DE102011080265A1

DE102011080265A1 - Gehäuseeinheit mit angespritztem Kunststoffflansch für einen Elektromotor sowie Elektromotor mit einer solchen Gehäuseeinheit

Info

Publication number: DE102011080265A1
Application number: DE201110080265
Authority: DE
Inventors: Alexander Bäcker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-07
Also published as: WO2013017312A3; WO2013017312A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseeinheit (02) für einen Elektromotor, welche sich durch einen angespritzten Kunstoffflansch (05) und ein vom selben Kunststoffmaterial zumindest abschnittsweise umfasstes Tiefziehgehäuse auszeichnet. Derartige Elektromotoren kommen beispielsweise bei elektromechanischen Nockenwellenverstellern für Verbrennungsmotoren zum Einsatz, wo sie als Aktuatoren zur Verstellung der Verstellwelle dienen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseeinheit für einen Elektromotor. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einer derartigen Gehäuseeinheit.
Elektromotoren mit speziell an den Einsatzzweck angepassten Gehäusen kommen beispielsweise bei elektromechanischen Nockenwellenverstellern für Verbrennungsmotoren zum Einsatz, wo sie als Aktuatoren zur Verstellung der Verstellwelle dienen. Solche Elektromotoren bestehen in der Regel aus einer Statoreinheit mit einer Sensorfunktion, einer Rotorbaugruppe und einer Gehäuseeinheit. Die Gehäuseeinheit dient hierbei gleichzeitig als Festlager. Außerdem schließt sie den magnetischen Kreis und dichtet den Motor gegen Öl aus dem Kettengehäuse ab. Der am Gehäuse befestigte Flansch wirkt als Befestigungsschnittstelle zum Zylinderkopfdeckel des Verbrennungsmotors. Die Verbindung zum Zylinderkopfdeckel muss öldicht ausgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Stahlblechflanschen bekannt, welche zur Erreichung des geforderten Festsitzes und der erforderlichen Dichtheit beispielsweise über eine Laserschweißnaht verbunden werden. Um eine Korrosionsbeständigkeit von Gehäuse und Stahlblechflansch gegenüber Umwelteinflüssen im Motorraum zu gewährleisten, müssen beide Bauteile entsprechend beschichtet werden. Laserschweißen kann jedoch nicht bei beschichteten Bauteilen angewendet werden bzw. würde die Beschichtung zerstören. Aus diesem Grund kann die Baugruppe Gehäuse/Stahlblechflansch erst nach dem Laserschweißen beschichtet werden, was aufwendig ist. Der Stahlblechflansch hat bedingt durch die Anwendung und das Bauteildesign ein relativ großes Ausmaß. Weiterhin ist aufgrund der Befestigungspunkte und der geforderten Festigkeit und Steifheit eine verhältnismäßig große Blechdicke nötig. Beim Stanzen des Flansches entsteht designbedingt unverhältnismäßig viel Stanzabfall, was zur immensen Verteuerung des Flansches führt. Die zur Befestigung des Flansches auf dem Gehäuse verwendete Laserschweißnaht hat neben dem bereits genannten Nachtteil der erst nachträglich möglichen Beschichtung der Bauteile, den Nachteil der im Vergleich mit Fügeverbindungen relativ hohen Prozesskosten. Eine reine Fügeverbindung ist jedoch im Allgemeinen bezüglich Dichtheit als kritisch anzusehen. Daher kann auf die Laserschweißnaht in der Regel nicht verzichtet werden bzw. es muss für eine separate Dichtung der Verbindungsstelle gesorgt werden, was wiederum den Aufwand steigert.
Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich auch bekannt, Gehäuse von Funktionseinheiten durch Kunststoffspritzgießen herzustellen. Dabei ist es auch bekannt, am Gehäuse angespritzte Kunststoffflansche zu verwenden. Bei dem oben beschriebenen Anwendungsfall des Elektromotors kann der Flansch jedoch aufgrund der Anschraubpunkte und der Komplexität der Statoreinheit nicht an den Stator (Spule) mit angespritzt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine im Vergleich zu den vorbekannten Lösungen kostengünstige, großserientaugliche und hinsichtlich Festsitz und Dichtheit funktionale Gehäuseeinheit mit Flanschfunktion für einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Gehäuseeinheit nach Anspruch 1 bzw. ein Elektromotor nach Anspruch 8.
