DE102012007939A1

DE102012007939A1 - Kunststoffzahnrad mit Kontaktbahnen

Info

Publication number: DE102012007939A1
Application number: DE201210007939
Authority: DE
Inventors: Michael Kastrup
Original assignee: GM Tec Industries Holding GmbH
Current assignee: GM Tec Industries Holding GmbH
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffzahnrad, das auf mindestens einer Seitenfläche mindestens eine elektrisch-leitende Kontaktbahn aufweist, welche bei Rotation des Zahnrades von mindestens einem Schleifkontakt berührt wird, sodass mittels einer Auswerteeinheit die Rotationsstellung des Zahnrades und/oder die Rotationsgeschwindigkeit bestimmbar ist, wobei die Kontaktbahn aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffzahnrad, das auf mindestens einer Seitenfläche mindestens eine elektrisch-leitende Kontaktbahn aufweist, welche bei Rotation des Zahnrades von mindestens einem Schleifkontakt berührt wird, sodass mittels einer Auswerteeinheit die Rotationsstellung des Zahnrades und/oder die Rotationsgeschwindigkeit bestimmbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene, fest stehende Gleitkontakte zur Positionserfassung bekannt. Die DE 198 54 181 zeigt die zur Positionserfassung eines Motorbetätigungsgliedes vorgesehenen feststehenden Gleitkontakte. Ein derartiger Gleitkontakt weist eine Kontaktspitze und ein entsprechendes Gelenk auf.
Aus dem Stand der Technik sind Messsysteme bekannt, die mittels einer elektrisch leitenden Schaltscheibe die Rotationsstellung eines Rotationskörpers messen. Dabei berührt ein Schleifkontakt die Schaltscheiben und misst so die Rotationsstellung. Das Patent DE 10 2006 047 931 zeigt eine derartige einstöckige Schaltscheibe, wobei sich auf der Oberfläche abwechselnd leitende und nicht leitende, segmentartige Bereiche auf einer Umlaufbahn befinden, sodass ein Schleifkontakt, der permanent auf der Schaltscheibe läuft, die leitenden und nicht leitenden, segmentartigen Bereiche bei der Rotation der Schaltscheibe nacheinander berührt. Dabei wird der leitende Bereich auf der Schaltscheibe durch eine elektrisch leitende einstückige Ringscheibe gebildet.
Die elektrisch nicht leitenden Bereiche werden durch das Auftragen einer Isolation, z. B. durch einen elektrisch nicht leitenden Lack hergestellt.
Weiterhin sind Radkörper bekannt, welche eine innenliegende Kontaktbahn aufweisen. Die Druckschrift EP 2 028 497 zeigt Radkörper, die aus einem leitenden Material bestehen können, wobei dann die elektrisch leitende Kontaktbahn mit Hilfe von isolierenden Materialien eingebettet wird. Auch ist es vorgesehen, dass der Radkörper aus einem isolierenden, somit nicht leitenden Kunststoff besteht. Hierbei ist die Möglichkeit der zusätzlichen Isolation bei der Einbettung in den Radkörper nicht mehr nötig. Die einzufügende Leiterbahn ist hierbei einstückig. Die Kontaktbahn wird durch eine isolierende Überdeckung in den Bereichen isolierend überlagert, in denen kein elektrisch leitender Kontakt zum Schleifkontakt vorliegen soll. In den Bereichen, in denen zu kontaktierender Kontakt ermöglicht werden soll, ist die isolierende Überdeckung weggelassen.
Des Weiteren sind Kunststoffzahnräder bekannt, welche an ihrer Stirnfläche Metallbleche aufweisen, die als elektrisch leitende Kontaktbahn verwendet werden. Die Metallbelche werden an der Stirnseite des Zahnrades z. B. durch Verlöten von Kunststofffingern, welche durch die Metallbleche im gefügten Zustand hindurch reichen, befestigt.
Von Nachteil hierbei ist, dass die eingebrachten Kontaktbahnen immer einstückig sind. Die Möglichkeit, dass auf der Umfangsbahn verschiedene leitende und nicht leitende Bereiche liegen, welche von mehreren Schleifkontakten abgegriffen werden, ist nicht möglich, da die unterschiedlichen Messsysteme mit den vorliegenden Messströmen sich gegenseitig stören würden.
