Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeuggetriebe umfassend einen Getriebeinnenraum, in dem zur Schmierung und/oder Kühlung zumindest einer in dem Getriebeinnenraum angeordneten mechanischen Komponente, eine wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeit aufgenommen ist, wobei der Getriebeinnenraum über zumindest ein Wassergehalt-Regelventil mit einer das Kraftfahrzeuggetriebe umgebenden Umwelt fluidleitend verbunden ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung des Wassergehaltes für ein Getriebe mit wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit.

Stand der Technik

Der Einsatz wasserhaltiger Kühlschmiermedien, als Ersatz für konventionelles Getriebeöl, bietet entscheidende Vorteile hinsichtlich der erzielbaren mechanischen Wirkungsgrade durch den kleinen Stahl-Stahl-Reibungskoeffizienten und der thermischen Eigenschaften, die hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe spez. Wärmekapazität. Dies führt neben geringeren Verlustleistungseinträgen zu einem reduzierten Betriebstemperaturniveau und einer verbesserten Entwärmung des Systems, insbesondere thermisch kritischer Komponenten. Beispielsweise bringt es Vorteile bei der Wärmeabfuhr an den Permanentmagneten einer permanentmagneterregten Synchronmaschine durch eine effiziente Rotorwellenkühlung.

Nachteilig am Einsatz wasserhaltiger Kühlschmiermedien ist jedoch, dass sich ein - zufolge unterschiedlicher Umgebungs- und Betriebsbedingungen oder über die Lebensdauer - ändernder Wassergehalt stark auf die rheologischen und tribolog i- schen Eigenschaften des Fluids auswirkt. Details dazu siehe Tabelle 1 in Fig. 1. Nachteilig ist auch der gegenüber konventionellen Getriebeölen signifikant höhere Dampfdruck der wasserhaltigen Kühlschmierflüssigkeit. Bei einer Fluidtemperatur von 50°C liegt der Dampfdruck von konventionellen Getriebeölen bspw. im Bereich von ca. 0.014 mbar, jener von wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit - abhängig vom Wassergehalt - liegt bspw. im Bereich von ca. 49 bis 124 mbar (siehe Tabelle 2 in Fig. 2). Dies führt dazu, dass je nach Betriebstemperatur und Druck ein entsprechender Anteil an Wasser in der im Getriebeinnenraum befindlichen Luft in Sättigung geht.

Als wesentliche Gründe für Änderungen des Wassergehaltes im Kühlschmiermedium lassen sich folgende Faktoren nennen:

• Wassereintrag aus der Umgebung über Radialwellendichtringe (in flüssiger oder in gasförmiger Form),

• Wassereintrag und/oder Wasseraustrag über Entlüftung (Entlüfterkappen oder Druckausgleichsmembrane),

• Wassereintrag und/oder Wasseraufnahme durch diverse Getriebekomponenten, insbesondere Polyamide, Elastomere und Sinterbauteile,

• Reaktionen mit der im Getriebeinnenraum befindlichen Luft (Sättigung der Luft bzw. Kondensation der Luftfeuchte),

• Wassereintrag und/oder Wasseraustrag über eine Vielzahl möglicher Mikro-Le- ckagepfade, da es im Allgemeinen keine spezifischen Anforderungen an die Luftdichtheit des Systems gibt. Es treten in den Aluminium-Druckguss-Gehäusebau- teilen Mikro-Porositiäten auf, die teilweise erst unter Last aufklaffen, sowie Undichtheiten an den Flanschflächen oder bei Getriebe-Anbauteilen, Dichtscheiben etc.

Während dem Wassereintrag bzw. der Wasseraufnahme von Getriebekomponenten durch geeignete Gegenmaßnahmen, z.B. ein konditionierter Verbau dieser Komponenten, entgegengewirkt werden kann, führen andere Einflussfaktoren zu einem über die Lebensdauer nicht definierbaren Wassereintrag oder Wasseraustrag bspw. an Radialwellendichtringen, Entlüftern oder an diversen Mikro-Leckagepfaden, was zu einer mehr oder weniger starken Änderung des nominellen Wassergehaltes führt. Vorwiegend erfolgt dieser Vorgang langfristig und weitgehend unbemerkt über die Gasphase in Form von feuchter Luft oder Wasserdampf. Den wohl größten Einfluss hat jedoch die wechselnde Fluidtemperatur. Das Getriebe atmet und stößt bei Erwärmung, aufgrund der Druckerhöhung zufolge der Volumenausdehnung, teilweise oder vollständig mit Wasser gesättigte Luft über das Druckausgleichselement aus bzw. zieht bei Abkühlung, aufgrund des Druckabfalls zufolge der Volumenabnahme, Frischluft aus der Umgebung an. Dadurch kann sich der Wassergehalt der Kühlschmierflüssigkeit je nach Betriebsund klimatischen Umgebungsbedingungen innerhalb der Sättigungsgrenzen ändern.

