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Die vorliegende Erfindung betrifft einen (inkrementalen oder absoluten) Drehgeber zur Befestigung an einer sich um eine Drehachse drehenden Geberwelle, wobei der Drehgeber gegen elektrische Ströme geschützt ist, die induktiv in der oder durch die Geberwelle hervorgerufen werden.
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Das Dokument
DE 10 2007 036 271 A1 zeigt einen Drehgeber mit Überwachung eines Lagerverschleißes sowie ein Verfahren dazu. Das Dokument
EP 1 209 446 B1 zeigt einen Drehimpulsgeber. Das Dokument
WO 2010/121595 A2 zeigt einen getriebelosen Drehgeber und ein Verfahren dazu.
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Es sind (inkrementale) Drehgeber bekannt, die eine Geberwelle mit zwei axial außen angeordneten Radiallagern halten. Die Radiallager werden als Stütze für ein Drehgebergehäuse eingesetzt, in dessen Inneren eine gegenüber axialem Spiel empfindliche Sensoreinheit vorgesehen ist. Durch die Drehung der Geberwelle können Induktionsströme entstehen, die bei Radiallagern eine Elektroerosion verursachen oder die die elektrisch empfindliche Sensoreinheit stören, beschädigen oder sogar zerstören. Die Induktionsströme werden z. B. durch an die Geberwelle gekoppelte elektrische Antriebe verursacht, insbesondere bei schlechter Erdung. Dadurch fließen Querströme über eine Antriebswelle zur Geberweller, zum Kugellager und zum Kabelschirm. Um die Radiallager und die Sensoreinheit elektrisch zu isolieren, werden im Bereich der Radiallager elektrische Isolatoren eingesetzt. Da die Sensoreinheit zusätzlich auch gegenüber axialen Verschiebungen der Gesamtanordnung empfindlich ist, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die einer axialen Längenausdehnung der Gesamtanordnung aufgrund von Reibungswärme entgegenwirken, die durch die sich drehende Geberwelle hervorgerufen wird. Diese beiden Randbedingungen (elektrische Isolation/kein axialer Versatz) machen den Aufbau derartiger Drehgeber komplex. Eine bekannte Lösung ist in der Verwendung von Keramiklagern zu sehen. Keramiklager sind sehr teuer.
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Ein weiterer Nachteil bei bekannten Drehgebern ist darin zu sehen, dass aufgrund des sich einstellenden wärmebedingten axialen Versatzes nur Sensoreinheiten mit einer relativ eingeschränkten Auflösung eingesetzt werden können, weil derartige Sensoreinheiten gegenüber axialen Verschiebungen unempfindlich sind. Es ist aber wünschenswert, auch variabel auflösende Sensoreinheiten einsetzen zu können, die kein axiales Spiel tolerieren. Noch ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass derartige Sensoreinheiten auf Chipebene an eine Maßverkörperung angepasst werden müssen. Dies bedeutet, dass die Sensoreinheit nur exklusiv mit einer spezifischen Auflösung und bei nur einer spezifischen Geometrie (Radius) eingesetzt werden kann. Bei einer Änderung einer dieser Größen muss zwingend ein neues ASIC entworfen werden. Die Kosten dafür lassen sich bei der Vielfalt der Kundenwünsche nicht kompensieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehgeber vorzusehen, der die oben erwähnten Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Drehgeber gelöst, der aufweist: eine Hohlwelle, die koaxial zur Geberwelle angeordnet ist; ein elektrisch leitendes Gehäuse, das einen Flansch und einen axial gegenüberliegenden Deckel aufweist, die in einer axialen Richtung des Drehgebers miteinander verbindbar sind; eine Sensoreinheit, die eine drehfest angeordnete Codierscheibe, eine gehäusefest angeordnete Lichtquelle und einen gehäusefest angeordneten Empfänger aufweist, wobei die Sensoreinheit innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; mindestens ein elektrisch leitendes Radiallager zur koaxialen Aufnahme der Hohlwelle, wobei jedes der Radiallager ein radial innen angeordnetes erstes Lagerteil und ein radial außen angeordnetes gehäusefestes zweites Lagerteil aufweist, wobei sich das erste und das zweite Lagerteil radial gegenüberliegen und wobei das erste Lagerteil drehfest mit der Hohlwelle verbunden ist; einen gehäusefest angeordneten ringförmigen Niederhalter, der in der axialen Richtung kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist, und jedes der Radiallager in der axialen Richtung gegenüber der Hohlwelle dauerhaft und insbesondere bei Wärmeentwicklung fixiert; einen mehrteilig ausgebildeten Isolierkörper, der einen ersten Isolierring und einen zweiten Isolierring sowie eine Isolierhülse aufweist, die koaxial zur Drehachse angeordnet sind, wobei die Isolierringe in der axialen Richtung von außen nur an den zweiten Lagerteilen der axial äußersten Radiallager anliegen, wobei die Isolierhülse die Radiallager entlang der axialen Richtung nahezu vollständig überdeckt und wobei die Isolierhülse in der axialen Richtung so dimensioniert ist, dass zwischen der Isolierhülse und dem ersten Isolierring sowie der Isolierhülse und dem zweiten Isolierring jeweils ein Luftspalt ausgebildet ist, der angepasst ist, eine axiale wärmeausdehnende Isolierhülse zu kompensieren.
