DE102021208579A1

DE102021208579A1 - Getriebe für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021208579A1
Application number: DE102021208579.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier; Hermann Josef Robin; Libor Sova; Martin Hempen
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug mit einer Kühleinheit und einer Wärmequelle, wobei die Kühleinheit in einem Ölraum des Getriebes und benachbart zu der Wärmequelle angeordnet ist und folgendes aufweist:ein Gehäuse aus einem wärmeleitfähigen Material und eine wärmeleitfähige Struktur innerhalb des Gehäuses, welche Erhebungen aufweist, so dass die wärmeleitfähige Struktur zwischen den Erhebungen von Öl in einer Flussrichtung durchströmbar ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz einer Leistungselektronik bei Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 10 2016 215 188 A1 ein eine Leistungselektronik, die in einem Hohlraum eines Getriebegehäuses angeordnet ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe mit einer Kühleinheit, die kompatibel mit einer Leistungselektronikkomponente in dem Getriebe ist, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

- ein Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug mit einer Kühleinheit und einer Wärmequelle, wobei die Kühleinheit in einem Ölraum des Getriebes und benachbart zu der Wärmequelle angeordnet ist und folgendes aufweist: ein Gehäuse aus einem wärmeleitfähigen Material und eine wärmeleitfähige Struktur innerhalb des Gehäuses, welche Erhebungen aufweist, so dass die wärmeleitfähige Struktur zwischen den Erhebungen von Öl in einer Flussrichtung durchströmbar ist.

Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Patentanmeldung sind motorgetriebene Landfahrzeuge. Davon sind auch Schienenfahrzeuge umfasst.
Die Leistungselektronik dient als Umrichter für die elektrische Maschine. Insbesondere dient die Leistungselektronik dazu, den von einer Batterie bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Außerdem dient die Leistungselektronik im Wesentlichen dazu, den an die elektrische Maschine zugeführten Strom zu steuern oder zu regeln. Dazu weist die Leistungselektronik eine Leiterplatine und damit elektrisch verbundene Elektronikbauteile auf, die zur Steuerung oder Regelung des Stroms eingerichtet sind. Beispielsweise kann die Leistungselektronik einen Leistungsschalter, wie einen Leistungstransistor, aufweisen. Darüber hinaus kann die Leistungselektronik eine Steuerelektronik und/oder eine Sensorelektronik aufweisen. Dabei kann die Leistungselektronik ein Leistungselektronikgehäuse aufweisen, innerhalb dem die Leiterplatine und die Elektronikbauteile angeordnet sind.
Die elektrische Maschine besteht zumindest aus einem Stator und einem drehbar gelagerten Rotor und ist in einem motorischen Betrieb eingerichtet, elektrische Energie in mechanische Energie in Form von Drehzahl und Drehmoment zu wandeln, sowie in einem generatorischen Betrieb mechanische Energie in elektrische Energie in Form von Strom und Spannung zu wandeln. Dabei kann die elektrische Maschine bei einem Hybridantrieb zum Einsatz kommen, bei dem die durch die elektrische Maschine bereitgestellte Leistung auf eine Getriebeausgangswelle übertragen wird. Natürlich kann die elektrische Maschine zu anderen Zwecken eingesetzt werden, wie beispielsweise zum Antreiben einer in dem Getriebe angeordneten Pumpe. Die Leistungselektronik kann mit einer oder mehreren elektrischen Maschinen elektrisch leitend verbunden sein.
Ein Getriebe umfasst einen Kupplungsraum, in dem eine Kupplung rotiert, und einen Ölraum, in dem oft eine Aktorik angeordnet ist. Der Ölraum ist ein bis zu einem Füllniveau mit Öl gefüllter Raum eines Getriebes.
Eine Wärmequelle ist ein Bereich, der während des Betriebs wärmer ist als seine Umgebung. Komponenten, welchen Energie zugeführt wird, beispielsweise elektrischen Schaltungen, Motoren etc., sind Wärmequellen, da diese Komponenten sich aufgrund von Reibung gegenüber ihrer Umgebung erwärmen.