Bekannte Entlüfterkonzepte, wie bspw. Entlüfterkappen, Druckausgleichs-memb- rane oder Schlauchentlüfter in unterschiedlichen Ausführungen, führen dazu, dass Wasser in gasförmiger Phase über das Entlüfterelement in den Getriebeinnenraum ein- und aus dem Getrieberaum ausdringen kann. Somit kann beispielsweise über die Wellendichtringe in das Öl eingebrachtes Wasser bei höheren Betriebstemperaturen wieder nach außen entweichen. Nachteilig daran ist, dass diese für ölgefüllte Getriebe an sich bewährte Methode aus den oben genannten Gründen für wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeiten nicht anwendbar ist.

Vorgeschlagene Kondensatorkonzepte wie die angemeldete DE 10 2021 211 522 A1 lassen sich prinzipiell als Maßnahme gegen den Wasseraustrag im Betrieb einsetzen, nachteilig daran ist jedoch deren, in Anhängigkeit von der für die Rückkondensation erreichbaren Temperaturdifferenz, begrenzte Effizienz wodurch keine vollständige Rückkondensation erreicht werden kann. Des Weiteren kann eine Zunahme des Wassergehaltes durch Wassereintrag damit nicht verhindert werden. Zudem ist die Funktion im Stillstand bzw. ohne Temperaturdifferenz nicht wirksam, wodurch sich bei längerem Stillstand - abhängig von den klimatischen Umgebungsbedingungen - wiederum eine Zuoder Abnahme des nominellen Wassergehaltes einstellen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung der Regelung des Wasserhaushalts in einem Kraftfahrzeuggetriebe zu erreichen.

Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Kraftfahrzeuggetriebe umfassend einen Getriebeinnenraum, in dem zur Schmierung und/oder Kühlung zumindest einer in dem Getriebeinnenraum angeordneten mechanischen Komponente, eine wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeit aufgenommen ist, wobei der Getriebeinnenraum über zumindest ein Wassergehalt-Regelventil mit einer das Kraftfahrzeuggetriebe umgebenden Umwelt fluidleitend verbunden ist, wobei das Wassergehalt-Regelventil aufgrund eines Zusammenhangs zwischen Druck und Temperatur, sowie einem Wassergehalt der Kühlschmierflüssigkeit passiv oder aktiv auslöst.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht den Einsatz wasserbasierender Kühlschmierflüssigkeiten in Getriebeanwendungen.

Der Wassergehalt wird, unabhängig von äußeren oder inneren Einflussfaktoren, über die Lebensdauer konstant gehalten.

Das Wassergehalt-Regelventil ist mit mindestens einem Druckbegrenzungs- oder Druckregelventil aufgebaut, es können also mehrere einzelne Ventile kombiniert sein.

In einer Ausführungsform ist das Wassergehalt-Regelventil als bidirektional wirksames Druckbegrenzungsventil ausgeführt, welches zwei parallel zueinander angeordnete Ventilpfade, nämlich einen auslassseitig und einen einlassseitig wirksamen Ventilpfad umfasst. In einer weiteren Ausführungsform ist das Wassergehalt-Regelventil als teilweise oder als vollständig temperaturkompensiertes, bidirektional wirksames Druckbegrenzungsventil ausgebildet, wobei sich die Öffnungsdrücke des auslassseitigen bzw. einlassseitigen Ventilpfades, in Abhängigkeit von der im Getriebeinnenraum vorherrschenden Lufttemperatur, bzw. von der das Getriebe umgebenden Lufttemperatur, ändern. Durch die temperaturkompensierte Druckregelung wird das Verfahren verbessert.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Wassergehalt-Regelventil als ein, über ein elektrisches Signal direkt gesteuertes, Druckregelventil ausgebildet.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Wassergehalt-Regelventil als Entlüftungssystem mit Material ausgebildet, welches abhängig vom im Kraftfahrzeuggetriebe befindlichen Wassergehalt reversible Eigenschaftsänderungen wie Änderungen von Masse und/oder Volumen und/oder Länge oder Änderungen der physikalischen Materialeigenschaften wie Elastizität und/oder Härte erfährt.

