DE102006003213A1 - Vorrichtung zur Schmierölversorgung eines elektrodynamischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schmierölversorgung eines elektrodynamischen Antriebssystems (27) eines Kraftfahrzeuges, bei der das elektrodynamische Antriebssystem (27) aus einer im Wesentlichen als Anfahrelement dienenden Elektromaschine (23) sowie einem Planetengetriebe (18) besteht und zwischen einem Verbrennungsmotor sowie einem Getriebe angeordnet ist und bei der das Planetengetriebe (18) innerhalb einer drehbar gelagerten, mit dem Rotor (22) der Elektromaschine (23) verbundenen, öldichten Hohlwelle (1) angeordnet ist. DOLLAR A Damit diese Vorrichtung ohne eine Schmierölpumpe auskommt und dennoch in jedem Betriebszustand eine sichere Schmierölversorgung gewährleistet, ist innerhalb der Hohlwelle (1) eine vorzugsweise hutzenartige Schöpfeinrichtung (3) angeordnet, die in einen im Betrieb der rotierenden Hohlwelle (1) umlaufenden Ölring (2) ragt, über den Schmieröl in ein innerhalb der Hohlwelle (1) ausgebildetes Ölkanalsystem (31) förderbar ist, über das die zu schmierenden Bauteile des elektrodynamischen Antriebssystems (27) in einem geführten Ölkreislauf (32) mit Schmieröl versorgbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schmierölversorgung eines elektrodynamischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen werden zunehmend Hybridantriebe vorgesehen, bei denen neben einem Verbrennungsmotor ein Elektroantrieb als Fahrzeugantrieb zur Verfügung steht. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit automatisierten Schaltgetrieben kann der Elektroantrieb in einem elektrodynamischen Antriebssystem ein herkömmliches reibungsbehaftetes Anfahrelement ersetzen oder zumindest bei Anfahrvorgängen entlasten.
  • Ein derartiges elektrodynamisches Antriebssystem ist aus der DE 199 34 696 A1 bekannt. Es besteht im Wesentlichen aus einer Elektromaschine als Anfahrelement und einem Planetengetriebe, wobei der Planetenträger, der die zugehörigen Planetenräder trägt, über eine Getriebeeingangswelle mit dem Schaltgetriebe verbunden ist. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist über eine Hohlradwelle mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden, während das Sonnenrad über eine Sonnenradwelle mit dem Rotor der Elektromaschine in Antriebsverbindung ist. Weiterhin ist mit einer Überbrückungskupplung zur Überbrückung des Planetengetriebes der Planetenträger über die Sonnenradwelle mit dem Sonnenrad verbindbar. Dieses Antriebssystem ermöglicht insbesondere ein weitestgehend verschleißfreies Anfahren des Fahrzeuges aus dem Stand und trägt in vorteilhafter Weise zur Verringerung der mechanischen Verluste bei der Kraftübertragung im Triebstrang bei. Problematisch ist jedoch die Schmierölversorgung einer solchen Anordnung. Da die Schmierölversorgung in einem automatisierten Schaltgetriebe in der Regel über einen Ölsumpf, jedoch ohne eigene Schmierölpumpe realisiert wird, ist es er strebenswert, auch bei der Schmierölversorgung des elektrodynamischen Antriebssystems, insbesondere des Planetengetriebes, möglichst ohne eine Schmierölpumpe auszukommen.
  • Aus der DE 102 25 250 A1 ist ein elektrodynamisches Antriebssystem bekannt, bei dem eine drehbar gelagerte Hohlwelle vorgesehen ist, die das Planetengetriebe umhüllt, wobei das Sonnenrad direkt mit der Hohlwelle verbunden ist und der Rotor der Elektromaschine auf die Hohlwelle aufgepresst ist. Die Hohlwelle dient gleichzeitig als ein Ölbehälter, vergleichbar mit der Funktion des Ölsumpfes des Schaltgetriebes. Sie ist öldicht ausgebildet, so dass das Planetengetriebe innerhalb der Hohlwelle mit Schmieröl benetzt wird und der Raum außerhalb der Hohlwelle ölfrei gehalten ist.
