DE102014018783A1

DE102014018783A1 - Geberanordnung für einen Drehmoment- und/oder Winkelsensor

Info

Publication number: DE102014018783A1
Application number: DE102014018783.7A
Authority: DE
Inventors: Sedat Sen; Peter Knoll; Julian Sandholzer; Gernot Ernstson; Sebastian Vinzenz
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23
Also published as: EP3234962A1; WO2016096179A1; CN107250731A; US20170328737A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geberanordnung (1) für einen Drehmoment- und/oder Winkelsensor, die einen rohrabschnittförmigen Magnetring (2) aufweist, der über ein Zwischenelement (4, 4') an einer Trägerhülse (3) befestigt ist, wobei das Zwischenelement (4) und der Magnetring (2) über gegeneinander gerichtete Fügeflächen (22, 42) stoffschlüssig miteinander verbunden sind und das Zwischenelement (4, 4') zumindest im Bereich der Fügefläche (42) aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Um eine Geberanordnung (1) anzugeben, die sich bei einer hohen Zuverlässigkeit einfacher fertigen und montieren lässt, schlägt die Erfindung vor, dass der Magnetring (2) als kunststoffgebundener Magnet ausgebildet ist aus einem mit magnetischen Partikeln gefüllten Kunststoffmaterial, welches stoffschlüssig mit dem Kunststoff des Zwischenelements (4, 4') verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Geberanordnung für einen Drehmoment- und/oder Winkelsensor, die einen rohrabschnittförmigen Magnetring aufweist, der über ein Zwischenelement an einer Trägerhülse befestigt ist, wobei das Zwischenelement und der Magnetring über gegeneinander gerichtete Fügeflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind und das Zwischenelement zumindest im Bereich der Fügefläche aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
In hilfskraftunterstützten Lenkungen von Kraftfahrzeugen wird das vom Fahrer über das Lenkrad in die Lenkwelle eingeleitete Lenk-Drehmoment erfasst und ein daraus abgeleitetes Hilfsmoment in die Lenkung eingekoppelt. Die Bestimmung des Drehmoments erfolgt durch die Messung des relativen Drehwinkels zwischen zwei über einen Drehstab gekoppelten Abschnitten der Lenkwelle, d. h. der drehmomentabhängigen Verdrehung. Der relative Drehwinkel kann mittels eines magnetischen Drehwinkelsensors erfasst werden, bei dem an dem einen Abschnitt der Lenkwelle ein Geberelement der eingangs genannten Art mit einem koaxialen Magnetring drehfest angebracht ist, und an dem anderen Abschnitt der Lenkwelle eine Magnetfeldsensoranordnung, welche Änderungen des Magnetfelds bei einer Relativverdrehung des besagten Magnetrings erfasst und als Steuergröße an die Hilfskraftregelung weitergibt. Darüber hinaus kann durch eine Auswertung der Änderungen des Magnetfelds des Magnetrings relativ zur feststehenden Fahrzeugkarosserie der Gesamtbetrag des Lenkwinkels bestimmt werden.
Im Stand der Technik ist aus der DE 10 2008 047 466 A1 eine Geberanordnung in Form einer Magnetbaugruppe bekannt. Die Befestigung auf einer Lenkwelle erfolgt mittels einer rohrabschnittförmigen Trägerhülse, welche drehfest koaxial zum ebenfalls rohrabschnittförmigen Magnetring angeordnet ist. Um zu vermeiden, dass beispielsweise bei Temperaturwechseln von der üblicherweise aus Metall bestehenden Trägerhülse mechanische Spannungen auf den Magnetring ausgeübt werden, wird hierbei ein Zwischenelement zwischen der Trägerhülse und dem Magnetring angeordnet, so dass der Magnetring lediglich mit dem Zwischenelement mechanisch gekoppelt und von der Trägerhülse entkoppelt ist. Dabei wird vorgeschlagen, den Magnetring mit dem aus Kunststoff gefertigten Zwischenelement im Spritzgießverfahren zu vergießen, so dass der Magnetring mit dem Kunststoff des Zwischenelements über Verzahnungs- bzw. Hinterschnittgeometrien form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Die Verbindung im Spritzgießverfahren durch Einlegen des Magnetrings in die Spritzgießform ist zwar zuverlässig, doch fertigungstechnisch aufwendig und unflexibel. Dieses Vorgehen im Stand der Technik erklärt sich daraus, dass das üblicherweise für den Magnetring verwendete ferromagnetische Sintermaterial relativ spröde und entsprechend empfindlich gegenüber mechanischen Spannungen ist. Die zusätzlich in der Fügefläche am Magnetring vorgesehenen Formschlusselemente – die vorgenannten Verzahnungs- bzw. Hinterschnittgeometrien – sind aufgrund der Materialeigenschaften des Sintermaterials bezüglich der Verbindung mit dem Kunststoff-Zwischenelement erforderlich und bedeuten einen zusätzlichen Fertigungsaufwand für den Magnetring.
