DE102010021598A1

DE102010021598A1 - Antriebsvorrichtung für eine hydraulische Pumpe

Info

Publication number: DE102010021598A1
Application number: DE201010021598
Authority: DE
Inventors: Peter Baur; Martin Füchtner; Dr. Esser Joachim
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: DE102010021598B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1) für eine hydraulische Pumpe (2), wobei die Antriebsvorrichtung (1) über zwei Leistungsstränge verfügt und der eine Leistungsstrang von einem Verbrennungsmotor (5) und der andere Leistungsstrang von einem Elektromotor (3) antreibbar ist, wobei die beiden Leistungsstränge in einem Additionsgetriebe (14) zusammengeführt sind. Bei einer solchen Vorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Elektromotor ein Anlassermotor (3) für den Verbrennungsmotor (5) ist. Durch diese Ausbildung der Vorrichtung ist es möglich, den Elektromotor für mehrere Funktionen im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor und der hydraulischen Pumpe zu verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine hydraulische Pumpe, wobei die Antriebsvorrichtung über zwei Leistungsstränge verfügt und der eine Leistungsstrang von einem Verbrennungsmotor und der andere Leistungsstrang von einem Elektromotor antreibbar ist, wobei die beiden Leistungsstränge in einem Additionsgetriebe zusammengeführt sind.
Bei Fahrzeugen mit hydraulisch betätigten Schaltelementen oder Anfahrelementen versorgt eine hydraulische Pumpe ein hydraulisches Steuergerät mit Drucköl. Das Drucköl wird konventionell durch eine mit dem Verbrennungsmotor mechanisch verbundene Pumpe gefördert. Bei niedrigen Pumpendrehzahlen (z. B. im Leerlauf des Verbrennungsmotors) muss genügend Drucköl bereitgestellt werden, damit das System störungsfrei funktioniert. Daher wird das Fördervolumen der Pumpe, somit das geförderte Ölvolumen pro Minute, für den Betrieb im Leerlauf ausgelegt. Im Fahrbetrieb erhöht sich mit der Motordrehzahl auch die Pumpendrehzahl und damit auch die Förderleistung und Antriebsleistung der Pumpe. Je nach Auslegung fördert die Pumpe ab einer geometrisch bedingten Drehzahl mehr Drucköl als benötigt wird. Dadurch entstehen unerwünschte mechanische und hydraulische Verluste, die den Kraftstoffverbrauch erhöhen, den Luftanteil im Öl erhöhen, die zum Fahren verfügbare Antriebsleistung reduzieren und die das hydraulische Fluid unnötig aufheizen. Bei hohen Drehzahlen können aufgrund der hohen Förderleistung unerwünschte Kavitationseffekte und Geräuschprobleme auftreten. Durch Verkleinerung der Pumpförderleistung, z. B. des Schluckvolumens (Fördermenge pro Umdrehung) könnten zwar die Verluste reduziert werden. Dies würde jedoch gleichzeitig die Funktionsfähigkeit und Verfügbarkeit des hydraulischen Systems reduzieren. Eine Verringerung der Pumpendrehzahl, z. B. durch Veränderung der Übersetzung des Pumpenantriebs, würde Verluste ebenfalls reduzieren, jedoch auch die Funktionsfähigkeit und Verfügbarkeit des hydraulischen Systems einschränken.
Eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen der eingangs genannten Art ist aus der DE 103 29 215 A1 bekannt. Diese Antriebsvorrichtung findet Verwendung bei einer Getriebe-Ölpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen zur Versorgung eines beliebigen Getriebes an Kraftfahrzeugen mit Schmiermittel bzw. Getriebeöl. Um insbesondere bei einem Start-Stopp-Betrieb des Fahrzeuges, bei dem der Verbrennungsmotor zur Schonung der Umwelt betriebssituationsgerecht kurzzeitig abgeschaltet und danach automatisch und betriebssituationsgerecht wieder in Betrieb genommen wird, zu gewährleisten, dass das Bordnetz des Kraftfahrzeugs nicht überbelastet wird, ist bei dieser Antriebsvorrichtung vorgesehen, dass der eine Leistungsstrang von einem Verbrennungsmotor und der andere Leistungsstrang von einem Elektromotor antreibbar ist. Beide Leistungsstränge sind in einem Additionsgetriebe, auch als Summierungsbetriebe bezeichnet, zusammengefasst, das als Planetengetriebe ausgebildet ist. Hierbei ist die Getriebe-Ölpumpe mit einem Planetenträger, der Elektromotor mit einem Sonnenrad und der Verbrennungsmotor über eine mechanische Kopplung mit einem Hohlrad des Additionsgetriebes verbunden, wobei der Planetenträger über Planetenräder radial nach innen mit dem Sonnenrad und radial nach außen mit dem Hohlrad im Zahneingriff steht. Die Antriebsvorrichtung der Getriebe-Ölpumpe kann bezüglich eines optimalen Wirkungsgrades und einer optimalen Ölmenge derart betrieben werden, dass eine Anpassung der Förderleistung der Getriebe-Ölpumpe an unterschiedlichen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, an die aktuelle Temperatur des Getriebeöls und/oder an andere Parameter, wie etwa die Änderung der Übersetzung des Getriebes erfolgt. Der Elektromotor kann mit einem negativen, gleichbleibenden oder positiven Drehmoment betrieben werden, so dass am Ausgang des Additionsgetriebes eine betriebssituationsoptimale Ölpumpendrehzahl erzeugt wird.
