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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen und hydraulischen Hybridantrieb für eine Kühlmittelpumpe einer Verbrennungsmaschine.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche elektrisch angetriebene Hilfsaggregate für eine Verbrennungsmaschine bekannt. Der elektrische Antrieb an Pumpen ermöglicht eine flexiblere Steuerung und Reaktionsmöglichkeiten in Bezug auf Betriebsparameter einer Verbrennungsmaschine, wobei insbesondere eine Förderleistung unabhängig von einer Maschinendrehzahl und beispielsweise in Abhängigkeit einer Last der Verbrennungsmaschine betrieben werden kann. Hierdurch wird im Teillastbereich der Verbrennungsmaschine sowie in bestimmten Fahrzuständen eines Fahrzeugs eine Leistungseinsparungen an Hilfsaggregaten erzielt, wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert und die Emissionen eines Fahrzeugs gesenkt werden.
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Die Elektrifizierung von Hilfsaggregatsantrieben geht jedoch auch mit Kompromissen einher, um einem Ausfallszenario des von der Verbrennungsmaschine separaten Antriebs Rechnung zu tragen oder ausreichende Leistungsreserven unter maximaler Anforderung an eine Kühlleistung sicherzustellen. So hat der Ausfall des Elektromotors einer Kühlmittelpumpe oder von dessen Leistungsversorgung unumgänglich einen darauffolgenden Zwangsstopp der Verbrennungsmaschine zur Konsequenz, um thermische Folgeschäden im gesamten System zu vermeiden. Ferner muss der elektrische Antrieb auf eine Nennleistung ausgelegt werden, die zuverlässig Spitzenlasten des Kühlsystems abdeckt, die in der Gesamtdauer eines Normalbetriebs nur selten auftreten, bzw. lediglich unter besonderen Belastungen der Verbrennungsmaschine und außergewöhnlichen äußeren Bedingungen erlangt werden.
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Die Größe, das Gewicht und die Kosten von Elektromotoren nehmen mit der Nennleistung zu, wobei Varianten, die ein akzeptables Leistungsverhältnis durch kompakte Konstruktion und Leichtbau kompensieren, mit einem überproportionalen Kostenanstieg verbunden sind. Dies trifft gerade für bürstenlose permanent erregte Motoren zu, die den Qualitätsstandards im Automotive-Bereich erfüllen. Somit steht einer sicherheitsorientierten Auslegung des elektrischen Antriebs insbesondere der Aspekt eines hohen Kostenfaktors im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einer Produktion großer Stückzahlen entgegen.
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Aus der
DE 10 2007 004 187 A1 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Ölmotor bekannt. Der Ölmotor weist zwei ineinander greifende Zahnräder auf, die durch einen Ölfluss zwischen einem Ölzulauf und einem Ölablauf angetrieben werden, wobei eines der beiden Zahnräder mit einer Pumpenwelle verbunden ist.
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Aus der
DE 10 2014 010 416 B3 ist ein Hydromotor zum Antrieb von Nebenaggregaten bekannt, wobei der Hydromotor als Typ eines Radialkolbenmotors bereitgestellt ist.
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Aus der
JP H05 44 467 A ist eine Wasserpumpe bekannt, in der ein hydraulischer Motor zwischen einem Riemenantrieb und einem Pumpenlaufrad eingekoppelt werden kann, um die Drehzahl des Pumpenlaufrads gegenüber derjenigen des Riemenantriebs zu erhöhen.
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Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls sogenannte Hybridpumpen bekannt, die den beiden genannten Problemstellungen entgegentreten. Durch die Kombination eines elektrischen Motors und eines herkömmlichen Riemenantriebs zu einer Ausgangswelle der Verbrennungsmaschine wird die Ausfallsicherheit erhöht, während die Auslegung des elektrischen Antriebs auf eine durchschnittliche Belastung erfolgen kann. Derartige elektrisch und mechanisch angetriebene Hybridpumpen werden im Allgemeinen im niedrigeren Leistungsbereich elektrisch angetrieben und in hohen Leistungsbereichen auf den mechanischen Antrieb des Riemenantriebs umgeschaltet, oder eine Unterstützung desselben zugeschaltet, wobei der elektrische Motor mitgeschleppt wird.
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Die
US 2015/0184575 A1 beschreibt ein Steuerverfahren und -System für eine Dualmodus-Kühlungspumpe, die entweder über einen Riemenantrieb oder über einen Elektromotor angetrieben werden kann. Die Betriebsmodi werden über eine elektromagnetische Kupplung geschaltet, wobei in einem Fail-Safe-Zustand der Antrieb bei geschlossener Kupplung mechanisch über den Riemenantrieb erfolgt. Die Magnetkupplung erfordert einen großen Bauchraum und trägt zu einem hohen Kostenanteil an der Hybridpumpe bei.