Ein weiterer Nachteil ist, dass bei der Verwendung von Lacken oder anderen isolierenden Materialien, welche durch Sprühen, Kleben oder anderen Material auftragenden Verfahren die elektrisch nicht leitenden Bereiche herstellen, eben diese elektrisch isolierende Oberfläche abgerieben d. h. beschädigt wird. Dies ist darin begründet, dass bei hohen Umdrehungszahlen der Schleifkontakt die isolierend Schicht abträgt. Es kommt somit zur Freilegung der unter der isolierenden Deckschicht vorhandenen elektrisch leitenden Kontaktbahn.
Ein weiterer Nachteil ist, dass beim Umspritzen der elektrisch leitenden Kontaktbahn, ein großer Aufwand entsteht, da die nicht leitende Überdeckung eine Mindestdicke aufweisen muss, und auf der anderen Seite die elektrisch leitenden Kontaktbereiche mit absätzigen Übergangsbereichen ausgestattet werden müssen, sodass der Schleifkontakt ohne zu Verhaken in die Vertiefung, welcher den elektrisch leitenden Kontaktbereich freigibt, einfahren und wieder herausfahren kann.
Ein weiterer Nachteil ist, dass durch den Höhenunterschied von elektrisch leitender und elektrisch nicht leitender Fläche, ein Schleifkontakt notwendig ist, welcher eine große Elastizität bei gleichzeitiger alterungsbeständiger Stabilität aufweist. Dies ist notwendig, damit der Schleifkontakt über den Verwendungszeitraum sicher mit der richtigen Kraft auf die Oberfläche aufdrücken kann.
Ein weiterer Nachteil von Höhenunterschieden ist, dass der entsprechende Schleifkontakt sehr steif sein muss. Insbesondere bei Schleifkontakten, die in Form eines länglich federnden Tastelementes ausgeführt sind, zeigt sich, dass bei häufiger Drehrichtungsumkehr die absätzigen Übergänge, zwischen elektrisch leitenden und nicht-leitenden Bereichen, zu einem Verhaken führen können. Hierfür müssen die entsprechenden Tastfinger und Tastköpfe des Schleifkontaktes besonders aufwendig hergestellt werden, oder sie unterliegen einem hohen Verschleiß und müssen häufig ausgetauscht werden.
Die Verwendung von Kunststoffblechen für Kontaktbahnen ist aufwendig, da das Fügen und Befestigen der Metallbleche am Kunststoffzahnrad umständlich ist und die Metallbleche nur schlecht befestigt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung ist, die vorhergenannten Nachteile zu beheben.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Kontaktbahn aus einem elektrisch leitenden Kunststoff bestehen.
Das Kunststoffzahnrad weist hierzu Aussparungen auf, welche an der Stirnseite des Zahnrades vorhanden sind. Diese Aussparungen liegen auf der oder den Umlaufbahnen eines oder mehrerer Schleifkontakte. In die Aussparungen des Kunststoffzahnrades wird der elektrisch leitende Kunststoff eingebracht. Dies ist insofern sehr vorteilhaft, da die endsprechenden Aussparungen sehr genau beim z. B. Spritzgießen des Zahnrades hergestellt werden können. Somit ist es möglich, nur den notwendigen Teil für den Schleifkontakt mit einer elektrisch leitenden Kontaktbahn zu versehen.
Von Vorteil ist weiterhin, dass durch das Einbringen des Kunststoffes in entsprechend ausgeformte Aussparungen eine verlustsichere, stabile Verbindung zwischen Kunststoffzahnrad und leitfähigem Kunststoff entstehen kann. Dies wäre z. B. durch entsprechende Hinterschnitte möglich, kann aber auch durch das Verschmelzen der beiden Kunststoffe entstehen.
Von Vorteil ist weiterhin, wenn die elektrisch leitenden Kontaktbereiche voneinander isoliert sind. Dies ermöglicht, dass auf ein- und dieselbe Kontaktbahn mehrere Schleifkontakte eingesetzt werden können, wobei die entsprechenden Auswerteeinheiten sich nicht gegenseitig stören können.
Von Vorteil ist weiterhin, dass der elektrisch leitende und elektrisch nicht leitende Bereich auf ein und derselben Höhenlinie sich befindet. Dies hat zur Folge, dass der elektrisch leitende Schleifkontakt bzw. der Arm des Schleifkontaktes nicht gebogen wird. Somit ist keine elastische Verformung bei Dauerbetrieb und häufigen Umdrehungen vorhanden. Von Vorteil ist weiterhin, dass die Herstellung sowohl des Kunststoffzahnrades mit den Aussparungen als auch das Einbringen der Kontaktbahn sehr einfach und damit kostengünstig ist.
