DE102017125400A1

DE102017125400A1 - Verfahren zum Befestigen eines Magnetelementes an einer Welle eines Aktors, vorzugsweise eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetätigungssystems

Info

Publication number: DE102017125400A1
Application number: DE102017125400.5A
Authority: DE
Inventors: Nadine Gramann; Markus Dietrich; Julian Botiov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Magnetelementes an einer Welle eines Aktors, vorzugsweise eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem das Magnetelement (14) an einem axialen Ende der Welle (13) angeordnet wird, indem das Magnetelement (14) in ein Sackloch (24) an einer Stirnseite (23) der Welle (13) eingebracht wird. Bei einem Verfahren, bei welchem der Magnet besonders fest und zuverlässig an der Welle angebracht wird, wird das Magnetelement (14) mittels Quetschrippen bzw. Orientierungsrippen (20) in dem Sackloch (24) mit der Welle (13) verpresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines Magnetelementes an einer Welle eines Aktors, vorzugsweise eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem das Magnetelement an einem axialen Ende der Welle angeordnet wird, indem das Magnetelement in ein Sackloch an einer Stirnseite der Welle eingebracht wird.
In modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, werden zunehmend automatisierte Kupplungen eingesetzt. Die dabei verwendeten Kupplungen sind in hydraulische Kupplungssysteme eingesetzt, bei welchen ein hydrostatischer Aktor, der von einem elektrisch kommutierten Motor angetrieben wird, über eine Hydraulikleitung mit der Kupplung verbunden ist. Um die Kommutierung des Elektromotors in dem Aktor im Falle eines BLDC-Motors (bürstenloser Gleichstrommotor) absichern zu können, muss die von einer Sensorelektronik gemessene Position des Rotors des Elektromotors mit der gewünschten Position eines Elektronikmoduls abgeglichen werden. Üblicherweise wird die Rotorlage von Sensoren, beispielsweise anhand von drei versetzt voneinander geschalteten Magnetfeldsensoren in Form von Hall-Sensoren; magnetoresistiven Sensoren u.ä. erfasst. Die von den Magnetfeldsensoren gelieferten Signale werden als Positionssignal genutzt. Alternativ können weitere Sensortypen genutzt werden, die eine weniger komplexe Magnetisierung des Sensormagneten erfordern
Aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen DE 10 2017 109 546.2 ist ein Verfahren zum Befestigen eines Magneten an einer Gewindespindel eines Aktors bekannt, bei welchem der Magnet in eine Bohrung der Gewindespindel eingeführt und über eine Presspassung mit dieser verbunden wird. Allerdings ist eine solche Presspassung nicht immer formstabil, da die Temperaturkomponenten von Rotorwelle, welche aus Stahl gefertigt ist, und dem Magneten, welcher aus einem gespritzten Hartferrit in Kombination mit Kunststoff besteht, zu unterschiedlich sind, so dass sich die Pressverbindung unter der Temperatur wieder lösen kann. Darüber hinaus kann der Magnet je nach Magnetmaterial sehr spröde sein und beim Aufpressen in die Welle reißen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Befestigen eines Magnetelementes an einer Welle eines Aktors anzugeben, mit welchem eine zuverlässige, aber trotzdem kostengünstige Verbindung zwischen Magnetelement und Welle realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Magnetelement mittels Quetschrippen oder Orientierungsrippen in dem Sackloch mit der Welle verpresst wird. Dies hat den Vorteil, dass über eine solche kraftschlüssige Verbindung eine zuverlässige Befestigung zwischen Magnetelement und Welle erreicht wird, die unabhängig von Temperaturschwankungen der verwendeten Materialien ist. Durch die Verwendung der Quetschrippen, die gleichzeitig als Orientierungsrippen genutzt werden können, wird eine resultierende Kontaktfläche zwischen Magnetelement und Welle verkleinert, wodurch die Montagekräfte minimiert werden. Insbesondere bei der Verwendung von kunststoffgebundenen Magnetmaterial ist die Minimierung der Montagekräfte von besonderer Bedeutung, um eine Zerstörung des Magnetelementes bei der Verpressung zu verhindern.
