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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugschaltgetriebe, insbesondere automatisiertes Schaltgetriebe oder Automatgetriebe, mit einer hydrodynamischen Kupplung, welche konstantgefüllt ist, das heißt, in deren Arbeitsraum stets eine im Wesentlichen konstante Menge von Arbeitsmedium eingebracht ist, damit eine Kreislaufströmung im Arbeitsraum zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad zur hydrodynamischen Leistungsübertragung genutzt werden kann, um das Kraftfahrzeug verschleißfrei anzufahren.
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Kraftfahrzeugschaltgetriebe der eingangs genannten Art weisen eine Vielzahl von mechanischen Kupplungen und/oder Bremsen auf, die zum wahlweisen Einlegen von Gangstufen verschiedener Übersetzungen erforderlich sind. So können die Kupplungen und/oder Bremsen einzeln oder in Gruppen geöffnet oder geschlossen beziehungsweise aktiviert oder deaktiviert werden, um verschiedene Wege der Antriebsleistungsübertragung durch das Schaltgetriebe herzustellen, wobei die verschiedenen Wege zu verschiedenen Übersetzungsverhältnissen zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang führen. Die Kupplungen und/oder Bremsen weisen beispielsweise eine Vielzahl von Lamellen auf, die in eine kraftschlüssige Verbindung miteinander gebracht werden können, wobei zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung und zur Schmierung der Lamellen diese mit Drucköl beaufschlagt werden müssen.
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Um das erforderliche Drucköl zur Verfügung zu stellen, ist bei Schaltgetrieben, wie sie die vorliegende Erfindung betrifft, eine Druckölversorgung zum wahlweisen Beaufschlagen der mechanischen Kupplungen und/oder der Bremsen mit Drucköl vorgesehen, um die Kupplungen und/oder Bremsen durch diese Druckölbeaufschlagung oder durch Beendigung der Druckölbeaufschlagung zu aktivieren oder zu deaktivieren beziehungsweise zu öffnen oder zu schließen. Eine entsprechende Druckölversorgung umfasst wenigstens eine Pumpe, welche in der Regel das Öl aus einem Ölsumpf der Druckölversorgung im oder außerhalb des Schaltgetriebes, auf ein vorgegebenes Druckniveau bringt.
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Die hydrodynamische Kupplung in einem Schaltgetriebe, wie es die vorliegende Erfindung betrifft, dient zum verschleißfreien Anfahren des Kraftfahrzeugs und umfasst ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, und welcher insbesondere frei von einem Leitrad ist. Der Arbeitsraum ist mit einer im Wesentlichen konstanten Menge von Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser oder ein Wassergemisch, befüllt, so dass sich bei rotierendem Pumpenrad eine Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum vom Pumpenrad in das Turbinenrad und zurück in das Pumpenrad ausbildet, mittels welcher Antriebsleistung beziehungsweise ein Antriebsmoment vom Pumpenrad auf das Turbinenrad hydrodynamisch übertragbar ist. Vorteilhaft kann eine mechanische Überbrückungskupplung vorgesehen sein, um die hydrodynamische Leistungsübertragung mechanisch zu überbrücken und so in bestimmten Betriebszuständen, in welchen kein Schlupf zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad erforderlich ist, den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung zu verbessern.
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Herkömmlich wird das Arbeitsmedium vor der Inbetriebnahme des Getriebes beziehungsweise bei Inspektionen oder nach Reparaturen in die hydrodynamische Kupplung eingefüllt, und es ist kein externer Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen, mittels welchem das Arbeitsmedium aus der hydrodynamischen Kupplung herausgeführt und erneut in diese hereingeführt werden kann. Solche hydrodynamischen Kupplungen werden daher auch als Konstantfüllungskupplungen bezeichnet. Insbesondere befindet sich das gesamte Arbeitsmedium stets im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung.
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Aufgrund von in jüngerer Zeit immer größeren Leistungen der Antriebsmaschinen, insbesondere größerer Drehmomenten von Dieselmotoren, die in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang mit der Eingangsseite des Getriebes verbunden werden, um über das Getriebe die Antriebsräder des Kraftfahrzeugs anzutreiben, ist die Betriebstemperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung in Betriebszuständen mit Schlupf, das heißt in solchen Betriebszuständen, in denen keine geschlossene mechanische Überbrückungskupplung die hydrodynamische Kupplung umgeht, zunehmend angestiegen. Es ist daher erforderlich, dass ein solches Arbeitsmedium verwendet wird, das für diese zunehmend höheren Temperaturen geeignet ist und auch die Kupplungsbauteile und alle angrenzenden Bauteile, welche von der Temperaturerhöhung betroffen sind, entsprechend dauerhaft warmfest ausgelegt werden. Diese gegenüber früheren Ausführungsformen mit geringeren Arbeitsmediumtemperaturen zusätzlichen Maßnahmen führen zu höheren Kosten bei der Herstellung und beim Betrieb des Kraftfahrzeuggetriebes.