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Die
DE 10 2014 220 377 A1 beschreibt eine Hybrid-Kühlmittelpumpe mit einem Laufrad auf einer Laufradwelle, die über eine Kupplung mit Keilwellenverzahnung, wahlweise mit einer außenliegenden Antriebswelle oder einer innenliegenden Antriebswelle gekoppelt, oder von beiden Antriebswellen entkoppelt werden kann. Den beiden Antriebswellen sind ein Elektromotor und eine Riemenscheibe eines Riemenantriebs zugeordnet. Die koaxiale Anordnung und Lagerung der Wellen und Kupplungen ergibt einen relativ komplexen und somit kostenintensiv erscheinenden Aufbau.
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Ferner offenbart die
DE 10 2016 202 438 A1 eine Dualmodus-Kühlungspumpe mit einem Elektromotor und einem Überholkupplungsmechanismus. Das Laufrad wird zunächst durch den Elektromotor angetrieben und in hohen Belastungssituationen des Fahrzeugs, in denen eine hohe Pumpendrehzahl erforderlich ist, wird der Elektromotor ausgeschaltet und die Überholkupplung verwendet, um das Laufrad selektiv über eine Riemenscheibe eines Riemenantriebs von der Verbrennungsmaschine aus mechanisch anzutreiben. Der Rotor des Elektromotors ist mit der Welle direkt verbunden. Die Überholkupplung wird während des elektrischen Antreibens durch eine schraubenförmige Keilfläche ausgerückt.
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Die
WO 2004/088143 A1 von derselben Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, zu der unter anderem eine Ausführungsform mit einem mechanisch unterstützten Hybridantrieb beschrieben ist. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu dem elektrischen Motor, dessen Rotor starr mit der Pumpenwelle verbunden ist, ein Antriebsrad vorgesehen, das über einen Freilauf an die Pumpenwelle gekoppelt ist. Das Antriebsrad kann als Riemenantrieb oder Zahnantrieb ausgebildet sein, um die Kühlmittelpumpe primär oder ergänzend mechanisch anzutreiben. Im Stillstand und bei kleiner Drehzahl der Verbrennungsmaschine übernimmt ein kostengünstiger Elektromotor den Pumpenantrieb mit konstanter Drehzahl. Bei höheren Drehzahlen des Verbrennungsmotors überholt das Antriebsrad den Elektromotor und erhöht dementsprechend die Pumpendrehzahl.
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Auch derartige Bauformen von Hybridpumpen sind trotz der Vorteile gegenüber einer herkömmlichen, rein elektrisch oder rein mechanisch angetriebenen Pumpe mit einem konstruktiven Nachteil des Riemenantriebs behaftet. Demnach haben die genannten Hybridpumpen aus dem Stand der Technik eine einschränkende Zwangsbedingung gemein, dass sie derart zur Verbrennungsmaschine angeordnet und ausgerichtet sein müssen, dass die Riemenscheibe mit einer Ebene des Riemenantriebs fluchtet. Dabei besteht die Problemstellung eines räumlichen Arrangements sämtlicher Hilfsaggregate der Verbrennungsmaschine auf engem Raum, um diese in einer Serpentinenführung eines Keilriemens oder Zahnriemens zu integrieren. Zudem muss die Wellenlagerung der Pumpe hohe einseitig wirkende Zugkräfte des Riemens aufnehmen, die im Allgemeinen an einem hervorstehenden freien Wellenende aufgebracht werden. Um eine akzeptable Lebensdauer sicherzustellen, sind im Vergleich zur rein elektrischen Antriebsvariante kostenintensivere Lager und Dichtungen zum außenliegenden Wellenabschnitt erforderlich. Ferner wird durch das Erfordernis einer äußerlich zugänglichen Anordnung der Riemenscheibe eine Integration des zweifachen Antriebs sowie einer Kupplungseinrichtungen in einem kompakten Bauraum insgesamt erschwert.
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Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Hybridantrieb für eine Pumpe zu schaffen, der eine kompakte Bauform und eine höhere Flexibilität bezüglich der Anordnung im Bereich einer Verbrennungsmaschine ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch einen Hybridantrieb für eine Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Hybridantrieb für eine Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er einen hydraulischen Motor aufweist, der mit der Antriebswelle gekoppelt ist.
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Die Erfindung sieht somit erstmals einen Hybridantrieb für eine Kühlmittelpumpe vor, der sowohl elektrisch als auch hydraulisch angetrieben werden kann. Die Integration eines hydraulischen Motors bietet verschiedene Vorteile gegenüber einem elektrischen und mechanischen Hybridantrieb.
