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Es wird eine Ölpumpenanordnung für einen Druckschmierölkreislauf einer mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer mechanischen Verbindung zwischen einer Schmierölpumpe und der Brennkraftmaschine beschrieben.
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Aus der Druckschrift
DE 38 19 030 A1 ist eine derartige Ölpumpenanordnung bekannt, die eine mechanische Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der Ölpumpe mit einem zwischengeschalteten stufenlosen Getriebe begrenzter Spreizung vorsieht, das über einen Keilriemen zwei auf parallelen Achsen angeordnete Kegelräderpaare verbindet. Durch Verändern des Abstands zwischen den Kegelräderpaaren kann stufenlos das Übersetzungsverhältnis geändert und damit der Öldruck der Öldruckpumpe eines Verbrennungsmotors variiert werden.
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Eine Aufgabe ist es, eine Ölpumpenanordnung für einen Druckschmierölkreislauf einer mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeitenden Brennkraftmaschine zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik ein verbessertes Spreizungsverhältnis des stufenlosen Getriebes und einen kompakteren raumsparenden Aufbau aufweist.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Ölpumpenanordnung für einen Druckschmierölkreislauf einer mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeitenden Brennkraftmaschine mit einer mechanischen Verbindung zwischen einer Schmierölpumpe und der Brennkraftmaschine beschrieben. Der mechanischen Verbindung ist ein Planetengetriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung bei Abweichungen eines Istwertes des Schmieröldrucks von einem Sollwert zugeordnet.
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Diese Ölpumpenanordnung hat den Vorteil, dass in die mechanische Verbindung ein Planetengetriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung der Abweichungen eines Istwertes des Schmieröldrucks von einem Sollwert integriert ist, so dass anstelle von drei parallelen Achsen mit Kegelräderpaaren mit einer entsprechenden Keilriemendrehmomentübertragung das stufenlose Planetengetriebe die zentrisch zu einer einzigen Achse angeordneten Hohlwellen für ein Sonnenrad, einen Planetenkäfig und Hohlräder aufweist.
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Da alle Übersetzungskomponenten für eine Drehzahländerung nur noch über eine einzige Achse wirksam werden, ergibt sich ein kompakterer und raumsparender Aufbau gegenüber dem aus der Druckschrift D1 bekannten stufenlosen Zweiwellengetriebe mit Kegelradpaaren. Die Spreizung, d. h. das Verhältnis des höchsten zu dem niedrigsten Übersetzungsverhältnis, kann mit Hilfe des Planetengetriebes deutlich verbessert werden, da keine die Spreizung begrenzenden Kegelradpaare begrenzter Kegellänge vorgesehen sind. Generell kann mit der erfindungsgemäßen Ölpumpenanordnung eine optimale Annäherung an die theoretische Druckzunahme zur Sicherstellung der Schmierölversorgung der Lager einer Brennkraftmaschine erreicht werden.
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Mit dieser optimalen Näherung an die Druckerfordernisse der Lager der Brennkraftmaschine ist zusätzlich der Vorteil verbunden, eine Schmierölpumpe mit geringerer Leistung und damit auch mit geringerem Antriebsenergieverbrauch, der von der Brennkraftmaschine aufzubringen ist, bereitzustellen, so dass mit einer Verminderung des Brennstoffbedarfs des Kraftfahrzeugs, das mit einer derartigen Zündvorrichtung betrieben wird, gerechnet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Planetengetriebe ein zwischen einem ersten und einem zweiten Hohlrad achsverschiebbar angeordnetes Sonnenrad auf, auf dem Planetenkugeln abrollen, wobei jede Planetenkugel mit unterschiedlichen und stufenlos variablen Abrollradien mit den zwei Hohlrädern sowie mit einem Außenumfang des nicht rotierenden Sonnenrades in Reibverbindung stehen. Dazu ist die Rotation des achsverschieblichen Sonnenrades blockiert, so dass über die Achsverschiebung des Sonnenrades die stufenlose Übersetzungsänderung ermöglicht wird.
