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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Anlaufpilz, sowie einer elektrischen Maschine aufweisend einen solchen, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
DE102007018037 A ist ein Anlaufpilz eines Elektromotors bekannt geworden, bei dem um eine zentrale ballige Anlaufkuppe um diese herum eine Fetttasche angeordnet ist, die über die gesamte Betriebsdauer Fett für die Schmierung der Anlaufkuppe zur Verfügung stellt. Nachteilig bei solch einer Ausführung ist die relativ geringe Selbsthemmung durch die näherungsweise punktförmige Anlage der zentralen Anlaufkuppe, wobei durch den Verschleiß der Anlaufkuppe die Anlagefläche über die Lebensdauer zunimmt. Dadurch bleibt die Selbsthemmung über die Lebenszeit nicht konstant, und es liegen daher keine definierten Reibverhältnisse vor. Diesen Nachteil soll unsere erfindungsgemäße Ausführung beheben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Anlaufpilz, sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung einer definierten Anlauffläche am Anlaufpilz über die gesamte Lebensdauer der elektrischen Maschine – selbst bei einem Abrieb der Anlauffläche – ein relativ konstantes Reibmoment zu Verfügung steht. Durch die Ringform der Anlauffläche ist gegenüber einer zentralen Anlaufkuppe der Reibradius der Ankerwelle am Gehäuse größer, wodurch die Selbsthemmung erhöht wird. Auch bei einer Abnutzung der Anlauffläche bleibt die Form und der Radius des Anlaufrings nahezu unverändert. Aufgrund des kreisförmigen Umfangs der Anlauffläche ist das Reibmoment auch über eine gesamte Umdrehung der Rotorwelle sehr gleichmäßig. Durch die größere Anlagefläche wird vorteilhaft der Abrieb reduziert, wodurch sich auch das Axialspiel vorteilhaft über die Lebensdauer nur geringfügig ändert.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. Besonders einfach wird die Ringform der Anlauffläche durch die Ausbildung einer zentralen Vertiefung in der Stirnfläche des Anlaufpilzes realisiert. Wird diese Aussparung kreisförmig ausgeformt, bildet deren äußerer Umfang den Innenumfang der ringförmigen Anlauffläche. Dadurch entfällt der zentrale Anlagepunkt, der bei einem herkömmlichen balligen Anlaufpilz zu starken Veränderungen der Reibeigenschaften führt.
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Besonders günstig ist es, wenn die Anlauffläche keine Wölbung aufweist, sondern eben ausgebildet ist. Eine solche ebene Fläche, die näherungsweise parallel zur Gegenfläche des Gehäuses ausgerichtet ist, weist einen deutlich geringeren Verschleiß auf, als eine gewölbte Anlaufkuppe. Dadurch ist der Reibwert schon zu Beginn der Lebensdauer der elektrischen Maschine relativ hoch ausgebildet und die Größe der Reibfläche bleibt besonders vorteilhaft über die gesamte Laufzeit praktisch konstant.
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Weist die Anlauffläche an ihren radialen Rändern eine Fase auf, wird verhindert, dass über die Lebensdauer aufgrund der – wenn auch geringen – Abnutzung ein Grat entsteht, der das Reibverhalten ungünstig, da insbesondere undefiniert, beeinflussen würde. Die Fasen können zusammen mit der zentralen Aussparung in einem Prozess-Schritt mit der Herstellung des Anlaufpilzes beispielsweise durch Spritzgießen ohne Zusatzaufwand angeformt werden.
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Besonders vorteilhaft erweist sich für Stellantriebe im Kraftfahrzeug die Ausbildung einer Anlauffläche mit einem inneren Radius von 1,0 bis 1,5 mm und einem äußeren Radius von 2,0 bis 3,0 mm, da hierdurch ein ausreichend hohes Reibmoment für die Selbsthemmung des Antriebs erzielt wird. Für einen Fensterheberantrieb wird beispielsweise durch einen inneren Radius von ungefähr 1,2 bis 1,3 mm und einem äußeren Radius von 2,4 bis 2,5 mm zusammen mit anderen Maßnahmen der Getriebeauslegung verhindert, dass sich die Fensterscheibe bei abgeschaltetem Fensterheberantrieb durch äußere Krafteinwirkung öffnen lässt.
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Um den Anlaufpilz auf der Rotorwelle zu befestigen, weist der Anlaufpilz an der der Anlauffläche gegenüberliegenden Rückseite einen axialen Fortsatz auf, der eine Drehsicherung gegenüber der Rotorwelle aufweist. Hierzu ist der Fortsatz bevorzugt als Mehrkant ausgebildet, der in eine korrespondierende Mehrkant-Ausnehmung am Ende der Rotorwelle eingreift. Besonders einfach kann der Fortsatz als Vierkant, insbesondere mit quadratischem Querschnitt, gefertigt werden. Der Fortsatz weist beispielsweise am freien Ende eine Einführfase auf, um einfacher in die Ausnehmung montiert werden zu können.