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Hydraulische Antriebe weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf, deren Verhältnis von Leistung zu Baugröße demjenigen von elektrischen Motoren überlegen ist. Erfindungsgemäß wird mittels eines hydraulischen Motors die kompakte Integration eines zweiten Antriebs in dem Hybridantrieb bereitgestellt, der trotz Erhöhung des Leistungspotenzials mit kleineren Abmessungen als der elektrische Motor auskommt, selbst wenn dieser bereits eine reduzierte Dimensionierung aufweist, die lediglich der Abdeckung eines durchschnittlichen Leistungsbedarfs Rechnung trägt. Somit wird eine äußerst kompakte Bauform realisiert. Zugleich können die Kosten für den elektrischen Motor aufgrund des abgedeckten Leistungspotenzials des hydraulischen Motors gesenkt werden.
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Der erfindungsgemäße Hybridantrieb erfordert keine zusätzliche Welle und Wellenlagerung für den hydraulischen Motor. Somit können sich beide Antriebseinheiten des Hybridantriebs eine Welle und Wellenlagerung gemeinsam mit der Pumpenbaugruppe teilen, und eine Koppelung zwischen separat gelagerten Antriebswellen und einer Pumpenwelle kann entfallen. Gegenüber einer Riemenscheibe weist der hydraulische Motor dabei den Vorteil auf, dass er innerhalb des Gehäuses integrierbar ist. Darüber hinaus bestehen erheblich geringere Anforderungen an die Wellenlagerung, da eine Belastung der einseitigen Zugkraft der Riemenspannung am freien Ende der Welle entfällt.
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Da der hydraulische Motor in seiner Anordnung von einer Ebene eines Riemenantriebs unabhängig ist, kann eine entsprechende Hybridpumpe direkt im Gehäuse der Verbrennungsmaschine integriert, an diesem angeflanscht oder separat angeordnet werden. Somit verschafft der erfindungsgemäße Hybridantrieb mit einem hydraulischen Motor einen maximalen Freiheitsgrad zur Integration einer Pumpe in den Kühlkreislauf und in die Peripherie der Verbrennungsmaschine, der mit einer rein elektrischen Kühlmittelpumpe vergleichbar ist.
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Ferner weist der hydraulische Antrieb gegenüber einem Riemenantrieb Vorteile bezüglich der Verschleißfestigkeit und des Wartungsbedarfs auf.
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Der Aufbau eines hydraulischen Motors einer verhältnismäßig kleinen Leistungsklasse für den erfindungsgemäßen Hybridantrieb einer Kühlmittelpumpe, kann durch eine geringe Anzahl an Bauteilen kostengünstig realisiert werden. Unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit ist demnach eine Integration eines derartigen hydraulischen Motors im Pumpengehäuse realisierbar, dessen Aufwand durch die Einsparungen anhand eines kleineren elektrischen Motors getragen werden kann, wobei zugleich die erläuterten Vorzüge des Hybridantriebs erzielt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Hybridantriebs für Kühlmittelpumpen, die eine Optimierung oder Vereinfachung desselben begünstigen, sind Gegenstand der nachfolgenden abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der hydraulische Motor einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Rotor umfassen, und der Rotor kann mittels einer Einwegkupplung, die in einer Antriebsdrehrichtung eingreift und in einer entgegengesetzten Drehrichtung freiläuft, mit der Antriebswelle gekoppelt sein.
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Durch den Einsatz einer Einwegkupplung bzw. eines Freilaufs kann eine ebenso einfache wie wirksame Koppelung zwischen dem Rotor des hydraulischen Motors und der Antriebswelle realisiert werden, die einen möglichst geringen Bauraum in Anspruch nimmt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Elektromotor einen außenliegenden Stator und einen innenliegenden Rotor umfassen, und der Rotor kann mittels einer Einwegkupplung, die in einer Antriebsdrehrichtung eingreift und in einer entgegengesetzter Drehrichtung freiläuft, mit der Antriebswelle gekoppelt sein.
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Durch den Einsatz einer Einwegkupplung bzw. eines Freilaufs kann auch an dem elektrischen Motor eine einfache und wirksame Koppelung zwischen dem Rotor des elektrischen Motors und der Antriebswelle umgesetzt werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Rotor des elektrischen Motors dann nicht starr mit der Antriebswelle gekoppelt, so dass er während einer funktional passiven Betriebsdauer im Hybridantrieb nicht mitgeschleppt werden muss und Verlustleistungen vermieden werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können der Elektromotor und der hydraulische Motor axial benachbart zu der Antriebswelle angeordnet sein und die Einwegkupplungen können in derselben Antriebsdrehrichtung eingreifen.