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Die erstgenannte Druckschrift beschreibt ein Getriebe, umfassend einen hydrodynamischen Wandler, sowie eine Zahnradpumpe zum Erzeugen eines Druckes für die Betätigung von Lamellenkupplungen. Das Arbeitsmedium in dem Wandlerkreislauf wird nicht mittels der Pumpe gefördert.
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Das zweitgenannte Dokument beschreibt, dass eine Pumpe zur Ansteuerung der Einkuppelvorrichtung einer Überbrückungskupplung herangezogen wird. Die Betätigung der Überbrückungskupplung erfolgt dabei im Falle eines großen Schlupfes zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung, sodass in diesem Fall die Überbrückungskupplung durch den Förderdruck der Pumpte deaktiviert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeuggetriebe der eingangs genannten Art mit einer konstantgefüllten hydrodynamischen Kupplung anzugeben, bei welchem die maximal auftretenden Temperaturen des Arbeitsmediums in der hydrodynamischen Kupplung vermindert werden.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeuggetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugschaltgetriebe ist beispielsweise als automatisiertes Schaltgetriebe oder als Automatgetriebe ausgeführt, das heißt, es wird entweder vollautomatisch oder durch einen manuellen Eingriff seitens des Fahrzeugführers, beispielsweise jedoch ohne aktive Kupplungsbetätigung des Fahrzeugführers, geschaltet. Es weist eine Vielzahl von mechanischen Kupplungen und/oder Bremsen auf, die zum wahlweisen Einlegen von Gangstufen verschiedener Übersetzungen im Getriebe geöffnet und geschlossen beziehungsweise aktiviert und deaktiviert werden können.
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Ferner ist zum Aktivieren und/oder Deaktivieren eine Druckölversorgung vorgesehen, um die mechanischen Kupplungen und/oder die Bremsen wahlweise mit Drucköl zu beaufschlagen und somit zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren.
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Die Druckölversorgung umfasst wenigstens eine Pumpe, die beispielsweise in Form einer Zahnradpumpe, insbesondere Außenzahnradpumpe oder Innenzahnradpumpe, ausgeführt ist. Beispielsweise pumpt die Pumpe das Öl aus einem Ölsumpf der Druckölversorgung im oder außerhalb des Schaltgetriebes. Mittels der Pumpe kann somit das Öl auf ein vorgegebenes Druckniveau oder einen vorgegebenen Druckverlauf gebracht werden.
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Im oder am Schaltgetriebe, gemäß einer Ausführungsform auch außerhalb des Schaltgetriebes, ist eine hydrodynamische Kupplung zum verschleißfreien Anfahren des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Diese hydrodynamische Kupplung umfasst ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, der, wie eingangs erwähnt, stets mit einer im Wesentlichen konstanten Menge eines Arbeitsmediums befüllt ist, das eine Kreislaufströmung im Arbeitsraum vom Pumpenrad in das Turbinenrad und zurück ausbildet, wenigstens solange eine optional vorgesehene mechanische Überbrückungskupplung nicht geschlossen ist und das Turbinenrad mit einer niedrigeren Drehzahl umläuft als das Pumpenrad, mithin also ein Schlupf in der hydrodynamischen Kupplung vorherrscht.
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Erfindungsgemäß weist die hydrodynamische Kupplung, obwohl sie als konstantgefüllte Kupplung ausgeführt ist, das heißt, dass die Menge von Arbeitsmedium, die sich im Arbeitsraum befindet, nicht durch eine Regelung variiert werden kann, wenigstens einen Zulauf und einen Ablauf für Arbeitsmedium auf. Der Zulauf und der Ablauf sind derart mit der wenigstens einen Pumpe der Druckölversorgung verschaltet oder verschaltbar, dass mittels dieser Pumpe ein Ölstrom durch den Zulauf in den Arbeitsraum und aus dem Ablauf wieder aus dem Arbeitsraum heraus gepumpt wird. Insbesondere ist dabei zu jeder Zeit der mittels der Pumpe in den Arbeitsraum gepumpte Massenstrom gleich groß wie der aus dem Arbeitsraum heraus gepumpte Massenstrom. Das Arbeitsmedium kann in einem geschlossenen Kreislauf mittels der Pumpe gepumpt werden.