In der EP 0 109 246 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für eine hydraulische Pumpe beschrieben, wobei mittels eines Elektromotors ein Rotor antreibbar ist. Dieser Rotor ist im Bereich abgewandter Enden mit Zahnkränzen versehen und axial verschieblich. In einer ersten axial verschobenen Stellung befindet sich der Zahnkranz des Rotors in Eingriff mit einem Zahnkranz einer Schwungscheibe eines Verbrennungsmotors zwecks Anlassen des Verbrennungsmotors. In einer zweiten abgewandten Endstellung des Rotors, in der dieser außer Eingriff mit dem Schwungrad des Verbrennungsmotors ist, greift der dem Verbrennungsmotor abgewandte Zahnkranz des Rotors in Planetenräder eines Planetengetriebes ein, deren Abtriebswelle beispielsweise eine Ölpumpe antreibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die vorbeschriebenen Nachteile vermieden werden und der Elektromotor für mehrere Funktionen im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor und der hydraulischen Pumpe verwendbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass der Elektromotor ein Anlassermotor für den Verbrennungsmotor ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist die Pumpe somit nicht direkt an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt. Dies ermöglicht es, die Pumpendrehzahl bedarfsgerecht einzustellen. Der Anlasser des Verbrennungsmotors wird genutzt, um über das Additionsgetriebe die Drehzahl der Pumpe zu variieren. Ein solcher stufenloser Pumpenantrieb kann die Förderleistung an den Bedarf anpassen und damit auch die Verluste reduzieren.
Der Anlassermotor ist insbesondere elektromechanisch schaltbar an das Additionsgetriebe anzukoppeln oder direkt an das Additionsgetriebe angekoppelt. Die Drehzahlen von Anlassermotor und Verbrennungsmotor addieren sich zur Gesamtdrehzahl des Pumpenantriebs. Bei Bedarf kann der Anlassermotor im eingerückten Betrieb, z. B. bei niedriger Motordrehzahl im Leerlauf die Pumpendrehzahl erhöhen oder senken und damit die Förderleistung zum Befüllen der Kupplungen, zum Betätigen der Schaltelemente oder sogar zur Kühlung des Antriebselements anpassen.
Hierdurch entstehen Auslegungsvorteile, mit dem das Schluckvolumen und damit die Antriebs- und Förderleistung der Pumpe abgesenkt werden kann.
Zugleich kann auch die Pumpenantriebsübersetzung länger übersetzt werden und damit das Drehzahlniveau der Pumpe absenken, ohne die Funktionsfähigkeit und Verfügbarkeit des hydraulischen Systems bei niedrigen Drehzahlen zu beeinträchtigen. Bei mittleren bis hohen Motordrehzahlen werden die Pumpenverluste direkt proportional zur Reduktion der Förderleistung und abgesenkten Drehzahl reduziert. Bei hohen Drehzahlen werden Kavitationseffekte und Geräuschprobleme aufgrund der niedrigeren Pumpendrehzahlen und Fördermenge vermieden. Bei Beschleunigungsfahrten, oder Fahrten mit hoher Motorleistung, kann die Pumpendrehzahl durch den Anlassermotor temporär abgesenkt werden. Die Energie zum Betreiben des Anlassers kann kurzzeitig aus der Batterie für den Anlassermotor entnommen werden, wenn der Beschleunigungsvorgang nicht zu lange dauert. Weil sich die Verluste in der Pumpe entsprechend reduzieren, steht dem Fahrzeug mehr effektive Beschleunigungsleistung und damit bessere Fahrleistungswerte zur Verfügung.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, die Pumpe auch bei stehendem Verbrennungsmotor antreiben zu können. Die Pumpe wird dabei durch den Anlassermotor über das Additionsgetriebe angetrieben und die Hydraulik mit Drucköl versorgt. Damit sind Aktionen wie Befüllungen, Gangwechsel, Kühlungen im Getriebe auch im Stillstand möglich, die sonst aufgrund der fehlenden hydraulischen Druckölversorgung erst ab Motorstart durchgeführt werden müssen.
Im Rahmen der Erfindung ist durchaus vorgesehen, dass die Drehzahl des Anlassermotor regelbar ist, womit die Pumpendrehzahl gleichfalls regelbar ist.
Der Anlassermotor kann durchaus auch die zusätzliche Funktion eines Generators aufweisen. Dieser kann situationsspezifisch ein Bremsmoment aufbringen, womit Energie durch geeignete Stromumwandlung z. B. für die Batterie des Fahrzeuges zurückgewonnen werden kann.