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Die benachbarte Anordnung der beiden Rotoren auf der Antriebswelle, die jeweils über eine Einwegkupplung bzw. Freilauf wechselweise eingreifen, ermöglicht es, eine Einleitung der Antriebskräfte automatisch ein- bzw. abzustellen, sobald die Drehzahl des einen Antriebs diejenige des anderen überschreitet bzw. das Drehmoment des einen Antriebs dasjenige des anderen bei gleicher Drehzahl überwiegt. Diese Funktion wird ohne den Bedarf einer mechanischen Ansteuerung oder eines sonstigen Stellglieds nebst Regelungsschaltung, sondern lediglich in Reaktion auf die gewählte Antriebsweise umgesetzt. Zugleich ermöglicht das zur Antriebsrichtung entgegengesetzte Freilaufen der Rotoren, dass die Stromzufuhr zum elektrischen Motor oder der Hydraulikkreislauf abgeschaltet werden können, ohne dass der Rotor mitgeschleppt werden muss bzw. sperrt oder sonstige Verlustleistungen mitgetragen werden müssen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Antriebswelle zwischen dem Pumpenlaufrad und den Einwegkupplungen sowie zwischen den Einwegkupplungen und einem freien Ende der Antriebswelle gelagert sein.
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Durch die Kombination von zwei Antriebsarten, die sich hinsichtlich des radialen Aufbaus mit einem Stator und einem Rotor sowie bezüglich dem Wirkungsprinzip einer gleichmäßigen Krafteinleitung über den Umfang ähnlich sind, kann eine Lagerung zur Stützung zwischen den beiden Antriebsmotoren entfallen. Demnach kann der Aufbau des erfindungsgemäßen Hybridantriebs mit lediglich zwei Wellenlagern auskommen, wobei sich ein relativ großer Abstand zwischen den beiden Lagern ergibt, der sich positiv auf die Aufnahme von Querkräften an der Welle auswirkt. Somit werden die Belastungsanforderungen an die Wellenlager gesenkt und ein weiterer Kostenvorteil verschafft.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zwischen dem Pumpenlaufrad und den Einwegkupplungen ein Rillenkugellager angeordnet sein und zwischen den Einwegkupplungen und dem freien Ende der Antriebswelle kann ein Zylinderrollenlager angeordnet sein.
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Da die beiden Antriebsarten aufgrund ihrer gleichmäßigen Krafteinleitung über den Umfang im Wesentlichen keine Querkräfte oder Kippmomente an der Pumpenwelle aufbringen, fallen lediglich solche an, die durch Turbulenzen am Pumpenlaufrad erzeugt werden. Demnach kann eine Auslegung der Wellenlagerung gewählt werden, die reduzierten bzw. geringen Axialkräften Rechnung trägt. Somit kann der Einsatz von lediglich einem Rillenkugellager seitens der Pumpenbaugruppe sowie einem gegenüberliegenden geringer dimensionierten Lager zur Aufnahme von Radialkräften, wie einem Zylinderrollenlager ausreichend sein, wodurch die Kosten weiter reduziert werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der hydraulische Motor axial benachbart zu dem Rillenkugellager angeordnet sein, und ein Hydraulikrücklauf des hydraulischen Motors kann durch eine Wälzkörperlaufbahn des Rillenkugellagers geführt sein.
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Durch diese Anordnung kann für das höher belastete Rillenkugellager seitens des Pumpenlaufrads, ein dauerhafter Schmiermittelkreislauf zur Sicherstellung bzw. Verlängerung der Lebensdauer desselben bereitgestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der hydraulische Motor aufweisen: einen außenliegenden Stator mit einer zylindrischen Statorkammer, in deren Mantelfläche Gleitschlitztaschen ausgebildet sind, sowie mit zwei stirnseitigen Kammerwänden; den innenliegenden Rotor, der über radiale Nocken mit der Mantelfläche des Stators in Gleitkontakt steht; Sperrflügel, die in den Gleitschlitztaschen gleitfähig bis zur Mantelfläche versenkbar sind und mit dem Rotor in Gleitkontakt stehen; Druckkanäle für einen Hydraulikzulauf, die in radial äußere Endabschnitte der Gleitschlitztaschen münden; Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf, die in einer Drehrichtung des Motors jeweils hinter einem Gleitkontakt der Sperrflügel mit dem Rotor in die Statorkammer münden; und Austrittskanäle für einen Hydraulikrücklauf, die in der Drehrichtung des Motors jeweils vor einem Gleitkontakt der Sperrflügel mit dem Rotor in die Statorkammer münden.
