DE10006899A1

DE10006899A1 - Verfahren zur Vermeidung von Gleichlaufschwankungen am Drehmoment übertragenden Antriebskomponenten

Info

Publication number: DE10006899A1
Application number: DE2000106899
Authority: DE
Inventors: Christof Schedel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung von Gleichlaufschwankungen an Übertragungselementen (14, 19, 24), welches am Abtrieb (16) eines elektrisch betriebenen Motors (1) aufgenommen ist, über dessen Rotorwelle (2) das Übertragungselement (14, 19, 24) angetrieben wird. Bei der Fertigung von Übertragungselementen (14, 19, 24) werden Fertigungsfehlerordnungen in Bereiche höherer Ordnungen (n = 10, 20, 30) verschoben, in welchen mittels einer Übertragungsfunktion (28) darstellbare technische Prozesse unkritisch reagieren.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung von Gleichlaufschwankungen an Übertragungselementen, beispielsweise ein Abtriebsdrehmoment übertragenden Zahnrädern von Elektromotoren. Bei ein Drehmoment übertragenden Transmissionselementen wie beispielsweise einen auf dem Kunststoffspritzgußwege gespritzten Zahnrad ist im wesentlichen dieses ausschlaggebend für die Qualität des Gleichlaufes. Bei auf dem Spritzgußwege hergestellten Bauteilen kann die Lage von Verstärkungsrippen und die Position der Einspritzdüsen von einer anzustrebenden exakten rotationssymmetrischen Lage abweichen und zu Verzahnungsfehlern führen.

Stand der Technik

Bei elektromotorischen Antrieben, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen für die verschiedensten Zwecke angewendet werden, treten bei der Übertragung von Drehmomenten in Getrieben Drehmomentschwankungen und Drehzahlschwankungen auf. Die Amplituden dieser Schwankungen können unterschiedliche Größenordnungen annehmen und hängen von der Verzahnungsqualität des Getriebes ab. Es werden in der Regel kleine Amplituden angestrebt, die über die Verzahnungsgüte erreichbar sind. Mit steigender Verzahnungsgüte nehmen die Verzahnungstoleranzen ab, wobei die Herstellkosten von Getrieben mit hoher Verzahnungsgüte und Verzahnungsqualität beispielsweise bei Evolventenverzahnungen im gleichen Maße zunimmt.

Um Gleichlaufschwankungen bei gerade oder schräg verzahnten Stirnradgetrieben zu minimieren, wird in der Regel versucht, die Verzahnungsqualität so zu verbessern, daß die Gleichlaufschwankungen ein vertretbares Maß annehmen. Wegen der mit einer Steigerung der Verzahnungsqualität steigenden Herstellkosten für Getriebe hängt die Toleranzgrenze für Gleichlaufschwankungen direkt von den aufzuwendenden Herstellkosten ab, was einen für manche Anwendungsfälle nur unbefriedigenden Kompromiß darstellt.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung zur Verringerung von Gleichlaufschwankungen an Antriebskomponenten wie aus Kunststoffspritzguß hergestellten gerad- oder schrägverzahnten Stirnrädern werden die Ordnungen, d. h. die Frequenzen in solche Bereiche verschoben, in denen die Auswirkungen von Verzahnungsfehlern unkritisch sind, deren Auftreten keinerlei nachteilige Folgen hat. Meist handelt es sich bei diesen Ordnungen, bzw. Frequenzen, um solche, bei denen das Übertragungselement für Drehmomente nicht betrieben wird. Der technische Prozeß, der mittels der Drehmoment übertragenden Elemente wie beispielsweise auf dem Spritzgußwege gefertigter Zahnräder betrieben wird, reagiert auf Fertigungsfehler wie beispielsweise Verzahnungsfehler höherer Ordnungen unkritisch, wodurch der technische Prozeß - beispielsweise eine Erkennung einer Einklemmsituation - nicht tangiert ist.

Der technische Prozeß reagiert nicht auf alle Ordnungen gleich, wobei die Ordnungen Frequenzen entsprechen, bei denen das beispielsweise auf dem Kunststoffspritzgußwege gefertigte Übertragungselement unkritisch betrieben werden kann.