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Die ringförmige Anlauffläche und die radial zentrale Aussparung an der Stirnseite können fertigungstechnisch sehr günstig und variabel mittels Spritzguss-Verfahren hergestellt werden. Wird hierzu ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, können sowohl die Reibeigenschaften als auch die Lebensdauer optimiert werden. Insbesondere die Verwendung von tribologisch optimierten Kunststoffen (z.B. PEEK: Polyetheretherketon) mit Zuschlagstoffen verhindert einen zu großen Abrieb an der ringförmigen Anlauffläche, bei der durch den größeren Reibradius größere Reibkräfte wirken. Als Zuschlagstoffe kann beispielsweise Kohlefaser und/oder Graphit und/oder PTFE verwendet werden.
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Der durch die ringförmige Anlauffläche gebildete radial innere Hohlraum an der Stirnseite kann im Betrieb als Fettasche genutzt werden, die die Anlauffläche – begünstigt durch die Fliehkräfte bei hohen Drehzahlen – kontinuierlich mit Schmiermittel versorgt. Um einerseits ein ausreichendes Fettreservoir für die gesamte Lebensdauer bereitzustellen und andererseits den axialen Bauraum zu minimieren, bzw. die mechanische Stabilität des Anlaufpilzes nicht zu reduzieren, ist die zentrale Aussparung etwa 0,5 bis 1,0 mm tief ausgebildet, vorzugweise bei einem Durchmesser an der Stirnfläche von 2 bis 3 mm.
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Von besonderem Vorteil ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Anlaufpilzes für eine elektrische Maschine, die beispielsweise als Getriebe-Antriebseinheit ausgebildet ist, bei der ein Elektromotor ein Drehmoment an eine Getriebeeinheit überträgt. Wird der Anlaufpilz an einem axialen Ende der Rotorwelle drehfest fixiert – beispielsweise durch den Formschluss des axialen Fortsatzes – kann die Selbsthemmung der Getriebe-Antriebseinheit definiert eingestellt werden, wobei ein über die Lebensdauer konstantes Reibmoment erzielt wird, das gegenüber kuppenförmiger Anlaufkuppen einen höheren Wert aufweisen kann.
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In einer bevorzugten Ausführung stützt sich der Anlaufpilz gegen die Innenwand eines Poltopfes des Elektromotors ab. Zur Lagerung der Rotorwelle ist am Poltopf eine Aufnahme für ein Radiallager ausgeformt, in dem ein axiales Ende der Rotorwelle aufgenommen ist. Die Anlauffläche des Anlaufpilzes kann sich hier direkt an der axialen Innenfläche der Lager-Aufnahme abstützen, ohne dass weitere Anlaufscheiben notwendig wären. Die Verwendung von tribologisch optimierten Kunststoffen (z.B. PEEK mit Zuschlagstoffen) eignet sich hierbei besonders für den Anlauf an der Polgehäusewand aus Metall, die bevorzugt als Tiefziehteil hergestellt ist.
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Ist auf der Rotorwelle eine Schnecke angeordnet, die mit einem Schneckenrad des Getriebes kämmt, weist die Rotorwelle ein gewisses Axialspiel auf, das insbesondere bei der Drehrichtungsumkehr der Rotorwelle zu einer gewissen axialen Verschiebung der Rotorwelle führt. Zur Dämpfung dieses Axialspiels kann an der dem Anlaufpilz gegenüber liegenden Ende der Rotorwelle axial ein elastisches Element angeordnet werden, das auch einen eventuell auftretenden Abrieb an der Anlauffläche über die Lebensdauer ausgleicht.