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Dazu werden in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die stufenlos variablen Abrollradien der Planetenkugel von der axialen Position des achsverschieblichen Sonnenrades definiert, indem ein Führungsbügel den Außenumfang des Sonnenrades gleitverschieblich umgreift und eine Drehachse der Planetenkugel in Abhängigkeit von der axialen Position des achsverschieblichen Sonnenrades um stufenlos verstellbare Kippwinkel schwenkt. In einer Mittenposition des Sonnenrades, bei dem die Drehachse der Planetenkugel nicht geschwenkt ist, ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis 1:1, wobei in dieser Mittenstellung keine Verstellkraft auf die Achse des Sonnenrades einwirkt im Gegensatz zu dem aus D1 bekannten stufenlosen Getriebe.
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Aus dieser Mittenstellung kann die Planetenkugel durch eine Achsverschiebung unter Aufbringung einer Stellkraft auf das achsverschiebliche Sonnenrad stufenlos geschwenkt werden. Die Reibverbindung der Planetenkugel mit den zwei Hohlrädern und der Außenumfang des Sonnenrades bleiben davon unberührt. Es ändert sich lediglich das Verhältnis zwischen den Abrollradien der Planetenkugel gegenüber dem ersten und dem zweiten Hohlrad und damit das Übersetzungsverhältnis, wobei eine verbesserte Spreizung durch die hohe Verstellbarkeit der Planetenkugeln erreicht wird, die nicht durch endliche Kegellängen von Kegelpaaren wie im Stand der Technik begrenzt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Planetenkäfig eine Mehrzahl der Planetenkugeln aufweist. Das hat den Vorteil, dass die Reibverbindungen zwischen Außenumfang des Sonnenrades und dem ersten Hohlrad sowie dem zweiten Hohlrad vervielfacht werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass das erste Hohlrad mit einer Antriebswelle und das zweite Hohlrad mit einer Abtriebswelle verbunden sind, so dass auf der Antriebswelle bzw. Abtriebswelle entsprechende Komponenten der Ölpumpenanordnung koaxial angeordnet werden können. Dazu sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle als Hohlwellen ausgebildet und umgeben koaxial die achsverschiebliche und drehfest angeordnete Welle des Sonnenrades.
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In einer Ausführungsform der Erfindung trägt die Antriebswelle des ersten Hohlrades eine Keilriemenscheibe, die über einen Keilriemen mit einer Keilriemenscheibe der Brennkraftmaschine in Eingriff steht. Außerdem kann auf der Abtriebswelle des zweiten Hohlrades die Antriebswelle der Schmierölpumpe mechanisch angeordnet sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie besonders kompakt ist.
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Um das achsverschiebliche Sonnenrad zu betätigen, steht dieses mit einem Aktuator in Wirkverbindung, wobei der Aktuator einen hydraulischen Antrieb aufweisen kann, der elektronisch in Abhängigkeit von einem optimalen Schmieröldruck bei vorgegebenem Betriebszustand des Brennkraftmotors durch eine elektronische Steuereinheit steuerbar ist. Dazu kann in der elektronischen Steuereinheit ein Kennlinienfeld der Schmierölpumpe sowie eine Kennlinie für einen optimalen Schmieröldruck der Brennkraftmaschinenabhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine gespeichert sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Ölpumpenanordnung für einen Druckschmierölkreislauf, dessen Schmieröldruck optimal an die Erfordernisse der Lagerschmierung der Brennkraftmaschine bei unterschiedlicher Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst ist.
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Die Anmeldung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die eine Ölpumpenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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2 zeigt ein Diagramm einer Ölpumpenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 zeigt ein Diagramm des erforderlichen Schmieröldrucks in Abhängigkeit von der Motordrehzahl;
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4 zeigt eine Prinzipskizze einer Ölpumpenanordnung mit einem Planetengetriebe in einer Mittenstellung einer stufenlosen Übersetzungsänderung;
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5 zeigt eine Prinzipskizze einer Ölpumpenanordnung mit einem Planetengetriebe in einer Stellung der Planetenkugeln bei einem Untersetzungsverhältnis der Drehmomente zwischen Antriebswelle zu Abtriebswelle;
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6 zeigt eine Prinzipskizze einer Ölpumpenanordnung mit einem Planetengetriebe in einer Stellung der Planetenkugeln bei einem Übersetzungsverhältnis der Drehmomente zwischen Antriebswelle zu Abtriebswelle.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Fahrzeugs 20 mit einer Brennkraftmaschine 3, die eine Ölpumpenanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. Für diese Ölpumpenanordnung 1 dient die Brennkraftmaschine 3 als Antrieb, indem beispielsweise eine Abtriebswelle der Brennkraftmaschine 3 mit der Kurbelwelle verbunden ist und eine Keilriemenscheibe 21 trägt, die über eine mechanische Verbindung 4 in Form eines Keilriemens 19 mit einer Keilriemenscheibe auf einer Antriebswelle 16 der Ölpumpenanordnung 1 angeordnet ist.