Bei technischen Prozessen kommt es vor, daß der technische Prozeß nicht auf eine bestimmte Grundperiode reagiert. Eine solche Grundperiode wäre beispielsweise 1 = 6. Wird in einem solchen technischen Prozeß ein Zahnrad eingesetzt, so muß dieses Zahnrad ein ganzzahliges Vielfaches dieser Grundperiode, im vorliegenden Falle 1 = 6 an Zähnen aufweisen und die Teilung des Zahnrades, welches in diesem technischen Prozeß eingesetzt wird, muß ebenfalls diese Grundperiode aufweisen. Wird beispielsweise eine Grundperiode des technisches Prozessen von 1 = 6 zugrunde gelegt so wäre ein Zahnrad mit 60 Zähnen in 10facher Teilung auszuführen.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein als Fensterheberantrieb beispielsweise eingesetzte elektrisch betriebener Motor,

Fig. 2 die Gegenüberstellung eines in dreiteiliger Ausführung gemäß eines Kunststoffspritzgießverfahrens ausgeführten Zahnrades und eines in 10- Teilung ausgeführten Spritzgußzahnrades und

Fig. 3 den Verlauf einer Übertragungsfunktion

aufgetragen über der Frequenz.

Ausführungsvarianten

In Fig. 1 ist die Darstellung eines Fensterheberantriebes mittels eines elektrisch betriebenen Motors mit abtriebsseitig vorgesehenen Getriebe dargestellt.

Der in der dargestellten Ausführungsvariante als Fensterheberantrieb dienende Elektromotor 1 besteht im wesentlichen aus einem Motorgehäuse 3 sowie eine mit diesem abtriebsseitig verbundenen Getriebegehäuse 12, die beide durch Kunststoffspritzgießverfahren herstellbar sind. Im Motorgehäuse 3 des elektrisch betriebenen Motors 1 sind Permanentmagnete 4 aufgenommen, die Ankerpakete 5 - in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante acht an der Zahl - umschließen. Die einzelnen Ankerpakete 5 umfassen jeweils Wicklungen 7, die mit einzelnen voneinander isolierten Bereichen eines Kommutators 6 verbunden sind. Der Kommutator 6 - aufgenommen auf einer Rotorwelle 2 des Elektromotors 1 - ist seinerseits von einem Bürstenhalter 10 umgeben, der beispielsweise Kohlebürsten aufnimmt, die federnd an die einzelnen, den Kommutator 6 bildenden voneinander isolierten Bereiche angestellt sind.

Die Rotorwelle 2 des elektrisch betriebenen Motors 1 ist an einem Ende in einem Rotorwellenlager 8 und am anderen Ende in einem Kalottenlager 9 gelagert, welches zwischen Motorgehäuse 3 und Getriebegehäuse 12 vorgesehen ist. Auf der Rotorwelle 2, die das Motorgehäuse 3 sowie das Getriebegehäuse 12 in gleicher Weise durchsetzt, befinden sich die einzelnen Ankerpakete 5, der Kommutator 6 sowie abtriebsseitig eine Schnecke 13. Mittels der Schnecke 13 wird ein auf einer Abtriebswelle 16 aufgenommenes Stirnrad 14 angetrieben, welches seinerseits das durch den Elektromotor 1 aufgebrachte Drehmoment überträgt. Mit Bezugszeichen 17 ist der Winkel δ bezeichnet, um den die abtriebsseitig im Getriebegehäuse 12 gelagerte Abtriebswelle 16 bei einer vollständigen Ankerumdrehung verdreht wird. Die als Kunststoffspritzgußteile gefertigten Motorgehäuse 3 und das Getriebegehäuse 12 werden über Verschraubungen 15 miteinander verbunden, an der Oberseite des motorseitigen Gehäuses 3 ist ein Anschlußstecker 10 vorgesehen, über welchen der elektrisch betriebene Motor 1 mit einer Versorgungsspannung versorgt wird.

Aus dem Verhältnis des Winkels δ zu einer kompletten Umdrehung des Ankers 5 folgt, daß das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe ist.

In Fig. 2 sind ein ein Drehmoment übertragenes in 3-Teilung ausgeführtes Spritzgußteil sowie ein in 10-er Teilung gefertigtes Spritzgußzahnrad einander gegenübergestellt.

Im oberen Bereich von Fig. 2 ist ein Stirnrad 19 dargestellt, welches in 3-Teilung spritzgegossen wurde. Von einem eine Nabe 20 umgebenden angespritzten Steg 23 erstrecken sich die Verstärkungsrippen 20 in Winkel von 120° zueinander versetzt zum Umfang des Stirnrades 19. An der Umfangsfläche des Stirnrades 19 ist eine Verzahnung ausgebildet, die als Gerad- oder auch als Schrägverzahnung ausgeführt sein kann. Zwischen der Verzahnung 18 sowie dem die Nabe 22 umgebenden Steg 23 befinden sich die Anspritzdüsen 21, über welche der Kunststoff in die Form eingespritzt wird. Aus der relativ niedrigen Teilung von drei - entsprechend der Teilung des Zahnrades 19 bei dessen Fertigung - wirken sich durch Ungenauigkeiten erzeugte Rundheitsfehler am Stirnrad 19 direkt auf die Verzahnung 18 aus, so daß es zu Gleichlaufschwankungen an einem elektrisch betriebenen Motor 1 kommen kann, an dessen abtriebsseitigen Ende 16 sich ein solcher Art gefertigtes Stirnrad 19 in 3-Teilung befindet.