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Durch die mehrteilige Ausbildung des Isolierkörpers können Wärmeausdehnungen der Isolierung kompensiert werden, ohne dass es zu einem axialen Versatz kommt. Dies ermöglicht wiederum den Einsatz von hochauflösenden Sensoreinheiten, die gegenüber einem axialen Versatz sensitiv sind. Auf den Einsatz von Keramikkugellagern kann verzichtet werden.
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Der Isolierkörper kann spanend bearbeitet werden. Eine industrielle und kostengünstige Produktion ist deshalb möglich. Vorzugsweise liegt eine radial innen liegende Gehäusekontur an einer radial außen liegenden Kontur der Isolierhülse formschlüssig an.
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Die Isolierhülse ist in der radialen Richtung durch das Gehäuse fixiert, so dass eine Wärmeausdehnung der Isolierhülse nur in der axialen Richtung möglich ist. In der axialen Richtung sind jedoch die Luftspalte vorgesehen, die einen wärmebedingten axialen Versatz der Gesamtanordnung unterbinden.
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Die Drehgeber der Erfindung ist modular aufgebaut. Dies bedeutet, dass als Sensoreinheit ein Standard-IC zur Anwendung kommt, unabhängig von spezifischen Eigenschaften der Geberwelle. Eine Anpassung an eine kundenspezifische Geometrie und eine Auflösung der Maßverkörperung erfolgt über eine spezifische Maske, die während einer Geberherstellung auf den Chip aufgesetzt wird.
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Vorzugsweise ist die Isolierhülse aus einem thermoplastischen elektrisch isolierenden Kunststoff hergestellt.
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Der Kunststoff kann spritzgegossen werden und erleichtert so die industrielle Herstellung. Der Kunststoff ist nicht elektrisch leitend und erfüllt somit die geforderte isolierende Eigenschaft.
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Insbesondere sind die Isolierringe aus einem formstabilen und elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt.
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Die Isolierringe übertragen Spannkräfte in der axialen Richtung. Um die Sensoreinheit gegenüber induzierten Wellenströmen zu schützen, sind die Isolierringe elektrisch isolierend ausgelegt.
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Vorzugsweise ist der Isolierring-Werkstoff ein (glasverstärktes) Epoxidlaminat, insbesondere FR4.
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FR4 lässt sich im Gegensatz zu Keramik spanend bearbeiten. Dies ist von Vorteil, weil der Drehgeber kompakt baut und hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit der einzelnen Komponenten des Drehgebers gestellt werden.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der Isolierkörper so angeordnet und geformt ist, dass das Gehäuse berührungslos zu jedem der Radiallager angeordnet ist.
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Die berührungslose Anordnung gewährleistet die elektrische Isolation.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform definieren die Hohlwelle, das mindestens eine Radiallager und das Gehäuse ein geschlossenes Volumen, in welchem die Sensoreinheit angeordnet ist, und wobei vorzugsweise mindestens ein Radialwellendichtring vorgesehen ist.
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Insbesondere weist die Sensoreinheit ferner eine gehäusefest angeordnete Auswerteeinrichtung auf.
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Diese Auswerteeinrichtung ist gegenüber den induktiven Wellenströmen elektrisch isoliert und somit geschützt.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist jedes der Radiallager ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager, wobei die Lagerteile Lagerschalen sind, die in der radialen Richtung über Kugeln als Wälzkörper miteinander koppeln.
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Vorzugsweise sind zwei Wälzlager vorgesehen, zwischen denen in der axialen Richtung ein koaxialer Distanzring angeordnet ist, der in der axialen Richtung nur die zweiten Lagerteile berührt.
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Über den koaxialen Distanzring wird ein in sich geschlossener Kraftlinienverlauf erzeugt, der erforderlich ist, damit die Gesamtanordnung keinen wärmebedingten axialen Versatz aufweist, der durch den Isolierkörper hervorgerufen wird.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der Niederhalter innerhalb des Gehäuses axial zwischen dem Flansch und dem Deckel angeordnet ist.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Drehgebers der Erfindung;
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2 eine Draufsicht auf den Drehgeber der 2;
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3 eine Schnittansicht entlang einer Linie III-III der 2;
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4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV der 2;
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5 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Lagerbaugruppe des Drehgebers der 1;
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6 eine Explosionsdarstellung des Drehgebers der 1; und
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7 eine Vergrößerung des Bereichs VII der 3.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines (inkrementalen oder absoluten) Drehgebers 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Der Drehgeber 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann zylinderförmig ausgebildet sein. Das Gehäuse 12 umgibt eine Lagerbaugruppe 14, die unter Bezug auf 5 noch näher erläutert werden wird. An einer vorderen, hier nicht näher bezeichneten Stirnseite des Gehäuses 12 kann eine ringförmige Statorkupplung 16 mit radialen Verbindungslaschen vorgesehen sein. Auf der axial gegenüberliegenden Seite kann in Umfangsrichtung ein sich im Wesentlichen radial erstreckender Anschluss 18 vorgesehen sein, der mit einer hier nicht näher bezeichneten Schutzkappe gezeigt ist. Der Drehgeber 10 ist koaxial zu einer Drehachse 20 anordenbar.
