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Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung, insbesondere zum drehsteifen Verbinden der Geberwelle eines Drehgebers mit der Motorwelle eines Motors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Um drehwinkelabhängige Größen einer Welle, insbesondere einer Motorwelle zu messen, werden Drehgeber (Encoder) verwendet. Dabei wird die Geberwelle des Drehgebers mit der Motorwelle des Motors verbunden, während der Stator des Drehgebers mit dem Motorgehäuse verbunden wird. Durch Montagetoleranzen, Wärmeausdehnung und mechanische Belastungen während des Betriebs kommt es hierbei zu axialen Lagetoleranzen zwischen der Geberwelle und der Motorwelle sowie zu Achsversatz und Fluchtungsfehlern dieser Wellen.
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Werden die Geberwelle und die Motorwelle starr miteinander verbunden, so werden diese Toleranzen üblicherweise durch eine Statorkupplung aus Federstahlblech aufgenommen. Die Federkonstante dieser Statorkupplung kann dabei erhebliche Kräfte auf die Drehlager des Drehgebers ausüben. Alternativ ist es daher bekannt, die Geberwelle des Drehgebers mit der Motorwelle des Motors über eine elastische Wellenkupplung zu kuppeln, die axiale Verlagerungen und Achsversatzfehler der Wellen aufnehmen kann. Bei Drehgebern, die zur Positionsmessung verwendet werden, werden elastische Wellenkupplungen bevorzugt. Bei Drehgebern, die für das Feedback in Motorregelkreisen verwendet werden, werden dagegen starre Wellenverbindungen und Statorkupplungen bevorzugt, da eine torsionselastische Wellenkupplung zwischen dem Rotor des Motors und dem Feedback-Drehgeber zu Schwingungen im Regelkreis führen kann.
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Um eine möglichst drehsteife Verbindung der Geberwelle eines Drehgebers mit der Motorwelle eines Motors zu erhalten, die auch axiale Lagetoleranzen und Achsversatztoleranzen aufnehmen kann, ist es z. B. aus der
EP 1 452 759 A1 und der
DE 10 2006 043 897 A1 bekannt als Wellenkupplung Klauenkupplungen zu verwenden, die auch als Oldham-Kupplungen oder Kreuzschieber-Kupplungen bezeichnet werden. Bei diesen Wellenkupplungen ist zwischen der Geberwelle und der Motorwelle ein Zwischenelement angeordnet, welches auf den einander entgegengesetzten Stirnseiten diametral und rechtwinklig zueinander verlaufende Quernuten aufweisen. In diese Quernuten greifen an der Geberwelle bzw. an der Motorwelle angeordnete Kupplungsklauen ein. Das Zwischenelement überträgt dadurch das Drehmoment von der Motorwelle auf die Geberwelle, lässt jedoch axiale und radiale Relativbewegungen dieser Wellen zu.
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Bei diesen Wellenkupplungen muss eine Bewegung der Kupplungsklauen in den Quernuten möglich sein, weshalb diese Wellenkupplungen in der Regel in Drehrichtung nicht völlig spielfrei sind. Um das Spiel der Wellenkupplung in Drehrichtung zu minimieren, wird gemäß der
EP 1 452 759 A1 das Zwischenelement aus Kunststoff hergestellt, der gute Gleiteigenschaften für die Kupplungsklauen aufweist, sodass die Kupplungsklauen nahezu spielfrei in den Quernuten geführt werden können. Da das Kunststoff-Material jedoch eine Elastizität aufweist, die wiederum zu Schwingungsneigungen führen kann, sind in das Kunststoffmaterial des Zwischenelements starre Formkörper eingebettet, die die Elastizität des Zwischenelements reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wellenkupplung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass eine optimale Drehsteifigkeit mit einem minimalen Spiel in Drehrichtung vereinigt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wellenkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung greifen die Kupplungsklauen der Geberwelle und die Kupplungsklauen der Motorwelle in Quernuten des Zwischenelements ein und sind in diesen Quernuten axial und radial verschiebbar. Um eine optimale Spielfreiheit der Kupplung in Drehrichtung zu erhalten, werden die Kupplungsklauen magnetisch an einer Wand der Quernuten anliegend gehalten. Auch wenn ein Spiel in Umfangsrichtung zwischen den Kupplungsklauen und den Quernuten vorhanden ist, wirkt sich dieses Spiel nicht auf die exakte Übertragung der Winkelposition von der Motorwelle auf die Geberwelle aus, da die Kupplungsklauen unabhängig von einem solchen Spiel stets an der einen Wand der Quernut anliegend gehalten werden.