Das Additionsgetriebe ist vorzugsweise als Planetengetriebe oder gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung als Wälzlagergetriebe ausgebildet.
Bei Ausbildung als Wälzlagergetriebe werden insbesondere auf dessen Außenring und/oder Innenring eingebrachten Eingangsmomente kraftschlüssig auf die Wälzkörper übertragen und von dort formschlüssig auf den Lagerkäfig des Wälzlagergetriebes übertragen, das den Ausgang des Getriebes darstellt. Die Wälzkörper übertragen die Momente und die Drehzahlen aufgrund Ihrer Geometrie, wie z. B. Durchmesser mit ähnlicher Gesetzmäßigkeit wie die Planeten bei einem Planetengetriebe. Der Lagerkäfig ist so gestaltet, dass er die resultierenden Umfangskräfte zur Momentenübertragung aufnehmen kann. Um Lagerreibung und Verluste zu minimieren, weist der Lagerkäfig eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme der Wälzkörper auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind Planetengetriebe oder Wälzlagergetriebe seriell kombiniert angeordnet. Dadurch lassen sich kompakte leise Getriebe erstellen, die aus mehreren nahezu gleichen Bauteilen bestehen. Da die Übersetzung multiplikativ mit jedem angehängten Planetengetriebe bzw. Wälzlagergetriebe steigt, ist das zu übertragende Moment des letzten Lagers in Reihe am höchsten. Die Momentenkapazität des letzten Planetengetriebes bzw. Wälzlagergetriebes sollte deshalb bei der Auslegung des Planetengetriebes bzw. des Wälzlagergetriebes, im letzten Fall insbesondere die Auslegung der Wälzkörperdurchmesser berücksichtigt werden.
Aufgrund eines vorzugsweise verhältnismäßig kleinen Durchmessers der Wälzkörper eignet sich ein Wälzlagergetriebe insbesondere für einen Antrieb des Innen- und Außenrings.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist vorgesehen, dass bei Ausbildung des Additionsgetriebes als Planetengetriebe die Pumpe mit einem Planetenträger, der Anlassermotor über ein Getriebe mit dem Hohlrad, und eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors über ein Getriebe mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes verbunden ist. Das Getriebe, das den Anlassermotor mit dem Hohlrad verbindet und/oder das Getriebe, das den Verbrennungsmotor mit dem Sonnenrad verbindet, treibt das Hohlrad bzw. das Sonnenrad drehrichtungskonform oder nicht drehrichtungskonform an. Eine Drehrichtungskonformität ergibt sich beispielsweise, wenn das genannte Getriebe als Riemengetriebe ausgebildet ist; eine nicht Drehrichtungskonformität ergibt sich beispielsweise, wenn das genannte Getriebe als Stirnradgetriebe mit zwei miteinander kämmenden Rädern gestaltet ist.
Entsprechendes gilt für die Ausbildung des Additionsgetriebes als Wälzlagergetriebe. In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Pumpe mit dem Lagerkäfig, der Anlassermotor über ein Getriebe mit dem Außenring, und eine Abtriebswelle des Verbrennungsmotors über ein Getriebe mit dem Innenring des Wälzlagergetriebes verbunden sind. Das Getriebe, das den Anlassermotor mit dem Außenring verbindet und/oder das Getriebe, das den Verbrennungsmotor mit dem Innenring verbindet, treiben den Außenring bzw. den Innenring drehrichtungskonform oder nicht drehrichtungskonform an.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der nachfolgenden Zeichnung dargestellt, wobei bemerkt wird, dass alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen weitere erfinderische Ausgestaltungen darstellen.
In den Figuren ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung unter Verwendung eines als Planetengetriebe ausgebildeten Additionsgetriebes und anlassermotorseitigem Riemenantrieb (drehrichtungskonformer Antrieb),
2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in 1 bei in die Schnittebene verlegter Riemenebene,
3 eine bezüglich dem Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 modifiziertes Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung mit anlassermotorseitigem Stirnantrieb (nicht drehrichtungskonformer Antrieb),
4 ein Schaubild zur Veranschaulichung des Einflusses der Anlasserdrehzahl auf die Pumpendrehzahl,
5 ein weiteres grundsätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Additionsgetriebe als Wälzlagergetriebe ausgebildet ist,
6 eine Darstellung des bei der Ausführungsform nach 5 Verwendung findenden Wälzlagergetriebes,
7 ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 modifiziertes Wälzlagergetriebe zur Verwendung bei der Antriebsvorrichtung, in einer räumlichen Darstellung veranschaulicht, wobei die Wälzkörper als Kugeln ausgebildet sind,
8 in einer räumlichen Darstellung den bei dem Wälzlagergetriebe gemäß 7 Verwendung findenden Lagerkäfig,
9 und 10 Darstellungen entsprechend der Darstellungen in 7 und 8 für ein modifiziertes Wälzlagergetriebe, dessen Wälzkörper als zylindrische Wälzkörper ausgebildet sind, wobei das Wälzlagergetriebe gemäß 9 in räumlicher Anordnung geschnitten dargestellt ist,
11 ein Ausführungsbeispiel für eine serielle Kombination dreier identisch aufgebauter Wälzlagergetriebe, in einer räumlichen, geschnittenen Darstellung.