Aus dem in schematischer Darstellung wiedergegebenen Querschnitt durch das Stirnrad 19 geht die unsymmetrische Lage der Verstärkungsrippen 21 näher hervor. Fehler oder Ungenauigkeiten beim Teilungswinkel von 120° verursachen Unrundheiten, die sich in Verzahnungsfehlern niederschlagen, die ihrerseits Gleichlaufschwankungen erzeugen.

In Fig. 2 ist ferner ein in 10-Teilung ausgeführtes, ein Drehmoment übertragenes Zahnrad 24 dargestellt, welches ebenfalls nach einem Kunststoffspritzgießverfahren gefertigt wurde.

Bei diesem zur Übertragung eines Drehmomentes geeigneten Bauteil sind in Umfangsrichtung gesehen 10 mit einem geringen winkelmäßigen Versatz von ca. 36° zueinander angeordnete Verstärkungsrippen 25 ausgeführt; jedem durch zwei um 36° zueinander verdrehte Verstärkungsrippen 25 gebildeten Segment ist eine Anspritzdüse 27 zugeordnet, die mittig zwischen zwei Verstärkungsrippen 25 liegt. Am Außenumfang des Stirnrades 24 befindet sich analog zum in 3-Teilung gefertigten Spritzgußzahnrad 19 einer Außenverzahnung 26, sei es eine Gerad- oder auch eine Schrägverzahnung. Auch das in 10-Teilung ausgeführte Zahnrad 24 ist mit einem Steg 23 versehen, der eine mittige Nabe 22 umschließt. Durch die 10 gleichmäßig am Umfang des Zahnrades 24 verteilt angeordneten Anspritzdüsen 27 kann die Fertigung des Zahnrades 24 wesentlich genauer erfolgen. Das gleichzeitige Spritzgießen des Bauteiles 24 durch 10 verschiedene Anspritzdüsen 27 erlaubt eine wesentlich weniger mit Rundlauffehlern behaftete Fertigung eines solchen Zahnrades 24, ohne die Verzahnungstoleranzen an der Außenverzahnung 26 des Zahnrades 24 in 10-er Teilung einengen zu müssen und so die Herstellkosten eines solchen Zahnrades 24 negativ zu beeinflußen.

Durch Erhöhung der Ordnung von 3 auf 10, mit der die Zahnräder 19 bzw. 24 gefertigt werden können, können die Verzahnungsfehler bzw. deren Auswirkungen beim Betrieb eines spritzgegossenen Zahnrades an einem elektrischen Antrieb 1 in solche Frequenzbereiche gelegt werden, die für den jeweils auszuführenden technischen Prozeß unkritisch sind, d. h. wo sich fertigungsbedingt auftretende Verzahnungsfehler nicht negativ auswirken können.

Bei einem technischen Prozeß, wie etwa der elektronischen Realisierung und Umsetzung eines Einklemmschutzes bei Fensterheberantrieben oder auch bei Schiebedachbetätigungen in Kraftfahrzeugen werden Einklemmsituationen detektiert, bei denen der elektromotorische Antrieb 1 reversiert und so die Einklemmsituation wieder aufgehoben wird. Verzahnungsfehler an Drehmoment übertragenden Bauteile, wie beispielsweise spritzgegossene Zahnräder können in ungünstigen Fällen eine Einklemmsituation suggerieren, die de facto nicht vorliegt. Der elektronisch realisierte Einklemmschutz reagiert jedoch nicht auf alle Ordnung, d. h. Frequenzbereiche, in denen solche eine Einklemmsituation suggerierenden Fertigungsfehler auftreten, gleich.

Der Einklemmschutz ist elektronisch realisiert; mit diesem wird die Abtriebsseite 16 des Elektromotors 1 überwacht. Es werden Zeitdifferenzen x_i hintereinander liegender Ankerumdrehungen nach einem bestimmten Algorithmus analysiert:

oder allgemein:

Sobald y_i größer oder gleich y_kritisch beträgt, erkennt die Elektronik auf das Vorliegen einer kritischen Einklemmsituation und reversiertem Elektromotor 1 - beispielsweise eines Fensterantriebes - und hebt auf diese Weise die Einklemmsituation wieder auf. Ein solcher Art realisierter Einklemmschutz reagiert nicht auf alle Ordnungen, d. h. Frequenzbereiche von Fehlern wie beispielsweise Verzahnungsfehler in gleichem Maße.