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Die Drehachse 20 entspricht einer Drehachse einer hier nicht näher gezeigten Geberwelle, deren Rotation mit dem Drehgeber 10 gemessen werden soll. Die Geberwelle wird von der Lagerbaugruppe 14 koaxial aufgenommen, die wiederum koaxial zu einem Flansch 22 und einem, hier topfförmig ausgebildeten, Deckel 24 des Gehäuses 12 angeordnet ist.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die vordere Stirnseite des Drehgebers 10 der 1. Die Statorkupplung 16 ist nicht mehr gezeigt. Dafür ist eine Drehmomentstütze 26 gezeigt, die drehfest mittels Verbindungselementen 28, wie zum Beispiel Schrauben, mit dem Flansch 22 verbunden ist. In der Draufsicht der 2 sind weitere Verbindungselemente 28 gezeigt, die sich in einer axialen Richtung 30 (vgl. 1) erstrecken und die den Flansch 22 mit dem Deckel 24 kraftschlüssig verbinden. Die axiale Richtung 30 steht senkrecht auf die Zeichnungsebene der 2. Eine radiale Richtung wird nachfolgend generell mit ”32” bezeichnet und ist in 2 durch einen radialen Pfeil angedeutet. Die radiale Richtung 32 liegt in der Zeichnungsebene der 2 und ist immer auf das Zentrum, das heißt die Drehachse 20, des Drehgebers 10 gerichtet.
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Unter einer ”drehfesten” Verbindung wird nachfolgend eine Verbindung verstanden, die eine relative Rotation zweier Teile gegeneinander unterbindet. Die rotierenden Teile sind so miteinander verbunden, dass sie gemeinsam rotieren. Unter einer ”gehäusefesten” Anordnung wird nachfolgend verstanden, dass entsprechende Teile in Ruhe gegenüber rotierenden Teilen sind und dass diese Teile an das Gehäuse gekoppelt sind. Beim Drehgeber 10 stellt das Gehäuse 12 einen Stator dar, wobei die nicht dargestellte Drehgeberwelle den Rotor darstellt. Die Drehgeberwelle und das Gehäuse 12 koppeln über die Lagerbaugruppe 14 aneinander, wie es nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
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3 zeigt eine Schnittansicht des Drehgebers 10 der 2 entlang einer Linie III-III. 4 zeigt eine Schnittansicht des Drehgebers 10 der 2 entlang einer Linie IV-IV.
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Unter Bezugnahme auf 3 werden nachfolgend generelle Komponenten des Drehgebers 10 erläutert. Der Drehgeber 10 weist allgemein eine Hohlwelle 34, eine (inkrementale) Sensoreinheit 36, mindestens ein Radiallager 38, einen Niederhalter 40 und einen mehrteiligen Isolierkörper 42 auf. Das Gehäuse 12, die Lagerbaugruppe 14, die Hohlwelle 34, das mindestens eine Radiallager 38, der Niederhalter 40 sowie der Isolierkörper 42 sind koaxial zur Drehachse 20 angeordnet. Die Hohlwelle 34 liegt radial am weitesten innen. Das Radiallager 38 sitzt radial außen auf der Hohlwelle 34 und wird sowohl in der axialen Richtung 30 als auch in der radialen Richtung 32 vom Isolierkörper 42 nahezu vollständig umgeben, um eine elektrische Isolation zwischen der Hohlwelle 34 und dem radial außen zur Hohlwelle 34, dem Radiallager 38 und dem Isolierkörper 42 angeordneten Gehäuse 12 zu gewährleisten. Die Hohlwelle 34, das Radiallager 38 und das Gehäuse 12 sind aus einem elektrisch leitenden Material (zum Beispiel Metall) hergestellt. Der mehrteilig ausgebildete Isolierkörper 42 ist aus elektrisch isolierenden Materialien hergestellt. Da das Gehäuse 12 nur über das Radiallager 38 mit der Hohlwelle 34, die wiederum drehfest mit der nicht dargestellten Geberwelle verbunden ist, in Verbindung steht und da der Isolierkörper 42 vollumfänglich zwischen dem Gehäuse 12 und dem Radiallager 38 angeordnet ist, können Ströme, die durch eine Rotation der Geberwelle bzw. der Hohlwelle 34 induziert werden, nicht an die gehäusefest angeordnete Sensoreinheit 36 geleitet werden. Auf diese Weise sind die Sensoreinheit 36 und das Radiallager 28 gegen induzierte Wellenströme bzw. Spannungen elektrisch geschützt.