Aus der EP 1 123 794 B1 ist es bekannt, den Magnetring als kunststoffgebundenen Magneten auszubilden, in Form eines mit Magnetpulver hochgefüllten Kunststoffteils. Die dadurch gewonnene höhere mechanische Belastbarkeit des Magneten soll für eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit einem Zwischenelement genutzt werden, welches in bekannter Weise mit der Trägerhülse verbunden ist. Wie bereits bei der vorgenannten DE 10 2008 047 466 A1 müssen ebenfalls Formschlusselemente realisiert werden, wodurch ein entsprechend hoher Fertigungs- und Montageaufwand entsteht.
Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten magnetischen Geberanordnungen sind die zur Realisierung erforderlichen aufwendigen Fertigungs- bzw. Montageverfahren.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Geberanordnung anzugeben, die sich bei einer hohen Zuverlässigkeit einfacher fertigen und montieren lässt.
Darstellung der Erfindung
Zur Lösung der vorgenannten Problematik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Magnetring als kunststoffgebundener Magnet ausgebildet ist aus einem mit magnetischen Partikeln gefüllten Kunststoffmaterial, welches stoffschlüssig mit dem Kunststoff des Zwischenelements verbunden ist.
Der Magnetring eines erfindungsgemäßen Geberelements besteht aus einem Verbundwerkstoff, bei dem ferromagnetisches Magnetpulver – bevorzugt Hartferrit- oder Seltenerdmagnetpulver – in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die magnetischen Eigenschaften werden durch das magnetisierbare Material und den Füllgrad bestimmt, welches den Gewichtsanteil des Magnetpulvers im Verhältnis zum Kunststoffmaterial der Kunststoffmatrix angibt. Dadurch, dass die Magnetpartikel adhäsiv und kohäsiv in der Kunststoffmatrix gebunden sind, ergeben sich vorteilhafte Eigenschaften des Magnetrings, nämlich eine höhere mechanische und thermische Stabilität und Bruchfestigkeit. Dieser Umstand wird wie beschrieben im Stand der Technik zur form- und kraftschlüssigen Fixierung des Magnetrings genutzt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es erstmals, die bisher aufwendige Anbringung des Magnetrings an dem Zwischenelement erheblich zu vereinfachen, indem anstelle einer form- bzw. kraftschlüssigen Verbindung eine haltbare stoffschlüssige Verbindung zwischen den gegeneinander gerichteten, d. h. aneinander anliegenden Fügeflächen von Magnetring und Zwischenelement erzeugt wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem zur Einhaltung der vorgegebenen Sicherheitsstandards bei der Befestigung des Magnetrings an der Trägerhülse aufwendige kombinierte Fügetechniken erforderlich sind, wird erfindungsgemäß eine besonders sichere, dauerhaft feste und zuverlässige Verbindung durch Stoffschluss ermöglicht.
Der besondere Vorteil der Erfindung basiert darauf, dass feste stoffschlüssige Verbindungen nur dann hinreichend haltbar realisiert werden können, wenn beide Fügepartner – hier der Magnetring und das Zwischenelement – zumindest im Bereich ihrer Fügeflächen Materialien aufweisen, welche für eine stoffschlüssige Verbindung kompatibel, d. h. möglichst gut geeignet sind. Bei der Erfindung kann dies dadurch realisiert werden, dass die Kunststoffmatrix des Magnetrings und der Kunststoff, aus dem das Zwischenelement besteht, aus Kunststoffmaterialien ausgewählt werden, welche hinsichtlich der Parameter, welche die Festigkeit einer stoffschlüssigen Verbindung definieren, wie beispielweise materialspezifisches Adhäsionsverhalten, Oberflächenbeschaffenheit etc., zueinander kompatibel sind. Konkret wird zur Realisierung der Erfindung die Kunststoffmatrix, in die das magnetische Material eingebettet ist, mit dem Kunststoff, aus dem das Zwischenelement gefertigt ist, entsprechend abgestimmt.