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Die Antriebswelle 16 gehört zu einem Planetengetriebe 6, das zwischen der Brennkraftmaschine 3 und der Schmierölpumpe 5 angeordnet ist. Während auf der Antriebswelle 16 des Planetengetriebes 6 die Keilriemenscheibe 18 angeordnet ist, befindet sich auf einer Abtriebswelle 17 des Planetengetriebes 6 die Schmierölpumpe 5, welche in einem Druckschmierölkreislauf 2 integriert ist. Die Schmierölpumpe 5 fördert das Schmieröl aus einer Ölwanne 30 über eine Druckleitung zu den Lagern der Brennkraftmaschine 3, wobei der Ausgangsdruck der Schmierölpumpe 5 mit einem Öldrucksensor 23 erfasst wird. Dabei ist die Ölwanne 30, die in 1 aus darstellungstechnischen Gründen beabstandet von der Brennkraftmaschine 3 gezeigt ist, ohne Abstand an der Brennkraftmaschine 3 angebracht.
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Das Drucksignal des Öldrucksensors am Ausgang der Schmierölpumpe 5 wird über eine Signalleitung 32 einem elektronischen Steuergerät 24 zugeleitet. Das elektronische Steuergerät 24 korreliert die gemessenen Öldruckwerte P mit den Motordrehzahlen n, die von einem Drehzahlmesser 28 über eine Signalleitung 32' dem elektronischen Steuergerät 24 zugeführt werden. Das Steuergerät 24 ist somit in der Lage, das stufenlose Planetengetriebe 6 mit stufenloser Übersetzungsänderung und deutlich verbesserter Spreizung verglichen mit stufenlosen zweiwelligen Kegelpaargetrieben über einen nicht gezeigten Aktuator derart zu steuern, dass bei Abweichungen eines Istwertes des Schmieröldrucks von einem Sollwert stufenlos der Istwert in weiten Motordrehzahlbereichen an den Sollwert angepasst werden kann.
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer Ölpumpenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei bildet der Block 100 den Antrieb, der wie 1 zeigt durch die Brennkraftmaschine 3 gebildet wird, wobei der Block 100 bzw. der Antrieb über eine mechanische Verbindung 4 mit dem Block 101 verbunden ist, der ein stufenloses Planetengetriebe 6, wie es in 1 gezeigt wird, symbolisiert. Der Block 101 steht über eine weitere mechanische Verbindung 4' mit einem Block 102 in Verbindung, der die aus 1 bekannte Schmierölpumpe 5 aufweist.
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Über eine Öldruckleitung 31 ist der Block 103 der den aus 1 bekannten Druckschmierölkreislauf 2 darstellt, an den Block 102 angeschlossen, wobei an den Druckschmierölkreislauf 2 bzw. an den Block 103 über eine weitere Öldruckleitung 31' der Block 104 angeschlossen ist, den ein Öldrucksensor 23, wie ihn 1 zeigt, bildet. Der Block 104 ist über eine Signalverbindung mit dem Block 105 verbunden, welcher ein elektronische Steuergerät 24, wie in 1 gezeigt, mit einem Kennlinienfeld bildet, Dazu ist der Block 105 sowohl mit der Signalleitung 32 des Blocks 104 als auch mit einer Signalleitung 32' verbunden, welche von dem Block 106, der den Drehzahlmesser 28 in 1 darstellt, die aktuellen Drehzahlen des Antriebs des Blocks 100 übermittelt.
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Aus den Öldruckdaten und den Drehzahldaten kann die elektronische Steuereinheit des Blocks 105 ein Steuersignal über eine Steuersignalverbindung 33 an den Block 107 weitergeben, der von einem Aktuator bzw. Stellglied gebildet wird, welches beispielsweise über eine hydraulische Verbindung 29 das Planetengetriebe 6 des Blockes 101 stufenlos verstellt und damit den Öldruck stufenlos von einem Istwert zu einem Sollwert durch das Planetengetriebe 6 einstellt.