In einer Ausgestaltung umfasst das Magnetelement einen am Außenumfang Quetschrippen oder Orientierungsrippen aufweisenden Befestigungsstift, der in das Sackloch gepresst wird. In einer Alternative können die Quetschrippen auch an der Innenwandung des Sackloches ausgebildet sein. Der in ein so ausgebildetes Sackloch eingreifende Befestigungsstift kann eine glatte Oberfläche oder auch eine strukturierte Oberfläche zur besseren Verpressung mit der Welle aufweisen. Eine solche Pressverbindung ermöglicht einen geringen Montageaufwand, um die beiden Komponenten miteinander zu verbinden.
In einer Variante wird der Befestigungsstift in dem Sackloch verklebt. Die Verwendung eines Klebestoffes ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn die Quetschrippen nur schwach ausgeprägt sind und daher nur eine geringe Anpresskraft aufweisen bzw. als Orientierungsrippen /Führungsrippen mit Spielpassung ausgebildet sind. Durch die Verpressung der Quetschrippen zwischen Magnetelement und Welle kann Luft zwischen den Quetschrippen entweichen und der Klebstoff sich optimal verteilen. Ein Druckaufbau durch den Klebstoff während der Montage wird unterbunden.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Aktoranordnung, insbesondere einen Kupplungsaktor für ein Kupplungsbetätigungssystem, umfassend eine Welle, an der stirnseitig ein Magnetelement befestigt ist, welches mit einer Sensorelektronik zur Ermittlung einer Lage der Welle in einer Wirkverbindung steht. Bei einer Aktoranordnung, welche kostengünstig herstellbar ist, aber trotzdem eine zuverlässige temperaturunabhängige Verbindung ermöglicht, besteht das Magnetelement aus einem Magnetkopf und einem an seinem Außenumfang Quetschrippen oder Orientierungsrippen tragenden Befestigungsstift, wobei der Befestigungsstift mittels den Quetschrippen oder Orientierungsrippen in einem an einer Stirnseite der Welle ausgebildeten Sackloch befestigt ist.
Vorteilhafterweise sind der Magnetkopf und der Befestigungsstift zur Bildung des Magnetelementes einstückig ausgebildet und bestehen aus einem Magnetmaterial. Die einstückige Ausbildung des Magnetelementes verringert die Anzahl der zu montierenden Bauteile, wodurch die Montagezeit verkürzt wird. Gleichzeitig ist ein solches Magnetelement einfacher zu justieren, insbesondere da die Quetschrippen eine Orientierungshilfe darstellen.
In einer Alternative sind der Magnetkopf und der Befestigungsstift zur Bildung des Magnetelementes einstückig ausgebildet, wobei der Magnetkopf und der Befestigungsstift zur Bildung des Magnetelementes aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen. Bei der Herstellung des Magnetelementes in einem Spritzgußverfahren können Magnetkopf und Befestigungsstift mit den Quetschrippen in einem Verfahrensschritt realisiert werden.
In einer Variante bestehen der Magnetkopf aus einem Magnetmaterial und der Befestigungsstift und die an dem Befestigungsstift angeordneten Quetschrippen aus einem Kunststoffmaterial-Verbundwerkstoff, wobei der Magnetkopf an dem Befestigungsstift angespritzt ist. Ein solches einstückiges Magnetelement verringert Montagekosten, da für den Befestigungsstift auf teures Magnetmaterial verzichtet wird.
In einer Ausführungsform ist das Magnetelement mit der Welle in dem Sackloch verklebt. Dadurch wird zusätzlich zur Verpressung von Welle und Magnetelement die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen unterstützt.
Vorteilhafterweise ist das Magnetelement über eine Verdrehsicherung mit der Welle verbunden. Durch die Verdrehsicherung wird die Pressverbindung zwischen Magnetelement und Welle zusätzlich stabilisiert.
In einer Ausgestaltung besteht die Verdrehsicherung aus mehreren Vorsprüngen, die radial um ein dem Magnetkopf zugewandten Ende des Befestigungsstiftes angeordnet sind und in Ausnehmungen eingreifen, die axial verlaufend an einer dem Magnetelement zugewandten Stirnseite der Welle ausgebildet sind.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Kupplungsbetätigungssystems zur Betätigung einer automatisierten Kupplung,
2 ein Ausführungsbeispiel zur Anordnung des Magnetelementes zu einer Sensorelektronik,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Magnetelementes zur Befestigung an der Rotorwelle des Elektromotors,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Magnetelementes zur Befestigung an der Rotorwelle des Elektromotors,
5 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Ausführungsbeispiel zur Befestigung des Magnetelementes an der Rotorwelle des Elektromotors mit einer Verdrehsicherung,
7 eine Übersicht von Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Magnetelemente mit der Rotorwelle.