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Der aus dem Arbeitsraum gepumpte Arbeitsmediumstrom kann vorteilhaft mittels mindestens einem Wärmetauscher gekühlt werden, der entsprechend in der Kreislaufströmung angeordnet ist.
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Der Zulauf in den Arbeitsraum mündet vorteilhaft im Bereich eines vergleichsweise niedrigen Druckes, insbesondere im Bereich eines Unterdruckes im Arbeitsraum. Wenn man den Arbeitsraum in einem Axialschnitt durch eine Hälfte entlang der Drehachse der hydrodynamischen Kupplung in vier Quadranten aufteilt, kann der Zulauf beispielsweise im Bereich des radial inneren Quadranten des Pumpenrads münden. Der Ablauf hingegen mündet vorteilhaft im Bereich eines vergleichsweise hohen Druckes, vorteilhaft im Bereich eines Überdruckes im Arbeitsraum, bei der genannten Aufteilung des Arbeitsraums in vier Quadranten beispielsweise im radial inneren Quadranten des Turbinenrads. Selbstverständlich sind andere Mündungsanordnungen denkbar. Beispielsweise kann der Ablauf auch im Bereich eines radial äußeren Quadranten, des Pumpenrads oder des Turbinenrads, münden und/oder der Zulauf kann radial innen im Bereich des Überganges vom radial inneren Quadranten des Turbinenrads in den radial inneren Quadranten des Pumpenrads, insbesondere im Trennspalt zwischen Pumpenrad und Turbinenrad münden.
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Besonders vorteilhaft ist der Arbeitsraum ohne einen sogenannten Kernring ausgeführt, das heißt der Arbeitsraum weist in einem Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung keinen ringförmigen, sondern einen vollflächigen Querschnitt auf, bezogen auf den Teil des Axialschnittes auf jeder Seite der Drehachse der hydrodynamischen Kupplung. Die Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum wird somit ausschließlich auf ihrer radial äußeren Seite durch eine Arbeitsraumwandung geführt, nicht jedoch radial innen, jeweils wieder bezogen auf den Querschnitt des Arbeitsraumes einseitig der Drehachse der hydrodynamischen Kupplung in einem Axialschnittt durch die hydrodynamische Kupplung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Arbeitsraum der hydrodynamischen Maschine, in einem Axialschnitt durch eine Hälfte entlang der Drehachse der hydrodynamischen Kupplung gesehen, eine Querschnittsform auf, die im Wesentlichen einer Kreisform entspricht. Abweichend von dieser Kreisform ist jedoch im radial äußeren Bereich des Turbinenrads und/oder im radial inneren Bereich des Pumpenrads eine Ausbuchtung vorgesehen, und der Ablauf mündet in dieser Ausbuchtung.
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Um die Leistungsübertragung mittels der hydrodynamischen Kupplung steuern oder regeln zu können, kann ein Drosselelement vorgesehen sein, das wahlweise strömungsstörend in die Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum einbringbar ist. Wenn ein solches Drosselelement vorgesehen ist, mündet der Ablauf vorteilhaft in Richtung der Kreislaufströmung gesehen, bei eingebrachtem Drosselelement im Bereich vor dem Drosselelement oder unmittelbar vor dem Drosselelement, da an dieser Stelle ein vergleichsweise hoher Druck herrscht. Zusätzlich oder alternativ kann der Zulauf in Richtung der Kreislaufströmung gesehen, bei eingebrachtem Drosselelement im Bereich hinter dem Drosselelement oder unmittelbar hinter dem Drosselelement münden, somit an einer Stelle mit vergleichsweise geringem Druck.