Bei einer Wiederholung von Verzahnungsfehlern beispielsweise nach jeweils sechs Zähnen folgt:

x_i = x₁₊₆ woraus sich ergibt: y_i = 0.

Daraus wiederum ergibt sich, daß der elektronisch realisierte Prozess gemäß I und II vorliegende Verzahnungsfehler nicht erkennt. Ordnungen von Verzahnungsfehlern lassen sich im allgemeinen gemäß folgender Beziehungen bestimmen:

x_i = t(ϕ_i + δ) - t(ϕ_i) mit ϕ_i = iδ
δ = zurückgelegter Winkel bei einer Ankerumdrehung

Aus diesen Beziehungen läßt sich eine Übertragungsfunktion 28 herleiten, deren Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist. Die Übertragungsfunktion 28 ist darstellbar durch den Ausdruck:

und ist gemäß Fig. 3 für ein außenverzahntes Stirnrad mit M = 60 Zähnen aufgetragen; aus dem Graphen 30 der Übertragungsfunktion 28 ergibt sich, daß die Vielfachen von n = 10, n = 20, n = 30. . . vom elektronisch realisierten Einklemmschutz nicht registriert werden.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich die Verzahnungsfehler in solche Bereiche höherer Ordnung verschieben, in denen der elektronische Einklemmschutz gemäß Fig. 3 die Vielfachen bei n = 10, 20, . . . nicht registriert. Danach haben in diesen Bereichen 29 höhere Ordnungen liegende Verzahnungsfehler keinen Einfluß auf die Funktionsweise des elektronisch realisierten Einklemmschutzes. Werden die die Drehmomente übertragenden Bauteile 24 in 10-Teilung statt in 3-Teilung ausgeführt, werden Verzahnungsfehler in Bereiche 29 höherer Ordnung, d. h. höherer Frequenzen verschoben, so daß eine kostenverursachende Einengung von Verzahnungstoleranzen umgangen werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Elektromotor

2

Rotorwelle

3

Motorgehäuse

4

Permanentmagnet

5

Ankerpaket

6

Kommutator

7

Wicklung

8

Rotorwellenlager

9

Kalottenlager

10

Anschlußstecker

11

Bürstenhalter

12

Getriebegehäuse

13

Schnecke

14

Stirnrad

15

Verschraubung Getriebegehäuse

16

Abtriebswelle

17

δ zurückgelegter Winkel an der Abtriebswelle bei einer vollständigen Ankerumdrehung

18

Stirnverzahnung

19

Stirnrad,

3

. Ordnung

20

Verstärkungsrippen

21

Einspritzdüsen

22

Nabe

23

Steg

24

Stirnrad,

10

. Ordnung

25

Verstärkungsrippen

26

Außenverzahnung

27

Anspritzdüsenlage

28

Übertragungsfunktion

29

Frequenzbereich

30

Graph

Claims

1. Verfahren zur Verminderung von Gleichlaufschwankungen an Drehmoment übertragenden Elementen (14, 19, 24), welche am Abtrieb (16) eines elektrisch betriebenen Motors (1) aufgenommen sind über dessen Rotorwelle (2) das Übertragungselement (14, 19, 24) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Fertigung von Übertragungselementen (14, 19, 24) Fertigungsfehlerordnungen in Bereiche höherer Ordnungen (n = 10, 20, 30. . .) verschoben werden, in welchen mittels einer Übertragungsfunktion (28) darstellbare technische Prozesse unkritisch reagieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der technische Prozeß die Realisierung eines Einklemmschutzes an einem elektrisch betriebenen Motor (1) für einen Fensterheber oder ein Schiebedach darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Einklemmschutz-Elektronik der Abtrieb (16) des elektrisch betriebenen Motors (1) überwacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigungsfehler an Übertragungselementen (14, 19, 24) für Drehmomente Verzahnungsfehler sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion (28) durch den Ausdruck
bildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigungsfehler höherer Ordnung (10, 20, 30. . .) höheren Frequenzbereichen der Übertragungselemente (14, 19, 24) entsprechen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Fertigung von Übertragungselementen (14, 19, 24) für Drehmomente die Teilung des zu fertigenden Drehmoment übertragenden Elementes (14, 19, 24) < 10 ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einklemmschutz-Elektronik bei Überschreitung eines Weges y_kritisch durch den vom zu überwachenden flächigen Element zurückgelegten Weg y_i den elektrisch betriebenen Antrieb (1) reversiert.