird.

Bei Erreichen eines höheren, vorgegebenen Drehzahlbereiches ab etwa 1500 U/min dreht der Verbrennungsmotor des Kraft fahrzeuges schneller als das elektrische Antriebsteil der Ölpumpe. Dies bedeutet, dass mittels des Freilaufes 1 das mechanische Antriebsteil den alleinigen Antrieb der Ölpumpe übernimmt und das elektrische Antriebsteil abgeschaltet wird.

Bei der graphischen Darstellung in Fig. 3 ist wieder an der Abszisse die Motordrehzahl n_Mot und an der Ordinate der Förderstrom V abgetragen. Mit F ist dabei die Kurve be zeichnet, die den Förderstromverlauf der erfindungsgemässen Ölpumpe wiedergibt, mit F' die Kurve, die den Förderstrom verlauf der herkömmlichen Ölpumpen wiedergibt und mit F'' die Kurve, die den Förderstromverlauf der erfindungsgemä ssen Ölpumpe bei Ausfall des elektrischen Antriebsteils wiedergibt, d. h. die Notversorgung des automatischen Ge triebes.

Da die Mindestdrehzahl der Pumpe, bedingt durch den elek trischen Antrieb etwa um den Faktor 2-3, höher ist, als bei herkömmlichen mechanischen Pumpen, kann das Verdrängs volumen der Pumpe wesentlich kleiner ausgelegt werden. Das verringerte Verdrängungsvolumen der Ölpumpe führt zu einer erheblichen Reduzierung der Aufnahmeleistung im verbrauchs relevanten Betriebsbereich. Der zusätzliche Antrieb der Ölpumpe mit dem elektrischen Antriebsteil deckt die Ölver sorgung im unteren Drehzahlbereich ab, da die Drehzahl des als Elektromotor ausgestalteten Antriebsteils grösser als die Drehzahl des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges ist. Da im unteren Drehzahlbereich noch keine hohen Motor momente übertragen werden müssen, sind auch die erforderli chen Kupplungsdrücke noch relativ klein. Deshalb nimmt der elektrische Antriebsteil eine kleine Leistung auf, die das elektrische Bordnetz nicht überlastet.

Die Integration des Rotors des elektrischen Antriebsteils in das Hohlrad verringert den Bauraum; der Freilauf zwi schen dem Wandlerhals und dem Pumpenrad ermöglicht, dass das elektrische Antriebsteil die Pumpe schneller antreiben kann als das mechanische Antriebsteil.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Kupplun gen auch geschlossen werden können, wenn der Verbrennungs motor des Kraftfahrzeuges noch nicht gestartet ist, so dass ein Anschleppen des Kraftfahrzeuges und ein Starten des Verbrennungsmotors ermöglicht wird.

Durch die vom Verbrennungsmotor unabhängige Ölversorgung des Getriebes im unteren Drehzahlbereich besteht die Mög lichkeit, dass die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors weiter abgesenkt werden kann, wodurch der Standverbrauch verringert wird, da das Wandleraufnahmemoment quadratisch mit der Motordrehzahl abnimmt.

Bei dem in Fig. 4 schematisch dargestellten Ausführungs beispiel ist ein als unabhängiges Bauteil ausgestaltetes elektrisches Antriebsteil mit eigener Pumpe 11 vorgesehen, das nicht in die mechanisch angetriebene Ölpumpe 12 inte griert ist (Konzept mit zwei Pumpen). Mit 8 ist hier eine Ventileinheit bezeichnet, die sowohl von dem elektrischen Antriebsteil 11 als auch von dem mechanischen Antriebsteil 12 beaufschlagt wird und in der die Ölstromsteuerung über lagert wird. Die Ventileinheit steht einerseits mit den mit Öl zu versorgenden Kupplungen 9 und andererseits mit der mit 10 angedeuteten Schmierung und dem Wandler des Getrie bes in Verbindung. Mit 13 und dem nach links gerichtetem Pfeil ist dabei angedeutet, dass das mechanische Antriebs teil 12, das durch den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeu ges angetrieben wird, während der Füllphase der durch 9 angedeuteten Kupplungen bei höheren Motordrehzahlen das elektrische Antriebsteil unterstützt und mit 14 und dem nach rechts gerichtetem Pfeil ist angedeutet, dass das elektrische Antriebsteil 11 bei niedrigeren Drehzahlen die Schmierung und den Wandler des automatischen Getriebes un terstützt. Das heisst, die Grundversorgung der Schmierung und des Wandlers erfolgt über das mechanische Antriebsteil und damit über den Verbrennungsmotor und die Grundversor gung der Kupplungen über das elektrische Antriebsteil. In einer weiteren Ausgestaltung kann ein hydraulischer Spei cher 15 eingesetzt werden, um das Fördervolumen ausserhalb der Schaltung zu nutzen für zeitlich nachfolgende Schaltun gen. Dies ist insbesondere bei nicht regelbaren elektri schen Antrieben 11 sinnvoll. Bei regelbaren elektrischen Antrieben wird vorzugsweise die Drehzahl zwischen den Schaltungen reduziert. Mit 16 ist ein Rückschlagventil be zeichnet, das in der Leitung vom hydraulischen Speicher 15 zur Pumpe 11 angeordnet ist und den Rückfluss des Speiche rinhalts zur Pumpe 11 verhindert.