Von Vorteil ist weiterhin, dass das Zahnrad an mindestens einer der Seitenflächen eine Aussparung aufweist, in der der leitfähige Kunststoff einliegt.
Ein weiterer Vorteil ist, wenn die elektrisch-leitende Kontaktfläche auf das signalgebende Aggregat angepasst ist.
Von Vorteil ist es ebenfalls, dass die Kontaktbahn je nach Anwendungsfall Unterbrechungen aufweist, die die Kontaktbahn in Abschnitte unterteilt, so dass unterschiedliche Messungen auch parallel möglich sind.
Vorteilshafterweise sind die Ausdehnungen der Unterbrechungen der Kontaktbahn so groß, dass die Kontaktbahn nur als Teilkreis ausgeführt ist, der einem Teilkreis mit dem Winkelbereich von 0° bis 180°, vorzugsweise 10° bis 90°, insbesondere 15° bis 45°, entspricht.
Ein Vorteil ist, wenn der leitfähige Kunststoff der Kontaktbahn aus einem Trägermaterial (Polymer) mit Grafit- oder Metallflitterfüllung besteht.
Von Vorteil ist weiterhin, wenn das Trägermaterial des leitfähigen Kunststoffes auf das Kunststoffmaterial des Zahnrades angepasst ist. Dies ist zum einen der Fall, wenn die Schmelzpunkte des Zahnradkunststoffes und des leitfähigen Kunststoffes das spätere Eingießen des leitfähigen Kunststoffes ermöglichen.
Vom Vorteil ist, wenn eine Haftung zwischen dem leitfähigen Kunststoff und Kunststoffmaterial des Zahnrades besteht.
Vorteilhaft ist ebenfalls, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem leitfähigem Kunststoff und dem Kunststoffmaterial des Zahnrades vorhanden ist.
Vorteilhafterweise wird der leitfähige Kunststoff in die Aussparung eingegossen oder eingespritzt.
Von Vorteil ist auch, wenn die Aussparung mindestens an einer Stelle bzw. Seite eine Hinterschneidung aufweist.
Vorteilhafterweise verschmilzt der leitende Kunststoff beim Eingießen in die Aussparung mit dem Zahnradmaterial.
Vorteilshafterweise, sind eine oder mehrere Kontaktbahnen radial versetzt auf einer oder beiden stirnseitigen Fläche des Zahnrades angeordnet.
Von Vorteil ist, wenn die Aussparung für den leitfähigen Kunststoff, vollständig flächig oder teilweise flächig, von der einen Stirnseite bis zur anderen Stirnseite des Zahnrades hindurch reicht.
Vorteilshafterweise führen von den Aussparung für den leitfähigen Kunststoff eine oder mehrere Bohrungen, Kanäle und/oder Vertiefungen weg, die in das Zahnrades hineinreichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1: Perspektivische Ansicht des Zahnrades mit den Aussparungen.
2: Draufsicht auf den Zahnradkörper
3: Schnittdarstellung des Zahnrades mit der entsprechenden Plastikleitbahn ohne Hinterschnitte zu 2
4: Draufsicht auf den Zahnradkörper
5: Schnittdarstellung des Zahnrades mit der entsprechenden Plastikleitbahn zu 4
1 zeigt das Kunststoffzahnrad 1, welches zwei verschiedene Arten von Aussparungen 2, 3 aufweist. Die Aussparungen 2 sind kleine Bereiche, welche sich auf eine der Stirnseiten 5 des Kunststoffzahnrades befinden. Die Aussparung 3 zeigt einen längeren Bereich, welcher mit leitfähigem Kunststoff ausgegossen werden kann. Die Aussparungen sind hier auf einer radialen Umlaufbahn angeordnet. Die Aussparungen 2 und 3 werden nach der Fertigung des Kunststoffzahnrades z. B. durch Spritzgießen mit dem leitfähigen Kunststoff gefüllt. Die Aussparungen 2, 3 bilden nach dem Ausgießen mit dem leitfähigen Kunststoff eine ebene Fläche mit der Stirnseite des Zahnrades. Die längliche Aussparung 3 zeigt die Ausführung der Kontaktbahn als teilkreisförmigen Kontaktbereich. Fünf Unterbrechungen unterteilen die Kontaktbahn in fünf Abschnitte. Die Unterbrechungen sind gleich groß ausgeführt.