  • Nachteilig daran ist, dass das Öl während des Betriebes aufgrund der Fliehkräfte in der rotierenden Hohlwelle als ein Ölring nahezu mit der Drehzahl der Hohlwelle umläuft. Dies bedeutet, dass sich das Schmieröl radial von den üblicherweise radial innen angeordneten Lagern und Wellendichtringen der Anordnung entfernt, wodurch die Schmierölversorgung insbesondere dieser Bauteile nicht möglich ist. Zudem ergibt sich eine für das Zusammenwirken der Getriebebauteile des Planetengetriebes ungünstige inhomogene Wärmeverteilung innerhalb der Hohlwelle.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schmierölsystem für ein elektrodynamisches Antriebssystem eines Kraftfahrzeuges zu schaffen, welches ohne eine Schmierölpumpe auskommt und dennoch in jedem Betriebszustand eine sichere Schmierölversorgung gewährleistet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein, durch die Wirkung von Fliehkräften auf ein Ölvolumen innerhalb einer schnell rotierenden Hohlwelle generierter, umlaufender Ölring, beim Auftreffen auf ein feststehendes Hindernis einen Staudruck erzeugt, der für einen gezielten Ölkreislauf in radialer und axialer Richtung innerhalb der Hohlwelle nutzbar ist.
  • Demnach geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Schmierölversorgung eines elektrodynamischen Antriebssystems eines Kraftfahrzeuges, bei der das elektrodynamische Antriebssystem aus einer im Wesentlichen als Anfahrelement dienenden Elektromaschine und einem Planetengetriebe besteht und zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist, und bei der das Planentengetriebe innerhalb einer drehbar gelagerten, mit dem Rotor der Elektromaschine verbundenen, öldichten Hohlwelle angeordnet ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung zudem vor, dass innerhalb der Hohlwelle eine Schöpfeinrichtung angeordnet ist, die in einen im Betrieb der rotierenden Hohlwelle umlaufenden Ölring ragt, über den Schmieröl in ein innerhalb der Hohlwelle ausgebildetes Ölkanalsystem förderbar ist, über das die zu schmierenden Bauteile des elektrodynamischen Antriebssystems in einem geführten Ölkreislauf mit Schmieröl versorgbar sind.
  • An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung in gattungsgemäßen Antriebssträngen mit Getrieben aller Art nutzbar ist, also beispielsweise mit konventionellen Automatikgetrieben in Planetenbauweise oder in stufenlos ihr Übersetzungsverhältnis ändernden Getrieben. Der größte Vorteil wird mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung jedoch in gattungsgemäßen Antriebssträngen mit automatisiertem Schaltgetriebe oder automatisiertem Doppelkupplungsgetriebe erreicht, worauf nachfolgend weiter eingegangen wird.
  • Es ist ersichtlich, dass das erwähnte elektrodynamische Antriebssystem im Antriebsstrang keinen Ölsumpf hat, wie dies bei Schaltgetrieben üblich ist. Vielmehr dient die öldicht ausgebildete Welle, die den Rotor der Elektromaschine trägt, gleichzeitig als nach außen abgedichteter Ölbehälter. Während die Hohlwelle mit der jeweiligen Maschinendrehzahl der Elektromaschine rotiert, läuft das Öl aufgrund der Fliehkraft an der Hohlwellenwand mit nahezu gleicher Drehzahl um. Die zentral angeordneten Bauteile innerhalb der Hohlwelle, die zu schmieren sind, müssen somit entgegen der Fliehkraft mit Schmieröl versorgt werden.
  • Dies gelingt mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung durch die Ausnutzung des Staudrucks des umlaufenden Ölrings beim Auftreffen auf die Schöpfeinrichtung. Dabei wird Öl über diese in ein Ölkanalsystem gelenkt und in einem Ölkreislauf, der die zu schmierenden Bauteile, insbesondere auch die zentral angeordneten Lager und Wellendichtringe der Anordnung mit Schmieröl versorgt, umgewälzt. Die Ölumwälzung wird allein durch die Hohlwellenrotation und die beweglichen Teile des Planetengetriebes angetrieben. Eine mechanisch oder elektrisch angetriebene Schmierölpumpe zur Versorgung der zentralen Lager und Wellendichtringe ist dadurch überflüssig. Es sind keine zusätzlichen rotierenden oder anders bewegten Bauteile erforderlich, um die gewünschte Pumpwirkung zu erzielen. Dies wirkt sich kosten- und gewichtsparend aus. Zudem wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Anordnung erreicht.
