DE102019212522B4 - Hybridgetriebe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Getriebegehäuse (2), ein im Getriebegehäuse (2) angeordnete Kupplung (20, 30) und einen im Getriebegehäuse (2) angeordneten Elektromotor (41), wobei weiterhin ein Kühlsystem mit einem Ringkühler (50) zum Kühlen der Kupplung (20, 30) ausgebildet ist, wobei der Ringkühler (50) durch das Kühlsystem mit einem Fluid, vorzugsweise Kühlwasser, gespeist wird, und wobei im Getriebegehäuse (2) Öl zur Schmierung und/oder zur Kühlung von Getriebekomponenten zirkuliert, wobei das Öl in einem Ölsumpf (60) gesammelt wird. Zwecks Verbesserung des Wirkungsgrads des Hybridgetriebes wird das Öl durch einen Ölkanal (61) zum Elektromotor (41) geleitet bzw. gepumpt, so dass der Elektromotor (41) gekühlt wird, wobei der Ölkanal (61) zumindest an einem äußeren Teilabschnitt des Ringkühlers (50) derart angeordnet ist, dass ein Wärmeaustausch zwischen Ölkanal (61) und Ringkühler (50) erfolgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridgetriebe für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Funktion eines Schaltgetriebes in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ist die Übertragung des Drehmomentes entsprechend der gegebenen Anforderungen. Hierfür weist das Getriebe mechanische Komponenten wie Wellen und Zahnräder auf. Die mechanischen Komponenten können dazu zum Beispiel schaltbare Zahnradpaare, Kupplungen und/oder ein Differential des Getriebes bilden.
  • Eine Bauform eines Schaltgetriebes stellt dabei ein bekanntes Doppelkupplungsgetriebe dar. In solchen Doppelkupplungsgetrieben können zugkraftunterbrechungsfreie Gangwechsel durchgeführt werden, indem ausgehend von einem Fahrbetrieb über einen der Leistungsübertragungszweige in dem Teilgetriebe des anderen Leistungsübertragungszweiges eine Gangstufe vorgewählt wird und die zwei Reibkupplungen anschließend überschneidend betätigt werden, so dass der Leistungsfluss anschließend über den anderen Leistungsübertragungszweig erfolgt.
  • Ein Großteil des Energiebedarfs eines Kraftfahrzeugs mit konventionellem Antrieb, d.h. mit einer Verbrennungskraftmaschine, geht auf die Verluste im Antriebsstrang zurück. Eine Erweiterung des Antriebsstrangs um eine elektrische Maschine ermöglicht einen hybriden Betrieb von Elektromotor und Verbrennungskraftmaschine und trägt durch unterschiedliche Betriebsmodi wie Rekuperation, Boosten, elektrisches Fahren, Start/Stopp Automatik zu einer Erhöhung der Gesamteffizienz bei.
  • Diese unterschiedlichen Betriebsmodi von derartigen Hybridfahrzeugen haben einen Einfluss auf die Gestaltung des Getriebes. Die im hybridisierten Antriebsstrang integrierten Elektromotoren können dazu beispielsweise örtlich nahe an mechanischen Komponenten des Getriebes verbaut sein, insbesondere in einem gemeinsamen Getriebegehäuse. Derartige Getriebe, die weitere Aggregate wie auch den Elektromotor im Getriebegehäuse enthalten werden als sogenannte „Hybridgetriebe“ bezeichnet.
  • Zur Schmierung und Kühlung der mechanischen Komponenten eines Getriebes, beispielsweise eines Doppelkupplungsgetriebes ist es bekannt, im Inneren des Getriebegehäuses einen Ölkreislauf auszubilden. Hierbei wird das Öl in einem üblicherweise in Einbaulage unten im Getriebegehäuse angeordneten Ölsumpf gesammelt und von dort zu den mechanischen Komponenten, beispielsweise zu verbauten Kupplungen des Getriebes, geleitet.
  • Aufgrund eines hoch-integrierten Ansatzes kann die elektrische Maschine innerhalb des Hybridgetriebes ebenfalls lediglich mit Öl gekühlt werden. Dies ist dem strengen Package geschuldet, als auch der Tatsache, dass kein Kühlwasser in das Innere des Getriebegehäuses geführt werden sollte (Leckagen, Öldegradierung, Kupplungsschäden).
  • Aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums kann zur Kühlung kein Plattenwärmetauscher extern an dem Getriebegehäuse angebracht werden, um das Öl herunterzukühlen.