Die 2 zeigt das Kunststoffzahnrad 1 in der Draufsicht. Auf der Stirnseite 5 ist die Aussparung 3 durch den leitfähigen Kunststoff 4 ausgefüllt und bildet einen Kontaktbereich. Die Aussparungen 2 sind noch nicht gefüllt. Der leitfähige Anteil des Kunststoffes ist dabei mit dem Trägermaterial vermengt. Bei dem Trägermaterial handelt es sich z. B. um ein Polymer. Der leitfähige Kunststoff der Kontaktbahn besteht beispielsweise aus einem Trägermaterial mit Grafit- oder Metallflitterfüllung. Das Trägermaterial des leitfähigen Kunststoffes muss auf das Kunststoffmaterial des Zahnrades abgestimmt sein. Die Abstimmung zwischen dem Trägermaterial des leitfähigen Kunststoffes und dem Kunststoffmaterial des Zahnrades erfolgt unter anderem, indem:

1) Der Schmelzpunkt des Zahnradmaterials gleich oder höher ist, als der Schmelzpunkt des Trägermaterials des leitfähigen Kunststoffes.
2) Die Elastizität/Duktilität des Trägermaterials des leitfähigen Kunststoffes gleich dem Kunststoffmaterial des Zahnrades ist.

Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Zahnrad, entlang der Schnittlinie A-A, zu der in 2 in Draufsicht dargestelltem Zahnrad: Es zeigt die Zahnrad 1 mit der Aussparung 3, welches mit dem leitfähigen Kunststoff 4 auf der Stirnseite 5 ausgefüllt worden ist. Der leitfähige Kunststoff hält u. a. aufgrund der Haftung bzw. infolge einer Verschmelzung von Plastikleitbahn und Plastikzahnrad in den Aussparungen des Kunststoffmaterials des Zahnrades. Die 3 zeigt weiterhin, dass es auf der Oberfläche der Stirnseite 5 keine Höhenunterschiede zwischen Kunststoffzahnrad 1 und dem Leitfähigen Plastik 4 gibt.
Die 4 zeigt das Kunststoffzahnrad 1 in einer anderen Ausführungsart in der Draufsicht. Auf der Stirnseite 5 sind die Aussparung 2 und 3 dargestellt die noch nicht mit leitfähigen Kunststoff ausgefüllt sind. Von der Aussparung 3 ausgehend, erstrecken sich eine oder mehrere Kanäle/Bohrungen 6 die tiefer in das Kunststoffzahnrad 1 hineinreichen und Hinterschnitte aufweisen können. Auch die Aussparungen 2 können Hinterschnitte aufweisen. Ebenso können sich von den Aussparungen 2 die zuvor beschriebenen Kanäle/Bohrungen tiefer in das Kunststoffzahnrad 1 hinein erstrecken. Die Figur beinhaltet eine Schnittlinie A-A. Der Schnittverlauf wird in 5 dargestellt.
Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Zahnrad, entlang der Schnittlinie A-A, zu der in 4 in Draufsicht dargestelltem Zahnrad: Die Figur zeigt eine Ausführungsform eines Zahnrades, bei dem auf beiden Stirnseiten Aussparungen 3 und 7 vorgesehen sind, welche mit dem leitfähigen Kunststoff ausgefüllt sind. Es zeigt die Zahnrad 1 mit den Aussparungen 3 und 7 sowie den beiden Kanälen 6. Die Aussparungen 3 und 7 sowie die beiden Kanäle 6 die die Aussparungen 3 und 7 verbinden sind mit leitfähigem Kunststoff gefüllt. Das Ausfüllen der Aussparungen und Kanäle und Aussparungen erfolgt im Allgemeinen in einem Schritt. Der leitfähige Kunststoff 4 in der Aussparung 3 wird zusätzlich zu einer möglichen Haftung zwischen Kunststoffzahnrad 1 und leitfähigem Kunststoff 4 bzw. einem Verschmelzen von Kunststoffzahnrad 1 und leitfähigem Kunststoff 4 durch Formschluss in der Aussparung 3 gegen Herausfallen gesichert. Dies wird in dieser Ausführungsform durch die konische Form der Kanäle 6 erreicht. Die Ausführung der Kanäle zeigt hierbei aber nur eine der vielen verschiedenen möglichen Ausprägungsarten. Der leitfähige Kunststoff 4 in der Aussparung 7 wird durch die von der Aussparung 3 bis zur Aussparung 7 reichenden Kanälen 6 gegen das Herausfallen aus der Aussparung gesichert. Die Schnittdarstellung zeigt, dass der Übergang zwischen der Oberfläche des Zahnrades und dem leitfähigen Kunststoff nahtlos, d. h. ohne Kante oder Höhenunterschied ausgeführt ist. Dies gilt sowohl für den leitfähigen Kunststoff 4, der in der Aussparung 3 auf der Stirnseite 5 des Kunststoffzahnrades 1 ist als auch für den leitfähigen Kunststoff 4, der in der Aussparung 7 auf der anderen Stirnseite des Kunststoffzahnrades 1 ist.