Kühleinheiten transportieren Wärme von einer Wärmequelle in eine kühlere Umgebung. Es gibt aktive und passive Kühleinheiten. Passive Kühleinheiten erzielen einen kühlenden Effekt aufgrund eines wärmeleitfähigen Materials. Aktive Kühleinheiten erzielen einen Kühleffekt aufgrund von bewegten Teilen, die der Umwälzung von Medien dienen, und/oder chemischen Reaktionen.
Wärmeleitfähige Materialien sind Werkstoffe mit wärmeleitfähigen Elektronen. Hierzu zählen beispielsweise Metalle. Im Gegensatz dazu sind nicht wärmeleitfähige Materialien solche Werkstoffe, in welchen eine Wärmeübertragung ausschließlich durch Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, erfolgen kann.
Ein Gehäuse ist eine feste Hülle, die einen empfindlichen Inhalt schützend umgibt, oder die Umgebung vor einem schädlichen Inhalt schützt.
Der Begriff „Öl“ ist hierbei insbesondere nicht einschränkend auf mineralische Öle zu verstehen. Unter einem Öl kann vielmehr auch ein vollsynthetisches oder teilsynthetisches Öl verstanden werden, ebenso ein Silikonöl oder andere ölartige Flüssigkeiten, wie beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit oder ein Kühlschmierstoff (KSS).
Eine Welle ist eine sich räumlich ausbreitende Schwingung oder einmalige Störung. Eine wellenförmige Struktur ist ein Festkörper, dessen Oberfläche sich als Welle beschreiben lässt, bspw. durch eine Wellengleichung. Ein Wellental ist ein lokales Minimum einer Welle. Ein Wellenhoch ist ein lokales Maximum einer Welle.
In der Physik ist eine Amplitude die maximale Auslenkung einer sinusförmigen Wechselgröße. In dieser Patentanmeldung wird unter der Amplitude eine Differenz, also ein vertikaler Abstand, zwischen einem Wellental und einem Wellenhoch verstanden.
Von Öl durchströmbare Strukturen sind hinsichtlich dessen Abmessungen an die Viskosität von Öl angepasst.
Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, eine Kühleinheit, die von Öl durchströmbar ist, in dem Ölraum eines Getriebes, neben einer Wärmequelle, anzuordnen.
Die Kühleinheit umfasst ein Gehäuse aus einem wärmeleitfähigen Material, in welchem eine wärmeleitfähige Struktur ausgebildet ist.
Stege sind Erhebungen mit einer Höhe, die größer ist als dessen Breite. Die Grundfläche, die sich aus der Länge und der Breite ergibt, eines Steges ist länglich, d.h. die Länge ist größer als die Breite, und kann beliebig gewählt werden, beispielsweise eine wellenförmige Grundfläche.
Pins sind Erhebungen dessen Höhe größer ist als eine Breite und eine Länge.
Die Orientierung von Breite und Länge ist in dieser Anmeldung den Zeichnungen zu entnehmen. Die Zeichnungen legen die Orientierung von Breite und Länge auch für sich genommen fest, dass bedeutet dass weitere gezeichnete Merkmale nicht zwingend erforderlich sind.
Die Höhe einer Erhebung ist senkrecht zu den Schnittebenen gemäß 3 bzw. 5 orientiert.
Die wärmeleitfähige Struktur umfasst Erhebungen, zwischen welchen Öl strömen kann. Die Erhebungen sind zumindest so hoch, dass sich eine im wesentlichen laminare Strömung des Öls zwischen den Erhebungen einstellen lässt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Höhe der Erhebungen einer Innenhöhe des Gehäuses entspricht.
Das Gehäuse der wärmeleitfähigen Struktur kann in einem Block eines wärmeleitfähigen Materials ausgebildet sein.
Somit lässt sich die thermische Anbindung in einem Getriebe verbessern und der Bauraum eines Getriebes optimal nutzen.
Zudem ermöglicht die Kühleinheit die Integration einer Leistungselektronikkomponente in dem Getriebe, ohne Wasser durch das Getriebe zu leiten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen der wärmeleitfähigen Struktur eine Vielzahl an wellenförmigen Stegen, zwischen welchen das Öl strömen kann, aufweist.
Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn eine Höhe eines Steges zwischen 3,0 mm und 9,0 mm, insbesondere zwischen 4,0 mm und 5,0 mm beträgt und/oder eine Wandstärke der Stege zwischen 0,5 mm und 1,2 mm beträgt.
Bei soliden Strukturen, also Strukturen ohne Hohlraum, entspricht die Wandstärke der Breite.
Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn die Stege mehrere Unterbrechungen aufweisen. Somit lässt sich Verstopfungen des Öls vorbeugen bzw. verhindern.
Hierunter wird verstanden, dass die Gesamtheit der Stege mehrere Unterbrechungen aufweist. Hiervon ist beispielsweise umfasst, dass jeder der Stege zumindest eine Unterbrechung aufweist oder lediglich eine Auswahl der Stege eine Unterbrechung aufweist.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die Erhebungen der wärmeleitfähigen Struktur eine Vielzahl von Pins, zwischen welchen das Öl strömen kann, aufweist.
Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn die Pins einen viereckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei sich eine Länge des Querschnitts in einer Flussrichtung des Öls erstreckt und eine Breite des Querschnitts senkrecht zu der Länge orientiert ist, wobei die Breite zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, insbesondere 1,6 mm beträgt, und/oder das Verhältnis zwischen der Breite und der Länge, Breite/Länge zumindest 0,5 mm, insbesondere gleich 0,9 mm beträgt, und/oder eine Höhe, die senkrecht zu dem Querschnitt orientiert ist, der Pins zwischen 3,0 mm und 10 mm, insbesondere 6,6 mm beträgt und/oder ein minimaler Abstand zwischen zwei benachbarten Pins zwischen 0,6 mm und 1,2 mm, insbesondere 0,8 mm beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmequelle eine Hochvolt-Schaltung zur Steuerung eines Elektromotors.
Hochvolt-Schaltungen sind für maximale Betriebsspannungen zwischen 400 V und 1000 V ausgelegt.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist das wärmeleitfähige Material des Gehäuses Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung weist das Getriebe eine Leistungselektronikkomponente, die eingerichtet ist, von dem Öl umgeben zu sein, auf.
Dabei ist es auch zweckmäßig, wenn die Leistungselektronikkomponente eine Hülle, z.B. aus einer Vergussmasse bzw. ein Mold-Gehäuse, die die Leistungselektronikkomponente öldicht abdichtet, aufweist.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 eine schematische Schnittsicht einer Kühleinheit eines Getriebes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine wärmeleitfähige Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Detailansicht gemäß 2;
4 eine wärmeleitfähige Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine Detailansicht gemäß 4.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleichwirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nicht anders ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt einen Ausschnitt eines Getriebes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittsicht. Dementsprechend ist in 1 eine Wärmequelle 11 neben einer Kühleinheit 13 angeordnet. Die Kühleinheit 13 umfasst ein Gehäuse 17, welches in einem Kupferblock 103 angeordnet ist. Das Gehäuse 17 weist eine innere Höhe 101 auf.
2 zeigt eine Übersicht einer wärmeleitfähigen Struktur 15, die im Inneren des Gehäuses 17 angeordnet ist. Die wärmeleitfähige Struktur 15 umfasst eine Vielzahl an Pins 20, die einen viereckförmigen bzw. rautenförmigen Querschnitt aufweisen und matrixförmig angeordnet sind. Die Pins 20 bilden Erhebungen, zwischen welchen Öl strömen kann. Die Pins 20 umfassen eine Pinhöhe, die senkrecht zu der in 2 dargestellten Ebene orientiert ist. Zwei benachbarte Pins 20 weisen zueinander einen Abstand 31 auf. Zudem weisen die Pins eine Breite 32 und eine Länge 29 auf. Jeder Pin schließt zu einer äußeren Wand des Gehäuses 17 zumindest einen Abstand 105 ein.
3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht gemäß 2, aus welcher die Dimensionierung der Pins ersichtlich ist.
