WO2004090386A1 - Im getriebe integrierter wärmetauscher - Google Patents

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heat exchanger
lubricant
coolant
heat
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Gerhard FÜHRER
Gerhard HÖRING
Roland Stauber
Marcus Raeder
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Zf Friedrichshafen Ag
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/04—Features relating to lubrication or cooling or heating
    • F16H57/0412—Cooling or heating; Control of temperature
    • F16H57/0415—Air cooling or ventilation; Heat exchangers; Thermal insulations

Definitions

  • the invention relates to a transmission with a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the transmission oil In modern, highly stressed vehicle transmissions, the transmission oil must be cooled to temperatures that are not critical to the system. Corresponding cooling devices in the form of a heat exchanger are provided in particular in areas with a high ambient temperature and in vehicles in which an encapsulation of the transmission is provided for reasons of noise reduction.
  • the heat exchangers are usually used for additional cooling of the transmission oil, but they can also be used to heat the transmission oil during the warm-up phase of the transmission.
  • the heat exchangers known today are either 01 / air or oil / water heat exchangers and are installed as additional components at a suitable point in the vehicle. Oil / water heat exchangers can also be integrated into the engine cooling circuit of the vehicle.
  • the transmission cooling system comprises a transmission housing in which the transmission wheels are accommodated and which defines an oil sump for the transmission lubricant oil. At least some of the gear wheels rotate within the oil sump. In the oil sump of the gearbox, only that oil comes into contact with the heat exchanger and can transfer its heat to it, which is in the immediate vicinity of the heat exchanger. There is no forced routing of the oil present in the transmission past the heat exchanger to give off the heat to the latter. Such guidance is deliberately avoided by omitting a pump device suitable for guidance.
  • the invention has for its object to make a transmission cooling system more efficient.
  • a transmission has a transmission housing which comprises an area in which gearwheels rotate.
  • the transmission also has a heat exchanger which receives heat generated in the transmission and transferred to a transmission lubricant and releases it to a coolant for transporting the heat away from the transmission.
  • a recess is provided, through which the gear lubricant flows and in which the heat exchanger is arranged.
  • the heat exchanger is advantageously a separate component that can be inserted into the recess in the gear housing.
  • the gear lubricant flows through the recess in the gear housing on the suction side of a pump that pumps the gear lubricant.
  • One embodiment shows that a by-pass valve is provided on the suction side of the pump delivering the gear lubricant, which enables the heat exchanger to be bypassed at temperatures of the gear lubricant below a predetermined limit value.
  • the heat exchanger in the recess is advantageously accessible from outside the housing.
  • One embodiment shows the heat exchanger as a tube-bundle heat exchanger.
  • the coolant for removing the heat from the transmission is connected to a cooler outside the transmission.
  • the embodiment is particularly advantageous when the coolant for removing the heat from the transmission is a coolant in the cooling circuit of an internal combustion engine that drives the transmission.
  • the coolant is preferably a water-based liquid and the gear lubricant is an oil-based liquid.
  • the gear housing forms the housing for the heat exchanger directly.
  • all of the geared lubricant delivered is forced through the heat exchanger.
  • This improves the efficiency of the heat exchanger and achieves a significantly smaller and more compact design.
  • Short ducts and a large flow cross-section, which can be represented by the consequent integration into the gear housing, result in a very low pressure drop.
  • Only simple and inexpensive adaptation parts are required for oil guidance, sealing and fastening. Simple and proven technology is also guaranteed with regard to the connection of the coolant without additional sealing elements.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a vehicle
  • Fig. 3 installed the heat exchanger according to Fig. 2;
  • Fig. 4 is a view of the gear housing
  • Fig. 5 shows a further view of the gear housing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle 2 with a drive motor 4, which acts on a transmission 8 via a friction clutch 6.
  • the transmission 8 is connected via an output shaft 10 to a differential 12, which drives a vehicle wheel 16 via a semi-axis 14.
  • the friction clutch 6 is actuated by an actuator 18, which is connected to a controller 22 via a signal line 20.