  • Wärmeeinträge in das Getriebe, und somit das Getriebeöl, erfolgen aufgrund von mechanischen Verlusten (Zahnflanken, Dichtungen usw.), Reibverlusten von u.a. Kupplungen und - bei Hybridgetrieben - auch durch die rein ölgekühlte elektrische Maschine.
  • Dies bedeutet, alle Verluste müssen direkt oder indirekt in den Getriebeölsumpf eingeleitet werden. Der Ölsumpf ist thermisch mit dem Getriebegehäuse durch Konvektion gekoppelt, d.h. durch das Fließen des Öls wie auch durch das im Betrieb aufgrund drehender Bauteile auftretende Bespritzen/Benetzen von Oberflächen wird Wärme an das Getriebegehäuse abgegeben. Dieses besteht z.B. aus einem Alugussmaterial und ist ein relativ guter Wärmeleiter. Die Getriebewärme wiederum wird durch freie/erzwungene Konvektion an die Umgebung und an Kühlwasser weitergegeben. Hierzu zählt die Umgebungsluft durch Fahrtwind oder Lüfter sowie das pumpengetriebene Kühlwasser aus dem Fahrzeugkreislauf.
  • Aus dem Stand der Technik beispielsweise aus der DE 10 2017 122 367 A1 sind Kühlsysteme für Hybrid- Doppelkupplungsgetriebe mit einem Ringkühler bekannt. Dieser Ringkühler befindet sich umlaufend im Kupplungsgehäuse, umschließt die beiden Kupplungen der Doppelkupplung und wird mit Kühlwasser durchflossen. Bei dieser bekannten Ausführung wird die Wärme durch verschiedene Pfade aus dem Öl in das Kühlwasser übergeben. Erstens sind die Innenwandungen des gute Wärmeleiteigenschaften aufweisenden Getriebegehäuses immer mit Spritzöl benetzt. Weiterhin wird der Ölsumpf lokal durch Wärmedurchgang zum Kühlwasser gekühlt. Zusätzlich wird eine Wärmeableitung durch die Ringkühlerinnenwand erreicht. Die drehenden Kupplungsbauteile (welche über die Ölpumpe mit Öl versorgt werden) werden mit Öl bespritzt, was den Kühleffekt des Getriebewärmetauschers anhebt.
  • Das Kühlwasser für den Ringkühler wird durch einen Hochtemperatur-Kreislauf oder Niedertemperatur-Kreislauf zur Verfügung gestellt, der am Außengetriebegehäuse angebrachte Inverter wird entweder durch denselben Kreislauf oder durch einen separaten Hochtemperatur - oder Niedertemperatur-Kreislauf gespeist.
  • Für Hochvolt-Anwendungen ist es sinnvoll die Leistungselektronik und den Getriebekühler in einen Niedertemperatur- Kreislauf zu integrieren. Das geschieht normalerweise zusammen mit der elektrischen Wasserpumpe, dem Ausgleichsbehälter, dem Abgasturbolader und dem Luft-Wasser-Kühler. Je nach Ausführung wird der Kühlwasservolumenstrom hierbei nach der Wasserpumpe vor oder im Inverter geteilt (Bypass) und dann dem Getriebekühler und/oder Ladeluftkühler zugeführt (Steuerung durch Ventile). Die Hochvolt-Batterie hat einen eigenen Niedertemperatur-Kreislauf, in den auch Kühlsysteme etc. für Innenraumklimatisierung eingebunden sind.
  • Dieses Prinzip funktioniert gut bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und einem Schaltgetriebe welches als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt ist oder bei Mild-Hybrid-Doppelkupplungsgetrieben (48V HDT). Die Funktionsweise von Plug-In-Hybriden (HV HDT), die weitere Betriebsmodi zur Verfügung stellt, birgt allerdings auf verschiedene Arten zusätzliche Herausforderungen.
  • Zum einen trägt eine mit Hochvolt betriebene elektrische Maschine wesentlich höhere Verluste in das Öl ein (durch eine hohe Leistung der EM) und zeitlich geschieht dies wesentlich häufiger (z.B. permanent durch den Betriebsmodus „reines elektrisches Fahren“ bis zu einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit). Zum anderen verliert der aktuell bestehende Ringkühler an Effektivität, da z.B. bei dem Betriebsmodus des elektrischen Fahrens, die Kupplungen geöffnet sind und die Eingangskupplungsseite nicht dreht und somit weniger Öl an die Ringkühlerwand gespritzt wird. Dies wird noch dadurch verstärkt, dass in dem Betriebsmodus des elektrischen Anfahrens/Fahrens keine (wenig) Kupplungsreibleistung anfällt und somit nur sehr wenig Öl an die Kupplung gesendet wird (dieses Öl wird an der EM benötigt). Durch die reduzierte Kupplungsreibleistung wärmt sich das durch die Kupplung und anschließend an die Ringkühlerwand geleitete Öl nur gering auf, was eine verminderte Kühlleistung aufgrund von geringerer Temperaturdifferenz zwischen Öl und Kühlwasser zur Folge hat.
