AT508877A2 - Rotor von wirbelstrombremse mit spezieller gestaltung um thermospannungen zu kompensieren - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Rotoren von luftgekühlten Wirbelstrombremsen zum Bremsen von Wellen bzw. Achsen von Fahrzeugen oder Antriebe jeglicher Art. Als Rotor soll ein Bauteil verstanden werden, der aus zwei benachbarten Magnetscheiben besteht und diese über Kühlrippen bzw. Stege untrennbar miteinander verbunden sind. Diese Kombination ist wiederum über Verbindungsstege mit einer Nabe untrennbar verbunden. Der Rotor dreht sich zwischen axial beabstandeten statisch angeordneten Magneten als Stator, mit unterschiedlicher Polarität und bewirkt dadurch ein alternierendes Magnetfeld. Dieses alternierende Magentfeld erzeugt wiederum Wirbelströme, die Rotor und Wellen bzw. Achse abbremsen.

Die Wirbelstrombremse selbst ist nicht Gegenstand der Erfindung, die Funktionsweise wird in Patentschrift EP 1 338 077 Bl ausführlich beschrieben.

Auch ist es bereits Stand der Technik, Rotoren mit Wellen oder Achsen verdrehfest zu verbinden. Diese Art von verdrehfester Verbindung, wie Verzahnung, Keilnuten oder dergl. sind aus Lehrbüchern einschlägig bekannt und werden in der Technik vielzählig angewandt. Deshalb wird auf diese Art von Verbindungstechnik nicht näher eingegangen.

Deshalb zielt die Erfindung auf eine Verbindungsvariante mittels Presssitz ab, wo die Innenbohrung der Nabe des Rotors mit erheblichen Untermaß zum Aussendurchmesser der Welle oder Achse aufgepresst und damit das Bremsmoment schlupffei übertragen werden kann. Auch diese Art von Wellen- Nabenverbindung findet in der Regel zig-fache Anwendung. Trotzdem unterliegt diese Verbindungsart besonderen erfinderischen Regeln, denn bei dieser Anwendung erfordert die Technik jedoch eine spezielle Ausgestaltung der Rotorgeometrie auf die folgend näher eingegangen wird.

Funktionsbedingt erhitzen sich Rotoren von Wirbelstrombremsen, je nach Leistungsdichte, dementsprechend stark. Deshalb muss die Wärme permanent aus dem Rotor an die Umgebung abgeführt werden. Das erfordert spezifische technische Maßnahmen in Form von Verrippungen an der polabgewandten Rotorseite um die Kühleffizienz durch höhere Strömungsluft zu steigern. Das bedeutet aber auch unterschiedliche Temperaturen an beiden Seiten.

Die hauptsächliche Wärme entsteht an der Stator benachbarten Rotorseite und pflanzt sich bis zur Kühlrippenseite fort, die wesentlich besser mit Luft angeströmt wird. Das fuhrt logischer Weise zu einem Temperaturgefälle beider Seiten. Deshalb kommt es zu erhebliche Wärme-ausdehnungsunerschiede zwischen Pol- und Kühlrippenseite. Beide Magnetscheiben verformen sich axial zueinander und üben einen hohen Druck auf die Verbindungsstege bzw. Kühlrippen aus. Dieser Druck ist so hoch, dass regelrecht die Stege bzw. Kühlrippen verformt und die Magnetscheiben im Stegebereich ausgeprägt werden. Zudem noch der radiale thermische Ausdehnungsunterschied zwischen Magnetscheiben und Rotomabe über die sternförmig radial ausgerichtete Zugkraft der Verbindungsstege eine Aufweitung der Innenbohrung der Rotomabe bewirkt und dadurch das Reibmoment des Presssitzes nicht mehr gross genug ist, um die dauerhafte Übertragung des Bremsmoments sicherzustellen.

Aus einschlägiger Patentliteratur ist nicht bekannt, dass bereits technische Maßnahmen getroffen werden um solchen Beschädigungen bzw. Verformungen an Rotoren entgegenzuwirken.

Denn durch Thermospannung erzeugte Risse und Verformungen können je nach Einsatz, früher oder später zum Ausfall des Bauteiles fuhren, bzw. die Bremsleistung wird wegen den, in den Magnetscheiben unterbrochenen Wirbelstrombahnen stark gemindert und dadurch der Qualitätsanspruch erheblich gedrückt.