Die Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Regelung des Wassergehalts in einem Kraftfahrzeuggetriebe mit wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit, wobei ein Wassergehalt- Regelventil ab einer initial festgelegten Betriebs-Grenz- temperatur, bei welcher der entsprechende Dampfdruck mit dem gewünschte Soll- Wassergehalt des Gemisches korreliert, geöffnet wird.

Die Regelung erfolgt mit einer geringen Hysterese.

Alternativ ist ein Verfahren zur Regelung des Wassergehaltes in einem Kraftfahrzeuggetriebe mit wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit, wobei ein Wassergehalt- Regelventil über eine initial festgelegte Temperatur-Druck Abhängigkeit, z.B. entlang einer Arbeitskennlinie des Wassergehalt-Regelventils geöffnet wird.

Eine weitere Alternative ist ein Verfahren zur Regelung des Wassergehaltes in einem Kraftfahrzeuggetriebe mit wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit, wobei ein aktiv, mittels einem elektrischen Signal gesteuertes Wassergehalt- Regelventil geöffnet wird, wenn der Öffnungsdruck in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur und von anderen im Fahrzeug verfügbaren Signalen, beispielsweise Lufttemperatur und Luftfeuchte der Umgebung vorgegeben wird und der Wassergehalt innerhalb vorgegebener Grenzen gesteuert wird.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt beispielhaft, wie sich Änderungen im Wassergehalt auf die tribolog i- schen und rheologischen Eigenschaften der wasserhaltigen Kühlschmierflüssigkeit auswirken,

Fig. 2 zeigt beispielhaft den gualitativen Verlauf der Änderung des Wassergehaltes über der Zeit,

Fig. 3 zeigt die temperaturabhängigen Dampfdrücke von reinem Wasser sowie von Glykol-Wasser-Gemischen mit unterschiedlichem Wassergehalt,

Fig. 4 zeigt beispielhaft den Zusammenhang von Dampfdruck, Temperatur und Wassergehalt einer wasserhaltigen Kühlschmierflüssigkeit,

Fig. 5a-c zeigen beispielhaft den Zusammenhang von Dampfdruck, Temperatur und Wassergehalt einer wasserhaltigen Kühlschmierflüssigkeit und die Arbeitsbereiche erfindungsgemäßer Wassergehalt-Regelventile in unterschiedlichen Ausführungsformen,

Fig. 6 zeigt ein Wassergehalt-Regelventil in einer ersten Ausführungsform als bidirektional wirksames Druckbegrenzungsventil,

Fig. 7 zeigt ein Wassergehalt-Regelventil in einer zweiten Ausführungsform als temperaturkompensiertes bidirektional wirksames Druckbegrenzungsventil,

Fig. 8 zeigt ein Wassergehalt-Regelventil in einer dritten Ausführungsform als temperaturkompensiertes Druckregelventil,

Fig. 9 zeigt ein Wassergehalt-Regelventil in einer vierten Ausführungsform als elektromagnetisch betätigbares Ventil, Fig. 10 zeigt ein Wassergehalt-Regelventil in einer fünften Ausführungsform als passives Regelelement.

Als wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeiten werden beispielsweise Gemische aus Glykolen und destilliertem Wasser in unterschiedlichen Konzentrationen und mit zusätzlichen, für den konkreten Anwendungsbereich abgestimmten, Additivpaketen eingesetzt. Die für die Anwendung als Kühlschmiermittel relevanten Eigenschaften dieser Gemische werden wesentlich vom Wassergehalt der Mischung beeinflusst siehe Tabelle 1 in Figur 1. Diese homogenen Gemische unterscheiden sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt deutlich hinsichtlich ihres Dampfdruckes. Tabelle 2 in Fig. 3 zeigt die temperaturabhängigen Dampfdrücke von reinem Wasser (pA) sowie von Glykol-Wasser-Gemischen mit unterschiedlichem Wassergehalt (pB, pC).

Durch die erfindungsmäße Methode werden die, qualitativ in Fig. 4 dargestellten, Zusammenhänge der Zustandsgrößen Druck 2 und Temperatur 3, sowie des Wassergehaltes 5 der wasserhaltigen Kühlschmierflüssigkeit 1 genutzt, um so bei einer festgelegten Betriebs-Grenztemperatur oder in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur, über ein Wassergehalt-Regelventil Änderungen im Wassergehalt nach oben hin und/oder nach unten hinzubegrenzen. Die Kennzeichen A bis E beziehen sich auf unterschiedliche Prozentzahlen des Wassergehalts 5. Die beiden Richtungen sind in der Figur 5a als Pfeile P1 und P2 eingetragen. 7 bezeichnet dabei die Erhöhung des Wassergehalts und 8 die Reduzierung des Wassergehalts über den nominalen Wassergehalt 6 hinaus.