In Fig. 5 ist ein Vergleich der Pumpenabgabeleistungen ausserhalb der Schaltungen des Getriebes bei höherer Last graphisch dargestellt. Abgetragen ist der Förderdruck p (in bar) an der Ordinate und der Förderstrom (in l/min) an der Abszisse. Zustand: geschlossene oder geregelte Wandler kupplung. Bei einem Druck, bestimmt durch die Kupplungen und einem Gesamtförderstrom, bestimmt durch Kupplungen und Schmierung, ergibt sich eine Eckleistung. Bei Verwendung einer einzigen herkömmlichen Pumpe ist dies die Abgabelei stung der Pumpe. Die nicht im Getriebe verwertbare Lei stung PV fällt als Verlustleistung an.

Bei Verwendung eines erfindungsgemäss aufgebauten Ölpumpen systems, bestehend aus einer mechanisch angetriebenen Pumpe und einer elektrisch angetriebenen Pumpe, benötigt man eine um PV verringerte Gesamtabgabeleistung.

Wie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen dargelegt, erfolgt die Versorgung der Kupplungen im automa tischen Getriebe primär über das elektrische Antriebsteil, da hierzu ein höherer Druck erforderlich ist. Der höhere Druck geht jedoch mit einem geringen Förderstrom einher.

Ausserhalb der Schaltvorgänge im Getriebe versorgt das elektrische Antriebsteil die Kupplungen (nur Leckage, aber hoher Druck erforderlich), während das mechanische An triebsteil die Schmierung übernimmt und den Wandler ver sorgt mit einem relativ grossen Förderstrom bei niedrigem Druck. Durch diese Trennung der Ölversorgung wird die abge gebene hydraulische Leistung besser an den Bedarf des Ge triebes angepasst, wodurch die Aufnahmeleistung insgesamt verringert wird.

Der Vorteil gegenüber einem einzigen grösser bemessenen elektrischen Antriebsteil liegt darin, dass eine noch ge ringere Aufnahmeleistung und damit eine noch weiter redu zierte Belastung des Bordnetzes ermöglicht wird. Schliess lich ist es auch möglich, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, das mechanische vom Verbrennungsmotor des Kraft fahrzeuges angetriebene Antriebsteil der Ölpumpe durch ein beliebiges anderes Antriebsteil zu ersetzen.

Um die Antriebsleistung der elektrischen Pumpe 11 noch wei ter reduzieren zu können, muss der benötigte Volumenstrom, der ausserhalb von Schaltvorgängen benötigt wird, verklei nert werden. Dies kann geschehen, indem die Schaltlogik des hydraulischen Schaltgeräts und die Druckregler so ausgelegt werden, dass weniger Öl ungenutzt abgespritzt wird (Schaltgerätleckage).

Bezugszeichenliste

1

Freilauf

2

Wandlerhals

3

Pumpenrad

4

Pumpengehäuse

5

Hohlrad

6

Statorwicklung

7

Käfigläufer

8

Ventileinheit

9

Getriebekupplungen und Wandlerüberbrückungskupplung

10

Wandler und Schmierung

11

elektrisches Antriebsteil

12

mechanisches Antriebsteil

13

Kupplungsunterstützung

14

Wandler- und Schmierungsunterstützung

15

hydraulischer Speicher

16

Rückschlagventil
FFörderstromverlauf der erfindungsgemässen Ölpumpe
F'Förderstromverlauf der herkömmlichen Ölpumpe
F''Förderstromverlauf der erfindungsgemässen Ölpumpe bei Ausfall des elektrischen Antriebsteils

Claims

1. Ölpumpe für Kraftfahrzeuggetriebe, insbesondere automa tische Getriebe, mit einem Gehäuse, einem Pumpenrad, einem Hohlrad und einem Antrieb, dadurch gekennzeich net, dass der Antrieb aus einem mit dem Verbrennungsmo tor des Kraftfahrzeuges verbundenen mechanischen An triebsteil und aus einem mit dem Bordnetz des Kraft fahrzeugs verbundenen elektrischen Antriebsteil be steht.

2. Ölpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Antriebsteil einen Freilauf 1 aufweist, der zwischen dem Wandlerhals (2) und dem Pumpenrad (3) angeordnet ist.

3. Ölpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebsteil aus einem im Hohlrad (5) integrierten Käfigläufer (7) und einer dieses Hohlrad umgebenden Statorwicklung (6) besteht.

4. Ölpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb ausser dem beschriebenen Käfig- oder Kurzschlussläuferprinzip auch ein anderes E-Motor-Prinzip sein kann.

5. Ölpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgestal tung des Antriebs so ist, dass auch der Betrieb der Pumpe bei stehendem Verbrennungsmotor möglich ist, so dass das Fahrzeug angeschleppt werden kann.

6. Ölpumpe für Kraftfahrzeuggetriebe, insbesondere automa tische Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass das elek trische Antriebsteil als unabhängige, elektrische Pumpe ausgebildet ist und zusammen mit der mechanisch ange triebenen Pumpe mit einer Ventileinheit (8) verbunden ist, die sowohl die Kupplungen (9) des Getriebes als auch den Wandler (10) und die Schmierung mit Öl ver sorgt.

7. Ölpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Schaltvorgänge die Kupplungen (9) aus schliesslich von der elektrischen Motorpumpe (11) mit hohem Druck und kleinem Volumenstrom versorgt werden und dass die Schmierung und der Wandler ausschliesslich von der mechanisch angetriebenen Pumpe (12) mit niedri gem Druck und grossem Volumenstrom versorgt werden.

8. Ölpumpe nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Pumpen mit beliebigen Antrieben versehen sein können.

9. Ölpumpe nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich des zeitlich variierenden Ölstrombe darfs die elektrische Motorpumpe (11) mit einem hydrau lischen Speicher (15) verbunden ist und dass ein Rück schlagventil (16) den Rückfluss des Speicherinhalts zur Pumpe (11) verhindert.