Die erfindungsgemäße Gehäuseeinheit zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen angespritzten Kunststoffflansch aufweist. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit besteht darin, dass kein separates Verfahren, wie Laserschweißen, zur Befestigung des Flansches am Gehäuse erforderlich ist. Verfahrensbedingt entsteht beim Kunststoffspritzgießen wenig Materialabfall. Ein weiterer Vorteil eines angespritzten Kunststoffflansches ist in seiner großen Flexibilität bezüglich des Designs zu sehen. Um unterschiedliche Kundenanforderungen zu erfüllen, genügt es in der Regel das Spritzgusswerkzeug entsprechend anzupassen. Vor allem Großserien lassen sich preiswert fertigen, da der auf das Einzelteil bezogene Aufwand hinsichtlich Entwicklung und Konstruktion des Spritzgusswerkzeuges mit steigender Stückzahl sinkt.
Weiterhin umfasst die Gehäuseeinheit ein Tiefziehgehäuse, welches vorzugsweise aus Stahlblech besteht. Das Tiefziehgehäuse wird zumindest teilweise vom Kunststoffmaterial, welches auch den Flansch ausbildet, eingefasst. Im Vergleich zu herkömmlich verwendeten Gehäusen ist ein Tiefziehgehäuse in der Regel in seiner Geometrie einfacher ausgeführt, wodurch sich seine Fertigung weniger aufwendig gestaltet. Grundsätzlich können auch andere geeignete Materialien zur Herstellung des Tiefziehgehäuses verwendet werden, beispielsweise Kupfer, Messing oder faserverstärkte Kunststoffe.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in das Tiefziehgehäuse mehrere, verteilt angeordnete Ausnehmungen eingebracht. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise als Querlöcher ausgeführt. Durch die Querlöcher kann während des Spritzgießvorgangs der Kunststoff gespritzt werden. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise eine formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoff (Flansch) und Stahl (Gehäuse) hergestellt werden. Im Ergebnis kann ein optimaler Festsitz des angespritzten Kunststoffflansches auf dem Gehäuse hinsichtlich Abzugskraft und Verdrehmoment erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass ein Stahlteil mit Kunststoff dicht umspritzt werden kann, so dass kein Öl zwischen Stahlteil und Kunststoff austreten kann. Dies ist für den bevorzugten Anwendungsfall eines an einem Verbrennungsmotor angebrachten elektrischen Stellmotors von besonderem Vorteil.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, die Gehäuseeinheit mit der Statoreinheit des Elektromotors durch eine Ultraschallschweißverbindung zu verbinden. Ultraschallschweißen findet bereits bei vielen Produkten im Bereich Verpackungstechnologie, Automotive und sonstigen kunstoffverarbeitenden Branchen als kostengünstige Verbindungs- und Dichttechnologie Anwendung. Eine Ultraschallschweißverbindung zwischen Statoreinheit und Gehäuseeinheit lässt sich einfach in den Montageprozess integrieren. Solche Verbindungen sind mechanisch hoch belastbar und bei entsprechender Auslegung, ggf. mit eingelegter Dichtung, dicht auszuführen. Ein weiterer Vorteil einer Ultraschallschweißverbindung besteht darin, dass die sonst erforderliche Beschichtung des Gehäuses entfallen kann, da diese nicht mehr der Atmosphäre im Motorraum ausgesetzt ist und somit auch nicht korrosionsanfällig ist. Die Prozess- als auch die Investitionskosten des Ultraschallschweißens werden im Vergleich zu denen des Laserschweißens um ca. den Faktor 10 gesenkt. Die Kosten des Ultraschallschweißens sind stattdessen mit den Kosten konventioneller Füge- bzw. Verstemmvorgänge vergleichbar.