Im Hinblick auf eine rationelle Herstellung einer erfindungsgemäßen Geberanordnung ist es vorteilhaft, dass der Magnetring und das Zwischenelement einzeln bereitgestellt werden können und erst bei der Montage der Trägerhülse stoffschlüssig zusammengefügt werden. Dies ermöglicht einen geringeren Herstellungsaufwand und eine größere Flexibilität als bei den im Stand der Technik bekannten Geberanordnungen.
Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Kunststoff des Zwischenelements und das Kunststoffmaterial des Magnetrings bezüglich einer stoffschlüssigen Verbindung kompatible thermoplastische Polymere sind. Thermoplastische Polymere können hinsichtlich ihrer mechanischen, thermischen und chemischen Materialeigenschaften an die unterschiedlichsten Anforderungen angepasst werden und lassen sich mittels thermischer Fertigungsverfahren gut verarbeiten, beispielsweise im Kunststoff-Spritzguss. Auf diese Weise können sowohl das Zwischenelement, als auch der Magnetring mit geringem Aufwand kostengünstig als Spritzgussteile hergestellt werden. Bei der Kunststoffmatrix des Magnetrings wird berücksichtigt, dass ein hinreichend hoher Füllgrad mit magnetischen Partikeln und eine Verarbeitung mittels etablierter thermischer Kunststoffverarbeitungs-Verfahren wie Spritzgießen, Warmumformen und dergleichen möglich ist. Das Kunststoffmaterial des Zwischenelements weist bevorzugt eine ähnliche oder identische Polymermatrix wie der Magnetring auf. Dadurch wird erreicht, dass mittels thermischer Fügetechniken eine besonders sichere stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden kann, mit einer homogen über die Fügestelle durchgehenden Materialstruktur, d. h. bei welcher der Kunststoffs in der Fügestelle identische Materialeigenschaften hat wie innerhalb der Fügepartner. Eine stoffschlüssige Verbindung mittels Verklebung ist dadurch ebenfalls besonders sicher und haltbar realisierbar, dass der verwendete Klebstoff optimal auf das eine gemeinsam für Magnetring und Zwischenelement verwendete Kunststoffmaterial, oder die kompatiblen und somit ähnlichen Kunststoffmaterialien angepasst werden kann. Dadurch ist eine feste und sichere Haftung an den Fügeoberflächen von Magnetring und Zwischenelement gleichermaßen gewährleistet.
Als thermoplastische Polymere können beispielweise Polyamide (PA), Polypropylene (PP), Polyphenylensulfide (PPS) oder andere thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise ist das Zwischenelement und/oder der Magnetring als Spritzgussteil ausgebildet. Die Fertigung im Kunststoff-Spritzguss kann mit den geforderten Eigenschaften rationell erfolgen. Der Magnetring kann alternativ als Pressteil ausgebildet sein, wobei ein höherer Füllgrad mit magnetischen Partikeln realisierbar ist.
Bevorzugt ist das Kunststoffmaterial, aus dem der Magnetring gefertigt ist, mit magnetischen Partikeln hoch gefüllt, vorzugsweise mit einem Füllgrad zwischen 80% und 97% bezogen auf die Masse. Für eine Fertigung im Spritzguss ist der Bereich von 84%–94% besonders geeignet, in einem Pressteil bis zu 97%.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind das Zwischenelement und der Magnetring verschweißt, bevorzugt ultraschallverschweißt. Bei der Verschweißung wird das Kunststoffmaterial im Bereich beider Fügeflächen thermisch lokal aufgeschmolzen und miteinander in Kontakt gebracht, so dass beim Erstarren der Schmelze ein homogen durchgehendes Materialgefüge entsteht. Zur stoffschlüssigen Verbindung von Kunststoffteilen sind Reibschweißverfahren, hier allgemein gleichbedeutend als Ultraschallverschweißung bezeichnet, besonders gut geeignet. Dabei werden über einen Schweißstempel, beim Ultraschallschweißen über eine sogenannte Sonotrode, Schwingungen in die Fügestelle eingekoppelt, wobei sich die Fügeflächen durch die entstehende innere Molekular- und Grenzflächenreibung lokal aufschmelzen und miteinander verbunden werden. Nach dem Erstarren bilden der Magnetring und das Zwischenelement zusammen ein einstückiges Bauelement, welches durch die stoff- bzw. hier materialschlüssige Verbindung der beteiligten Kunststoffe nicht mehr zerstörungsfrei aufgetrennt werden kann. Alternativ zur Ultraschallverschweißung kann auch eine Schweißung mittels Laserstrahl eingesetzt werden.