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3 zeigt ein Diagramm des erforderlichen Schmieröldrucks P in Kilopascal (kPa) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n in Umdrehungen pro Minute (n/min). Die Kurve a in 3 zeigt einen theoretischen Mindestschmieröldruckbedarf der Lager einer Brennkraftmaschine bei ansteigender Motordrehzahl n.
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Abweichend von dieser Kurve ist bei Brennkraftmaschinen, die eine Nockenwellenstellvorrichtung aufweisen, ein Mindestschmieröldruck Pk von etwa 100 kPa bereits bei einer niedrigen Drehzahl von etwa 400 n/min erforderlich, so dass herkömmliche Schmierölpumpen so ausgelegt sind, dass linear mit der Kurve c der Drehzahl n der Öldruck P ansteigen muss, um dieses Erfordernis eines Mindestöldrucks bei beispielsweise 100 kPa bei der relativ niedrigen Drehzahl von etwa 400 n/min zu erreichen. Mit einer derart starken Öldruckpumpe wird somit relativ frühzeitig ein maximaler Druck von 425 kPa erreicht, bei dem der Schmieröldruck in einen Abregelungsdruck gemäß der Kurve d übergeht.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen stufenlosen Planetengetriebes kann jedoch eine optimale Öldruckkurve b realisiert werden, wie es mit der gestrichelten Linien in 3 dargestellt ist. Diese ideale Öldruckkurve b berücksichtigt sowohl den Mindestschmieröldruck Pk bei Motoren mit Nockenwellenstellvorrichtung als auch einen nicht linearen moderaten Anstieg des Schmieröldrucks unter zunehmender Motordrehzahl.
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Eine grobe Annäherung an die Kurve b kann durch eine Zweipunktregelung des Drucks erreicht werden, indem zunächst eine Motordrehzahl von 3000 n/min den Öldruck auf einer Niederdruckstufe e von beispielsweise 225 kPa hält und erst oberhalb der 3000 n/min eine Hochdruckstufe der Öldruckpumpe einsetzt, die den Abregelungsdruck entsprechend der Kurve d als Hochdruckstufe konstant hält. Mit einer derartigen zweistufigen Öldruckpumpe kann jedoch nicht die in 3 gezeigte ideale Öldruckkurve b realisiert werden. Wie 3 somit zeigt, kann das Einsparpotential an Pumpenleistung durch den Einsatz des stufenlos verstellbaren Planetengetriebes deutlich verbessert werden.
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4 zeigt eine Prinzipskizze einer Ölpumpenanordnung 1 mit einem Planetengetriebe 6 in einer Mittenstellung einer stufenlosen Übersetzungsänderung. Dazu weist das Planetengetriebe zwei Hohlräder 7 und 8 auf, wobei das erste Hohlrad 7 mit der Antriebswelle 16 verbunden ist und das zweite Hohlrad 8 mit der Abtriebswelle 17 mechanisch verbunden ist. Auf der Antriebswelle 16 ist die Keilriemenscheibe 18 angeordnet, die mit einem Antrieb eines hier nicht gezeigten Verbrennungsmotors in Wirkverbindung steht.
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Auf der Abtriebswelle 17 ist die Schmierölpumpe 5 angeordnet, welche in dem Druckschmierölkreislauf integriert ist. Während die beiden Hohlräder 7 und 8 drehbar in einem Planetengetriebegehäuse 25 angeordnet sind, ist die Rotation des Sonnenrades 9 blockiert und kann lediglich in den Pfeilrichtungen A und B aus der gezeigten Mittenstellung achsverschieblich bewegt werden.
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Die Schmierölpumpe ist in einem Schmierölpumpengehäuse 26 angeordnet, das an das Planetengetriebegehäuse 25 angeflanscht ist. An das Schmierölpumpengehäuse 26 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung ein Aktuatorgehäuse 27 des Aktuators 22 angeflanscht, wobei der Aktuator 22 über einen hydraulischen Druckaufbau eine Achse 34 des Sonnenrades 9 axial in Richtungen A und B verschieben kann.