1 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 für eine hydraulische Pumpe 2.
Ein Anlassermotor 3 verfügt über ein einrückbares Antriebsritzel 4. Um einen Verbrennungsmotor 5, veranschaulicht für dessen Kurbelwelle 6 und den mit dieser verbundenen Anlasserzahnkranz 7, zu starten, treibt das Antriebsritzel 4 in seiner eingerückten Stellung über den Anlasserzahnkranz 7 die Kurbelwelle 6 an, womit der Verbrennungsmotor gestartet wird. Ein Kupplungskorb 8 des Verbrennungsmotors 5 treibt über eine Welle 10 einen Pumpenantriebszahnkranz 9 an, der wiederum mit einem Pumpenantriebszahnrad 11 kämmt. Dieses ist über eine Welle 12 mit dem Sonnenrad 13 eines Additionsgetriebes verbunden, das als Planetengetriebe 14 ausgebildet ist.
Der Anlassermotor 3 besitzt neben dem Antriebsritzel 4 eine zweite, einrückbare Klauenmitnahme 15. In eingerücktem Zustand treibt der Anlassermotor 3 über die Klauenmitnahme 15 ein Klauenrad 16 an. Über einen drehrichtungskonformen Antrieb bzw. ein drehrichtungskonformes Getriebe treibt das Klauenrad 16 das Hohlrad 18 des Planetengetriebes 14 an. Aufgrund des drehrichtungskonformen Antriebes/Getriebes dreht sich das Klauenrad 16 in derselben Drehrichtung wie das Hohlrad 18. Der drehrichtungskonforme Antrieb kann unterschiedlich gestaltet sein, z. B. als veranschaulichter Riemenantrieb 17.
Im Additionsgetriebe/Planetengetriebe 14 addieren sich die Drehzahlen von Hohlrad 18 und Sonnenrad 13 auf die resultierende Drehzahl der Pumpenantriebswelle 19. Diese nimmt den Planetenträger 20 des Planetengetriebes 14 auf. Über den Planetenträger 20 wird die hydraulische Pumpe 2 angetrieben, die als konventionelle Zahnradpumpe, im Querschnitt skizziert, veranschaulicht ist.
2 veranschaulicht die Prinzipdarstellung des verwendeten Additionsgetriebes mit Riemenantrieb. Das Klauenrad 16 treibt mittels des Riemenantriebes 17 drehrichtungskonform das Hohlrad 18 an. Es wird vorgeschlagen, die Drehrichtung des Riemenantriebs 17 so zu gestalten, dass die natürliche Drehzahl des Anlassermotors 3 beim Starten des Verbrennungsmotors 5 das Hohlrad 18 in gleicher Drehrichtung antreibt, wie der Verbrennungsmotor 5 das Sonnenrad 13. Dadurch lassen sich die Drehzahlen von Verbrennungsmotor 5 und Anlassermotor 3 im Planetenträger 20 addieren. Ein in einer Drehrichtung sperrender Freilauf 21 stützt das Planetengetriebe 14 und verhindert ein Zurückdrehen des Hohlrades 18. Im Rahmen der Beschreibung wird unter dem Begriff des Planetenträgers 20 auch die Planetenräder des Planetengetriebes 14 subsumiert.
Gemäß dem in 3 veranschaulichten, modifizierten Ausführungsbeispiel ist ein Antrieb über ein einfaches Stirnradgetriebe 22 vom Klauenrad 16 zum Hohlrad 18 vorgesehen. Bei diesem Antrieb handelt es sich aufgrund der Drehrichtungsumkehr im Getriebe um einen nicht drehrichtungskonformen Antrieb bzw. nicht drehrichtungskonformes Getriebe 22. Dabei ist eine Unterstützung des Pumpenantriebs beim Motorstart durch den Anlassermotor 3 aufgrund der Drehrichtungsverhältnisses ungünstig. Die unterschiedlichen Drehrichtungen zwischen Hohlrad 18 und Sonnenrad 13 führen zu einer Drehzahlsubtraktion.
Eine Drehzahladdition während der Fahrt ist jedoch ebenfalls möglich, da der Anlassermotor 3 wie jeder Elektromotor auch rückwärts betrieben werden kann. Ein linkssperrender Freilauf 21 stützt das Additionsgetriebe und verhindert ein Zurückdrehen des Hohlrades 18. Bei einer solchen Anordnung kann der Anlassermotor 3 erst dann unterstützen, wenn der Motor läuft und das Antriebsritzel 4 ausgerückt ist.
Um den Anlassermotor 3 schon im eingerückten Betrieb beim Start des Verbrennungsmotors 5 zu nutzen, wird vorgeschlagen, einen Drehrichtungsangleich zwischen Klauenrad 16 und Hohlrad 18 umzusetzen. Dies kann durch den Riementrieb oder durch Integration eines Vorsatzgetriebes im Anlasser erfolgen.