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Vorzugsweise wird die magnetische Kraft durch das Zusammenwirken von Permanentmagneten mit einem ferromagnetischen Werkstoff erzeugt. Insbesondere sind die Kupplungsklauen aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere Eisen gefertigt. Das Zwischenelement kann dabei aus einem geeigneten Kunststoff gefertigt sein, wobei Permanentmagnete in diesen Kunststoff eingebetet sind. In dieser Ausführung ergibt sich nicht nur eine drehsteife spielfreie Kupplung zwischen der Motorwelle und der Geberwelle, das aus Kunststoff bestehende Zwischenelement bewirkt außerdem auch eine elektrische Isolation zwischen der Motorwelle und der Geberwelle, sodass störende elektrische Lagerströme zwischen dem Motor und dem Drehgeber zuverlässig verhindert werden. Die Wellenkupplung kann große axiale Lagertoleranzen und einen Achsversatz zwischen Geberwelle und Motorwelle ausgleichen, ohne dass die Drehsteifigkeit und die Winkeltreue der Wellenkupplung beeinträchtigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zwischenelement als hohlzylindrische Hülse ausgebildet, in deren Wandung die Quernuten als axiale Schlitze ausgebildet sind. In der hohlzylindrischen Hülse des Zwischenelements können Konstruktionsteile des Drehgebers aufgenommen werden, sodass sich eine axial kurze und kompakte Bauweise ermöglichen lässt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Explosionsdarstellung der Wellenkupplung,
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2 eine axiale Stirnansicht der Kupplung von der Motorseite und
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3 eine axiale Stirnansicht der Kupplung von der Drehgeberseite.
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Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Wellenkupplung dient zum drehsteifen Verbinden der Geberwelle eines Drehgebers mit der Motorwelle eines Motors eines Servoantriebs. Der Drehgeber liefert dabei die Feedback-Information für die Regelung der Winkelposition, der Drehzahl und der Beschleunigung der Motorwelle.
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Mit der Motorwelle des Motors wird mittels eines Wellenzapfens 10 eine kreisförmige Kupplungsscheibe 12 koaxial und starr verbunden. Am Umfang der Kupplungsscheibe 12 sind zwei erste Kupplungsklauen 14 angeformt. Die Kupplungsklauen 14 verlaufen parallel zur Achse des Wellenzapfens 10, sind auf gleichem Radius bezüglich der Achse des Wellenzapfens 10 angeordnet und ragen in der zu dem Wellenzapfen 10 entgegengesetzten axialen Richtung von der Kupplungsscheibe 12 ab. Die Kupplungsklauen 14 haben einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt, wobei ihre in Umfangsrichtung weisenden Seitenflächen jeweils in einer axialen Schnittebene liegen. Zumindest die Kupplungsklauen 14 bestehen aus einem ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einer Eisenlegierung.
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Ein Zwischenelement 16 hat die Form einer hohlzylindrischen geraden Hülse mit einem kreisförmigen Querschnitt. Der Innendurchmesser des Zwischenelements 16 entspricht etwa dem Durchmesser der Kupplungsscheibe 12. Die Wandstärke des Zwischenelements 16 entspricht etwa der radialen Abmessung der Kupplungsklauen 14. Die axiale Länge des Zwischenelements 16 ist etwas größer als die axiale Länge der Kupplungsklauen 14 und beträgt beispielsweise etwa 25 bis 30 mm.
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Mit der in der Zeichnung nicht dargestellten Geberwelle eines im Übrigen herkömmlich ausgebildeten Drehgebers ist koaxial und starr ein kreisscheibenförmiger Kupplungsring 18 verbunden. Der Außendurchmesser des Kupplungsringes 18 entspricht dem Innendurchmesser des Zwischenelements 16. Am Außenumfang des Kupplungsringes 18 sind zweite Kupplungsklauen 20 angeformt. Die Kupplungsklauen sind diametral zueinander auf demselben Radius bezüglich der Mittelachse angeordnet und erstrecken sich achsparallel zu dieser Mittelachse in der von dem Wellenzapfen 10 abgewandten Achsrichtung. Die zweiten Kupplungsklauen 20 haben im Wesentlichen dieselbe axiale Länge wie die ersten Kupplungsklauen 14 und weisen ebenfalls einen gleichen trapezförmigen Querschnitt auf, dessen in Umfangsrichtung weisende Seitenflächen in einer die Mittelachse einschließenden Ebene liegen. Zumindest die zweiten Kupplungsklauen 20 bestehen ebenfalls aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. einer Eisenlegierung.
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Das Zwischenelement 16 weist erste Quernuten 22 auf, die als achsparallel verlaufende Schlitze von der der Kupplungsscheibe 12 zugewandten Stirnseite in die Wandung des hülsenförmigen Zwischenelementes bis nahe an die entgegengesetzte Stirnseite führen. Zwei erste Quernuten 22 sind diametral zueinander angeordnet. Die Breite der ersten Quernuten in Umfangsrichtung entspricht der Breite der ersten Kupplungsklauen 14 in Umfangsrichtung.
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Von der dem Drehgeber zugewandten Stirnseite des Zwischenelementes 16 führen zweite Quernuten 24 in das Zwischenelement 16, die ebenfalls als achsparallele Schlitze in der Wandung des Zwischenelements 16 ausgebildet sind. Die zweiten Quernuten 24 führen von der geberseitigen Stirnseite des Zwischenelementes 16 bis nahe an die motorseitige Stirnseite des Zwischenelementes 16. Die zweiten Quernuten 24 entsprechen in Form und Breite den ersten Quernuten 22. Die ersten Quernuten 22 und die zweiten Quernuten 24 sind um 90° gegeneinander versetzt in der Wandung des Zwischenelementes 16 ausgebildet.