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Durch diesen Aufbau kann der hydraulische Motor mit einer geringen Gesamtanzahl an Einzelbauteilen und einer nochmals geringeren Anzahl verschiedenartiger Komponenten realisiert werden, wodurch im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit einer Produktion großer Stückzahlen, geringe Fertigungs- und Montagekosten zur Integration des hydraulischen Motors in dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb erzielt werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Eintrittskanäle für den Hydraulikzulauf durch die Sperrflügel verlaufen und eine Verbindung von den radial äußeren Endabschnitten der Gleitschlitztaschen zu einer Rückseite der Sperrflügel in der Drehrichtung des Motors herstellen.
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Bei diesem Aufbau können eine separate Kanalführung für die Eintrittskanäle seitens des Stators bzw. der Kammerwände sowie eine als hydraulische Startbedingung erforderliche Priorisierung einer Druckbeaufschlagung der Sperrflügel über den Druck der Eintrittskanäle mittels eines Druckventils, wie später erläutert wird, entfallen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Pumpengehäuse axiale Abschnitte mit zylindrischen Innenflächen aufweisen, die fixierende Passungen zu zylindrischen Außenflächen von einer Wellendichtung, von dem Rillenkugellager, von Kammerwänden und von dem Stator des hydraulischen Motors und/oder von dem Stator des elektrischen Motors, mit zunehmenden Durchmessern in dieser Reihenfolge bereitstellen.
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Durch die Bereitstellung von Presspassungen zwischen dem Pumpengehäuse und sämtlichen innenliegenden Komponenten entfallen Dichtungen zwischen denselben sowie Schraubverbindungen bzw. Befestigungsmittel wie Schrauben oder dergleichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 eine Längsschnittansicht durch eine Pumpe mit dem erfindungsgemäßen Hybridantrieb mit einem hydraulischen Motor und einem elektrischen Motor;
- 2 eine Querschnittsansicht durch den hydraulischen Motor; und
- 3 eine Querschnittsansicht durch den elektrischen Motor.
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Nachstehend wird der erfindungsgemäße Hybridantrieb mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch die Pumpenwelle 3 und das Pumpengehäuse 1. Die Pumpenwelle 3 erstreckt sich durch den elektrischen Motor 4 und den hydraulischen Motor 5 des Hybridantriebs zu dem Pumpenlaufrad 2, das in einer nicht dargestellten Pumpenkammer einer Radikalpumpenbaugruppe mit einem Spiralgehäuse und dergleichen aufgenommen ist. Zwischen dem Hybridantrieb und dem Pumpenlaufrad 2 ist die Pumpenwelle 3 im Bereich einer Austrittsöffnung des Pumpengehäuses 1 durch ein Rillenkugellager 32 gelagert, das durch Wellendichtungen gegenüber der Pumpenkammer abgedichtet ist. An einem freien Ende ist die Pumpenwelle 3 durch ein Wälzlager 31, genauer genommen ein Zylinderrollenlager, in einem Gehäusedeckel aufgenommen, der das Pumpengehäuse 1 zu dem gegenüberliegenden Ende der Pumpenbaugruppe abschließt.
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In dem Pumpengehäuse 1 ist ein Stator 41 des elektrischen Motors 4 aufgenommen, der einen Rotor 42 des elektrischen Motors 4 radial umgibt. Der Rotor 42 ist auf den äußeren Kupplungsteilen von zwei axial benachbarten Einwegkupplungen 43 aufgesetzt, deren innere Kupplungsteile wiederum auf dem Umfang der Pumpenwelle 3 sitzen.
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Die Einwegkupplungen 43 werden durch einen Freilaufkupplungstyp, wie einem Hülsenfreilauf mit Wälzkörpern und Keilflächen oder gefederten Kugeln, Sperrklinken, Klemmkörpern oder dergleichen gebildet, so dass eine relative Drehung zwischen dem Rotor 42 und der Pumpenwelle 3 in einer Antriebsdrehrichtung des Pumpenlaufrad 2 drehfest fixiert wird und in der entgegengesetzten Drehrichtung freigegeben ist bzw. freiläuft.