4 zeigt schematisch den Verlauf der Pumpendrehzahl u für verschiedene Anordnungen über der Zeit t dargestellt:
Für die konventionelle Pumpenanbindung zeigt die Linie 23 den zeitlichen Verlauf der Drehzahl des Verbrennungsmotors 5, die Linie 24 die Drehzahl des Anlassermotors 3 und die Linie 25 die Drehzahl einer konventionell angetriebenen hydraulischen Pumpe. Zum Zeitpunkt ”0” (Startpunkt) treibt der Anlassermotor 3 über das Antriebsritzel 4 den Verbrennungsmotor 5 an, bis dieser zündet bzw. mindestens Leerlaufdrehzahl erreicht. Wenn der Verbrennungsmotor 5 stabil läuft, wird das Antriebsritzel 4 wieder ausgerückt und die Bestromung des Anlassermotors 3 eingestellt. Im ausgerückten Zustand trudelt der Anlassermotor 3 in der Drehzahl 24 bis auf 0 Umdrehungen pro Minute aus. Da die Pumpe durch den Motor über ein festes Übersetzungsverhältnis angetrieben wird, steigt die Pumpendrehzahl entsprechend der Linie 25 direkt proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors 5, veranschaulicht durch die Linie 23.
Wird die Pumpe 2, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzlich über das Additionsgetriebe/Planetengetriebe 14 durch den Anlassermotor 3 angetrieben, kann der Anlassermotor 3 motorseitig ausgerückt werden, pumpenseitig jedoch kann der Anlassermotor 3 eingerückt bleiben und weiter drehen. Nur das motorseitige Antriebsritzel 4 trudelt aus. Die Drehzahl des Anlassermotors 3, veranschaulicht durch die Linie 26, kann bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors 5, besonders nach dem Anlassen, weiterhin auf Höchstdrehzahl nAnlasserMax konstant eingestellt (gesteuert) bleiben. Da das motorseitige Antriebsritzel 4 ausgerückt wurde, muss der Anlassermotor 3 nur noch einen Teil des Pumpenantriebmoments aufbringen. Der Rest wird leistungsverzweigt vom Verbrennungsmotor 5 aufgebracht. Durch die hohe Drehzahl des Anlassermotors 3 ergibt sich bei geeigneter Auslegung eine Pumpendrehzahl, veranschaulicht durch die Linie 27, die höher ist als die Motordrehzahl, was beim Startvorgang durchaus wünschenswert ist, um die hydraulische Steuerung ausreichend mit Befüllungs- und Kupplungskühlöl zu versorgen. Ist die Pumpenförderleistung ausreichend, kann der Anlassermotor 3 abgeschaltet werden und der Verbrennungsmotor 5 übernimmt alleine den Antrieb der Pumpe 2. Bei hohen Drehzahlen ergibt sich somit, bei geeigneter Auslegung der Pumpenantriebsübersetzung, eine deutlich geringere Pumpendrehzahl und damit geringere Pumpenantriebsleistung und Pumpenverlustleistung gegenüber einer konventionellen Anbindung.
Als zusätzliche Optimierungsmaßnahme wird auch eine Regelung für die Drehzahl des Anlassermotors 3 entsprechend der Linie 28 vorgeschlagen. Auch hier kann der Anlassermotor 3 motorseitig ausgerückt werden, pumpenseitig jedoch im Eingriff bleiben und weiter drehen. Die Drehzahl des Anlassermotors 3 gemäß der Linie 28 kann in weiten Bereichen so geregelt werden, dass sich eine gewünschte Pumpendrehzahl gemäß der Linie 29 einstellt. In der 4 ist beispielhaft ein konstanter Verlauf der Pumpendrehzahl für eine Sollwertvorgabe von z. B. 1500 u/min dargestellt. Da das motorseitige Antriebsritzel 4 ausgerückt wurde, muss der Anlassermotor 3 nur einen Teil des Pumpenantriebsmoments aufbringen. Der Rest wird leistungsverzweigt vom Verbrennungsmotor 5 aufgebracht. Mit konstanter Pumpendrehzahl ist auch die Pumpenförderleistung konstant. Der Anlassermotor 3 kann nahezu bis auf 0 u/min betrieben werden, um die Pumpendrehzahl zu regeln. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3 verhindert der Freilauf 29 den Drehrichtungswechsel des Anlassers. Es ist durchaus denkbar, keinen Freilauf zu verwenden. Damit lässt sich der Anlassermotor 3 auch negativ drehen und die Pumpendrehzahl über den Punkt 30 (nAnlasser = 0) hinaus durch negative Drehrichtung des Anlassermotors 3 auf konstanter Drehzahl einregeln.
Der Anlassermotor 3 kann durchaus als Generator ausgebildet sein, der ein Bremsmoment aufbringt und die Energie durch geeignete Stromumwandlung, z. B. für die Batterie des Kraftfahrzeuges zurückgewinnt.