  • Die Schöpfeinrichtung mit dem Ölkanalsystem kann als sehr kompakt bauend und damit bauraumsparend in die Hohlwelle integriert werden. Das Ölkanalsystem ist geeignet ausgebildet, alle relevanten Bauteile, also Lager, Dichtringe, Verzahnungen etc. ausreichend zu versorgen. Dabei wird gleichzeitig eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung bzw. Wärmeableitung in dem Aggregat erreicht.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Schöpfeinrichtung hutzenartig ausgebildet ist und wenigstens einen Schöpfkanal, vorzugsweise zwei spiegelsymmetrisch ausgebildete Schöpfkanäle aufweist. Dadurch wird Öl sowohl bei einer Linksdrehung als auch bei einer Rechtsdrehung der Hohlwelle in den Ölkreislauf gefördert und damit eine zuverlässige Ölversorgung unabhängig von der Drehrichtung der Elektromaschine gewährleistet.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Ölkanalsystem zumindest teilweise in einem mit der Schöpfeinrichtung verbundenen, feststehenden Gehäuseteil verläuft. Dadurch wird ein besonders hoher Integrationsgrad der Anordnung erreicht und eine Realisierung des Ölkanalsystems mit einem relativ geringen Konstruktionsaufwand ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, zur gezielten Schmierung der verschiedenen Bauteile Ölverteilungs- und Ölsteuerungsmittel zur Verteilung und Steuerung des über das Ölkanalsystem umlaufenden Ölstromes vorzusehen. Diese können als Blenden ausgebildet sein, um beispielsweise einen geringen Volumenstromanteil an einen Dichtring oder ein Lager zu lenken.
  • Außerdem können Öl-Überläufe ausgebildet sein, beispielsweise zur Rückführung eines Volumenstromanteils in den Hauptstrom. Die Öl-Überläufe können etwa als separate Ölleitungen oder als in ein umgebendes Kupplungsgehäuse eingegossene Kanäle ausgebildet sein.
  • Es können auch Führungselemente vorgesehen sein, beispielsweise zur Umlenkung oder Weiterleitung des Ölstroms. Außerdem können separate Ölräume für eine Aufnahme wenigstens eines Teils des Ölstromes ausgebildet sein, die einzelne zu schmierende Bauteile umgeben und dafür sorgen, dass diese Bauteile stets mit einem ausreichenden Ölvolumen umgeben sind.
  • Besonders vorteilhaft ist es, den Ölstrom auch für Kühlungszwecke zu nutzen. Insbesondere kann vorgesehen sein, eine innerhalb der Hohlwelle angeordnete Kupplung mittels des über den Ölkreislauf umgewälzten Schmieröls zu kühlen und/oder die Elektromaschine selbst zu kühlen. Letzteres kann besonders einfach dadurch erreicht werden, dass stets ein Teil des an der Innen wand der Hohlwelle umlaufenden Ölringes nutzbar ist, um die Wärme des Rotors der Elektromaschine abzuführen.
  • Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
  • 1 ein elektrodynamisches Antriebssystem in einer Seitenansicht im Schnitt, mit einer erfindungsgemäßen Schmierölversorgung, und
  • 2 eine Vorderansicht einer Hohlwelle des elektrodynamischen Antriebssystems mit einer Schöpfeinrichtung im Schnitt X-X von 1.
  • Demnach ist in 1 ein als ein Anfahr-Aggregat eines Kraftfahrzeuges ausgebildetes elektrodynamisches Antriebssystem 27 dargestellt. Das Antriebssystem 27 ist in ein Kupplungsgehäuse 25 eingebaut, das über einen Motoranschlussflansch 24 mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor verbunden ist. Es besteht im Wesentlichen aus einer Elektromaschine 23 und einem Planetengetriebe 18, welches innerhalb einer drehbar gelagerten Hohlwelle 1 angeordnet ist.
  • Die Hohlwelle 1 ist nach außen hin mit einem Rotor 22 der Elektromaschine 23 verbunden. Innerhalb der Hohlwelle 1 ist ein Schmierölvolumen eingefüllt. Die Hohlwelle 1 ist verbrennungsmotorseitig mittels eines Lagers 5 gelagert und nach außen über einen Wellendichtring 6 abgedichtet sowie getriebeseitig mittels eines Lagers 15 gelagert und nach außen über einen Wellendichtring 14 abgedichtet.