Zur Verbesserung der Ultraschallverschweißung ist es weiterhin vorteilhaft, dass an dem Zwischenelement und/oder an dem Magnetring relativ zur Fügefläche vorstehende Schweißmaterialreservoirs ausgebildet sind. Diese werden auch als Schweißvorbereitungen bezeichnet und können durch Rippen oder Vorsprünge gebildet werden, die auf der jeweiligen Fügeoberfläche des oder der Fügepartner ausgebildet sind. Beim Zusammenbringen der Fügeoberflächen kommen die Schweißvorbereitungen zuerst miteinander in Kontakt, schmelzen auf und füllen den Fügespalt stoffschlüssig aus. Dadurch wird die Qualität der Verschweißung innerhalb relativ großer Maßtoleranzen gewährleistet.
Eine alternative Gestaltung der stoffschlüssigen Verbindung sieht vor, dass das Zwischenelement und der Magnetring miteinander verklebt sind. Die Verklebung erfolgt mittels eines Klebstoffs, der möglichst optimal am Kunststoffmaterial sowohl des Magnetrings als auch des Zwischenelements haftet. Bei der Erfindung ist kann dies dadurch erreicht werden, dass kompatible Kunststoffe eingesetzt werden, welche identische oder zumindest sehr ähnliche Hafteigenschaften bezüglich einer stoffschlüssigen Verbindung mittels des Klebstoffs aufweisen. In an sich bekannter Weise kann der Klebstoff auf eine oder beide Fügeflächen aufgetragen werden, die anschließend in Kontakt gebracht werden. Die Montage des Magnetrings und des Zwischenelements zusammen mit der Trägerhülse kann auf diese Weise effizient erfolgen.
Vorzugsweise ist der Magnetring auf einer im Wesentlichen axialen Stirnfläche mit einer axialen Stirnfläche des Zwischenelements verbunden. Dabei kann auf einer Stirnseite des im Wesentlichen rohrabschnittförmigen Magnetrings eine kreisringförmige oder kreisringsegmentförmige Fügefläche ausgebildet sein, die mit einer entsprechenden Fügefläche am Zwischenelement korrespondiert.
Zur relativen Ausrichtung oder Fixierung können im Bereich der Fügeflächen Formschlusselemente an dem Magnetring und/oder dem Zwischenelement angeordnet sein. Die Formschlusselemente können beispielsweise miteinander korrespondierende Vorsprünge und Vertiefungen aufweisen, die beim Zusammenfügen der Fügeflächen ineinander greifen. Alternativ ist es denkbar, Positionierstifte durch korrespondierende Öffnungen oder Ausnehmungen im Magnetring und im Zwischenelement formschlüssig einzusetzen. Dadurch kann eine optimale relative Positionierung während der Montage des Magnetrings am Zwischenelement sichergestellt werden. Nach der Montage der stoffschlüssigen Verbindung können die Positionierstifte wieder entfernt werden, oder im Bauteil verbleiben.
Die Trägerhülse kann rohrabschnittförmig ausgebildet sein und in einem Endbereich ein radial nach außen vorstehendes Befestigungselement aufweisen. Das Befestigungselement kann flanschartig ausgebildet sein, mit einem außen durchgehend umlaufenden Bund oder Flanschring, oder einer Mehrzahl von radial nach außen von dem Rohrabschnitt vorstehenden Vorsprüngen oder Flanschsegmenten. Der Flanschring oder die Flanschsegmente können mit dem Zwischenelement verbunden sein, beispielsweise über eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung. Das Befestigungselement kann am stirnseitigen Ende oder mit Abstand zum Ende angeordnet sein.