In den insoweit beschriebenen 1 bis 4 ist bezüglich des Antriebs der hydraulischen Pumpe 2 veranschaulicht, dass die Antriebsvorrichtung 1 über zwei Leistungsstränge verfügt und der eine Leistungsstrang von dem Verbrennungsmotor 5 und der andere Leistungsstrang von dem Anlassermotor 3 antreibbar ist, wobei die beiden Leistungsstränge im Additionsgetriebe, bei dieser Ausführungsform dem Planetengetriebe 14 zusammengeführt sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 5 und 6 unterscheidet sich von demjenigen nach den 1 und 2 nur dadurch, dass statt der Ausbildung des Additionsgetriebes als Planetengetriebe dieses als Wälzlagergetriebe 31 ausgebildet ist. Insofern betreffen Bezugsziffern, die zu den 5 und 6 genannt sind, Bauteile der Antriebsvorrichtung 1, die mit denjenigen der Ausführungsform nach den 1 und 2 übereinstimmen, die dort mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wird. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur ersten Ausführungsform verwiesen.
Das in den 5 und 6 veranschaulichte Wälzlagergetriebe 31 ist als Kugellagergetriebe ausgebildet und weist somit Wälzkörper 32 auf, die Kugeln darstellen. Nur einige der auf zwei konzentrischen Kreisen angeordneten Kugeln 32 sind beziffert.
Das Wälzlagergetriebe 31 übernimmt die Aufgabe und die Funktion des zur ersten Ausführungsform veranschaulichten Planetengetriebes 14. Ein inneres Lager, das einen Innenring 33 aufweist, übernimmt die Aufnahme des Sonnenrades 13 und wird in einer festen Übersetzung vom Verbrennungsmotor 5 angetrieben. Ein äußeres Lager, das einen Außenring 34 aufweist, übernimmt die Aufgabe des Hohlrades 18 und wird über den Anlassermotor 3 angetrieben. Ein mittleres Lager, das einen Lagerkäfig 35 aufweist, in dem die Wälzkörper 32 gelagert sind, übernimmt die Aufgabe des Planetenträgers 20 und dient, mit summierter Drehzahl, als Antrieb der hydraulischen Pumpe 2. Ein den Außenring 34 umgebender Ring 36 nimmt zwischen sich und dem Außenring 34 einen Freilauf 37 auf, der das Wälzlagergetriebe 31 gegen Zurückdrehen sichert.
Das Wälzlagergetriebe 31 wird somit, genauso wie das Planetengetriebe 14, als kraftschlüssiges Übersetzungsgetriebe verwendet, um Drehmomente zu wandeln. Dabei wird beim Wälzlagergetriebe 31 das auf den Innenring 33 und den Außenring 34 eingebrachte Eingangsmoment kraftschlüssig auf die Wälzkörper 32 und damit auf den Lagerkäfig 35 übertragen. Die Wälzkörper 32 übertragen die Momente und die Drehzahlen aufgrund ihrer Geometrie, wie z. B. Durchmesser mit ähnlicher Gesetzmäßigkeit wie die Planeten beim Planetengetriebe 14.
Der Vorteil des Wälzlagergetriebes 31 besteht im leichten und kostengünstigen Aufbau der Lager. Im Gegensatz zu Wälzgetrieben mit komplex zu fertigenden Zahnradgeometrien, bestehen die einzelnen Wälzkörper 32 aus einfach zu fertigenden geometrischen Grundkörpern, wie Kugeln, Tonnen, Rollen, Nadeln, Kegelkörpern.
Die Durchmesser der Wälzkörper 32 sind im Verhältnis zum Außenring 34 sehr klein. Beispielsweise beträgt das Durchmesserverhältnis von Wälzkörper zu Außenring ungefähr 1:10. Die Fertigung von kleinen Planeten und deren Verzahnungen bei Planetengetrieben ist dagegen sehr anfällig gegenüber Teilungstoleranzen und Rundlauffehlern. Schon geringe Fertigungstoleranzen können sich bei Zahnradgetrieben und Planetengetrieben akustisch negativ auswirken, während Wälzlagergetriebe 31, insbesondere unter Verwendung von Wälzkörpern 32, die als Kugeln ausgebildet sind, geometrisch bedingt auf glatten Formen und Flächen und deswegen akustisch leise abwälzen.
Bei dem Wälzlagergetriebe 31 wird die Pressung der Wälzkörper 32 im Fertigungsprozess durch die Toleranzen der Wälzkörper und Lagerlaufflächen, konkret der Kugeldurchmesser und der Lagerlaufflächen (Innen- und Außenringdurchmesser) festgelegt und im Montageprozess durch Positionierung der Wälzkörper bzw. Kugeln mit gleichem Abstand sichergestellt. Die Passung der Wälzkörper 32 ermöglicht eine Kraftübertragung in Umfangsrichtung. Je höher die durch die Durchmesser eingestellte Passung, desto höher ist die erzielbare Umfangskraft bzw. das übertragbare Moment, bevor die Wälzkörper gleiten, statt zu rollen. Da die Umfangskraft gleichmäßig auf alle Wälzkörper verteilt ist, erhöht sich die übertragbare Umfangskraft mit jedem Wälzkörper. Aufgrund der hohen Wälzkörperanzahl ist damit eine vergleichbare hohe Umfangskraft bzw. Übertragungssicherheit möglich.