Die Erfindung sieht nun Maßnahmen vor, um Schäden durch Spannungsrisse und Verformungen am Rotor nachhaltig zu vermeiden und eine dauerhafte schlupffreie Übertragung des 1 • ·· ·· · · · · · • ·· ··· ·· ··· • ·· ·· · · ·····* ······· · · ·· ·· ·· · ·· ·

Bremsmoment auf Achse oder Welle, sowie ein dauerhaftes gleichbleibendes Bremsmoment, zu garantieren.

Ein wesentliches Merkmal des Rotordesign besteht darin, dass zwei benachbarte aussen-liegende radial angeordnete Magnetscheiben über mit mehreren gegenläufigen Bögen geformten Verbindungsstege mit der Rotomabe verbunden werden. Eine derartige Geometrie und Formgebung von Verbindungsstegen ermöglicht bei ungleich höherer Erwärmung der Magnetscheiben zur Rotomabe auftretende thermische Spannungen auf ein unschädliches Maß zu reduzieren und damit verbundene unterschiedliche Wärmeausdehnung der Magnetscheiben zur Rotomabe mit einer Art Federeffekt zu kompensieren. Die Verbindungsstege selbst werden Gegenstand einer geringfügigen Verformung und Drehung, so dass eine radiale Dehnung der Rotomabe möglichst minimiert werden kann. Zwar können mit mehreren gegenläufigen Bögen geformten Verbindungsstege radiale Ausdehungsunterschiede zwischen zwei oder meheren Geometrien bis auf geringfügige Restspannungen kompensieren, bewirken aber doch noch erhebliche und unzulässige hohe Spannungen bei axialem Ausdehungs-unterschied beider Magnetscheiben, wenn sich diese zueinander bewegen. Deshalb ist noch ein weiteres wesentliches Merkmal am Rotordesign erforderlich, um auch diese Spannungen auf eine zulässige Grösse zu minimieren. Deshalb sieht die Erfindung Schlitze in den Verbindungsstegen vor, die sich bevorzugt von aussen bis Mitte der Stege erstrecken, aber nicht unbedingt einer bestimmen Länge unterliegen müssen. Die Schlitze sollen vorzugsweise symetrisch zur Stegmitte, bzw. in Stegmitte angeordnet sein. Es ist aber auch vorstellbar die Schlitze unsymetrisch zur Stegmitte anzuordnen, aber dadurch funktionelle Einschränkungen gegeben sind. Die Schlitzbreite unterliegt keiner bestimmten Abmessung es reichen in der Regel bis 5 mm aus um die axiale Gesamtverformung beider Magnetscheiben zu kompensieren, bzw. die Schlitzbreite unterliegt dem gusstechnischen Herstellungsverfahren. Die Schlitze bewirken, dass sich die Magnetscheiben in axialer Richtung frei zueinander bewegen können und nicht durch die Verbindungsstege in der Bewegungsfreiheit gehindert werden können.

Daneben ist vorgesehen, unterschiedlich lange und alternierende Kühlrippen an den Magnetscheiben anzuordnen. Die länger geformten Kühlrippen erstrecken sich, abgesehen von einem kleinen Abstand zur inneren und äusseren Scheibenkante über die gesamte Scheibenbreite. Die weisen wiederum Spaltungen auf, die sich bevorzugt über die Hälfte der Rippenlänge von aussen nach innen erstrecken. An der Verschmelzung beider Rippenhälften ist eine Aushöhlung vorgesehen, die nochmals die Spannungen erheblich zu reduzieren vermag. Die Grösse der Aushöhlung unterliegt keiner bestimmten Vorgabe, sollte aber bevorzugt Schlitzbreite * 2 betragen. Die axiale örtliche Bestimmung der Schlitze beider Kühlrippen orientieren sich nach den Verbindungsstegen, also befinden sich auch in der Mitte der Kühlrippen. Die kürzer geformten Kühlrippen erstrecken sich, abgesehen von einem kleinen Abstand zur äusseren Scheibenkante, bevorzugt bis zur Mitte der Scheibenbreite, bzw. soweit zur inneren Scheibenkante hin, dass der Luftdurchströmung keine Einschränkung entgegenwirkt.