Zur axialen Fixierung kann das Befestigungselement axial formschlüssig zwischen gegeneinander gerichteten Stirnseiten von Magnetring und Zwischenelement angeordnet sein. Wie oben bereits beschrieben, wird durch die erfindungsgemäße Verbindung von Magnetring und Zwischenelement ein einstückiges Bauteil gebildet. Wird im Bereich der Fügeebene im Magnetring und/oder im Zwischenelement eine axial offene Ausnehmung vorgesehen, die ein Befestigungselement der Trägerhülse aufnimmt, ist diese nach dem erfindungsgemäßen Fügen zwischen Stirnseiten von Magnetring und Zwischenelement axial formschlüssig gehalten. In radialer Richtung kann Spiel vorhanden sein, so dass eine thermische Ausdehnung der typischerweise aus Metall, bevorzugt aus Stahl bestehenden Trägerhülse keine Spannungen auf den Magnetring überträgt.
Alternativ kann das Zwischenelement axial zwischen gegeneinander gerichteten Stirnseiten von Magnetring und Befestigungselement angeordnet ist. Hierzu kann das Zwischenelement als durchgehender Ring ausgebildet sein oder eine Mehrzahl von segmentartig angeordneten Zwischenelementen aufweisen, wobei auf der einen axialen Stirnseite des Rings oder der Zwischenelemente die Stirnseite des Magnetrings erfindungsgemäß stoffschlüssig befestigt ist, und auf der gegenüberliegenden axialen Stirnseite das oder die Befestigungselemente der Trägerhülse befestigt ist. Vorzugsweise kann das Befestigungselement zumindest eine axiale Durchbrechung aufweisen, die zumindest teilweise von einem Zwischenelement durchsetzt wird. Dadurch kann eine formschlüssige Verbindung realisiert werden, welche eine sichere Verbindung zwischen dem aus Kunststoff bestehenden Zwischenelement und der metallischen Trägerhülse sicherstellt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Geberanordnung umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines kunststoffgebundenen Magnetrings,
– Stoffschlüssiges Verbinden des Magnetrings mit einem Zwischenelement aus Kunststoff,
– Befestigen des Zwischenelements an einer Trägerhülse.

Dabei kann wie oben beschrieben das stoffschlüssige Verbinden des Magnetrings mit dem Zwischenelement erfolgen, bevor die Trägerhülse am Zwischenelement angebracht wird – oder – die Trägerhülse wird beim stoffschlüssigen Verbinden zwischen dem Magnetring und dem Zwischenelement formschlüssig eingeschlossen oder umgriffen.
In jedem der vorgenannten Fälle sorgt die erfindungsgemäße stoffschlüssige Verbindung für einen relativ geringen Fertigungsaufwand und eine einfache und dabei sichere Montage der Trägerhülse.
Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Geberanordnung in perspektivischer Ansicht,
2 einen Längsschnitt durch die Geberanordnung gemäß 1,
3 eine Explosionsdarstellung der Geberanordnung gemäß 1,
4 einen Längsschnitt wie in 2 durch die Elemente der Geberanordnung vor der Montage,
5 eine Detailansicht der Schnittdarstellung aus 2,
6 einen teilweisen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geberanordnung,
7 einen teilweisen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geberanordnung,
8 einen teilweisen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geberanordnung,
9 einen teilweisen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geberanordnung,
10 einen teilweisen Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geberanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein erfindungsgemäße Geberanordnung 1 in einer perspektivischen Ansicht schräg zur Längsachse A dargestellt. Diese wird gebildet durch einen Magnetring 2 und eine Trägerhülse 3, die an dem Magnetring 2 über ein im Wesentlichen ringförmiges Zwischenelement 4 angebracht ist.
Das Zwischenelement 4 hat eine ringförmige Grundform und weist auf seiner gegen den Magnetring 2 gerichteten axialen Stirnseite 41 eine Fügefläche 42 auf. Das Zwischenelement 4 ist aus Kunststoff ausgebildet, bevorzugt als Spritzgussteil aus einem ersten thermoplastischen Kunststoff.
Der Magnetring 2 hat die Grundform eines zylindrischen Rohrabschnitts mit einer gegen das Zwischenelement 4 gerichteten axialen Stirnseite 21, auf der eine Fügefläche 22 ausgebildet ist, welche mit der Fügefläche 42 des Zwischenelements 4 korrespondiert. Der Magnetring 1 ist als kunststoffgebundener Magnet ausgebildet, aus einem mit Magnetpulver hoch gefüllten Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmaterial ist bevorzugt ebenfalls ein thermoplastischer Kunststoff, in dessen Kunststoffmatrix die ferromagnetischen Magnetpartikel des Magnetpulvers eingebettet sind.