Alternativ kann die Gehäuseeinheit, zum Beispiel bei Einsatzfällen bei denen eine Befestigung durch Ultraschallschweißen aus technischen Gründen nicht möglich ist, auch konventionell über Verstemmung bzw. Verbördelung mit der Statoreinheit verbunden werden.
Die erfindungsgemäße Gehäuseeinheit wird vorzugsweise an einem Elektromotor eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eingesetzt. Sie kann jedoch auch auf beliebig andere Anwendungen mit ähnlichen Anforderungen hinsichtlich Befestigung bzw. Verbindung der Baugruppen adaptiert werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine Statoreinheit eines Elektromotors mit einer erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit in einer ersten Ausführung in Längsschnittdarstellung;
2 ein Tiefziehgehäuse der erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit in einer perspektivischen Darstellung;
3 eine Statoreinheit eines Elektromotors mit der erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit in einer zweiten Ausführung;
4 eine Statoreinheit eines Elektromotors mit einer Gehäuseeinheit nach dem Stand der Technik in einer Längsschnittdarstellung.
4 zeigt eine Statoreinheit 01 mit einer Gehäuseeinheit 02 nach dem Stand der Technik in einer Längsschnittdarstellung. Die Statoreinheit 01 ist mit der Gehäuseeinheit 02 über Verstemmung bzw. Verbördelung verbunden. Zum Erreichen der erforderlichen Dichtheit zwischen Statoreinheit 01 und Gehäuseeinheit 02 ist ein O-Ring 03 axial zwischen den beiden Einheiten eingequetscht. Die Gehäuseeinheit 02 besteht aus einem Gehäuse 04 und einem mit dem Gehäuse 04 verbundenen Flansch 05. Der Flansch 05 ist als Stahlblechflansch ausgeführt und dient als Befestigungsschnittschnelle beispielsweise zum Zylinderkopfdeckel eines Verbrennungsmotors. Dafür sind im Flansch 05 Bohrungen 06 angebracht, durch welche Schrauben hindurchgeführt werden können. Die Verbindung zum Zylinderkopfdeckel muss öldicht ausgeführt werden. Sonst übliche Fügeverbindungen sind bezüglich Dichtheit kritisch. Außerdem erfüllen Flansche aus Stahl und deren Fügeverbindungen die zu erfüllenden Anforderungen, wie Verdrehmoment, axialer Festsitz und Steifigkeit nur bedingt. In der Gehäuseeinheit 02 ist u. a. ein Statorblechpaket 07 aufgenommen.
1 zeigt die Statoreinheit 01 in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit 08 in einer ersten Ausführung in einer Längsschnittdarstellung. Die Gehäuseeinheit 08 umfasst ein im Vergleich zum Stand der Technik geometrisch deutlich vereinfachtes Tiefziehgehäuse 09 und einen Kunststoffflansch 10.
Zur Ausführung des Tiefziehgehäuses 09 wird insbesondere auf 2 verwiesen, welche eine perspektivische Darstellung des Tiefziehgehäuses 09 zeigt. Das Tiefziehgehäuse 09 weist als Ausnehmungen vorzugsweise Querlöcher 11 auf, welche vorzugsweise über einen Stanzvorgang eingebracht wurden.
Der Flansch ist erfindungsgemäß als Kunststoffflansch 10 ausgeführt und wurde mittels Spritzgießen an das Tiefziehgehäuse 09 angespritzt. Die in das Tiefziehgehäuse 09 eingebrachten Querlöcher 11 dienen auch der Realisierung des Spritzgießvorgangs. Über die Querlöcher 11 wird während des Spritzgießvorgangs der Kunststoff eingespritzt. Auf diese Weise lässt sich eine formschlüssige Verbindung von Kunststoff (Kunststoffflansch 10) und Stahl (Tiefziehgehäuse 09) erreichen. Der angespritzte Kunststoffflansch 10 sitzt hinsichtlich Abzugskraft und Verdrehmoment fest auf dem Tiefziehgehäuse 09. Außerdem wird durch die Umspritzung eine dichte Verbindung zwischen Tiefziehgehäuse 09 und Kunststoffflansch 10 aufwandsarm realisiert. Somit kann zwischen Tiefziehgehäuse 09 und Kunststoffflansch 10 kein Öl austreten.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Gehäuseeinheit 08 durch Verstemmung mit der Statoreinheit 01 verbunden. Zur Erreichung der erforderlichen Dichtheit zwischen Statoreinheit 01 und Gehäuseeinheit 08 ist wiederum ein O-Ring 03 axial in einem Dichtbereich 12 eingequetscht. Die Umspritzung der Statoreinheit 01 wurde im Dichtbereich 12 entsprechend angepasst.