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Im zusammengebauten Zustand der Wellenkupplung schließt die Kupplungsscheibe 12 koaxial an die erste Stirnseite des Zwischenelementes 16 an, wobei die ersten Kupplungsklauen 14 in die ersten Quernuten 22 axial eingreifen. Der mit der Geberwelle des Drehgebers verbundene Kupplungsring 18 wird koaxial in das Zwischenelement 16 eingesetzt, wobei die sich an seinem Außenumfang befindenden zweiten Kupplungsklauen 20 axial in die zweiten Quernuten 24 eingreifen. Aufgrund der hohlzylindrischen Ausbildung des Zwischenelements 16 können wesentliche Teile des Drehgebers innerhalb des Zwischenelementes 16 angeordnet werden, was zu einem axial kompakten Aufbau beiträgt.
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In dem aus einem harten formstabilen Kunststoff bestehenden Zwischenelement 16 sind Permanentmagnete 26 eingebettet. Die Permanentmagnete 26 erstrecken sich jeweils entlang einer der in Umfangsrichtung weisenden Ränder der Quernuten 22 und 24. Die axiale Länge der Permanentmagnete 26 entspricht im Wesentlichen der axialen Länge der Quernuten 22 und 24. Die Permanentmagnete 26 sind bei allen Quernuten 22 bzw. 24 an der in derselben Drehrichtung weisenden Wand dieser Quernuten angeordnet. Die radiale Breite der Permanentmagnete 26 entspricht im Wesentlichen der radialen Dicke der Wandung des Zwischenelementes 16. Vorzugsweise umschließt das Kunststoffmaterial des Zwischenelementes 16 die Permanentmagnete 26 vollständig. Gegenüber der jeweiligen Quernut 22 bzw. 24 ist die Fläche des Permanentmagneten 26 nur durch eine dünne Oberflächenschicht des Kunststoffes bedeckt.
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Vorzugsweise sind jeweils an beiden ersten Quernuten 22 und an beiden zweiten Quernuten 24 Permanentmagnete 26 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich nur an einer ersten Quernut 22 und an einer zweiten Quernut 24 einen Permanentmagneten 26 anzuordnen.
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Im zusammengebauten Zustand der Wellenkupplung greifen die ersten Kupplungsklauen 14, die starr mit der Motorwelle verbunden sind in die ersten Quernuten 22, während die zweiten Kupplungsklauen 20, die starr mit der Geberwelle verbunden sind, in die zweiten Quernuten 24 eingreifen. Das Zwischenelement 16 überträgt das Drehmoment der Motorwelle von den ersten Kupplungsklauen 14 über die zweiten Kupplungsklauen 20 auf die Geberwelle. Dabei sind axiale Bewegungen zwischen den ersten Kupplungsklauen 14 und dem Zwischenelement 16 einerseits und zwischen dem Zwischenelement 16 und den zweiten Kupplungsklauen 20 andererseits möglich, sodass axiale Toleranzen zwischen der Motorwelle und Geberwelle aufgenommen werden können. Ebenso sind radiale Bewegungen zwischen den ersten Kupplungsklauen 14 und dem Zwischenelement 16 in Richtung der ersten Quernuten 22 und zwischen den zweiten Kupplungsklauen 20 und dem Zwischenelement 16 in der hierzu senkrechten Richtung der zweiten Quernuten 24 möglich. Dadurch kann auch ein Axialversatz zwischen der Motorwelle und der Geberwelle aufgenommen werden.
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Ein Spiel der Kupplungsklauen 14 bzw. 20 in den Quernuten 22 bzw. 24 in Umfangsrichtung beeinflusst die exakt winkeltreue Übertragung der Drehbewegung der Motorwelle auf die Geberwelle nicht, da die Kupplungsklauen 14 und 20 stets durch die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagnete 26 spielfrei an der einen Seitenwand der Quernuten 22 bzw. 24 anliegend gehalten werden.
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Die Wellenkupplung kann somit die Drehbewegung der Motorwelle drehsteif und winkeltreu auf die Geberwelle übertragen, wobei die Wellenkupplung mechanische Toleranzen in axialer Richtung von beispielsweise etwa +/–1,5 mm und in radialer Richtung von beispielsweise etwa +/–0,1 mm ausgleichen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wellenzapfen
- 12
- Kupplungsscheibe
- 14
- erste Kupplungsklauen
- 16
- Zwischenelement
- 18
- Kupplungsring
- 20
- zweite Kupplungsklauen
- 22
- erste Quernuten
- 24
- zweite Quernuten
- 26
- Permanentmagnete
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1452759 A1 [0004, 0005]
- DE 102006043897 A1 [0004]