  • Das Planetengetriebe 18 selbst ist in an sich bekannter Bauweise aus einem hohlzylinderförmigen Hohlradtopf 19, einem Planetenträger 28 mit Planentenrädern 29 und einem zentralen Sonnenrad 30 aufgebaut, wobei die Planetenräder 29 einerseits mit dem Hohlrad 19 und andererseits mit dem Son nenrad 30 über geeignete Verzahnungen kämmen. Das Hohlrad 19 ist über eine Anschlusswelle 26 mit einer Antriebswelle, also einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Die Anschlusswelle 26 ist über ein Wellenlager 7 drehbar gelagert und über einen Wellendichtring 8 zum Verbrennungsmotor hin abgedichtet.
  • Der Planetenträger 28 ist über eine Getriebeeingangswelle 17 mit einem nicht dargestellten automatisierten Schaltgetriebe verbunden. Die Getriebeeingangswelle 17 ist mittels eines Wellenlagers 20 drehbar gelagert. Das Sonnenrad 30 ist über die Hohlwelle 1 mit dem Elektromaschinenrotor 22 verbunden. Weiterhin ist eine Kupplung 21, beispielsweise eine Reibungskupplung, vorgesehen, über die der Hohlradtopf 19 mit der Hohlwelle 1 verbindbar ist. Dadurch kann der Verbrennungsmotor mit der Elektromaschine 23 verbunden werden, um diese wahlweise als Generator zu betreiben.
  • Innerhalb der Hohlwelle 1 ist ein mit dem Motoranschlussflansch 24 verbundenes feststehendes Gehäuseteil 4 ausgebildet, das ein Ölkanalsystem 31 aufnimmt. Über das Ölkanalsystem 31 verläuft ein in der Figur durch Pfeile kenntlich gemachter Ölkreislauf 32. Der Ölkreislauf 32 wird über eine Schöpfeinrichtung 3 gespeist, die in einen im Rotationsbetrieb der Hohlwelle 1 umlaufenden Ölring 2 ragt. Die Schöpfeinrichtung 3 ist vorteilhaft hutzenartig, also etwa in Form eines Strömungs-Ansaugstutzens bzw. Strömungs-Auffangstutzen ausgebildet (2). Sie weist zwei symmetrische Schöpfkanäle 33, 34 auf, die eine Speisung des Ölkreislaufs 32 sowohl bei einem rechtsdrehenden Elektromaschinenlauf 35 als auch bei einem linksdrehenden Elektromaschinenlauf 36 ermöglichen.
  • Im Folgenden wird der Ölkreislauf 32 im Detail beschrieben: Aufgrund des durch die rotierende Hohlwelle 1 anstehenden Staudrucks wird Öl in die vorteilhaft in einer 12-Uhr-Stellung positionierte Schöpfeinrichtung 3 umgelenkt. Über das Ölkanalsystem 31 wird in dem Gehäuseteil 4 zunächst das verbren nungsmotorseitige Elektromaschinenlager 5 und der zugehörige Wellendichtring 6 geschmiert. Ein kleiner Teil des Haupt-Ölstroms wird über eine Blende 9 zur Schmierung des Anschlusswellenlagers 7 und des zugehörigen Wellendichtringes 8 abgezweigt. Die abgezweigte Ölmenge wird über einen separaten Öl-Überlauf 10 wieder in den Innenraum der rotierenden Hohlwelle 1 zurückgeführt.
  • Anschließend steigt der Hauptölstrom in einem separaten verbrennungsmotorseitigen Ölraum 11 annähernd bis zur Hohlwellenmitte an und wird dann durch einen in einer 3-Uhr-Stellung (oder 9-Uhr-Stellung) angeordneten weiteren Öl-Überlauf 12 in einen getriebeseitigen Ölraum 13 geleitet. Dort werden der Wellendichtring 14 und das Lager 15 der Hohlwelle 1 geschmiert. Eine zentrale, feststehende Ölführung 16 leitet das Schmieröl dann um die sich drehende Getriebeeingangswelle 17 in das Planetengetriebe 18. Eine in das Getriebeeingangswellenlager 20 integrierte Dichtung verhindert dabei ein Austreten von Schmieröl in das Schaltgetriebe. Alternativ kann bei einem gemeinsamen Ölhaushalt für das elektrodynamische Antriebssystem und ein automatisiertes Schaltgetriebe die Dichtung entfallen.