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Das mindestens eine Radiallager 38 ist in der 3 zum Beispiel in Form von zwei axial beabstandet angeordneten Wälzlagern 44 realisiert. Zwischen den beiden Wälzlagern 44 ist in der axialen Richtung 30 ein (koaxial angeordneter) Distanzring 46 vorgesehen, der gemeinsam mit den Wälzlagern 44 eine axiale Gesamtlänge L des Radiallagers 38 definiert. Es versteht sich, dass das Radiallager 38 zum Beispiel auch durch ein (einziges) Gleitlager mit der axialen Länge L realisiert sein kann.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nachfolgend ein Aufbau der Lagerbaugruppe 14 näher erläutert werden. In der 5 ist die Lagerbaugruppe 14 des Drehgebers 10 perspektivisch in isolierter Form dargestellt. Die Lagerbaugruppe 14 weist die Hohlwelle 34, die beiden Wälzlager 44 und den dazwischen angeordneten Distanzring 46 auf. Die Hohlwelle 34 kann an einem ihrer axialen Enden eine Manschette 48 aufweisen, die zur Aufnahme eines Klemmrings 50 ausgebildet ist (6). Die hier nicht dargestellte Geberwelle wird mit dem Klemmring 50 drehfest mit der Hohlwelle 34 verbunden. Der Distanzring 46 ist so ausgebildet, dass er in der axialen Richtung 30 vollumfänglich flächig mit den Wälzlagern 44 in Verbindung steht. Der Distanzring 46 berührt die Hohlwelle 34 nicht.
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Der Distanzring 46 ist gehäusefest angeordnet, weil er lediglich gehäusefest angeordnete Komponenten des Radiallagers 38 berührt. Das Radiallager 38 weist generell ein radial innen angeordnetes Lagerteil 52 (3) und ein radial außen angeordnetes zweites Lagerteil 54 auf. Bei den Wälzlagern 44 der 3 sind die Lagerteile 52 und 54 durch ringförmige Lagerschalen realisiert, zwischen denen in der radialen Richtung 32 ein oder mehrere Wälzkörper 56 angeordnet ist bzw. sind. Die Wälzkörper 56 sind hier in Form von Kugeln realisiert, so dass die Wälzlager 44 Kugellager bilden.
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Der Distanzring 46 steht lediglich mit den radial außen liegenden zweiten Lagerteilen 54 in Verbindung, da die beiden Lagerteile 54 gehäusefest angeordnet sind. Die ersten Lagerteile 52 sind drehfest mit der Hohlwelle 34 verbunden. Die ersten Lagerteile 52 können zum Beispiel mit der Hohlwelle 34 verklebt (zum Beispiel mit Loctite 3504) oder verpresst sein.
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Zurückkehrend zu 3 wird nachfolgend der mehrteilige Aufbau des Isolierkörpers 42 näher beschrieben. Der Isolierkörper 42 weist eine Isolierhülse 58, einen ersten Isolierring 60 und einen zweiten Isolierring 62 auf. Die Isolierringe 60 und 62 sind scheibenförmig ausgebildet und weisen ein zentrales Loch zur koaxialen Anordnung auf. Die Isolierringe 60 und 62 sind gehäusefest angeordnet, das heißt die Isolierringe 60 und 62 stehen weder mit der Hohlwelle 34 noch mit den ersten Lagerteilen 52 in Kontakt. Die Isolierringe 60 und 62 stehen lediglich mit den zweiten Lagerteilen 54 in Kontakt. Die Isolierhülse 58 sitzt in der radialen Richtung 32 außen auf dem Radiallager 38. Die Isolierhülse 58 sitzt vorzugsweise in einem Presssitz auf dem Radiallager 38. Die Isolierhülse 58 steht ebenfalls nur mit den zweiten Lagerteilen 54 und dem Distanzring 46 in Kontakt. Die Isolierhülse 58 steht nicht mit den ersten Lagerteilen 52 in Kontakt. Die Isolierhülse 58 überdeckt das Radiallager 38 in der axialen Richtung 30 nahezu vollständig. Eine axiale Länge der Isolierhülse 58 ist nur geringfügig kleiner als die axiale Länge L des Radiallagers 38. Die Isolierhülse 58 ist in der axialen Richtung 30 zwischen dem ersten Isolierring 60 und dem zweiten Isolierring 62 angeordnet, wie es in 3 gezeigt ist.
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Der erste Isolierring 60 ist in der 3 links angeordnet. Der zweite Isolierring 62 ist in der 3 rechts angeordnet. Die Isolierringe 60 und 62 umschließen das Radiallager 38 in der axialen Richtung 30. Wie es unten noch näher erläutert werden wird, wird das Radiallager 38 über die Isolierringe 60 und 62 in der axialen Richtung 30 verspannt, das heißt zusammengehalten, wobei der Flansch 22 und der Niederhalter 40 als Gegenhalter die Isolierringe 60 und 62 backenförmig umgreifen. Der Flansch 22 und der Niederhalter 40 werden so kraftschlüssig derart miteinander verbunden, dass sie sich unter Zug/Druck in der axialen Richtung 30 aufeinander zu bewegen, wie es unter Bezugnahme auf 4 noch näher erläutert werden wird.
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Unter Bezugnahme auf 6, die eine Explosionsdarstellung des Drehgebers 10 zeigt, wird nachfolgend der (koaxiale) Aufbau des Drehgebers 10 von links nach rechts erläutert werden. Es versteht sich, dass die in der 6 gezeigten Komponenten des Drehgebers 10 lediglich eine exemplarische Ausgestaltung des Drehgebers 10 verdeutlichen. Nicht alle der gezeigten Komponenten müssen generell und insbesondere in der gezeigten Form vorgesehen sein. In der Explosionsdarstellung der 6 ist der Drehgeber 10 entlang der zentralen Drehachse 20 in einem demontierten Zustand gezeigt.