Erfindungsgemäß sind das Kunststoffmaterial, aus dem das Zwischenelement 4 gebildet wird, und das Kunststoffmaterial, welches die Kunststoffmatrix des Magnetrings 2 bildet, kompatibel zueinander bezüglich einer stoffschlüssigen Verbindung, hier bevorzugt einer thermischen Verschweißung. Es ist denkbar, dass das erste und zweite Kunststoffmaterial gebildet werden aus einem identischen Polymer – beispielsweise Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyphenylsulfid (PPS) oder andere – oder zumindest aus ähnlichen, kompatiblen Polymermaterialien, die eine stoffschlüssige Verbindung in der Schmelze ermöglichen zur thermischen Verschweißbarkeit, beziehungsweise kompatibel sind bezüglich ihrer Oberflächeneigenschaften hinsichtlich einer stoffschlüssigen Verbindung mittels eines zwischen die Fügeflächen 22 und 42 eingebrachten Klebstoffs.
Die Trägerhülse 3 hat einen zylindrisch-rohrförmigen Grundkörper aus Metall, bevorzugt aus Stahl, der mit radialem Spiel koaxial innerhalb des Magnetrings 2 angeordnet wird und an seinem dem Zwischenelement 4 zugewandten Ende einen radial nach außen vorstehenden, ringförmig umlaufenden Flansch 31 aufweist, welcher ein Befestigungselement der Trägerhülse 3 bildet. Die eine axiale Stirnseite 32 des Flansches 31 ist axial gegen das Zwischenelement 4 gerichtet, die andere axiale Stirnseite 33 gegen den Magnetring 2. Der Flansch 31 kann Formschlusselemente 34 aufweisen, die im dargestellten Beispiel als radiale Ausnehmungen im Außenumfang ausgebildet sind.
Zur Fertigung einer Geberanordnung 1 werden der Magnetring 2, das Zwischenelement 4 und die Trägerhülse 3 bereitgestellt und aus der in 3 und 4 dargestellten Vormontageposition in axialer Richtung gegeneinander bewegt, wobei der Flansch 31 der Trägerhülse 3 axial zwischen Magnetring 2 und Zwischenelement 4 positioniert wird, wie in 2 gezeigt.
Aus der vergrößerten Darstellung in 5 ist erkennbar dass das Zwischenelement 4 radial innerhalb der Fügefläche 42 eine axiale Ausnehmung 43 aufweist, in welcher der Flansch 31 der Trägerhülse 3 wie dargestellt aufgenommen wird. Durch eine stoffschlüssige Verbindung des Zwischenelements 4 mit dem Magnetring 2 an den Fügeflächen 22 und 42 wird ein einstückiges Verbundbauteil gebildet, wobei der Flansch 31 der Trägerhülse 3 in der nunmehr axial abgedeckten Ausnehmung 43 axial formschlüssig gehalten wird. Dabei wird zwischen der Trägerhülse 3 und dem Magnetring 2 keine stoff- oder formschlüssige Verbindung hergestellt, so dass die Übertragung von mechanischen Spannungen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung, von der metallischen Trägerhülse 3 auf den Magnetring 2 ausgeschlossen wird.
Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den axial gegeneinander anliegenden Fügeflächen 22 und 42 kann durch ein thermisches Schweißverfahren hergestellt werden, bevorzugt durch Reib- bzw. Ultraschallschweißen. Hierzu wird der Magnetring 2 axial abgestützt, während ein Schweißstempel 5, bevorzugt eine Sonotrode 5 eines Ultraschall-Schweißgeräts, axial von außen, d. h. von der freien Stirnseite im Bereich der Fügefläche 42 axial gegen das Zwischenelement 4 angedrückt wird, wie in 5 mit dem Pfeil angedeutet. Dabei wird die Fügefläche 42 gegen die korrespondierende Fügefläche 22 am Magnetring 2 angepresst und Schwingungsenergie eingekoppelt, wodurch die Fügeflächen 22 und 42 aufgeheizt und teilweise aufgeschmolzen werden.