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Wenn der Arbeitsraum im Axialschnitt mit der genannten Kreisform mit einer Ausbuchtung im radial äußeren Bereich des Turbinenrads und/oder im radial inneren Bereich des Pumpenrads versehen ist, so strömt das Arbeitsmedium besonders dann in die Ausbuchtung, wenn zwischen Pumpenrad und Turbinenrad ein großer Drehzahlunterschied vorhanden ist, das heißt, die Kupplung mit hohem Schlupf betrieben wird. Immer wenn dieser hohe Schlupf vorliegt, findet ein besonders großer Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium im Arbeitsraum statt, da eine entsprechend große Flüssigkeitsreibung herrscht. Durch die Anordnung des Ablaufes im Bereich der Ausbuchtung beziehungsweise in der Ausbuchtung strömt gerade in den Betriebszuständen mit hohem Schlupf besonders viel Arbeitsmedium aus dem Ablauf heraus und wird entsprechend gekühlt, wohingegen in Betriebszuständen mit geringem Schlupf vergleichsweise weniger Arbeitsmedium durch den Ablauf aus dem Arbeitsraum herausströmt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist genau ein einziger Ablauf und/oder ein einziger Zulauf vorgesehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind mehrere Abläufe und/oder Zuläufe vorgesehen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer hydrodynamischen Kupplung mit einem externen Kühlkreislauf für ein erfindungsgemäßes Schaltgetriebe;
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2 eine Ausführungsform entsprechend der 1, jedoch mit einem Arbeitsraumquerschnitt mit einer Ausbuchtung;
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3 eine weitere Ausführungsform gemäß der 1 und 2, jedoch mit einem Drosselelement für die Kreislaufströmung zur Regelung der Leistungsübertragung der hydrodynamischen Kupplung.
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In der 1 ist nur schematisch ein Getriebe 10 angedeutet, umfassend einen Ölsumpf 11 und eine Lamellenkupplung 12, welche zum Einlegen eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses zwischen der Antriebswelle (nicht gezeigt) und der Abtriebswelle (nicht gezeigt) des Getriebes dient. In der Regel wird eine Vielzahl entsprechender mechanischer Kupplungen und zusätzlicher Bremsen vorgesehen sein, welche eine Lamellenform oder eine andere Form aufweisen können.
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Zum Betätigen der Lamellenkupplung 12 (und von anderen Kupplungen und/oder Bremsen) wird das Öl aus dem Ölsumpf 11 mittels einer Pumpe 1 zu der Lamellenkupplung 12 gepumpt, wodurch die Lamellen der beiden Kupplungshälften der Lamellenkupplung 12 derart druckbeaufschlagt werden, dass sie miteinander eine kraftschlüssige mechanische Verbindung herstellen.
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Im Getriebe 10 ist eine hydrodynamische Kupplung 2 vorgesehen, umfassend ein Pumpenrad 2.1 und ein Turbinenrad 2.2, die ohne Zwischenschaltung eines Leitrades einen torusförmigen Arbeitsraum 2.3 ausbilden. Vorliegend ist nur eine Hälfte der hydrodynamischen Kupplung 2 in einem Axialschnitt durch die Drehachse 2.4 gezeigt.
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Der Arbeitsraum 2.3 lässt sich in dem gezeigten Axialschnitt in vier Quadranten I, II, III und IV aufteilen, siehe die senkrecht aufeinander stehenden Strichpunktlinien. Der Quadrant I ist radial innen im Pumpenrad 2.1 angeordnet, der Quadrant II radial außen im Pumpenrad 2.1, der Quadrant III radial außen im Turbinenrad 2.2 und der Quadrant IV radial innen im Turbinenrad 2.2. Somit wird die Reihenfolge der Quadranten I–IV durch die Strömungsrichtung der Kreislaufströmung, siehe die Pfeile im Arbeitsraum 2.3, bestimmt.
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Im radial inneren Quadranten I des Pumpenrads 2.1 mündend ist ein Zulauf 3 für Arbeitsmedium vorgesehen. Im radial inneren Quadranten IV des Turbinenrads 2.2 mündend ist ein Ablauf 4 für Arbeitsmedium vorgesehen. Selbstverständlich können eine Vielzahl solcher Zuläufe 3 und Abläufe 4 vorgesehen sein, die insbesondere über dem Umfang der hydrodynamischen Kupplung 2 mit Abstand, insbesondere gleichmäßigem Abstand, zueinander angeordnet sind.
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Mittels dem Zulauf 3 und dem Ablauf 4 wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 3 durch einen externen Kühlkreislauf 8 mit einem Wärmetauscher 5 gepumpt. Zur Überwindung der Druckverluste und zum Sicherstellen einer Kreislaufströmung wird die Pumpe 1 verwendet, die in dem externen Kühlkreislauf 8 angeordnet ist.