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Die ringförmige Statorkupplung 16 wird mit den Verbindungselementen 28 vorzugsweise kraftschlüssig mit dem Flansch 22 verbunden, der zu diesem Zweck entsprechende Öffnungen 64 (2) in der Stirnseite des Flanschs 22 aufweist.
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Die nicht dargestellte Geberwelle wird mit dem Klemmring 50 drehfest an der Hohlwelle 34 im Bereich der Manschette 48 verbunden.
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Das in der 3 links dargestellte Wälzlager 44 wird mit einer ersten Schutzscheibe 66 gegen Fremdkörper, Spritzwasser und dergleichen geschützt. Die erste Schutzscheibe 66 ist drehfest mit der Hohlwelle 34 verbunden. Das Wälzlager 44 ist ferner durch eine Dichtung 68 geschützt. Die Dichtung 68 kann ein Radialwellendichtring sein, der gehäusefest angeordnet ist. Die Dichtung 68 liegt dem Wälzkörper 56 in der axialen Richtung 30 gegenüber und verhindert so, dass Fremdkörper, Spritzwasser und dergleichen in einen Raum zwischen dem ersten Lagerteil 52 und dem zweiten Lagerteil 54 eintreten kann. Die Dichtung 68 steht mit dem Flansch 22 und dem ersten Isolierring 60 in Verbindung. Der erste Isolierring 60 erstreckt sich in der radialen Richtung 32 von dem zweiten Lagerteil 54 nahezu bis zum ersten Lagerteil 52 (siehe 3). Die Dichtung 68 kann eine Lippe aufweisen, die auf der Hohlwelle 34 gleitet. Die Hohlwelle 34 kann im Bereich der ersten Schutzscheibe 66, der Dichtung 68 und dem ersten Lagerteil 52 einen entsprechend angepassten radialen Vorsprung 70 aufweisen. Die Schutzscheibe 66 und das erste Lagerteil 52 des linken Wälzlagers 44 liegen in der axialen Richtung 30 am radialen Vorsprung 70 der Hohlwelle 34 an. Der radiale Vorsprung 70 dient während einer Montage des Wälzlagers 44 als Anschlag und ermöglicht so eine vertikale Montage der Lagerbaugruppe 14, wie es in 5 durch Hilfspfeile 72 angedeutet ist.
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Zurückkehrend zur 6 sind ferner weitere Verbindungselemente 28 gezeigt, mit denen der Flansch 22 in der axialen Richtung 30 mit dem Deckel 24 kraftschlüssig verbindbar ist, wobei der Deckel 24 die Komponente des Drehgebers 10 darstellt, die zuletzt montiert wird. Zwischen dem Flansch 22 und dem Deckel 24 kann ein O-Ring 74 in einer umlaufenden, vertieften Nut in einer Stirnseite des Deckels 24 vorgesehen sein, die dem Flansch 22 in der axialen Richtung 30 gegenüberliegt.
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Die Isolierhülse 58 ist in der 6 in Form eines langen Hohlzylinders 76 gezeigt, der einstückig mit einem darauf angeordneten Ring 78 ausgebildet ist. In der unteren Hälfte der 3 sind der Hohlzylinder 76 und der Ring 78 der Isolierhülse 58 durch eine imaginäre Strichlinie voneinander getrennt. Der Ring 78 ist radial außen zum Zylinder 76 angeordnet. Eine radial innen liegende Kontur des Flanschs 22 bzw. des Gehäuses 12 ist vorzugsweise angepasst, den Ring 78 formschlüssig aufzunehmen. Die Aufnahme erfolgt dabei vorzugsweise durch Pressung, das heißt der Ring 78 sitzt im Presssitz im Flansch 22. Der Presssitz verhindert eine Wärmeausdehnung der Isolierhülse 58 bzw. des Rings 78 in der radialen Richtung 32, so dass sich die Isolierhülse 58 aufgrund von Wärme, die bei einer Rotation der Geberwelle zwangsläufig entsteht, nur in der axialen Richtung 30 ausdehnen kann. Es versteht sich, dass die Wärmeausdehnung der Isolierhülse 58 insbesondere von der erzeugten Reibungswärme und dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials abhängig ist, aus welchem die Isolierhülse 58 hergestellt ist. Die Isolierhülse 58 ist vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden, thermoplastischen Kunststoff hergestellt. Kunststoff lässt sich spritzgießen und spanend bearbeiten, so dass der bevorzugte Presssitz problemlos herstellbar ist. Der Flansch 22 ist vorzugsweise aus Aluminium, Stahl oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt und lässt sich somit ebenfalls ohne Probleme spanend bearbeiten. Die Kontur 80 des Flanschs 22 ist im Bereich der Isolierhülse 58 vorzugsweise stufenförmig ausgebildet, um in der axialen Richtung 30 einen Anschlag für den Ring 78 der Isolierhülse 58 zu bilden. Im montierten Zustand stößt der Ring 78 in der axialen Richtung 30 vorzugsweise im Bereich dieser Stufe an den Flansch 22 an.