Nicht dargestellt in den voranstehend beschriebenen Figuren ist das Merkmal, dass die Aussparungen 2, 3 oder 7 am Rand der Aussparung Hinterschnitte aufweisen, so dass der leitfähige Kunststoff 4 in die Aussparung eingegossen oder eingespritzt wird und nach dem Aushärten nicht mehr zerstörungsfrei aus den Aussparungen herausgenommen werden kann.
Eine weitere nicht dargestellt Ausführungsform ist eine Zahnrad, dass mehrere radial versetzte Kontaktbahnen auf der oder den Stirnseiten angeordnet sind.
Andere Ausführungsformen, die von denen der 1 abweichen, beinhalten Unterbrechungen der Kontaktbahn, die unterschiedlich groß sind. Aufgrund der Unterbrechungen wird die Kontaktbahn in einem Teilkreis bzw. mehreren Teilkreisen aufgeteilt. Die Teilkreise weisen dabei beispielsweise Winkelbereiche von 0° bis 180°, vorzugsweise 10° bis 90°, insbesondere 15° bis 45° auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19854181 [0002]
DE 102006047931 [0003]
EP 2028497 [0005]

Claims

Kunststoffzahnrad, das auf mindestens einer Seitenfläche mindestens eine elektrisch-leitende Kontaktbahn aufweist, welche bei Rotation des Zahnrades von mindestens einem Schleifkontakt berührt wird, sodass mittels einer Auswerteeinheit die Rotationsstellung des Zahnrades und/oder die Rotationsgeschwindigkeit bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbahn aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.
Kunststoffzahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad an mindestens einer der Seitenflächen eine Aussparung aufweist, in der der leitfähige Kunststoff einliegt.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch-leitende Kontaktfläche insbesondere kreisförmig oder teilkreisförmig ist.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbahn mindestens eine Unterbrechungen aufweist, die die Kontaktbahn in Abschnitte bzw. Kontaktbereiche unterteilt.
Kunststoffzahnrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungen der Unterbrechungen der Kontaktbahn so groß sind, dass die Kontaktbahn nur als Teilkreis ausgeführt ist, der einem Teilkreis mit dem Winkelbereich von 0° bis 180°, vorzugsweise 10° bis 90°, insbesondere 15° bis 45°, entspricht.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Kunststoff der Kontaktbahn aus einem Trägermaterial mit Grafit- oder Metallflitterfüllung besteht.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des leitfähigen Kunststoffes auf das Kunststoffmaterial des Zahnrades, abgestimmt ist.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haftung zwischen dem leitfähigen Kunststoff und Kunststoffmaterial des Zahnrades besteht.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische insbesondere formschlüssige Verbindung zwischen dem leitfähigem Kunststoff und dem Kunststoffmaterial des Zahnrades vorhanden ist.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Kunststoff in die Aussparung eingegossen oder eingespritzt ist.
Kunststoffzahnrad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung mindestens eine Hinterschneidung aufweist.
Kunststoffzahnrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidung der Aussparung am Rand der Aussparung angeordnet ist.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Kunststoff mit dem Zahnradmaterial verschmolzen ist.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kontaktbahnen radial versetzt auf einer oder beiden stirnseitigen Flächen des Zahnrades angeordnet ist bzw. sind.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung für den leitfähigen Kunststoff, vollständig oder teilweise, von der einen Stirnseite bis zur anderen Stirnseite des Zahnrades reicht.
Kunststoffzahnrad nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Aussparung mindestens ein Kanal/Bohrung in das Innere des Zahnrades hinein erstreckt.