Bei der Ausführungsform nach den 5 und 6 weist der Lagerkäfig 35 einen Ringabschnitt auf, der sich zwischen den beiden konzentrisch zueinander angeordneten Kugellageranordnungen erstreckt, womit die innere Kreisanordnung der Wälzkörper 32 den Lagerkäfig 35 und den Innenring 32 und die äußere Wälzkörperanordnung den Lagerkäfig 35 und den Außenring 34 unter radialer Vorspannung kontaktiert.
7 zeigt eine Modifizierung des Wälzlagergetriebes 31 und 8 zu dieser Ausführungsform den Lagerkäfig 35. Der Lagerkäfig 35 weist im Bereich eines axialen Endes eine Vielzahl von Taschen auf, deren Form an diejenige der Wälzkörper angepasst ist. Im Ausführungsbeispiel ist diese Taschenform an die Form der als Kugel ausgebildeten Wälzkörper 32 angepasst. In Umfangsrichtung des Lagerkäfigs 35 sind zwischen benachbarten Taschen Vorsprünge 39 gebildet. Aufgrund dieser Gestaltung kann der Lagerkäfig 35 die resultierenden Umfangskräfte zur Momentenübertragung aufnehmen. Um die Gleitreibung zwischen Wälzkörpern 32 und Lagerkäfig 35 zu minimieren, sollte das Spiel zwischen Wälzkörper 32 und Lagerkäfig 35 genau eingehalten werden, damit genügend Öl im Spalt zwischen diesen Körpern verbleibt und die Reibung minimiert ist.
Aufgrund der verhältnismäßig kleinen Durchmesser der Wälzkörper 32 eignet sich ein Wälzlagergetriebe 31 vorzugsweise für den Antrieb von Innenring 33 und Außenring 34. Werden beide Ringe angetrieben, ergibt die Summe bei der Drehzahl, je nach Drehzahlverhältnis und Vorzeichen der Drehrichtung, eine berechenbare Drehzahl am Lagerkäfig 35, der den Abtrieb des Wälzlagergetriebes 31 darstellt.
Die 9 und 10 zeigen für eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den 7 und 8 abgewandeltes Ausführungsbeispiel entsprechend der Darstellungen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 9 und 10 dient der Lagerkäfig 35 der Aufnahme zylindrischer Wälzkörper 32. Insofern sind die Taschen 38 und Vorsprünge 39 des Lagerkäfigs 35 gegenüber denjenigen nach dem Ausführungsbeispiel gemäß der 7 und 8 modifiziert.
Die in den 5 und 6 bzw. 7 und 8 bzw. 9 und 10 vorgeschlagenen Wälzlagergetriebe 31 lassen sich auch seriell kombinieren. Dadurch lassen sich kompakte leise Getriebe erstellen, die aus mehreren nahezu gleichen Bauteilen bestehen. Dies ist in 11 für die Ausbildung des Wälzlagergetriebes 31 gemäß der Ausführungsform nach den 7 und 8 beschrieben. Die Krafteinleitung (Antrieb) solcher Getriebe erfolgt, da es sich um ein Additionsgetriebe handelt, über den Innenring 33.1 (Antrieb 1/Leistungsstrang 1) und den Außenring 34.1 (Antrieb 2/Leistungsstrang 2) des Wälzlagergetriebes 31.1. Der den Abtrieb bildende Lagerkäfig 35.1 des ersten Wälzlagergetriebes 31.1, in das die Kraft eingeleitet wird, bildet den Innenring 33.2 des folgenden Wälzlagergetriebes 31.2, dessen Außenring 34.2 festgesetzt wird. Der Lagerkäfig 35.2 dieses folgenden, zweiten Wälzlagergetriebes 31.2, bildet den Innenring des diesem folgenden, dritten Wälzlagergetriebes 31.3 usw..
Da die Übersetzung multiplikativ mit jedem angehängten Wälzlagergetriebe steigt, ist das zu übertragende Moment des letzten Wälzlagergetriebes 31.3 in Reihe am höchsten. Die Momentenkapazität des letzten Wälzlagergetriebes sollte deshalb bei der Auslegung der Wälzkörperdurchmesser berücksichtigt werden. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Pressung der Wälzkörper des Lagers mit dem höchsten Abtriebsmoment höher ist als die des ersten Lagers. Die Pressung der Wälzkörper lässt sich über die Dicke der Wälzkörper bzw. deren Toleranz im Fertigungsprozess und beim bereits bekannten Wälzkörpermontageprozess einstellen.
Der modifizierte Lagerkäfig kann Momente weiterleiten, jedoch keine Lagerkräfte aufnehmen. Daher ist bei jeder konstruktiven Ausführung die Aufnahme der Lagerkräfte, Zentrierung und Kompensation des Mittenversatzes durch geeignete Lageranordnung sicherzustellen.