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In der 6 ist rechts von der Isolierhülse 58 die Lagerbaugruppe 14 mit der Hohlwelle 34, den Wälzlagern 44, dem Distanzring 46 und der Manschette 48 gezeigt. Die Baugruppe 14 ist (radial und axial) zentral im Inneren des Drehgebers 10 angeordnet. An das rechte Wälzlager 44 schließt sich in der axialen Richtung 30 der zweite Isolierring 62 an, der hinsichtlich seiner relativen Anordnung zu dem ersten Lagerteil 52 und dem zweiten Lagerteil 54 auf analoge Weise wie der erste Isolierring 60 angeordnet ist. Der zweite Isolierring 62 liegt radial außen am rechten Wälzlager 44 an und steht ausschließlich mit dem zweiten Lagerteil 54 in Kontakt. Der zweite Isolierring 62 berührt das erste Lagerteil 52 nicht. Gegenüberliegend zum zweiten Lagerteil 54 steht der zweite Isolierring 62 axial mit dem Niederhalter 40 in Kontakt. Das zweite Lagerteil 54 und der Niederhalter 40 klemmen den zweiten Isolierring 62 in der axialen Richtung 30 zwischen sich ein, indem der Niederhalter 40 in der axialen Richtung 30 kraftschlüssig, zum Beispiel über weitere Verbindungselemente 28, mit dem Flansch 22 verbunden ist. Diese kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Niederhalter 40 und dem Flansch 22 wird unter Bezugnahme auf 4 noch näher erläutert werden. Der Niederhalter 40, der Flansch 22 und die Isolierringe 60 und 62 umgeben das Radiallager 38 in der Schnittdarstellung der 3 U-förmig. Die eben genannte Gruppe von Komponenten spannt das Radiallager 38 in der axialen Richtung 30 ein. In Bezug auf einen Kraftfluss stellen der Niederhalter 40, der Flansch 22, der erste Isolierring 60, das zweite Lagerteil 54 des linken Wälzlagers 44, der Distanzring 46, das zweite Lagerteil 54 des rechten Wälzlagers 44 und der zweite Isolierring 62 eine in sich geschlossene Schleife dar, die keinerlei axiales Spiel zulässt.
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Zurückkehrend zur 6 ist ferner eine Lichtquelle 82 gezeigt, die Teil der Sensoreinheit 36 ist. Die Lichtquelle 82 kann in Form eines LED implementiert sein. Die Lichtquelle 82 kann in einer entsprechenden Aufnahme im Niederhalter 40, die nicht näher gezeigt und bezeichnet ist, angeordnet werden. Die Lichtquelle 82 kann zum Beispiel in den Niederhalter 40 geklebt oder verpresst werden. Die Lichtquelle 82 ist vorzugsweise axial ausgerichtet, um mit einer Inkrementalscheibe bzw. Codierscheibe 84 zwecks Erzeugung eines Signals wechselzuwirken, welches repräsentativ für eine Umdrehungszählung ist. Die Codierscheibe 84 ist drehfest an die Hohlwelle 34 gekoppelt. Die Codierscheibe 84 ist mit einem Tellerring 86 drehfest verbunden, der wiederum drehfest mit der Hohlwelle 34 verbunden ist. Die Codierscheibe 84 ist ebenfalls ein Bestandteil der Sensoreinheit 36. Die Codierscheibe 84 ist in axialer Richtung 30 gegenüberliegend zur Lichtquelle 82 angeordnet.
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Der Tellerring 86 kann zum Beispiel mit der Hohlwelle 34 verklebt oder verpresst sein. Der Tellerring 86 folgt in der axialen Richtung 30 direkt auf das erste Lagerteil 52 des rechten Wälzlagers 44. Der Tellerring 86 kann in Kontakt mit dem ersten Lagerteil 52 des rechts angeordneten Wälzlagers 44 stehen. Der Tellerring 86 schließt an ein rechtes äußeres Ende des Radiallagers 38 in der axialen Richtung 30 an. Der Tellerring 86 definiert einen axialen Abstand A1 der Codierscheibe 84 relativ zum Niederhalter 40 bzw. zur Lichtquelle 82. Die Codierscheibe 84 ist in der axialen Richtung 30 mit einem Abstand A2 zu einer Leiterplatte 88 angeordnet (siehe 3). Die Leiterplatte 88 kann mittels Abstandsbolzen 90 gehäusefest mit dem Niederhalter 40, und somit auch mit dem Flansch 22, verbunden sein. Die Abstandsbolzen 90 können in entsprechende Ausnehmungen eingeführt sein, die in 3 nicht näher bezeichnet sind. Die Leiterplatte 88 kann wiederum über weitere Verbindungselemente 28 mit den Abstandsbolzen 90 verbunden werden, die zum Beispiel über entsprechende Öffnungen mit Innengewinden verfügen. Auf der Leiterplatte 88 ist ein hier nicht näher gezeigter und bezeichneter Empfänger angeordnet. Der Empfänger ist in der axialen Richtung 30 gegenüberliegend zur Lichtquelle 82 angeordnet, um das Licht der Lichtquelle 82 zu empfangen, wenn die Codierscheibe 84 durchlässig ist. An Stellen, wo die (sich drehende) Codierscheibe 84 lichtundurchlässig ist, empfängt der Empfänger kein Lichtsignal. Der Empfänger kann die Signale an eine ebenfalls nicht näher gezeigte und bezeichnete Auswerteeinrichtung leiten, die entweder in den Drehgeber 10 integriert ist oder extern zum Drehgeber 10 vorgesehen ist. Die Auswerteeinrichtung kann auf der Leiterplatte 88 angeordnet sein. Bei einer externen Anordnung der Auswerteeinrichtung erfolgt die Signalübertragung über den Anschluss 18.