  • the transmission 8 is actuated by a transmission actuator 24 which is arranged on the housing 26 of the transmission and which is connected to the controller 22 via a line 28.
  • a heat exchanger 30 is used, which is connected to the engine 4 and its coolant via two coolant lines 32 and 34. The warmed coolant is cooled down in a vehicle radiator 36.
  • a cooler 38 mounted on the vehicle 2 can be connected to the heat exchanger 30 via the coolant lines 40 and 42, in which the coolant of the heat exchanger 30 is then cooled down.
  • the heat exchanger 30 is connected to an oil sump 64 and an oil pump 62 which supplies oil to gear wheels 66, 68 in a region of the Gear housing 26 leads.
  • the transmission oil does not flow through the heat exchanger 30, but is pumped through a by-pass valve 70, bypassing the heat exchanger 30.
  • FIG. 2 shows the heat exchanger 30, which is designed here as a shell-and-tube heat exchanger.
  • the inlet opening 44 is connected to the one coolant line 32 and the outlet opening 46 is connected to the other coolant line 34.
  • FIG. 3 shows the heat exchanger 30 integrated in the gear housing 26.
  • the heat exchanger is held only by a flange 52 sealed by sealing rings 48 and 50, which is supported by a locking ring 54. Sealing ring 50 and flange 52 can also be formed in one piece with the heat exchanger 30. Coolant enters the interior of the heat exchanger 30 via the openings 44 and 46.
  • the heat exchanger 30 is arranged in a recess 56 in the transmission housing 26 in such a way that the transmission oil sucked in by the oil pump 62 from the oil sump 64 (FIG. 1) through the oil inlet opening 58 enters the recess 56 and can flow around the heat exchanger 30 there.
  • the gear oil forcibly leaves the recess 56 at the oil outlet opening 60 and is sucked off in the direction of the oil pump 62.
  • FIG. 4 shows a section of the transmission housing 26 with the oil inlet opening 58, the oil outlet opening 60 and a filler opening 72 for the transmission oil.
  • the inlet opening 44 and outlet opening 46 for the coolant can be seen on the heat exchanger 30.
  • FIG. 5 shows a view of the recess 56 with the heat exchanger removed.
  • the oil inlet opening 58, the oil outlet opening 60 and the filler opening 72 for the transmission oil can be clearly seen in the recess 56.

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Abstract

Ein Getriebe (8) weist ein Getriebegehäuse (26) auf, das einen Bereich umfasst, in dem Zahnräder (66, 68) rotieren, und einen Wärmetauscher (30), der in dem Getriebe (8) erzeugte und an ein Getriebeschmiermittel übergebene Wärme aufnimmt und an ein Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe (8) weg abgibt. In dem Getriebegehäuse (26) außerhalb des Bereichs, in dem die Zahnräder (66, 68) rotieren, ist eine Vertiefung (56) vorgesehen, die vom Getriebeschmiermittel durchströmt wird und in der der Wärmetauscher (30) angeordnet ist.

Description

Im Getriebe integrierter Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei modernen, hoch belasteten Fahrzeuggetrieben muss das Getriebeöl auf für das System unkritische Temperaturen gekühlt werden. Insbesondere in Gebieten mit einer hohen Umgebungstemperatur und bei Fahrzeugen, bei denen aus Gründen der Geräuschreduzierung eine Kapselung des Getriebes vorgesehen ist, sind entsprechende Kühleinrichtungen in Form eines Wärmetauschers vorgesehen. Die Wärmetauscher werden in der Regel zur zusätzlichen Kühlung des Getriebeöls eingesetzt, sie können aber während der Warmlaufphase des Getriebes auch zur Erwärmung des Getriebeöls Verwendung finden.
Die heute bekannten Wärmetauscher sind entweder 01/ Luft- oder Öl/Wasser-Wärmetauscher und werden als zusätzliche Komponenten an geeigneter Stelle im Fahrzeug montiert. Öl/Wasser-Wärmetauscher können auch in den Motorkühlkreislauf des Fahrzeugs integriert sein.