Die Fügefläche 22 des Magnetrings 2 weist einen axial vorstehenden Vorsprung 23 auf, der in der dargestellten Ausführung als umlaufende Rippe mit schneidenförmigem Querschnitt ausgebildet ist. Dadurch wird ein Schweißmaterialreservoir bereitgestellt, welches bereits zu Beginn der Verschweißung, wenn zuerst der Vorsprung 23 mit der Fügefläche 42 in Kontakt kommt, aufgeschmolzen wird. Der schmelzflüssige oder zumindest teigige Kunststoff verteilt sich im Fügespalt zwischen den Fügeflächen 22 und 42, wobei es im Grenzflächenbereich zu einer Diffusion oder Vermischung der Kunststoffmaterialien von Magnetring 2 und Trägerhülse 4 kommt.
Im Bereich der Fügefläche 42 kann ebenfalls ein Formschlusselement 44 in Form einer axial vorstehenden, ringförmig umlaufenden Rippe ausgebildet sein. Diese kann in eine korrespondierende Vertiefung 24 in der Fügefläche 22 eingreifen. Dadurch kann das Zwischenelement 4 leicht relativ zum Magnetring 2 positioniert werden.
Nach dem Ende der Ultraschall-Anregung erstarrt der Kunststoff im Fügebereich, so dass eine stoffschlüssige Verbindung ensteht und aus dem Zwischenelement 4 und dem Magnetring 2 ein einstückiges Verbundbauteil aus Kunststoff gebildet wird. In der dabei durch die Ausnehmung 43 und die Stirnseite 21 begrenzten radialen Ausnehmung wird der Flansch 31 bezüglich der axialen Richtung formschlüssig fixiert.
Alternativ kann ein flüssiger oder pastöser Klebstoff zwischen die Fügeflächen 22 und 42 eingebracht werden, der im Hinblick auf eine stoffschlüssige Verbindung optimal an die Kunststoffmaterialen des Magnetrings 2 und des Zwischenelements 4 angepasst ist.
6 zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform, bei der ein Zwischenelement 4' ringförmig ausgebildet ist und zwischen der Stirnseite 21 des Magnetrings 2 und der rückseitigen Stirnseite 33 des Flansches 31 angeordnet ist. Dabei ist die Stirnseite 41 mit der Stirnseite 21 im Bereich von hier nicht separat eingezeichneten Fügeflächen, die analog zu der vorgenannten Ausführungsform ausgebildet sein können, stoffschlüssig verbunden. Mit der axial gegenüberliegenden Stirnseite 45 ist das Zwischenelement 4 mit der Stirnseite 33 der Trägerhülse 3 fest verbunden.
In der Ausführung gemäß 7 weisen der Flansch 31 und das Zwischenelement 4' fluchtende axiale Durchbrechungen bzw. Öffnungen 35 und 46 auf, welche mit einer Ausnehmung 25 in der Stirnseite 21 des Magnetrings 2 fluchten. In die Ausnehmung 25 kann durch die Durchbrechungen 35 und 46 hindurch ein Positionierstift 6 eingesetzt werden, um die Bauteile 2, 3 und 4' bei der Montage exakt relativ zueinander zu positionieren. Nach der Montage kann der Positionierstift 6 in axialer Richtung wieder herausgezogen werden, was mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
Eine ähnliche Ausführungsform wie 6 zeigt 8, wobei das Zwischenelement 4 auf der Stirnseite 41 zusätzlich ein Formschlusselement 44 aufweist, welches mit einer Vertiefung 24 in dem Magnetring 2 formschlüssig korrespondiert.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, die der Ausführungsform entsprechend der 6 sehr ähnlich ist. Allerdings erfolgt die formschlüssige Verbindung durch eine Laserverschweißungs mittels des Lasers 7. Dabei muss die Frequenz des Laserstrahls 71 so gewählt und auf das Material der Trägerhülse 3 abgestimmt sein, dass der Laserstrahl 71 die Trägerhülse 3 durchdringt. Zumindest an der Stirnseite 21 des Magnetrings 2 erfolgt eine Verschweißung 72 mit der Stirnseite 41 des Zwischenelements 4'. Es ist jedoch auch möglich, durch entsprechende Wahl des Materials der Trägerhülse, eine Verschweißung 73 zwischen der Stirnseite 45 des Zwischenelements und der Stirnseite 33 des Flanschs 31 der Trägerhülse 3 vorzusehen.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, die der Ausführungsform entsprechend der 6 sehr ähnlich ist. Allerdings erfolgt die formschlüssige Verbindung, wie bereits in der Ausführungsform entsprechend der 9, durch eine Laserverschweißungs mittels des Lasers 7. Dabei muss kann darauf verzichtet werden, die Frequenz des Laserstrahls 71 so zu wählen, dass der Laserstrahl 71 das Material der Trägerhülse 3 durchdringt. Zumindest an der Stirnseite 21 des Magnetrings 2 erfolgt eine Verschweißung 72 mit der Stirnseite 41 des Zwischenelements 4'. Es ist jedoch auch möglich, durch entsprechende Wahl des Materials der Trägerhülse, eine Verschweißung 73 zwischen der Stirnseite 45 des Zwischenelements und der Stirnseite 33 des Flanschs 31 der Trägerhülse 3 vorzusehen. Weitere Verschweißungen 74 und 75 können je nach Zugänglichkeit ebenfalls vorgesehen sein.