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Bevorzugt wird eine solche elektrische Maschine als Getriebe-Antriebseinheit für Stell-Teile verwendet, mittels dem ein Stell-Teil linear in zwei Richtungen verstellt werden kann. Durch die definierte Einstellung der Selbsthemmung der Getriebe-Antriebseinheit, über den Reibradius der ringförmigen Anlauffläche, kann verhindert werden, dass beim Einwirken eines lastseitigen Moments auf das Getriebe, das Stell-Teil bei abgeschaltetem Elektromotor verstellt werden kann. Diese Funktion ist beispielsweise bei einer Anwendung für Fensterscheiben, Schiebedächern oder Sitzteilen besonders notwendig.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1: einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Anlaufpilzes
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2: einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit eingebautem Anlaufpilz
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3: eine Detailansicht der Rotorwellenlagerung gemäß 2
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Anlaufpilz 10 dargestellt, wie er zur axialen Abstützung einer Rotorwelle 58 einer elektrischen Maschine 50 verwendet wird. Der Anlaufpilz 10 weist eine Stirnseite 12 auf, die in eingebautem Zustand gegen eine Gegenfläche 60 des Gehäuses 56 der elektrischen Maschine 50 gerichtet ist. An der Stirnseite 12 ist eine Anlauffläche 14 ausgebildet, die beabstandet zu einer axialen Mittelachse 20 des Anlaufpilzes 10 angeordnet ist. Die Anlauffläche 14 ist als Kreisring 16 ausgebildet, der einen inneren Radius 21 und einen äußeren Radius 22 aufweist, die beispielsweise ungefähr 1,2 mm und ungefähr 2,4 mm betragen. Radial innerhalb der ringförmigen Anlauffläche 14 ist eine Aussparung 18 ausgeformt, deren Außenradius 24 an der Stirnseite 12 dem inneren Radius 22 entspricht. Die Aussparung 18 weist vorzugsweise eine Tiefe 26 von 0,5 mm bis 1,5 mm auf und ist im eingebauten Zustand als Reservoir für Schmiermittel geeignet, um die Anlauffläche 14 zu schmieren. Die Aussparung 18 weist im Ausführungsbeispiel eine Seitenwand 28 auf, die konisch ausgebildet ist. Die Seitenwand 28 bildet eine Fase 31 am inneren Radius 21 der Anlauffläche 14. Am äußeren Radius 22 ist ebenfalls eine Fase 32 angeformt. Die Fasen 31, 32 bilden vorzugsweise einen relativ kleinen Winkel zur Mittelachse 20 (beispielsweise kleiner als 40°), damit sich die Anlauffläche 14 bei einem Abrieb nicht wesentlich vergrößert.
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Die gesamte Anlauffläche 14 ist als ebene Fläche ausgebildet, die insbesondere näherungsweise senkrecht zur Mittelachse 20 ausgerichtet ist. Gegenüberliegend zur Anlauffläche 14 und der Aussparung 18 ist ein scheibenförmiger Trägerbereich 34 angeordnet, dessen Rückseite 36 im montierten Zustand am Ende 62 der Rotorwelle 58 anliegt. An der Rückseite 36 ist ein axialer Fortsatz 38 ausgebildet, der sich entlang der Mittelachse 20 erstreckt. Am freien Ende 40 des axialen Fortsatzes ist eine Einführfase 42 ausgebildet, über die der Anlaufpilz 10 leichter in eine korrespondierende Ausnehmung 64 am Ende 62 der Rotorwelle 58 eingefügt werden kann. Der Außenumfang 44 des axialen Fortsatzes 38 ist eckig ausgeführt und bildet als Drehsicherung einen Formschluss 46 mit der Ausnehmung 64. Beispielsweise ist der Außenumfang 44 als Dreieck, Viereck, Fünfeck, Sechseck oder Vieleck ausgebildet, die entsprechend einen Formschluss 46 bezüglich der Drehrichtung 19 mit der korrespondierenden Ausnehmung 64 bilden.
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Am freien Ende 40 ist bei dieser Ausführung ein Anspritzdom 48 ausgebildet. Der Anlaufpilz 10 ist als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet, und besteht aus einem teilkristallinen Thermoplast, insbesondere aus einem tribologisch optimierten Kunststoff (z.B. Polyetheretherketon) mit Zuschlagstoffen. Mittels Spritzgießen kann in einem Arbeitsgang die Anlauffläche 14, die Aussparung 18, und der axiale Fortsatz 38 an den scheibenförmigen Trägerbereich 34 angespritzt werden, so das der Anlaufpilz 10 als einstückiges – insbesondere homogenes – Bauteil hergestellt ist. Bis auf die Drehsicherung des Außenumfangs 44 ist der Anlaufpilz 10 rotationssymmetrisch zur Mittelachse 20 ausgebildet.
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In 2 ist eine elektrische Maschine 50 dargestellt, bei der ein Elektromotor 52 und ein Getriebe 54 – insbesondere ein Schneckengetriebe – eine Getriebe-Antriebseinheit 55 bilden, wie sie zum Verstellen eines Schiebedachs, einer Fensterscheibe oder eines Sitzteils im Kraftfahrzeug verwendet wird. Der Elektromotor 52 weist einen Stator 70 auf, bei dem Permanentmagnete 72 in einem Polgehäuse 74 angeordnet sind. Im Stator 70 ist ein Rotor 76 angeordnet, bei dem auf der Rotorwelle 58 ein Ankerpaket 66 mit Wicklungen 68 befestigt ist. Zur Übertragung des Drehmoments vom Elektromotor 52 ist auf der Rotorwelle 58 eine Schnecke 78 angeordnet, die in ein Schneckenrad 79 des Getriebes 54 eingreift. Das Schneckenrad 79 ist mit einem Abtriebsritzel 80 gekoppelt, an dem das Abtriebsmoment zum Verstellen eines beweglichen Teils – beispielsweise einer Fensterscheibe – zur Verfügung steht. An einem axialen Ende 82 der Rotorwelle 58 ist zwischen dieser und einer Wand 84 eines Gehäuses 56 der elektrischen Maschine 50 ein elastische Dämpfelement 84 – beispielsweise ein Dämpfgummi – angeordnet, um das Axialspiel auszugleichen, das insbesondere beim Drehrichtungswechsel der Rotorwelle 58 auftritt. Zwischen dem Dämpfelement 84 und dem Ende 82 ist eine zusätzliche separate Anlaufscheibe 83 angeordnet.