Aus der DE-A-196 25 357 ist ein getriebe-integrierter Wärmetauscher bekannt geworden, bei dem der Wärmetauscher ein Teil des Getriebegehäuses darstellt. Die Wandungen des Gehäuses sind teilweise von Rohren durchzogen, in denen Öl und Wasser zirkuliert und die Wärme des Öls an das Wasser abgegeben wird. Die Wasserleitungen selbst sind mit dem Fahrzeugkühler verbunden. Das Getriebegehäuse selbst stellt hier einen Teil des Wärmetauschers dar. In der EP-B-0 785 379 ist ein Getriebekühlsystem beschrieben, das einen Wärmetauscher vorsieht, der offen im Ölsumpf des Getriebes liegt und die Wärme des ihn umgebenden Getriebeöls an das Kühlwasser des Fahrzeugmotors abgibt. Dazu ist der Fahrzeugkühler und die Kühlleitungen des Fahrzeugmotors mit dem Wärmetauscher verbunden. Das Getriebekühlsystem umfasst ein Getriebegehäuse, in dem die Getrieberäder untergebracht sind und das einen Ölsumpf für das Getriebeschmiermittel Öl definiert. Zumindest ein Teil der Getrieberäder rotiert innerhalb des Ölsumpfes. Im Ölsumpf des Getriebes kommt nur dasjenige Öl mit dem Wärmetauscher in Kontakt und kann seine Wärme an diesen abgeben, das sich in unmittelbarer Nähe des Wärmetauscher befindet. Eine gezwungene Führung des vorhandenen Öls im Getriebe an dem Wärmetauscher vorbei zur Abgabe der Wärme an diesen findet nicht statt. Auf eine solche Führung wird durch das Weglassen einer zur Führung geeigneten Pumpeinrichtung be- wusst verzichtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Getriebekühlsystem effizienter zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Getriebe mit einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß weist ein Getriebe ein Getriebegehäuse auf, das einen Bereich umfasst, in dem Zahnräder rotieren. Das Getriebe weist auch einen Wärmetauscher auf, der in dem Getriebe erzeugte und an ein Getriebeschmiermittel ubergebene Wärme aufnimmt und an ein Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe weg abgibt. In dem Getriebegehäuse außerhalb des Bereichs, in dem die Zahnräder rotieren, ist eine Vertiefung vorgesehen, die vom Getriebeschmiermittel durchströmt wird und in der der Wärmetauscher angeordnet ist.
Vorteilhafterweise stellt der Wärmetauscher ein separates Bauteil dar, das in die Vertiefung im Getriebegehäuse einsetzbar ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vertiefung im Getriebegehäuse vom Getriebeschmiermittel auf der Saugseite einer das, Getriebeschmiermittel fördernden Pumpe durchströmt.
Eine Ausbildungsform zeigt, dass auf der Saugseite der das Getriebeschmiermittel fördernden Pumpe ein By-Pass- Ventil vorgesehen ist, das eine Umgehung des Wärmetauschers bei Temperaturen des Getriebeschmiermittels unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ermöglicht.
Zu Wartungs- und Montagezwecke ist der Wärmetauscher in der Vertiefung vorteilhafterweise von außerhalb des Gehäuses zugängig. Eine Ausgestaltung zeigt den Wärmetauscher als Rohrbündel-Wärmetauscher .
In einer AusgestaltungsVariante ist das Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe mit einem Kühler außerhalb des Getriebes verbunden. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung dann, wenn das Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe ein Kühlmittel im Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors ist, der das Getriebe antreibt. Das Kühlmittel ist vorzugsweise eine auf Wasser basierende Flüssigkeit und das Getriebeschmiermittel eine auf Öl basierende Flüssigkeit.
Durch vorteilhafte Ausführung und Anordnung der Kanäle für das Getriebeschmiermittel bildet das Getriebegehäuse direkt das Gehäuse für den Wärmetauscher. Dadurch erfolgt eine Zwangsführung des gesamten geförderten Getriebeschmiermittels über den Wärmetauscher. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert und eine deutlich kleinere und kompaktere Bauweise erreicht. Durch kurze Kanäle und einen großen Strömungsquerschnitt, die durch die konsequente Integration in das Getriebegehäuse dargestellt werden können, ergibt sich ein sehr niedriger Druckabfall. Zur Olführung, Abdichtung und Befestigung sind nur einfache und kostengünstige Adaptionsteile notwendig. Einfache und bewährte Technik auch bezüglich des Anschlusses des Kühlmittel ohne zusätzliche Abdichtungselemente ist gewährleistet.