Soweit anwendbar können die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Geberanordnung
2: Magnetring
21: Stirnseite
22: Fügefläche
23: Vorsprung
24: Vertiefung
25: Ausnehmung
3: Trägerhülse
31: Flansch
32: Stirnseite
33: Stirnseite
34: Formschlusselement
35: Durchbrechung
4, 4': Zwischenelement
41: Stirnseite
42: Fügefläche
43: Ausnehmung
44: Formschlusselement
45: Stirnseite
46: Durchbrechung
5: Schweißstempel (Sonotrode)
6: Positionierstift
7: Laser
71: Laserstrahl
72, 73, 74, 75: Laserverschweißung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008047466 A1 [0003, 0005]
EP 1123794 B1 [0005]

Claims

Geberanordnung (1) für einen Drehmoment- und/oder Winkelsensor, die einen rohrabschnittförmigen Magnetring (2) aufweist, der über ein Zwischenelement (4, 4') an einer Trägerhülse (3) befestigt ist, wobei das Zwischenelement (4) und der Magnetring (2) über gegeneinander gerichtete Fügeflächen (22, 42) stoffschlüssig miteinander verbunden sind und das Zwischenelement (4, 4') zumindest im Bereich der Fügefläche (42) aus einem Kunststoff ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (2) als kunststoffgebundener Magnet ausgebildet ist aus einem mit magnetischen Partikeln gefüllten Kunststoffmaterial, welches stoffschlüssig mit dem Kunststoff des Zwischenelements (4, 4') verbunden ist.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Zwischenelements (4, 4') und das Kunststoffmaterial des Magnetrings (2) bezüglich einer stoffschlüssigen Verbindung kompatible thermoplastische Polymere sind.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4, 4') und/oder der Magnetring (2) als Spritzgussteil ausgebildet ist.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (2) als Pressteil ausgebildet ist.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial des Magnetrings (2) mit magnetischen Partikeln hoch gefüllt ist, mit einem Füllgrad zwischen 80% und 97% bezogen auf die Masse.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4, 4') und der Magnetring (2) verschweißt, bevorzugt ultraschall- oder laserverschweißt sind.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4, 4') und der Magnetring (2) miteinander verklebt sind.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (2) auf einer im Wesentlichen axialen Stirnfläche (21) mit einer axialen Stirnfläche (41) des Zwischenelements (4, 4') verbunden ist.
Geberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerhülse (3) rohrabschnittförmig ausgebildet ist und in einem Endbereich ein radial nach außen vorstehendes Befestigungselement (31) aufweist.
Geberanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (31) axial formschlüssig zwischen gegeneinander gerichteten Stirnseiten (21, 41) von Magnetring (2) und Zwischenelement (4, 4') angeordnet ist.
Geberanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4, 4') axial zwischen gegeneinander gerichteten Stirnseiten (21, 41) von Magnetring (2) und Befestigungselement (31) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Geberanordnung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen eines kunststoffgebundenen Magnetrings (2), – Stoffschlüssiges Verbinden des Magnetrings (2) mit einem Zwischenelement (4, 4') aus Kunststoff, – Befestigen des Zwischenelements (4, 4') an einer Trägerhülse (3).