Ein Kraftfahrzeuggetriebe 12 ist antriebswirksam mit einer elektrischen Maschine 13 verbunden und weist eine Vielzahl an mechanischen Komponenten 17, unter anderem mehrere Zahnräder 17‘, auf. Weiterhin weist das Kraftfahrzeuggetriebe 12 ein Getriebegehäuse 15 auf das einen Getriebeinnenraum 16 definiert. In dem Getriebegehäuse 15, also im Bereich des Getriebeinnenraums 16 sind sowohl sämtliche mechanische Komponenten 17 des Kraftfahrzeuggetriebes 12 wie auch die elektrische Maschine 13 angeordnet. Im unteren Bereich des Getriebeinnenraums 16 ist ein Fluidsumpf 18 ausgebildet, der eine wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeit 1 bis zu einem nominalen Fluidniveau 18a aufnimmt. Im oberen Bereich, einem Bereich über dem nominalen Fluidniveau 18a der wasserhaltiger Kühlschmierflüssigkeit 1 , ist ein Wassergehalt-Regelventil 19 angeordnet.

Das Wassergehalt-Regelventil 19 ist in einem separaten Bauraum oberhalb des Getriebegehäuses 15, im Ventilgehäuse 20 an einem in Fahrzeug-Einbaulage höchsten Punkt des Getriebes angeordnet.

In einer ersten Ausführungsform der Fig. 6 erfolgt die Druckbegrenzung mittels eines bidirektional wirksamen Druckbegrenzungsventils. Das Druckbegrenzungsventil besteht im einfachsten Fall aus einem federbeaufschlagtem kugelförmigen Ventilkörper, der einen Ventileingang im Ruhezustand verschließt. Unter der Annahme einer üblichen Betriebstemperatur und einer zulässigen Betriebstempera- tur-Obergrenze, bspw. bedingt durch die übliche Kühlwasser-Vorlauftemperatur eines externen Wärmetauschers, ergibt sich in der Aufheizphase ein Soll-Öffnungs- druck des Wassergehalt-Regelventils 19. Das Auslassventil 26 öffnet nach außen, wobei eine Staubkappe 24 abhebt. Die Ausscheidung des überschüssigen Wasseranteiles erfolgt somit ab einer initial festgelegten Betriebs-Grenztemperatur bei welcher der entsprechende Dampfdruck mit dem gewünschten Soll-Wassergehalt des Gemisches korreliert. In der Abkühlphase kann ein Luft-Wasser Gemisch aus der Umgebung durch das Einlassventil 25 nachgesaugt werden. Dies erfolgt, analog zur Aufheizphase, bei einer initial festgelegten unteren Betriebstemperaturgrenze. Die Arbeitskennlinie des Wassergehalt-Regelventiles verläuft entlang der Linie 10. Mit 11 ist der Arbeitsbereich des Wassergehalt-Regelventiles 19 eingezeichnet.

Das Wassergehalt-Regelventil kann auch als einfachwirkendes Druckbegren- zungs- oder Druckregelventil ausgeführt werden. Dadurch wird nur der Wassereintrag in den Getriebeinnenraum oder nur der Wasseraustrag aus dem Getriebeinnenraum beeinflusst, also eine Begrenzung des Wassergehaltes in eine Richtung realisiert. Eine einfachwirkende Ausführung ist insbesondere bei ölgefüllten Getrieben als Maßnahme zur Begrenzung des Wassergehaltes im Öl vorteilhaft. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen über längere Zeit keine hohen Betriebstemperaturen erreicht werden, die ein Ausdampfen des Wassers aus dem Öl ermöglichen, wie es bspw. bei elektrischen Antrieben vorkommen kann.

In einer zweiten Ausführungsform, Fig. 7, ist das Wassergehalt-Regelventil 19 als teilweise oder als vollständig temperaturkompensiertes, bidirektional wirksames, Druckbegrenzungsventil ausgeführt. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erfolgt die Ausscheidung des überschüssigen Wasseranteiles nicht ab einer initial festgelegten unteren und oberen Betriebs-Grenztemperatur, sondern über eine initial festgelegte Temperatur-Druck Abhängigkeit, z.B. entlang Kennlinie D, der Arbeitskennlinie des Wassergehalt-Regelventils 10 in Figur 5. Somit kann über den gesamten Betriebstemperaturbereich eine Korrelation von Dampfdruck und gewünschtem Wassergehalt 5 hergestellt werden. Als Steuergrößen dienen die im Getriebeinnenraum vorherrschenden Zustandsgrößen Druck und Temperatur, welche die Ventilstellung von Ein- und Auslassventilen 25, 26 beeinflussen.