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Auf einem Außenumfang 12 des Sonnenrades 9 rollen Planetenkugeln 10 und 11 ab, die sich um eine eigene Drehachse 14 drehen, wobei durch einen Führungsbügel 13 die Drehachsen 14 in der hier in 4 gezeigten Mittenposition gehalten werden. Der Führungsbügel 13 umfasst gleitend das Sonnenrad 9 im Bereich des Außenumfangs 12. Das erste Hohlrad 7 steht über einen Abrollradius r1 mit den Planetenkugeln 10 und 11 in Reibverbindung. Das zweite Hohlrad 8 steht über einen Abrollradius r2 mit den Planetenkugeln 10 und 11 in Reibverbindung. In der in 4 gezeigten Mittenstellung sind die Abrollradien r1 = r2, so dass das Übertragungsverhältnis 1:1 von dem ersten Hohlrad 7 zum zweiten Hohlrad 8 und umgekehrt ist.
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5 zeigt eine Prinzipskizze einer Ölpumpenanordnung 1 mit einem stufenlosen Planetengetriebe 6 in einer Stellung der Planetenkugeln 10 und 11 bei einem Untersetzungsverhältnis der Drehmomente zwischen Antriebswelle 16 und Abtriebswelle 17. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 4 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
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Zur Realisierung einer stufenlosen Einstellbarkeit eines Untersetzungsverhältnisses wird das achsverschiebliche Sonnenrad 9 mit Hilfe des Aktuators 22 in Pfeilrichtung A verschoben, wodurch die Führungsbügel 13 der Planetenkugeln 10 und 11 die Drehachsen 14 der Planetenkugeln 10 und 11 kontinuierlich um einen Kippwinkel α schwenken, so dass nun r1 kleiner wird als r2 und damit die Drehzahl der Antriebswelle 16 über das erste Hohlrad 7 auf eine niedrigere Drehzahl der Abtriebswelle 17 des zweiten Hohlrades 8 übersetzt.
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6 zeigt eine Prinzipskizze der Ölpumpenanordnung 1 mit dem stufenlosen Planetengetriebe 6 in einer Stellung der Planetenkugeln 10 und 11 bei einem Übersetzungsverhältnis der Drehmomente zwischen Antriebswelle 16 und Abtriebswelle 17. Dazu ist die Achse 34 des achsverschieblichen Sonnenrades 9 in Pfeilrichtung B verschoben. Somit werden gleichzeitig die Drehachsen 14 der Planetenkugeln 10 und 11 in eine entgegengesetzte Richtung zur 5 geschwenkt und es stellt sich ein Kippwinkel β ein, durch den der Abrollradius r1 größer wird als r2, so dass die Antriebswelle 16 mit dem ersten Hohlrad 7 eine niedrigere Drehzahl gegenüber der Abtriebswelle 17 mit dem zweiten Hohlrad 8 aufweist.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannte Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von den in der beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölpumpenanordnung
- 2
- Druckschmierölkreislauf
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4, 4'
- mechanische Verbindung
- 5
- Schmierölpumpe
- 6
- Planetengetriebe
- 7
- erstes Hohlrad
- 8
- zweites Hohlrad
- 9
- Sonnenrad
- 10
- Planetenkugel
- 11
- Planetenkugel
- 12
- Außenumfang des Sonnenrades
- 13
- Führungsbügel
- 14
- Drehachse von 10, 11
- 15
- Planetenkäfig
- 16
- Antriebswelle
- 17
- Abtriebswelle
- 18
- Keilriemenscheibe auf Antriebswelle
- 19
- Keilriemen
- 20
- Fahrzeug
- 21
- Keilriemenscheibe der Brennkraftmaschine
- 22
- Aktuator
- 23
- Öldrucksensor
- 24
- elektronisches Steuergerät
- 25
- Planetengetriebegehäuse
- 26
- Schmierölpumpengehäuse
- 27
- Aktuatorgehäuse
- 28
- Drehzahlmesser
- 29
- hydraulische Verbindung
- 30
- Ölwanne
- 31, 31'
- Öldruckleitung
- 32, 32'
- Signalleitung
- 33
- Steuersignalverbindung
- 34
- Achse
- 100
- Block
- 101
- Block
- 102
- Block
- 103
- Block
- 104
- Block
- 105
- Block
- 106
- Block
- 107
- Block
- α
- Kippwinkel
- β
- Kippwinkel
- A
- Pfeilrichtung
- B
- Pfeilrichtung
- a
- Kurve
- b
- Kurve
- c
- Kurve
- d
- Kurve
- r1
- Abrollradius zu 7
- r2
- Abrollradius zu 8
- n
- Motordrehzahl
- P
- Schmieröldruck
- Pk
- Mindestschmieröldruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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