Den axial einwirkenden Magnetkräften zwischen Rotor und Stator kann wegen der Spaltung der Verbindungsstege und Kühlrippen nicht der Anforderung entsprechend entgegengewirkt werden. Um diesen Nachteil auzugleichen reicht das restliche Verbindungsstück an den langen Kühlrippen aus, so dass es zu keiner statorgerichteter Verformung der Magnetscheiben kommt, bzw. diese am Verschleifen mit den Magnetpolen gehindert sind. 2 t * Λ • ·

Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden im folgenden anhand beiliegender Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Hälfte des Rotor in Frontansicht,

Fig. 2 einen Ausbruch am Rotor und Detailansicht mit geschnittenen Verbindungsstegen und langer Ausführung der Kühlrippen,

Fig. 3 eine Detailansicht mit kurzer Ausführung der Kühlrippen,

Fig. 4 einen Vollschnitt des Rotor in Y-Achse mit dargestellten Gedankenstrichen über die Verformung der Magnetscheiben nach aussen, dargestellt durch Richtungspfeile,

Fig. 5 einen Vollschnitt des Rotor in Y-Achse mit dargestellten Gedankenstrichen über die Verformung der Magnetscheiben nach innen, dargestellt durch Richtungspfeile,

Fig. 6 einen Ausbruch am Rotor wo die Verbindungsfläche an den langen Kühlrippen dargestellt ist,

Fig. 7 einen Ausbruch am Rotor wo die Einbindung der Verbindungsstege an die Magnetscheiben dargestellt ist.

Der Rotor (1) weist gemäß Fig.l eine Vielzahl von mehreren aus gegenläufigen Bögen geformten Verbindungsstegen (3) auf. Die Anzahl richtet sich nach dem Freiraum zwischen Magnetscheiben (la, lb) und Rotomabe (2) sowie nach Größe der Magnetzugkraft im Luftspalt zwischen Stator und Rotor (1). Den Verbindungsstegen (3) unterliegt die Aufgabe eine untrennbare und wärmeelastische Verbindung zwischen den Magnetscheiben (la, lb) und der Rotomabe (2) herzustellen und auftretende themische Spannungen zwischen den Komponenten (la, lb, 2) auf eine kleine bzw. zulässige Größe zu begrenzen. Zudem ist noch vorgesehen lange und kurze Kühlrippen (4, 5) gleichmäßig auf der Scheibenfläche zu verteilen, wobei sich Anzahl und Längen nach der verfügbaren Fäche richtet, bzw. so angeordnet sind, dass die Luftdurchströmung nicht gemindert ist, bzw. die beste mögliche Kühlung des Rotor erzielt wird.

Gemäß Fig.2 weisen die länger geformten Kühlrippen (4) in Rippenmitte einen Spalt (6) auf, die sich von aussen über die Hälfte der Rippenlänge nach innen erstreckt. Der Spalt unterliegt keiner bestimmten Länge und kann beliebig sein, soll aber dem zugeteilten Zweck dienen. Am Spaltende ist eine eine Art Aushöhlung (7) vorgesehen, damit die Wurzelfläche an der Rippenverschmelzung wesentlich vergrössert ist. Beides dient der erfinderischen Zielsetzung, dass beide Magnetscheiben (la, lb) bei Erwärmung des Rotors zueinander bewegungsuneingeschränkt sind, aber im Gegensatz dazu, bedingt der magnetischen Zugkraft am auseinanderbewegen gehindert sind.

Gemäß Fig.3 sind die kürzer geformten Kühlrippen (5) durchgehend gespalten (13), bzw. die Kühlrippenhälften (5a, 5b) weisen keine Verbindung zueinander auf.

Die Gedankenstriche in Darstellung Fig.4 verdeutlichen die Verspannungen (8a, 8b) bei einwirken eines Magnetfeldes im Luftspalt und Auswirkung Fig. 5 von thermischen Spannungen (9a, 9b) bei warmen Rotor. Die Verformung ist am Innendurchmesser der Magnetscheiben am geringsten und erhöht sich in Richtung Aussendurchmesser.