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Der elektrische Motor 4 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem permanenterregten Rotor 42, in dessen Umfang permanentmagnetische Elemente eingebettet sind. Der Stator 41 des elektrischen Motors 4 weist über den Umfang verteilte Statorzähne auf, die jeweils von Wicklungen einer Statorspule umgeben sind. Die Statorspulen werden durch eine nicht dargestellte Leistungsschaltung, die mit einer elektrischen Leistungszufuhr verbunden ist, angesteuert, um ein mehrphasiges elektrisches Drehfeld zu erzeugen, durch das der Rotor 42 anhand seiner magnetischen Pole in Drehung versetzt wird. Die Nennleistung des elektrischen Motors 4 ist darauf ausgelegt, das Spektrum einer durchschnittlich abgerufenen Antriebsleistung abzudecken, die zur Umwälzung des Kühlmittels im Normalbetrieb des Fahrzeugs erforderlich ist.
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Axial benachbart zu dem elektrischen Motor 4 ist der hydraulische Motor 5 in dem Pumpengehäuse 1 aufgenommen. Der hydraulische Motor 5 ist an einem nicht dargestellten Hydraulikkreislauf 6 angeschlossen, um mit hydraulischer Leistung versorgt zu werden. Der hydraulische Motor 5 weist einen Stator 51 auf, der in dem Pumpengehäuse 1 fixiert ist, und einen Rotor 52 radial umgibt. Der Rotor 52 ist ebenso wie der Rotor 42 des elektrischen Motors 4 über eine Einwegkupplung 53 auf der Pumpenwelle 3 angeordnet und derart gekoppelt, dass eine relative Drehung zwischen dem Rotor 52 und der Pumpenwelle 3 in einer Antriebsdrehrichtung des Pumpenlaufrads 2 fixiert ist, und in einer entgegengesetzten Drehrichtung freigegeben ist bzw. freiläuft. Der Stator 51 und der Rotor 52 des hydraulischen Motors 5 sind in axialer Richtung durch zwei Kammerwände 59 a und 59 b abgegrenzt, durch welche sich die Pumpenwelle 3 erstreckt.
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Wie in 2 gezeigt ist, umgibt der ringförmige Stator 51 des hydraulischen Motors 5 eine zylindrische Statorkammer mit einer Mantelfläche 55, innerhalb welcher der Rotor 52 einschließlich der Einwegkupplung 53 auf der Pumpenwelle 3 drehbar aufgenommen ist. Der Rotor 52 weist eine Nockenkontur mit vier radialen Nocken 54 auf, welche die Bereiche mit dem größten radialen Durchmesser darstellen, und die an dem äußeren Scheitelpunkt der Nockenkontur in Gleitkontakt mit einer inneren Mantelfläche 55 der Statorkammer stehen, so dass der Rotor 52 in der Statorkammer des Stators 51 drehbar geführt ist.
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In dem Ringkörper des Stators 51 sind ferner drei radial ausgerichtete Gleitschlitztaschen 57 ausgebildet, welche in die Mantelfläche 55 münden und in einem radial äußeren Abschnitt des Stators 51 enden. In jeder der drei Gleitschlitztaschen 57 ist ein Sperrflügel 50 eingesetzt. Die axiale Abmessung der Sperrflügel 50 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Gleitschlitztaschen 57 bzw. des Stators 51 und des Rotors 52. Die radiale Abmessung der Sperrflügel 50 beträgt höchstens diejenigen der Gleitschlitztaschen 57, so dass die Sperrflügel 50 in Bezug zu der Mantelfläche 55 vollständig in den Gleitschlitztaschen 57 versenkbar sind. Die Abmessung der Sperrflügel 50 in Umfangsrichtung des Stators 51 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Gleitschlitztaschen 57, so dass die Sperrflügel 50 gleitfähig und zugleich abdichtend in radialer Richtung verschieblich gelagert sind.
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Der hydraulische Motor 5 ist an einem fahrzeugseitig bereitgestellten Hydraulikzulauf und einem Hydraulikrücklauf eines Hydraulikkreislaufs 6 angeschlossen. Der fahrzeugseitige Hydraulikkreislauf 6 weist eine nicht dargestellte Hydraulikpumpe auf, die entweder eigens für den Zweck des Hybridantriebs der Kühlmittelpumpe oder für den Einsatz im Zusammenhang mit weiteren Hilfsaggregaten, wie einer hydraulischen Lenkunterstützung, einem Automatikgetriebe, einer Kupplung oder dergleichen an einem Fahrzeug bereitgestellt sein kann, oder alternativ aus einem hydraulischen Kreislaufs zur Betätigung von funktionalen Einrichtungen eines Nutzfahrzeugs über eine Druckminderungseinrichtung abgezweigt sein.