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Zwischen der Leiterplatte 88 und den Verbindungselementen 28, die mit den Abstandsbolzen 90 verbunden sind, können Unterlegscheiben 92 angeordnet sein.
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Der Deckel 24 erstreckt sich im Wesentlichen in der axialen Richtung 30 und bildet so einen nicht näher bezeichneten Deckelmantel aus. Der Deckelmantel geht in eine Stirnseite über, die sich im Wesentlichen in der radialen Richtung 32 erstreckt und die im Wesentlichen parallel zur Leiterplatte 88 angeordnet ist. Die Stirnseite liegt der Leiterplatte 88 axial gegenüber. An einem radial innen liegenden Ende der Stirnseite kann eine weitere Dichtung 68 vorgesehen sein, die mit dem Deckel 24 in Verbindung steht. Auch diese Dichtung 86 ist gehäusefest und kann auf der Hohlwelle 34 gleiten. Des Weiteren kann eine zweite Schutzscheibe 94 radial außen zur Dichtung 68 vorgesehen sein. Die zweite Schutzscheibe 94 ist drehfest mit der Hohlwelle 34 verbunden und dient wiederum dem Schutz des (rechten) Wälzlagers 44 und der Dichtung 86.
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Des Weiteren kann axial zwischen dem Deckel 24 und der Dichtung 68 eine (elektrische) Isolierscheibe 96 vorgesehen sein, die gehäusefest angeordnet ist und die eine Übertragung von Strom bzw. Ladungen verhindert, die durch den reibenden Kontakt zwischen der Dichtung 68 und der Hohlwelle 34 entstehen können.
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4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2. Der Schnitt ist so gewählt, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Niederhalter 40 und dem Flansch 22 im linken Teil der 4 gut zu erkennen ist. Der Niederhalter 40 und der Flansch 22 weisen sich radial gegenüberliegende Ausnehmungen auf, die zur Aufnahme der Verbindungselemente 98 angepasst sind (zum Beispiel drei Schrauben im Abstand von jeweils 120°). Das gezeigte Verbindungselement 98 kann in Form einer Schraube realisiert sein, wobei die Aufnahmen dann durch Bohrungen mit entsprechenden Innengewinden realisiert sind. Der Niederhalter 40 wird, wenn man die Schrauben anzieht, kraftschlüssig gegen den Flansch 22 gedrückt, wie es in der 4 durch einen Pfeil 100 verdeutlicht ist. Es versteht sich, dass andere mechanische Konstruktionen gewählt werden können, um den Niederhalter 40 unter Zug oder Druck gegenüber dem Flansch 22 zu verspannen. Da der Drehgeber 10 radial sehr kompakt baut, kann die Isolierhülse 58 eine entsprechende Aussparung im Bereich der Schraube 28 aufweisen, wie es exemplarisch in 6 in Form einer axial verlaufenden Nut im Ring 78 angedeutet ist.
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7 zeigt einen in der 3 mit einer Strichlinie umrandeten Bereich VII in vergrößerter Darstellung. Die Vergrößerung wurde so gewählt, dass ein Luftspalt 102, der sich sowohl in der radialen Richtung 32 als auch in der axialen Richtung 30 erstreckt, gut zu erkennen ist. Der Luftspalt 102 ist in 7 durch zwei dunkle axiale Pfeile verdeutlicht. Der Luftspalt 102 wird von dem ersten Isolierring 60, dem zweiten Lagerteil 54 des linken Radiallagers 38, der Isolierhülse 58 und dem Flansch 22 umgeben. Es versteht sich, dass auf der axial gegenüberliegenden Seite ein entsprechender Luftspalt zwischen dem zweiten Isolierring 62, dem zweiten Lagerteil 54 des rechten Wälzlagers 44 und dem Niederhalter 40 (siehe auch 3) vorgesehen ist. Diese Luftspalte 102 müssen in der axialen Richtung 30 nicht unbedingt gleich groß sein. Eine axiale Breite der Luftspalte 102 – und somit die axiale Position der Isolierhülse 58 relativ zum Radiallager 38 – ist so gewählt, dass die sich unter Wärmeeinwirkung ausdehnende Isolierhülse 58 ein axiales Spiel hat, während auf die Gesamtanordnung keine axialen Kräfte aufgrund der Wärmeausdehnung des Isolierkörpers 42 wirken. Derartige Axialkräfte beeinflussen die Auflösung der Sensoreinheit 36, die maßgeblich von der Einhaltung der Axialabstände A1 und A2 abhängt.
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Die Isolierringe 60 und 62 sind aus einem Material hergestellt, das sich unter Wärme, wie sie durch Reibung bei einer sich drehenden Geberwelle immer entsteht, nahezu nicht ausdehnt. Ein Vorteil dieses Isolierkörpers 42 gegenüber konventionellen Keramiklagern ist in der kostengünstigeren Herstellung zu sehen. Außerdem können Sensoreinheiten 36 eingesetzt werden, die extrem empfindlich auf einen axialen Versatz reagieren.