3 zeigt die Statoreinheit 01 mit der erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit 08 in einer zweiten Ausführung. Diese besonders bevorzugte Ausführung unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass die Befestigung der Gehäuseeinheit 08 an der Statoreinheit 01 in einem Schweißverbindungsbereich 13 über eine Ultraschallschweißverbindung erfolgt. Ultraschallschweißverbindungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Festigkeit und Dichtheit aus. Des Weiteren lassen sich Ultraschallschweißverbindungen problemlos in den Montageprozess integrieren.
Der Kunststoffflansch 10 überdeckt auch in diesem Fall die Abschnitte des Tiefziehgehäuses 09 in der Umgebung der Querlöcher 11. Darüber hinaus wird beim Spritzgießen des Kunststoffflansches 10 auch der sich zur Statoreinheit hin erstreckende Abschnitt des Tiefziehgehäuses eingeschlossen, so dass sich das Kunststoffmaterial bis zur Kunststoffumspritzung der Statoreinheit 01 erstreckt, um dort für das Ausbilden der Ultraschallschweißverbindung zur Verfügung zu stehen. Damit entfällt bei dieser Verbindungsvariante die sonst erforderliche nachträgliche Beschichtung der nicht vom Kunststoff bedeckten Abschnitte der Gehäuseeinheit 08, da diese jetzt vollständig durch Kunststoff ummantelt ist und daher nicht mehr der Atmosphäre im Motorraum ausgesetzt ist und somit auch nicht korrosionsanfällig ist.
Bezugszeichenliste

01: Statoreinheit
02: Gehäuseeinheit nach dem Stand der Technik
03: O-Ring
04: Gehäuse
05: Stahlflansch
06: Bohrung
07: Statorblechpaket
08: Gehäuseeinheit gemäß der Erfindung
09: Tiefziehgehäuse
10: Kunststoffflansch
11: Querlöcher
12: Dichtbereich
13: Schweißverbindungsbereich

Claims

Gehäuseeinheit (08) für einen Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen angespritzten Kunststoffflansch (10) und ein vom selben Kunststoffmaterial zumindest abschnittsweise umfasstes Tiefziehgehäuse (09) aufweist.
Gehäuseeinheit (08) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehgehäuse (09) aus Stahlblech, Messingblech, Kupferblech oder fa-severstärktem Kunststoff besteht.
Gehäuseeinheit (08) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehgehäuse (09) mehrere, an seinem Umfang verteilt angeordnete Ausnehmungen (11), insbesondere Querlöcher aufweist.
Gehäuseeinheit (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffflansch (10) an der Außenwand des Tief-ziehgehäuses (09) in Richtung zur offenen Gehäuseseite fortgesetzt ist.
Gehäuseeinheit (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Statoreinheit (01) des Elektromotors über eine Ultraschallschweißverbindung verbindbar ist.
Gehäuseeinheit (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Statoreinheit (01) des Elektromotors über Verstemmung und/oder Verbördelung verbindbar ist.
Gehäuseeinheit (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor Bestandteil eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers ist.
Elektromotor mit einer Gehäuseeinheit (08) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseeinheit (08) durch Ultraschallschweißen mit einer Statoreinheit (01) des Elektromotors verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er als Stellmotor eines Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors konfiguriert ist.