Durch die serielle Aneinanderschaltung der Wälzlagergetriebe 31 lässt sich eine erwünschte, sehr große Übersetzung (ins Langsame) einstellen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsvorrichtung
2: hydraulische Pumpe
3: Anlassermotor
4: Antriebsritzel
5: Verbrennungsmotor
6: Kurbelwelle
7: Anlasserzahnkranz
8: Kupplungskorb
9: Pumpenantriebszahnkranz
10: Welle
11: Pumpenantriebszahnrad
12: Welle
13: Sonnenrad
14: Planetengetriebe
15: Klauenmitnahme
16: Klauenrad
17: drehrichtungskonformer Antrieb/Riemenantrieb
18: Hohlrad
19: Pumpenantriebswelle
20: Planetenträger
21: Freilauf
22: nicht drehrichtungskonformer Antrieb/Stirnradgetriebe
23: Linie
24: Linie
25: Linie
26: Linie
27: Linie
28: Linie
29: Linie
30: Punkt
31: Wälzlagergetriebe
32: Wälzkörper
33: Innenring
34: Außenring
35: Lagerkäfig
36: Ring
37: Freilauf
38: Tasche
39: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10329215 A1 [0003]
EP 0109246 A1 [0004]

Claims

Antriebsvorrichtung (1) für eine hydraulische Pumpe (2), wobei die Antriebsvorrichtung (1) über zwei Leistungsstränge verfügt und der eine Leistungsstrang von einem Verbrennungsmotor (5) und der andere Leistungsstrang von einem Elektromotor (3) antreibbar ist, wobei die beiden Leistungsstränge in einem Additionsgetriebe (14, 31) zusammengeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) ein Anlassermotor für den Verbrennungsmotor (5) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Additionsgetriebe als Planetengetriebe (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) mit einem Planetenträger (20), der Anlassermotor (3) über ein Getriebe (17) mit dem Hohlrad (18), und eine Abtriebswelle (10) des Verbrennungsmotors (5) über ein Getriebe (9, 11) mit dem Sonnenrad (13) des Planetengetriebes (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (17), das den Anlassermotor (3) mit dem Hohlrad (18) verbindet und/oder das Getriebe (9, 11), das den Verbrennungsmotor (5) mit dem Sonnenrad (13) verbindet, das Hohlrad (18) bzw. das Sonnenrad (13) drehrichtungskonform oder nicht drehrichtungskonform antreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Additionsgetriebe als Wälzlagergetriebe (31) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagergetriebe (31) einen Innenring (33), einen Außenring (34) und einen Lagerkäfig (35) mit von diesem aufgenommenen Wälzkörpern (32) aufweist, wobei die Wälzkörper (32) unter Vorspannung zwischen dem Innenring (33) und dem Außenring (34) gehalten sind und in Rotationsrichtung des Lagerkäfigs (35) gehalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkäfig (35) Taschen (38) zur Aufnahme der Wälzkörper (32) aufweist, insbesondere in jeder Tasche (38) ein Wälzkörper angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Tasche (38) in Umfangsrichtung des Lagerkäfigs (35) beidseitig geschlossen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (2) mit dem Lagerkäfig (35), der Anlassermotor (3) über ein Getriebe (17) mit dem Außenring (34), und eine Abtriebswelle (10) des Verbrennungsmotors (5) über ein Getriebe (9, 11) mit dem Innenring (33) des Wälzlagergetriebes (31) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (17), das den Anlassermotor (3) mit dem Außenring (34) verbindet und/oder das Getriebe (9, 11), das den Verbrennungsmotor (5) mit dem Innenring (33) verbindet, den Außenring (34) bzw. den Innenring (33) drehrichtungskonform oder nicht drehrichtungskonform antreibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (14) oder das Wälzlagergetriebe (31) seriell kombiniert angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des jeweiligen seriell angeordneten Planetengetriebes (14) oder Wälzlagergetriebes (31) derart erfolgt, dass das jeweilige Getriebe (14, 31) über das Sonnenrand (13) oder das Hohlrad (18) bzw. den Innenring (33) oder den Außenring (34) angetrieben wird und der Abtrieb über den Planetenträger (20) oder den Lagerkäfig (35) erfolgt, wobei Planetenträger (20) bzw. Lagerkäfig (35) mit dem Sonnenrad (13) oder Hohlrad (18) bzw. Innenring (33) oder Außenring (34) des folgenden seriellen Getriebes verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei seriell kombinierten Wälzlagergetrieben (31, 31) die Momentenkapazität des jeweiligen Wälzlagergetriebes (31) entsprechend dem mit diesem Wälzlagergetriebe (31) zu übertragenden Moment ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (32) als Kugeln, Tonnen, Rollen, Nadeln oder Kegelkörper ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Wälzkörper (32) im Verhältnis zum Außenring (34) klein ist, beispielsweise ungefähr 1:10 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlassermotor (3) elektromechanisch schaltbar oder direkt an das Additionsgetriebe (14, 31) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlassermotor (3) in seiner Drehzahl regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlassermotor (3) als Generator betreibbar ist.