4 zeigt eine Übersicht einer wärmeleitfähigen Struktur 16 mit wellenförmigen Stegen 19. Die Stege 19 bilden Erhebungen, zwischen welchen Öl strömen kann. Die Stege 19 weisen eine Wandstärke 21 auf. Zwei benachbarte Stege 19 schließen einen Abstand 23 ein. Zwei benachbarte Wellentäler einer Welle eines Steges 19 sind durch den Abstand 25 voneinander beabstandet. Die Breite einer Welle entspricht dem technischen Maß der Amplitude 27 einer Welle des Steges 19.
5 zeigt eine vergrößerte Detailansicht gemäß 4, aus welcher die Dimensionierung der wellenförmigen Stege ersichtlich ist.
Bezugszeichenliste

11: Wärmequelle
13: Kühleinheit
15: wärmeleitende Struktur
16: wärmeleitende Struktur
17: Gehäuse
19: Steg
20: Pin
21: Wandstärke
23: Abstand zwischen zwei Stegen
25: Abstand zwischen zwei Wellentälern
27: Amplitude
29: Länge
31: Abstand zwischen zwei Pins
32: Breite
101: Höhe
103: Kupferblock
105: Abstand zur Wand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016215188 A1 [0002]

Claims

Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug mit einer Kühleinheit (13) und einer Wärmequelle (11), wobei die Kühleinheit (13) in einem Ölraum des Getriebes und benachbart zu der Wärmequelle (11) angeordnet ist und folgendes aufweist: ein Gehäuse (17) aus einem wärmeleitfähigen Material und eine wärmeleitfähige Struktur (15; 16) innerhalb des Gehäuses (17), welche Erhebungen aufweist, so dass die wärmeleitfähige Struktur zwischen den Erhebungen von Öl in einer Flussrichtung durchströmbar ist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitfähige Struktur (16) eine Vielzahl wellenförmiger Stege (16), zwischen welchen Öl strömen kann, aufweist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 2, wobei eine Höhe eines Steges (19) zwischen 3,0 mm und 9,0 mm, insbesondere zwischen 4,0 mm und 5,0 mm beträgt und/oder eine Wandstärke (21) der Stege (19) zwischen 0,50 mm und 1,2 mm beträgt und/oder ein minimaler Abstand (23) zwischen 2 Stegen (19) zwischen 0,80 mm und 1,5 mm, insbesondere 1,0 mm beträgt und/oder die Amplitude (27) einer Welle, eines Steges zwischen 1,7 mm und 4,5 mm, insbesondere zwischen 3,0 mm und 4,0 mm beträgt und/oder ein Abstand (25) zwischen zwei benachbarten Wellentälern zwischen 4,0 mm und 9,0 mm, insbesondere zwischen 4,0 mm und 5,0 mm beträgt.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Stege (19) mehrere Unterbrechungen aufweisen.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitfähige Struktur (15) eine Vielzahl von Pins (20), zwischen welchen das Öl strömen kann, aufweist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 5, wobei die Pins (20) einen viereckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei sich eine Länge (29) des Querschnitts in einer Flussrichtung des Pins erstreckt und eine Breite (33) des Querschnitts senkrecht zu der Länge orientiert ist, wobei die Breite (33) zwischen 1,0 mm und 1,6 mm, insbesondere 1,6 mm beträgt, und/oder das Verhältnis zwischen der Breite (33) und der Länge (29), also Breite/Länge, zumindest 0,50, insbesondere gleich 0,9 beträgt, und/oder eine Höhe der Pins zwischen 3,0 und 10 mm, insbesondere 6,6 mm beträgt und/oder ein minimaler Abstand (31) zwischen zwei benachbarten Pins (20) zwischen 0,60 mm und 1,2 mm, insbesondere 0,80 mm beträgt.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle (11) eine Hochvolt-Schaltung zur Steuerung einer elektrischen Maschine aufweist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das wärmeleitfähige Material des Gehäuses (17) Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung ist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Getriebe eine Leistungselektronikkomponente, die eingerichtet ist, von dem Öl umgeben zu sein, aufweist.
Getriebe für ein Hybrid-, oder Elektrofahrzeug nach Anspruch 9, wobei die Leistungselektronikkomponente eine Hülle, die die Leistungselektronikkomponente öldicht abdichtet, aufweist.