In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 für eine automatisierte Kupplung vereinfacht dargestellt. Das Kupplungsbetätigungssystem 1 ist in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges einer Reibungskupplung 2 zugeordnet und umfasst einen Geberzylinder 3, der über eine auch als Druckleitung bezeichnete Hydraulikleitung 4 mit einem Nehmerzylinder 5 verbunden ist. In dem Nehmerzylinder 5 ist ein Nehmerkolben 6 axial bewegbar gelagert, der unter Zwischenschaltung eines Lagers 7 die Reibungskupplung 2 betätigt. In dem Geberzylinder 3 ist ein Geberkolben 8 axial beweglich gelagert. Von dem Geberkolben 8 geht eine Kolbenstange 9 aus, die in Längserstreckung des Geberzylinders 3 zusammen mit dem Geberkolben 8 translatorisch bewegbar ist. Die Kolbenstange 8 des Geberzylinders 3 ist über eine Gewindespindel 10 mit einem elektromotorischen Stellantrieb 11 gekoppelt. Der elektromotorische Stellantrieb 11 umfasst einen als kommutierten Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor 12 und eine Auswerteeinheit. Die Gewindespindel 10 setzt dabei eine Drehbewegung des Elektromotors 12 in eine Längsbewegung der Kolbenstange 9 bzw. des Geberkolbens 8 um.
Wie aus 2 ersichtlich weist der Elektromotor 12 eine aus Stahl bestehende Rotorwelle 13 auf, an welchen ein Magnetelement 14 drehfest gelagert ist. Räumlich beabstandet zu dem Magnetelement 14 ist an einem Stator 15 des Elektromotors 12 eine Sensorelektronik 16 befestigt, welche das von einem Magnetfeldsensor 17 abgenommene Positionssignal auswertet, der Bestandteil der Sensorelektronik 16 ist. Die Sensorelektronik 16 kann sowohl auf die Rotationsachse des Magnetelementes 14, als auch radial entfernt von der Rotationsachse des Magnetelementes 14 angeordnet sein.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel für ein kunststoffgebundenes umspritztes Magnetelement 14 dargestellt. Dieses Magnetelement 14 weist einen Magnetkopf 18 auf, an welchem sich ein Befestigungsstift 19 anschließt. Der Befestigungsstift 19 weist an seinem Außenumfang sich axial erstreckende Quetschrippen 20 auf. An der dem Befestigungsstift 19 abgewandten Stirnseite 21 des Magnetelements 14 ist ein Sackloch 22 ausgebildet. Über dieses Sackloch 22 wird üblicherweise die Montage des Magnetelelementes 14 an der Rotorwelle 13 durchgeführt. Gleichzeitig dient dieses Sackloch 22 zur Reduzierung eines Winkelfehlers im Nahfeldbereich des Magnetfeldsensors 17. Magnetkopf 18 und Befestigungsstift 19 bestehen dabei aus demselben Magnetmaterial und bilden ein einstückiges Magnetelement.
4 zeigt eine Alternative zu dem Magnetelement 14 in 3. Dabei besteht der Magnetkopf 18 aus einem Magnetmaterial, vorzugsweise aus einer kunststoffgebundenen Hartferrit oder einem Seltenerd-Magnetmaterial. Der Befestigungsstift 19 besteht aus einem Kunststoff-Verbundmaterial. Der Befestigungsstift 19 ist dabei aus drei Quetschrippen 20 gebildet, die im 120° Winkel sternförmig zueinander angeordnet sind und an einer gemeinsamen Verbindungsachse aneinander befestigt sind. Im allgemeinen Fall kann die Anzahl der Quetschrippen 20 variiert werden. Der Befestigungsstift 19 kann auch aus einem Magnetmaterial bestehen und während des Herstellungsprozesses des Magneten mitgestaltet werden. Ein solches Magnetelement 14 wird in einem 2-Komponenten Spritzprozess hergestellt, wobei der Magnetkopf 18 an den Befestigungsstift 19 angespritzt wird.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Dabei ist an einer axialen Stirnseite 23 der Rotorwelle 13 ein weiteres Sackloch 24 ausgebildet. Vor dem Einfügen des Magnetelementes 14 in das Sackloch 24 wird dieses mit einem Klebstoff 25 versehen. Anschließend wird der Befestigungsstift 19 in das Sackloch 24 der Rotorwelle 13 eingepresst, wobei die Quetschrippen 20 verformt werden. Dabei wird Luft aus den Zwischenräumen der Quetschrippen 20 verdrängt, wodurch sich der Klebstoff 25 zwischen Befestigungsstift 19 und Rotorwelle 13 ausbreiten kann, um eine zuverlässige kraft- und stoffschlüssige Verbindung zwischen Magnetelement 14 und der Rotorwelle 13 zu bilden. Die Rotorwelle 13 besteht aus Stahl, während das Magnetelement 14 aus verschiedenen Materialien bestehen kann, aber trotzdem in einem einzigen Fertigungsschritt in einem Spritzgussverfahren realisiert werden kann.