  • Des Weiteren kommt es beim Betriebsmodus des „Standladens“ zwar zum Rotieren der teils geschlossenen Kupplungen, aber da der Abtrieb nicht dreht, wird weniger Öl im Getriebe verspritzt. Dieser Nachteil wird noch dadurch verstärkt, dass bei stehendem Fahrzeug lediglich durch den Lüfter die Kühlluft zur Kühlung beitragen kann und beim Betriebsmodus „Standladen“ hohe Verluste aus der elektrischen Maschine gekühlt werden müssen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Hybridgetriebe mit einem Kühlsystem für ein Fahrzeug derart weiterzubilden, dass das Hybridgetriebe einen hohen Wirkungsgrad hat, und wobei das Kühlsystem einfach aufgebaut ist und mit einem geringen Aufwand sicher zu betreiben ist.
  • Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch ein Hybridgetriebe mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist eine verbesserte Kühlung für den Ölhaushalt des Hybridgetriebes möglich, wobei eine hohe Kühlleistung in allen Betriebsmodi des hybridisierten Fahrzeugs erzielt wird.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass der Ölkanal, der die Ölzuführung und somit Schmierung und Kühlung zu dem Elektromotor darstellt, zumindest abschnittsweise in Kontakt mit dem Ringkühler bzw. einem äußeren Teilabschnitt des Ringkühlers ist.
  • Hierdurch wird zusätzlich ein Wärmeaustausch des über den Ölkanal zu dem Elektromotor geführten Öls erreicht. Dieser Wärmeaustausch erfolgt unabhängig von einem Betriebsmodus des Fahrzeugs.
  • Eine maximale Abkühlung des dem Elektromotor zuzuführenden Öls kann somit erreicht werden.
  • Das Öl in dem Ölkanal kann dabei sowohl im Gleichstromprinzip oder auch im Gegenstromprinzip in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels im Ringkühler geführt werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Getriebe als Doppelkupplungsgetriebe ausgeführt und die Kupplung eine Doppelkupplung.
  • Vorzugsweise ist der Elektromotor als eine auf der 60 Volt Niederspannungstechnologie basierende elektrische Maschine ausgeführt.
  • Insbesondere lässt sich durch den Einsatz einer leistungsstarken elektrischen Maschine, welche auf der Niederspannungstechnologie basiert, ein in der Herstellung kostengünstigerer Antriebsstrang realisieren, da sicherheitsrelevante Maßnahmen entfallen können.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem Hybridgetriebe,
    • 2 eine schematische Darstellung des Ringkühlers und des Kanals zur Zuführung des Getriebeöls zum Elektromotor; und
    • 3 eine Darstellung des Hybridgetriebes von der Seite mit eingezeichnetem Kreislauf des Kühlwassers, Ölsumpf, Spritzöl und Ölkanal.
  • In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Antriebsstrang 10 eines Fahrzeugs mit einem Hybridgetriebe 1 dargestellt. Der Antriebsstrang 10 nach 1 beinhaltet einen Antriebsmotor VM, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors, der aus einem Energiespeicher wie einem Kraftstofftank 13 versorgt wird. Ferner beinhaltet der Antriebsstrang 10 ein Doppelkupplungsgetriebe 14, dessen Abtriebsseite mit einem Differential 16 verbunden ist. Das Differential 16 verteilt Antriebsleistung auf ein linkes und ein rechtes angetriebenes Rad 18L, 18R. Das Doppelkupplungsgetriebe 14 beinhaltet eine zweite Reibkupplung 20 sowie ein zweites Teilgetriebe TG2. Das zweite Teilgetriebe TG2 beinhaltet beispielsweise Gangstufen N, 2, 4, 6, R, die mittels schematisch angedeuteter Schaltkupplungen 24 ein- und auslegbar sind. Die zweite Reibkupplung 20 und das zweite Teilgetriebe TG2 bilden einen zweiten Leistungsübertragungspfad 26 zur Übertragung von Leistung von dem Antriebsmotor VM zu dem Differential 16. Das Doppelkupplungsgetriebe 14 beinhaltet ferner eine erste Reibkupplung 30 sowie ein erstes Teilgetriebe TG1. Das erste Teilgetriebe TG1 beinhaltet beispielsweise die ungeraden Gangstufen N, 1, 3, 5, 7 etc., die mittels zugeordneter Schaltkupplungen 31 ein- und auslegbar sind. Die erste Reibkupplung 30 und das erste Teilgetriebe TG1 bilden einen ersten Leistungsübertragungspfad 36 zur Übertragung von Antriebsleistung von dem Antriebsmotor VM zu dem Differential 16. Erste und zweite Reibkupplung 30, 20 sind konzentrisch zueinander angeordnet.