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Vorzugsweise ist die Isolierhülse 58 in der radialen Richtung 32 so eng gespannt (Presssitz), dass sich der thermoplastische Werkstoff, aus dem die Isolierhülse 58 hergestellt ist, nur in der axialen Richtung 30 ausdehnen kann. Die Luftspalte 102 kompensieren somit die (axiale) Ausdehnung der Isolierhülse 58 bei Wärmeeinwirkung, ohne dass es zu einem axialen Versatz, insbesondere der Sensoreinheit 36, kommt.
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Die Isolierringe 60 und 62 werden vorzugsweise aus einem glasverstärkten Epoxidlaminat hergestellt, wie zum Beispiel aus FR4. FR4 ist ein Verbundwerkstoff, der Glasfasern aufweist, die in ein Epoxidharzbindemittel gebettet sind, welches feuerbeständig ist. Das Epoxidharz wirkt als Isolierstoff. Das Epoxidharz wird mit dem Trägermaterial (zum Beispiel Glasfilamentgewebe) verpresst. Der Werkstoff, der für den ersten und zweiten Isolierring 60 und 62 verwendet wird, zeichnet sich durch eine gute Verarbeitbarkeit sowie elektrische und mechanische Isolationsfähigkeiten aus und besitzt eine hohe Tragfähigkeit gegenüber Druckbelastungen. Insbesondere FR4 ist ein hochwertiger günstiger Werkstoff, der sich durch seine Flammwidrigkeit besonders auszeichnet. Die elektrische Isolierfähigkeit geht auch bei hohen Temperaturen nicht verloren. FR4 lässt sich spanend bearbeiten.
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Die Isolierhülse 58 ist insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt (Spritzguss).
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Die Isolierhülse 58 ist ausgebildet, radial auf die Lagerbaugruppe 14 wirkende Betriebskräfte aufzunehmen, während die beiden Isolierringe 60 und 62 axiale Betriebskräfte aufnehmen. Der Isolierkörper 42 wird durch einen Spannverband (Flansch 22 und Niederhalter 40) in Position gehalten. Durch das Aufspalten der isolierenden Umhüllung können thermale Längenausdehnungen des thermoplastischen Kunststoffs kompensiert werden. Durch Kombination mit den Isolierringen 56 und 58 mit der Lagerbaugruppe 14 kann eine minimale axiale Längenausdehnung erzielt werden. Auf den Einsatz von isolierenden teuren Keramik-Kugellagern kann verzichtet werden. Positionsunempfindliche Sensoreinheiten, die aber üblicherweise eine sehr eingeschränkte Auflösung aufweisen, können durch positionsempfindliche, aber hinsichtlich ihrer möglichen Auflösungen flexibleren, Sensoreinheiten ersetzt werden.
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In der oben angeführten Beschreibung wurden gleiche Teile und Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sind sinngemäß auf gleiche Teile und Merkmale mit denselben Bezugszeichen übertragbar. Lage- und Orientierungsangaben (zum Beispiel ”oben”, ”unten”, ”seitlich”, ”längs”, ”horizontal”, ”vertikal” und Ähnliches) sind auf die unmittelbar beschriebene Figur bezogen. Bei einer Änderung der Lage oder Orientierung sind diese Angaben aber sinngemäß auf die neue Lage bzw. Orientierung zu übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehgeber
- 12
- Gehäuse
- 14
- Lagerbaugruppe
- 16
- Statorkupplung
- 18
- Anschluss mit Schutzkappe
- 20
- Drehachse
- 22
- Flansch
- 24
- Deckel
- 26
- Drehmomentstütze
- 28
- Verbindungselemente/Schrauben
- 30
- axiale Richtung
- 32
- radiale Richtung
- 34
- Hohlwelle
- 36
- Sensoreinheit
- 38
- Radiallager
- 40
- Niederhalter
- 42
- Isolierkörper
- 44
- Wälzlager
- 46
- Distanzring
- 48
- Manschette
- 50
- Klemmring
- 52
- 1. Lagerteil
- 54
- 2. Lagerteil
- 56
- Wälzkörper
- 58
- Isolierhülse
- 60
- 1. Isolierring
- 62
- 2. Isolierring
- 64
- Öffnungen in 22
- 66
- 1. Schutzscheibe
- 68
- Dichtung
- 70
- radialer Vorsprung
- 72
- Montagerichtung
- 74
- O-Ring
- 76
- Zylinder
- 78
- Ring
- 80
- innere Kontur von 22
- 82
- Lichtquelle/LED
- 84
- Inkrementalscheibe/Codierscheibe
- 86
- Tellerring
- A1
- Abstand zwischen 84 und 40
- A2
- Abstand zwischen 84 und 88
- 88
- Leiterplatte
- 90
- Abstandsbolzen
- 92
- Unterlegscheiben
- 94
- 2. Schutzscheibe
- 96
- Isolierscheibe
- 98
- Verbindungselement zwischen 40 und 22
- 100
- Druckkraft
- 102
- Spalt