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Wirkt ein lastseitiges Drehmoment über das Abtriebsritzel 80 auf die Getriebe-Antriebseinheit 55 ein, muss die Selbsthemmung des Gesamtsystems so groß sein, dass sich die Rotorwelle 58 bei abgeschaltetem Elektromotor 52 nicht drehen lässt. Die Selbsthemmung wird maßgeblich von der Ausbildung des Getriebes 54 und der Lagerung der Rotorwelle 58 im Gehäuse 56 bestimmt. Die Selbsthemmung kann daher durch den erfindungsgemäßen Anlaufpilz 10 festgelegt werden, der an einem der beiden Enden 62 oder an beiden Enden 62, 82 der Rotorwelle 58 angeordnet ist. In 2 auf der linken Bildseite ist der Anlaufpilz 10 beispielsweise auf die axiale Stirnfläche 86 der Rotorwelle 58 aufgesteckt und stützt sich gegen das Polgehäuse 74 ab, das Teil des Gehäuses 56 ist. Das Polgehäuse 74 weist ein Lageraufnahme 88 auf, in die ein Radiallager 89 der Rotorwelle 58 eingesetzt ist, das insbesondere als Gleitlager ausgebildet ist, in dem die Rotorwelle 58 drehbar gelagert ist. Die Lageraufnahme 88 ist als topfförmige Ausstülpung 90 am Polgehäuse 74 ausgebildet und weist eine axiale Bodenfläche 92 auf, gegen die der Anlaufpilz 10 als Gegenfläche 60 anläuft.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Rotorwelle 58 mittels eines weiteren Lagers 96 – insbesondere einem Kalottenlager – gelagert, das an einem Bürstenträgerbauteil 98 gehalten wird, das axial zwischen dem Elektromotor 52 und dem Getriebe 54 angeordnet ist.
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Der Bereich der topfförmigen Ausstülpung 90 ist vergrößert in 3 dargestellt, bei dem die Bodenfläche 92 einstückig mit dem Polgehäuse 74 ausgebildet ist. Dabei ist das Polgehäuse 74 als Tiefziehteil aus Metall gefertigt, und der Anlaufpilz 10 aus Kunststoff liegt direkt – ohne Verwendung weiterer Anlaufelemente – an der Bodenfläche 92 aus Metall an. An der Bodenfläche 92 ist hierbei mittels plastischer Materialumformung als Gegenfläche 60 ein besonders ebener flächiger Bereich 93 ausgeformt, der sich näherungsweise senkrecht zur Mittelachse 20 des Anlaufpilzes 10 erstreckt. Der Kreisring 16 der Anlauffläche 14 liegt direkt an diesem Bereich 93 an, dessen Radius 94 größer ist als der äußere Radius 22.
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In der Ausführung in 3 ist der Durchmesser 95 der Trägerbereichs 34 geringfügig größer als der äußere Radius 22 mit der äußeren Fase 32 und stützt sich mit seiner Rückseite 36 an der Stirnfläche 86 der Rotorwelle 58 ab. Der Durchmesser 95 beträgt beispielsweise etwa 6 mm, wobei der Anlaufpilz 10 auf eine Welle von 6 mm bis 8 mm aufgesteckt werden kann. Der axiale Fortsatz 38 ist in die Ausnehmung 64 der Rotorwelle 58 eingesteckt und weist hier ein abgerundetes freies Ende 40 auf. Das Ende 62 der Ankerwelle 58 ist hier ebenfalls angefast, damit die Rotorwelle 58 in das Gleitlager 88 eingefügt werden kann.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der innere und der äußere Radius 21, 22 und die Tiefe 26 an die Leistung des Elektromotors 52 und Geometrie des Getriebes 54, und insbesondere an die konkrete Verstellanwendung angepasst werden. Ebenso kann die Form des axialen Fortsatzes 38 und der Formschluss mit dem Ende 62 der Rotorwelle 58 entsprechend variiert werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von Sitzteilen, Fensterscheiben Schiebedächern und Abdeckungen von Öffnungen, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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