In einer dritten Ausführungsform nach Fig. 8 ist das Wassergehalt-Regelventil 19 als teilweise oder als vollständig temperaturkompensiertes Druckregelventil ausgeführt. Dabei handelt es sich um ein direkt gesteuertes Druckregelventil, dessen Regeldruck temperaturproportional ist, also ein Thermodruckventil. Die Ausscheidung des überschüssigen Wasseranteiles erfolgt, analog zur Ausführung in Figur 2, über eine initial festgelegte Temperatur-Druck Abhängigkeit, z.B. entlang Kennlinie D, der Arbeitskennlinie des Wassergehalt-Regelventils 10 in Figur 5. Somit kann über den gesamten Betriebstemperaturbereich eine Korrelation von Dampfdruck und gewünschtem Wassergehalt 5 hergestellt werden. Das in Fig. 8 dargestellte Ventil sitzt im Ventilgehäuse 20 und weist ein Thermoelement 21 , einen Ventilsitz und einen Ventilkegel auf. Der maximale erreichbare Druck im Getriebeinnenraum 16 ergibt sich je nach ausgewählter Ausführung. Das Thermoelement 21 dehnt sich temperaturabhängig aus und spannt Federn, eine Regelfeder 22 und einen Ruhefeder 23, über einen Federteller vor. Steigen Druck und Temperatur im Getriebeinnenraum 16 über die in Abhängigkeit vom gewünschten Wassergehalt definierte Grenze, siehe Kennlinien in Fig. 3, 4, so entspannt sich die Regelfeder 22 infolge des anliegenden Druck- und Temperaturwertes und die Ruhefeder 23 entlastet den Getriebeinnenraum 16 zur Umgebung hin.

In einer vierten Ausführungsform der Fig. 9 wird ein elektromagnetisch betätigbares Ventil als Druckregelventil eingesetzt. Dabei kann der Öffnungsdruck in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur und von anderen im Fahrzeug verfügbaren Signalen beispielsweise Lufttemperatur und Luftfeuchte der Umgebung vorgegeben und der Wassergehalt bedarfsgerecht innerhalb vorgegebener Grenzen geregelt werden. Als Eingangsgröße dient die über einen Temperatursensor 9 gemessene Fluidtemperatur sowie der im Getriebeinnenraum 16 vorherrschende Luftdruck.

In einer weiteren Ausführungsform Fig. 10 erfolgt die Regelung des Wassergehalts durch ein in das Entlüftungssystem in geeigneter Weise integriertes Material 27, welches abhängig vom im Getriebe befindlichen Wassergehalt reversible Eigenschaftsänderungen, beispielsweise geometrischer Art (Änderungen von Masse und/oder Volumen und/oder Länge) oder Änderungen der physikalischen Materialeigenschaften (z.B. Elastizitätsmodul und/oder Härte) erfährt und dadurch definierte Öffnungen im Entlüftungssystem bedarfsgerecht freigibt oder verschließt. Dabei steht die Änderung der Materialeigenschaft in einem definierten Zusammenhang zum Wassergehalt und/oder Luftdruck des Wasser-Luft Gemisches.

Das Wassergehalt-Regelventil kann eine Druckausgleichmembrane an der Getriebeaußenseite oder an der Getriebeinnenseite enthalten (bspw. ePTFE-Membrane) und in Kombination zu bekannten Druckausgleichssystemen verbaut werden. Bei Verwendung eines Membranwerkstoffes mit hoher Wasserdampf-Rückhalterate kann die Funktion des Wassergehalt Regelventils zusätzlich verbessert werden.

Bezugszeichen

1 Wasserhaltige Kühlschmierflüssigkeit

2 Druck

3 Temperatur

4 Zeit

5 Wassergehalt

6 Nominaler Wassergehalt

7 Erhöhung des Wassergehaltes

8 Reduzierung des Wassergehaltes

9 Temperatursensor

10 Arbeitskennlinie des Wassergehalt-Regelventils

11 Arbeitsbereich Wassergehalt-Regelventils

12 Kraftfahrzeuggetriebe

13 Elektrische Maschine

14 Getriebe

15 Getriebegehäuse

16 Getriebeinnenraum

17 Mechanische Komponente

17' Zahnrad

18 Fluidsumpf

18a nominales Fluidniveau

19 Wassergehalt-Regelventil

20 Ventilgehäuse

21 Thermoelement 22 Regelfeder

23 Ruhefeder

24 Staubkappe

25 Einlassventil

26 Auslassventil 27 Material