Trotz des hohen Integrationsgrades ist eine einfache Nachrüstmöglichkeit und Demontierbarkeit ohne Demontage des gesamten Getriebes möglich. Die einfache Bauweise und wenigen Schnittstellen erzeugen niedrige Herstellungskosten. Gleichzeitig wird ein sehr guter Schutz des Wärmetauschers vor Beschädigungen oder sonstigen mechanischen Einflüssen erreicht .
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs ;
Fig. 2 einen Rohrbündelwärmetauscher;
Fig. 3 den Wärmetauscher nach Fig. 2 eingebaut;
Fig. 4 eine Ansicht des Getriebegehäuses und
Fig. 5 eine weitere Ansicht des Getriebegehäuses.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges 2 mit einem Antriebsmotor 4, der über eine Reibungskupplung 6 auf ein Getriebe 8 einwirkt. Das Getriebe 8 ist über eine Abtriebswelle 10 mit einem Differenzial 12 verbunden, das über je eine Halbachse 14 ein Fahrzeugrad 16 antreibt. Die Reibungskupplung 6 wird von einem Aktuator 18 betätigt, der über eine Signalleitung 20 mit einer Steuerung 22 verbunden ist. Das Getriebe 8 wird von einem Getriebesteller 24 betätigt, der auf dem Gehäuse 26 des Getriebes angeordnet ist und der über eine Leitung 28 mit der Steuerung 22 verbunden ist. Im Gehäuse 26 ist ein Wärmetauscher 30 eingesetzt, der über zwei Kühlmittelleitungen 32 und 34 mit dem Motor 4 und dessen Kühlmittel verbunden. Das aufgewärmte Kühlmittel wird in einem Fahrzeugkühler 36 heruntergekühlt. Alternativ kann ein am Fahrzeug 2 montierter Kühler 38 mit dem Wärmetauscher 30 über die Kühlmittelleitungen 40 und 42 verbunden sein, in dem dann das Kühlmittel des Wärmetauscher 30 heruntergekühlt wird. Der Wärmetauscher 30 ist mit einem Ölsumpf 64 und einer Ölpumpe 62 verbunden, die Öl zu Zahnrädern 66, 68 in einem Bereich des Getriebegehäuses 26 führt. Bei Öltemperaturen unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes durchströmt das Getriebeöl nicht den Wärmetauscher 30, sondern wird durch ein By-Pass- Ventil 70 gepumpt, wodurch der Wärmetauscher 30 umgangen wird.
Die Fig. 2 zeigt den Wärmetauscher 30, der hier als ein Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet ist. Die Einlassöffnung 44 ist mit der einen Kühlmittelleitung 32 verbunden und die Auslassöffnung 46 ist mit der anderen Kühlmittelleitung 34 verbunden.
Die Fig. 3 zeigt den Wärmetauscher 30 in das Getriebegehäuse 26 integriert. Der Wärmetauscher ist lediglich mit einem durch Dichtungsringe 48 und 50 abgedichteten Flansch 52 gehalten, der von einem Sicherungsring 54 gestützt wird. Dichtungsring 50 und Flansch 52 können mit dem Wärmetauscher 30 auch einteilig ausgebildet sein. Über die Öffnungen 44 und 46 gelangt Kühlmittel in das Innere des Wärmetauschers 30. In dem Getriebegehäuse 26 ist der Wärmetauscher 30 in einer Vertiefung 56 so angeordnet, das das von der Ölpumpe 62 aus dem Ölsumpf 64 (Fig. 1) angesaugte Getriebeöl durch die Öleinlassöffnung 58 in die Vertiefung 56 eintritt und dort den Wärmetauscher 30 umströmen kann. Zwangsgeführt verlässt das Getriebeöl die Vertiefung 56 an der Ölauslassöffnung 60 wieder und wird in Richtung auf die Ölpumpe 62 abgesaugt.
Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Getriebegehäuse 26 mit der Öleinlassöffnung 58, der Ölauslassöff- nung 60 und einer Einfüllöffnung 72 für das Getriebeöl. In der Vertiefung 56 ist der Wärmetauscher 30 positioniert, der von dem Flansch 52 und dem Sicherungsring 54 gehalten wird. Am Wärmetauscher 30 sind Einlassöffnung 44 und Auslassöffnung 46 für das Kühlmittel zu erkennen.
Die Fig. 5 schließlich zeigt einen Blick in die Vertiefung 56 bei ausgebautem Wärmetauscher. In der Vertiefung 56 sind deutlich die Öleinlassöffnung 58, die Ölaus- lassöffnung 60 und die Einfüllöffnung 72 für das Getriebeöl zu erkennen.
Durch diese Anordnung des Wärmetauschers 30 in einer Vertiefung 56 des Getriebegehäuses 26, durch die durch die Ölpumpe 62 das Getriebeöl zwangsweise geführt wird, wird eine optimale Kühlung des gesamten Getriebeöls erreicht.
Bezugszeichen
2 Fahrzeug 62 Ölpumpe
4 Antriebsmotor 64 ölsumpf
6 Reibungskupplung 66 Zahnrad
8 Getriebe 68 Zahnrad
10 Abtriebswelle 70 By-Pass-Ventil
12 Differenzial 72 Einfüllöffnung
14 Halbachse
16 Fahrzeugrad
18 Aktuator
20 Signalleitung
22 Steuerung
24 Getriebestel1er
26 Gehäuse
28 Leitung
30 Wärmetauscher
32 Kühlmittelleitung
34 Kühlmi11el1eitung
36 Fahrzeugkühler
38 Kühler
40 Kühlmittelleitung
42 Kühlmittelleitung
44 Einlassöffnung
46 Auslassöffnung
48 Dichtungsring
50 Dichtungsring
52 Flansch
54 Sicherungsring
56 Vertiefung
58 Öleinlassöffnung
60 Ölauslassöffnung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Getriebe (8) mit einem Getriebegehäuse (26), das einen Bereich umfasst, in dem Zahnräder (66, 68) rotieren, und mit einem Wärmetauscher (30), der in dem Getriebe (8) erzeugte und an ein Getriebeschmiermittel ubergebene Wärme aufnimmt und an ein Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe (8) weg abgibt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Getriebegehäuse (26) außerhalb des Bereichs, in dem die Zahnräder (66, 68) rotieren, eine Vertiefung (56) vorgesehen ist, die vom Getriebeschmiermittel durchströmt wird und in der der Wärmetauscher (30) angeordnet ist.
2. Getriebe (8) nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wärmetauscher (30) ein separates Bauteil darstellt, das in die Vertiefung (56) im Getriebegehäuse (26) einsetzbar ist.
3. Getriebe (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vertiefung (56) im Getriebegehäuse (26) vom Getriebeschmiermittel auf der Saugseite einer das Getriebeschmiermittel fördernden Ölpumpe (62) durchströmt wird.
4. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der Saugseite der das Getriebeschmiermittel fördernden Ölpumpe (62) ein By-Pass-Ventil (70) vorgesehen ist, das eine Umgehung des Wärmetauschers (30) bei Temperaturen des Getriebeschmiermittels unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ermöglicht .
5. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wärmetauscher (30) in der Vertiefung (56) zu Wartungs- und Montagezwecke von außerhalb des Gehäuses (26) zugängig ist.
6. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Wärmetauscher (30) als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist.
7. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe (8) mit einem Kühler (38) außerhalb des Getriebes (8) verbunden ist.
8. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlmittel zum Abtransport der Wärme vom Getriebe (8) ein Kühlmittel im Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors (4) ist, der das Getriebe (8) antreibt.
9. Getriebe (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kühlmittel eine auf Wasser basierende Flüssigkeit ist und das Getriebeschmiermittel eine auf Öl basierende Flüssigkeit ist.
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