  • Ferner beinhaltet der Antriebsstrang 10 eine elektrische Maschine 41, die mit einer Anordnung 42 zur Ansteuerung und Energieversorgung verbunden ist. Die Anordnung 42 kann beispielsweise eine Leistungselektronik mit einem Umrichter sowie eine Batterie beinhalten. Eventuell ist auch die Getriebesteuerung integriert. Bei einer Ausführung als Plug-In Hybrid ist die Batterie als Hochvolt Batterie ausgeführt und über eine externe Stromquelle aufladbar. Die elektrische Maschine EM 41 ist an das zweite Teilgetriebe TG2 fest angebunden, beispielsweise mittels eines Stirnradsatzes oder dergleichen.
  • Die Steuerung des Getriebes und der elektrischen Maschine 41 (Elektromotor) erfolgt in der Getriebesteuerung. Die dargestellte Anordnung ist nur ein mögliches Ausführungsbeispiel.
  • In der Figure 3 ist das erfindungsgemäße Hybridgetriebe 1 für ein Kraftfahrzeug von der Seite dargestellt. Das Hybridgetriebe 1 umfasst ein Getriebegehäuse 2, das im Getriebegehäuse 2 angeordnete Differential 16 mit Tellerrad, das Doppelkupplungsgetriebe 14 mit erster und zweiter Reibkupplung 20, 30 -nachfolgend Doppelkupplung genannt- und den im Getriebegehäuse 2 angeordneten Elektromotor 41. Der Elektromotor 41, die Doppelkupplung 20, 30 und das Tellerrad haben zueinander parallele Achsen. Die Doppelkupplung 20, 30 ist in einem Kupplungsgehäuse 17 aufgenommen.
  • Wie es aus der 3 ersichtlich ist, ist das Doppelkupplungsgetriebe 14 mit einem Ringkühler 50 ausgeführt. Dieser Ringkühler 50 befindet sich umlaufend im Kupplungsgehäuse 17, wobei radial zwischen den Kupplungen 20, 30 und dem Kupplungsgehäuse 17 ein Ringraum 18 gebildet wird, der die beiden Kupplungen 20, 30 der Doppelkupplung umschließt und mit einem Kühlwasser durchflossen wird. Der Ringkühler 50 weist hierfür einen Zufluss 51 und einen Abfluss 52 auf. Durch Pfeile 53 ist das durch den Ringkühler 50 strömende Kühlwasser angedeutet. Durch diese Anordnung trifft das die Kupplung in einem radial äußeren Bereich verlassende Kühlöl direkt auf die Oberfläche einer Kühlerwandung auf.
  • Im Getriebegehäuse 1 wird Öl wie es üblicherweise bekannt ist, in einem Ölsumpf 60 in Einbaulage unten gesammelt und von dort zu den mechanischen Komponenten, beispielsweise zu verbauten Kupplungen des Getriebes, geleitet bzw. gepumpt. Der Ölsumpf 60 ist in der 3 schematisch durch die gestrichelte Linie eingezeichnet.
  • Das Kühlsystem des Hybridgetriebes 1 umfasst eine Ölkühlung des Elektromotors 41. Hierfür wird das Öl über einen Ölkanal 61 zu dem Elektromotor 41 geleitet bzw. gepumpt. Der Ölkanal 61 weist eine Einlassöffnung 62 im Bereich des Pumpensumpfes 60 und eine Auslassöffnung 63 im Bereich des Elektromotors 41 auf. Der Ölkanal 61 ist rohrförmig ausgeführt und radial zumindest teilweise um den Ringkühler 50 angeordnet. Wie es aus den 2 und 3 zu ersehen ist, ist der Ölkanal 61 in etwa um die Hälfte des Ringkühlers 50 geführt. Hierbei liegen die einander zugewandten Flächen des Ringkühlers 50 bzw. des Ölkanals 61 zwecks Wärmeableitung aneinander an. Der Ölkanal 61 kann zur Vergrößerung der Oberfläche und somit zur Erhöhung des Wärmeübergangs mit Rippen oder dergleichen ausgeführt sein.