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Der Hydraulikzulauf steht mit einem Ringkanal 60 in Verbindung, der sich in drei Druckkanäle 61 verzweigt. Die Druckkanäle 61 münden in radial äußere Endbereiche der Gleitschlitztaschen 57. In den Sperrflügeln 50 schließen sich stromabwärts in Richtung der Statorkammer Eintrittskanäle 62 hinter den Druckkanälen 61 und den Gleitschlitztaschen 57 in Reihe an. Die Bohrungen der Eintrittskanäle 62 in den Sperrflügeln 50 beschränken einen Strömungsquerschnitt gegenüber demjenigen der Gleitschlitztaschen 57 in der radialen Gleitrichtung der Sperrflügel 50. Durch den hydraulischen Widerstand der Querschnittsbegrenzung wird eine Beaufschlagung der Sperrflügel 50 gegen den Rotor 52 bewirkt. Dadurch werden die Sperrflügel 50 einwärts gegen die Nockenkontur des Rotors 52 gedrängt. Durch den Anpressdruck der Sperrflügel 50 wird sowohl im Stillstand als auch während der Umlaufbewegung des Rotors 52 im Betrieb, an einem linienförmigen Kontakt eine Abdichtung zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite der Sperrflügels 50 in Drehrichtung bewirkt, wodurch eine hydraulische Startbedingung des hydraulischen Motors 5 erfüllt wird.
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Auf der anderen Seite der Sperrflügel 50, die in Drehrichtung des Rotors 52 die Vorderseite der Sperrflügel 50 darstellt, sind in einer Kammerwand 59 drei Austrittskanäle 63 ausgebildet, die mit dem zuvor genannten Hydraulikrücklauf des Hydraulikkreislaufs 6 verbunden sind.
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Wenn ein Hydraulikmedium aus dem Hydraulikzulauf durch die Eintrittskanäle 62 in den Sperrflügeln 50 in die Statorkammer gelangt, wird der Rotor 52 in eine Drehbewegung versetzt. Hierbei werden in zeitlicher Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors 52 zwischen einer Nocke 54 und einer Rückseite eines Sperrflügels 50 zeitweise Verdrängungsvorschub leistende Kammerabschnitte gebildet. Während einer Befüllung durch die Eintrittskanäle 62 bewirken solche Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitte 64, anhand des zunehmenden Volumens unter dem hydrostatischen Betriebsdruck des Hydraulikzulaufs, zwischen einer Gleitabdichtung der entsprechenden Nocke 54 zur Mantelfläche 55 und einer Gleitabdichtung des entsprechenden Sperrflügels 50 zur Nockenkontur, eine Antriebskraft auf den Rotor 52. Das maximale Volumen eines Verdrängungsvorschub leistenden Kammerabschnitts 64 ist erreicht, wenn die in Drehrichtung nachlaufende Nocke 54 beim Versenken des betreffenden Sperrflügels 50 den darin geführten Eintrittskanal 62 passiert.
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In umlaufender Betrachtung wird das maximal befüllte Volumen zwischen zwei Nocken 54 in der Statorkammer anschließend zu einem Verdrängungsausschub leistenden Kammerabschnitt 65, sobald sich die in Drehrichtung voranlaufende Nocke 54 dem nächsten Sperrflügel 50 nähert und eine Verbindung zu dem davor liegenden Austrittskanal 63 hergestellt wird. Unter der fortschreitenden Drehbewegung des Rotors 52 wird die Befüllung des Verdrängungsausschub leistenden Kammerabschnitts 64 durch das abnehmende Volumen zwischen der nachlaufenden Nocke 54 und dem soeben passierten Sperrflügel 50, der aus der Gleitschlitztasche 57 auftaucht, aus dem zugeordneten Austrittskanal 63 ausgeschoben.
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Anschließend beginnt der Zyklus zwischen den beiden betrachteten Nocken 54 erneut, indem während der Dauer einer Befüllung hinter dem aufgetauchten Sperrflügel 50 unter dem zulaufseitigen Druck wieder eine Wirkungsweise als Verdrängungsvorschub leistender Kammerabschnitt 64 eintritt.
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Pumpengehäuse 1 radial abgestufte Abschnitte, die an einer Austrittsöffnung der Pumpenwelle 3 seitens des Pumpenlaufrads 2 den kleinsten Innendurchmesser und an einem gegenüberliegenden geöffneten Ende des Pumpengehäuses 1 den größten Innendurchmesser aufweisen. Ferner sind eine Wellendichtung, das Wellenlager 32, die Kammerwände 59 a 59 b sowie der Stator 51 des hydraulischen Motors 5 und ein Ringelement des Stators 41 des elektrischen Motors 4 bezüglich ihres Außenumfangs derart bemessen, dass sie mittels Presspassung nacheinander in die radial abgestuften Abschnitte des Pumpengehäuses 1 eingepresst werden können.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die Freiläufe 43 und 53 in Form eines Rollenfreilaufs mit selbsthemmenden Klemmrollen schematisch dargestellt. Wie dem Fachmann verständlich ist, können allerdings ebenso andere Typen von Freiläufen eingesetzt werden, die andere Arten von Klemmkörpern, Klauenringe oder federnd gelagerte Sperrklinken aufweisen. Ebenso kann eine Schlingenfederkupplung, ein Federwickelfreilauf oder eine selbst synchronisierende Schaltkupplung in Form einer Zahnkupplung, die im Überholbetrieb auskuppelt, als Freilauf zwischen der Pumpenwelle 3 und den Rotoren 42 und 53 verwendet werden.