  • Der Hohlradtopf 19 des Planetengetriebes 18 fängt anschließend das Öl auf. Durch hier entstehende Fliehkräfte wird das Öl von der Verzahnung des Hohlradtopfes 19 über die Planetenräder 29 und das Sonnerad 30, wo es dessen Verzahnungen schmiert, in die Hohlwelle 1 zurückbefördert. Bevor das Öl von der Schöpfeinrichtung 3 erneut dem Ölkreislauf 32 zugeführt wird, dient es schließlich noch zur Schmierung und Kühlung der Kupplung 21.
    • 1
    Hohlwelle
    2
    Ölring
    3
    Schöpfeinrichtung
    4
    Gehäuseteil
    5
    Lager
    6
    Wellendichtring
    7
    Anschluss-Wellenlager
    8
    Wellendichtring
    9
    Blende
    10
    Öl-Überlauf
    11
    Ölraum
    12
    Öl-Überlauf
    13
    Ölraum
    14
    Wellendichtring
    15
    Lager
    16
    Ölführung
    17
    Getriebeeingangswelle
    18
    Planetengetriebe
    19
    Hohlradtopf
    20
    Wellenlager
    21
    Kupplung
    22
    Elektromaschinenrotor
    23
    Elektromaschine
    24
    Anschlussflansch
    25
    Kupplungsgehäuse
    26
    Anschlusswelle
    27
    Elektrodynamisches Antriebssystem
    28
    Planetenträger
    29
    Planetenräder
    30
    Sonnenrad
    31
    Ölkanalsystem
    32
    Ölkreislauf
    33
    Schöpfkanal
    34
    Schöpfkanal
    35
    Drehrichtung rechts
    36
    Drehrichtung links

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Schmierölversorgung eines elektrodynamischen Antriebssystems (27) eines Kraftfahrzeuges, bei der das elektrodynamische Antriebssystem (27) aus einer im Wesentlichen als Anfahrelement dienenden Elektromaschine (23) und einem Planetengetriebe (18) besteht sowie zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist, und bei der das Planentengetriebe (18) innerhalb einer drehbar gelagerten, mit dem Rotor (22) der Elektromaschine (23) verbundenen, öldichten Hohlwelle (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlwelle (1) eine Schöpfeinrichtung (3) angeordnet ist, die in einen im Betrieb der rotierenden Hohlwelle (1) umlaufenden Ölring (2) ragt, über den Schmieröl in ein innerhalb der Hohlwelle (1) ausgebildetes Ölkanalsystem (31) förderbar ist, über das die zu schmierenden Bauteile des elektrodynamischen Antriebssystems (27) in einem geführten Ölkreislauf (32) mit Schmieröl versorgbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schöpfeinrichtung (3) hutzenartig ausgebildet ist und einen Schöpfkanal oder zwei spiegelsymmetrisch ausgebildete Schöpfkanäle (33, 34) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölkanalsystem (31) zumindest teilweise in einem mit der Schöpfeinrichtung (3) verbundenen, feststehenden Gehäuseteil (4) verläuft.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Öl-Verteilungsmittel und Öl-Steuerungsmittel zur Verteilung und Steuerung des über das Ölkanalsystem (31) umlaufenden Ölstromes ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öl-Verteilungsmittel und Öl-Steuerungsmittel wenigstens eine Öl-Blende (9) für eine Abzweigung eines Teils des Ölstromes in Richtung wenigstens eines Teilbereichs im Innenraum der Hohlwelle (1) aufweisen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öl-Verteilungsmittel und Öl-Steuerungsmittel wenigstens einen Öl-Überlauf (10, 12) für eine Weiterleitung wenigstens eines Teils des Ölstromes innerhalb des Ölkanalsystems (31) aufweisen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öl-Verteilungsmittel und Öl-Steuerungsmittel wenigstens ein Öl-Führungselement (16) für eine Umlenkung wenigstens eines Teils des Ölstromes innerhalb des Ölkanalsystems (31) aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öl-Verteilungsmittel und Öl-Steuerungsmittel wenigstens einen separaten Ölraum (11, 13) für eine Aufnahme wenigstens eines Teils des Ölstromes innerhalb des Ölkanalsystems (31) aufweisen.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine innerhalb der Hohlwelle (1) angeordnete Kupplung (21) mittels des über den Ölkreislauf (32) umgewälzten Schmieröls kühlbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (23) mittels des über den Ölkreislauf (32) umgewälzten Schmieröls kühlbar ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (21) im Schmierölstrom angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (21) durch den Schmierölstrom sowohl gekühlt als auch geschmiert wird.
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