Fig. 6 und 7 zeigt einen Spalt (10) in den Verbindungsstegen, der sich von aussen bis Mitte der Stege hinzieht. Die Spaltlänge ist so abgestimmt, dass sich auch bei grösster Verformung der Magnetscheiben in beiden Richtungen noch ein günstigstes Spannungsbild ergibt und keine Risse auftreten. Der Spalt selbst hat keinen Einfluss auf das Stabilitätsverhalten des Rotors bei hoher Drehzahl und einwirken von axial ausgerichteten Magnetkräften. Im Gegensatz dazu können sich die Magnetscheiben (la, lb) bei Erwärmung des Rotor ungehindert zueinander bewegen ohne das unzulässige hohe Spannungen in den Magnetscheiben, speziell im Einbindungsbereich (12) der Stege, auftreten. Die Verbindungsflächen (11) an den langen Kühlrippenhälften bewirken eine Verschmelzung beider Rippenhälften und sorgen für 3 ♦

♦ A • · ♦ · • · «· · ausreichende Stabilität gegen axiale Verformung der Magnetscheiben bei hohen Magnetfeldern im Luftspalt (13) bzw. verhindern eine Veschleiftmg des Rotor (I) mit dem Stator. Bei steigender Temperatur im Rotor wirken die thermischen Spannungen den einwirkenden Magnetkräften entgegen und wandeln die statorgerichtete Verformung in eine statorgegengerichtete Verformung um.

Legende zu den Hinweisziffem: 1 Rotor la Magnetscheibe links lb Magnetscheibe rechts 2 Rotomabe 3 Verbindungssteg 4 lange Kühlrippe 5 kurze Kühlrippe 5a kurze Kühlrippenhälfte links 5b kurze Kühlrippenhälfte rechts 6 Spalt in langer Kühlrippe 7 Aushöhlung an langer Kühlrippe 8a Gedankenlinie Verformung der linken Magnetscheibe durch Magnetzugkraft bei kalten Rotor 8b Gedankenlinie Verformung der rechten Magnetscheibe durch Magnetzugkraft bei kalten Rotor 9a Gedankenlinie Verformung der linken Magnetscheibe durch thermische Spannungen bei warmen Rotor, bzw. bei Retarderbetrieb 9b Gedankenlinie Verformung der rechten Magnetscheibe durch thermische Spannungen bei warmen Rotor, bzw. bei Retarderbetrieb 10 Spalt in Verbindungssteg 11 Verbindungsfläche an langer Kühlrippenhälfte 12 Einbindung der Verbindungsstege in die Magnetscheiben 13 Spalt in kurzer Kühlrippe 4

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Rotor (1) einer Wirbelstrombremse zum Bremsen von Wellen bzw. Achsen und Antriebe jeglicher Art, mit zwei benachbarten Magnetscheiben (la, lb), die an der sich zugewandten Scheibenfläche eine Anzahl von Kühlrippen (4, 5) aufweisen, eine Vielzahl von Verbindungsstegen (3) im Freiraum zwischen Magnetscheiben und Rotomabe (2) angeordnet sind und eine nicht trennbare Verbindung zwischen den Magnetscheiben (la, lb) und der Rotomabe (2) herstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (3) bevorzugt in Stegmitte einen von aussen nach innen erstreckenden Spalt (10) aufweisen, der bei auftretenden Thermospannungen (9a, 9b) eine uneingeschränkte bzw. spannungsarme Bewegung der Magnetscheiben (la, lb) zueinander erlaubt.
2. 2. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege eine von mehreren gegenläufig angeordneten Bögen geformte Gestaltung aufweisen und dadurch einen Federeffekt bewirken, der bei Erwärmung des Rotor (1) die radialen Ausdehnungsunterschiede zwischen den Magnetscheiben (la, lb) und Rotomabe (2) kompensiert und damit die funktionsbedingten und noch zulässigen Thermospannungen ausgleichen.
3. 3. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die lange Ausführung der Kühlrippen (4) einen von aussen nach innen gerichteten Spalt (6) aufweisen, der sich bevorzugt über die Hälfte der Rippenlänge erstreckt und zusätzlich am Spaltende eine Aushöhlung (7) vorgesehen ist.
4. 4. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Ausführung der Kühlrippen (5) einen durchgehenden Spalt (13) aufweisen.
5. 5. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (3) auf die Rotomabe (2) aufgrund einer, von mehreren gegenläufig angeordneten Bögen geformte Gestaltung, keine unzulässig hohe radiale Zugkraft ausüben und die Nabengeometrie auch im Bremsbetrieb unverändert bleibt.
6. 6. Rotor (1) nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Ausführung der Kühlrippen (4) am Spaltende eine untrennbare Verbindung (11) beider Rippenhälften aufweist und damit die magnetischen Zugkräfte keine statorgerichtete Verformungen (8a, 8b) bewirken können. 5