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Eine Betriebsweise und Steuerung des erfindungsgemäßen Hybridantriebs ist derart vorgesehen, dass die Kühlmittelpumpe elektrisch betrieben wird, wenn eine geringe oder durchschnittliche Anforderung an die Kühlleistung des Kühlkreislaufs für die Verbrennungsmaschine besteht, d.h. ein geringer Volumendurchsatz zur Umsetzung des Kühlmittels zwischen der Verbrennungsmaschine und einem Kühler erforderlich ist, da beispielsweise eine geringe oder durchschnittliche Last an der Verbrennungsmaschine anliegt oder eine Kaltstartphase vorliegt. Wenn eine angeforderte Kühlleistung zunimmt, beispielsweise aufgrund einer zeitweise oder dauerhaft erhöhten Last der Verbrennungsmaschine, beispielsweise während Beschleunigungsvorgängen, Hochgeschwindigkeitsfahrdauern, einer Zuglast, aufgrund von hohen Außentemperaturen oder dergleichen, wird der Hybridantrieb der Kühlmittelpumpe hydraulisch betrieben.
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Ein Umschalten zwischen der elektrischen und der hydraulischen Betriebsweise ist mit einem Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistungszufuhr zu dem elektrischen Motor 4 und einem Hinzuschalten einer hydraulischen Leistung zu dem hydraulischen Motor 5 verbunden. Letzteres kann je nach vorliegender hydraulischer Systemstruktur im Fahrzeug durch Ein- und Ausschalten einer elektrischen Leistungszufuhr zu einer Hydraulikpumpe erfolgen, die dem Hydraulikkreislauf 6 zugeordnet ist. Alternativ kann ein Ventil im Hydraulikzulauf oder Hydraulikrücklauf zwischen dem Hydraulikkreislauf 6 und dem hydraulischen Motor 5 geschaltet werden, wobei der Hydraulikkreislauf 6 zu diesem Zeitpunkt gegebenenfalls bereits in Verbindung mit anderen hydraulischen Verbrauchern in Betrieb sein kann. Eine Leistungssteuerung des hydraulischen Motors 5 kann demzufolge entweder über eine elektrische Leistungssteuerung der Hydraulikpumpe im Hydraulikkreislauf 6 erfolgen, oder über ein Proportionalventil, das einen Durchlassquerschnitt in dem Hydraulikzulauf oder dem Hydraulikrücklauf zwischen dem Hydraulikkreislauf 6 und dem hydraulischen Motor 5 verstellt.
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Steuerungstechnisch erfolgt ein Umschalten zwischen der elektrischen und hydraulischen Betriebsweise durch eine Steuereinheit bzw. ECU, die Befehlssignale an die Leistungsschaltung des elektrischen Motors 4 und an eine Steuereinheit der Hydraulikpumpe oder an das Proportionalventil im Hydraulikkreislauf 6 ausgibt. Dabei vergleicht die ECU in bekannter Weise erfasste Ist-Werte von Sensoren mit gespeicherten Soll-Werten und bestimmt basierend auf dem Vergleichsergebnis fortlaufend, ob eine Umschaltung zwischen den Betriebsweisen erfolgen soll oder nicht.
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Ob eine Leistungsanforderung an eine Kühlleistung für die Verbrennungsmaschine, von der eine Umschaltung der Betriebsweisen des Hybridantriebs der Kühlmittelpumpe abhängt, zunimmt oder abnimmt, kann in bekannter Weise durch Messungen einer Temperatur, wie einer Kühlmitteltemperatur und/oder einer Außentemperatur, einer Last, wie einem abgegebenen Drehmoment der Verbrennungsmaschine, einer Drehzahl der Verbrennungsmaschine und /oder weiteren Betriebsparametern des Fahrzeugs, wie einer Gaspedalstellung, eines Kraftstoffvolumenstroms, oder dergleichen mittels Sensoren erfasst werden und als Ist-Wert von den Sensoren an die ECU ausgegeben werden.