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Der hier angesprochene Zulauf 3 beziehungsweise der Ablauf 4 sind gemäß einer ersten Ausführungsform ausschließlich zum Herstellen einer Kühlmediumströmung, insbesondere Kühlölströmung durch die hydrodynamische Kupplung vorgesehen. Beispielsweise kann die hydrodynamische Kupplung mit stets befülltem Arbeitsraum, insbesondere konstantgefülltem Arbeitsraum, vorteilhaft stets mit Vollfüllung betrieben werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die hydrodynamische Kupplung 2 befüll- und entleerbar auszuführen, zu sie ein- und ausschalten zu können. Im letzteren Fall können der wenigstens eine Zulauf und der wenigstens eine Ablauf zusätzlich zu einem Arbeitsmediumzulauf und einem Arbeitsmediumablauf zum Befüllen und Entleeren der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen sein, wobei die letzteren insbesondere einen größeren Querschnitt als der wenigstens eine Zulauf 3 und der wenigstens eine Ablauf 4 zur Herstellung der Kühlölströmung aufweisen. Alternativ sind der wenigstens eine Zulauf 3 und der wenigstens eine Ablauf 4 zur Herstellung der Kühlölströmung (allgemein Kühlmediumströmung) die einzigen Zu- und Abläufe der hydrodynamischen Kupplung 2.
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Die Ausführungsform gemäß der 2 entspricht weitgehend jener der 1, jedoch weist der Arbeitsraum 2.3 bei dieser Ausführungsform eine Ausbuchtung 6 auf, so dass der Querschnitt des Arbeitsraums 2.3 in diesem Bereich von der im übrigen Bereich vorgesehenen Kreisform abweicht. Der Ablauf 4 mündet im Bereich der Ausbuchtung 6. Der Zulauf 3 mündet im Zentrum des Arbeitsraums 2.3 beziehungsweise auf einem Durchmesser, welcher den Querschnitt des Arbeitsraums 2.3 in einer Ebene durch den Trennspalt zwischen dem Pumpenrad 2.1 und dem Turbinenrad 2.2 senkrecht zur Drehachse 2.4 in zwei gleich große Kreisringflächen unterteilt.
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Selbstverständlich ist es möglich, die Mündung des Zulaufs 3 entsprechend der Ausführungsform in der 1 oder noch anders auszuführen. Umgekehrt kann die Mündung des Zulaufs 3 gemäß der 2 auch bei der Ausführungsform gemäß 1 positioniert werden.
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Obwohl in den 1 und 2 der Wärmetauscher 5 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter der Pumpe 1 vorgesehen ist, kann es günstig sein, diesen in Strömungsrichtung vor der Pumpe 1 vorzusehen.
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Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform ist ein Drosselelement 7 vorgesehen, mittels welchem die Kreislaufströmung von Arbeitsmedium im Arbeitsraum 2.3 derart gestört werden kann, dass die hydrodynamische Leistungsübertragung beziehungsweise das in der hydrodynamischen Kupplung 2 übertragene Drehmoment wahlweise vermindert werden kann. Die inaktive Stellung des Drosselelementes 7 ist in ausgezogenen Linien skizziert, die aktive Stellung in gestrichelten Linien, wobei das Drosselelement 7, das vorliegend im Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung eine T-Fom (bezogen auf die dargestellte Hälfte des Arbeitsraums 2.3) aufweist, zwischen der aktiven und der inaktiven Position zumindest in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung 2 verschoben werden kann.
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Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform mit einem Drosselelement 7 ist der Zulauf 3 wiederum in einem radial inneren Quadranten, vorliegend des Turbinenrads 2.2 vorgesehen, insbesondere unmittelbar vor dem Bereich des Arbeitsmediumaustritts aus dem Turbinenrad 2.2 beziehungsweise vor dem Eintritt des Arbeitsmediums in das Pumpenrad 2.1. An dieser Stelle herrscht ein besonders niedriger Druck. Das Drosselelement 7 ist bei der gezeigten Ausführungsform auf einem mittleren Durchmesser im Arbeitsraum 2.3 axial verschiebbar angeordnet. Somit stellt sich im radial äußeren Bereich des radial inneren Quadranten des Pumpenrads 2.1, nämlich bezogen auf die Richtung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum 2.3 vor dem Drosselelement 7, insbesondere unmittelbar vor dem Drosselelement 7 ein vergleichsweise hoher Druck ein, so dass der Ablauf 4 vorteilhaft an dieser Stelle mündend vorgesehen ist.
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Selbstverständlich ist es auch bei der Ausführungsform in der 3 möglich, den Zulauf 3 und/oder den Ablauf 4 an einer anderen Stelle im Arbeitsraum 2.3 mündend vorzusehen. Beispielsweise kann der Zulauf 3 bezogen auf die Richtung der Kreislaufströmung im Arbeitsraum 2.3 hinter dem Drosselelement 7 münden.