  • Vorzugsweise umfasst der Elektromotor 41 einen Hohlwellenrotor 44 und ist so ausgebildet und im Getriebegehäuse 2 angeordnet, dass das Öl durch den Ölkanal 61 bzw. die Auslassöffnung 63 zu dem Hohlwellenrotor 44 des Elektromotors 41 geleitet wird. Durch den Hohlwellenrotor 44 kann der Elektromotorläufer mit Öl gespeist werden.
  • Durch Pfeile 64 ist das durch den Ölkanal 61 strömende Öl angedeutet. Aus den 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Strömungsrichtung des Kühlwassers in dem Ringkühler 50 und die Strömungsrichtung des Öls in dem Ölkanal 61 entgegengesetzt sind. Dies wird als Gegenstromprinzip bezeichnet. Die Strömungsrichtungen können allerdings auch gleich sein, was als Gleichstromprinzip bezeichnet wird.
  • Zusätzlich zu der Wärmeableitung durch die äußere Ringkühlerwand wird die Wärme auch noch durch andere Pfade aus dem Öl in das Kühlwasser übergeben.
  • Zum einen sind die Innenwandungen des gute Wärmeleiteigenschaften aufweisenden Getriebegehäuses 2 immer mit Spritzöl benetzt. Weiterhin wird der Ölsumpf lokal durch Wärmeleitung zum Kühlwasser gekühlt. Zusätzlich wird eine Wärmeabfuhr durch die Ringkühlerinnenwand 50a erreicht. Die drehenden Kupplungsbauteile (welche über die Ölpumpe mit Öl versorgt werden) werden mit Öl bespritzt, was den Kühleffekt des Getriebewärmetauschers anhebt. Die Wärmeabfuhr durch die Ringkühlerinnenwand ist schematisch in den 2 und 3 durch die Pfeile 65 dargestellt.

Claims (7)

  1. Hybridgetriebe (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Getriebegehäuse (2), eine im Getriebegehäuse (2) angeordnete Kupplung (20, 30) und einen im Getriebegehäuse (2) angeordneten Elektromotor (41), wobei weiterhin ein Kühlsystem mit einem Ringkühler (50) zum Kühlen der Kupplung (20, 30) ausgebildet ist, wobei der Ringkühler (50) durch das Kühlsystem mit einem Fluid, vorzugsweise Kühlwasser, gespeist wird, und wobei im Getriebegehäuse (2) Öl zur Schmierung und/oder zur Kühlung von Getriebekomponenten zirkuliert, wobei das Öl in einem Ölsumpf (60) gesammelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Öl durch einen Ölkanal (61) zum Elektromotor (41) geleitet bzw. gepumpt wird, so dass der Elektromotor (41) gekühlt wird, wobei der Ölkanal (61) zumindest an einem äußeren Teilabschnitt des Ringkühlers (50) derart angeordnet ist, dass ein Wärmeaustausch zwischen Ölkanal (61) und Ringkühler (50) erfolgt, und dass die Strömungsrichtung des Kühlmittels im Ringkühler (50) und die Strömungsrichtung des Öls im Ölkanal (61) gleichsinnig oder gegensinning ist.
  2. Hybridgetriebe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (20, 30) eine Doppelkupplung ist
  3. Hybridgetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ringkühler (50) radial umlaufend in einem Kupplungsgehäuse 17 der Kupplung (20, 30) angeordnet ist.
  4. Hybridgetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (41) einen Hohlwellenrotor (44) umfasst und so ausgebildet und im Getriebegehäuse (2) angeordnet ist, dass das Öl durch den Ölkanal (61) zu dem Hohlwellenrotor (44) des Elektromotors (41) geleitet wird.
  5. Hybridgetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (41) von einer Hochvoltbatterie gespeist wird, und wobei die Batterie über eine externe Stromquelle aufladbar ist.
  6. Hybridgetriebe (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (41) eine auf der 60 Volt Niederspannungstechnologie basierende elektrische Maschine, vorzugsweise eine elektrische Maschine mit 48 Volt, ist.
  7. Antriebsstrang eines Plug-In Hybrid Fahrzeugs mit einem Hybridgetriebe (1) nach einem der Ansprüche 1-6.
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