Wie aus 6 hervorgeht, kann zwischen Magnetelement 14 und Rotorwelle 13 eine Verdrehsicherung ausgebildet sein. Diese Verdrehsicherung weist mehrere Vorsprünge 26 auf, die radial um ein dem Magnetelement 14 zugewandten Ende 27 des Befestigungsstiftes 19 angeordnet sind und an einer dem Befestigungsstift 19 zugewandte Stirnseite 28 des Magnetelementes 14 anliegen. An der Stirnseite 24 der Rotorwelle 13 sind um das Sackloch 24 herum sich axial erstreckende Ausnehmungen 29 ausgebildet, in welche die Vorsprünge 26 bei der Montage des Magnetelementes an der Rotorwelle 13 eingreifen. Dadurch wird ein Verdrehen des Magnetelementes 14 relativ zur Rotorwelle 13 unterbunden.
In 7 ist eine Übersicht über Kombinationsmöglichkeiten der Ausbildung des Magnetelementes 14 gezeigt. In allen Fällen wird das Magnetelement 14 in eine aus Stahl bestehende Rotorwelle 13 des Elektromotors 12 eingeführt. Dabei weist das Sackloch 24 der Rotorwelle 13 immer eine spezielle Geometrie auf, beispielsweise ein Gewinde, um das Magnetelement 14 fest an der Rotorwelle 13 zu halten. In 4a wird der Quetschrippen 20 aufweisende Befestigungsstift 19 des Magnetelementes 14 in das Sackloch 24 der Rotorwelle 13 eingepresst. Gemäß 4b besteht der Magnetkopf des das Magnetelementes 14 aus einem Magnetmaterial und der die Quetschrippen tragende Befestigungsstift 19 aus einem Plastomer.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Reibungskupplung
3: Geberzylinder
4: Hydraulikleitung
5: Nehmerzylinder
6: Nehmerkolben
7: Lager
8: Geberkolben
9: Kolbenstange
10: Gewindespindel
11: Elektromotorischer Stellantrieb
12: Elektromotor
13: Rotorwelle
14: Magnetelement
15: Stator
16: Sensorelektronik
17: Magnetfeldsensor
18: Magnetkopf
19: Befestigungsstift
20: Quetschrippen
21: Stirnseite
22: Sackloch
23: Stirnseite
24: Sackloch
25: Klebstoff
26: Vorsprung
27: Ende des Befestigungsstiftes
28: Stirnseite
29: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017109546 [0003]

Claims

Verfahren zur Befestigung eines Magnetelementes an einer Welle eines Aktors, vorzugsweise eines Kupplungsaktors eines Kupplungsbetätigungssystems, bei welchem das Magnetelement (14) an einem axialen Ende der Welle (13) angeordnet wird, indem das Magnetelement (14) in ein Sackloch (24) an einer Stirnseite (23) der Welle (13) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (14) mittels Quetschrippen oder orientierungsrippen (20) in dem Sackloch (24) mit der Welle (13) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (14) einen am Außenumfang Quetschrippen oder Orientierungsrippen (20) aufweisenden Befestigungsstift (19) umfasst, der in das Sackloch (24) gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsstift (19) in dem Sackloch (24) verklebt wird.
Aktoranordnung, insbesondere ein Kupplungsaktor für ein Kupplungsbetätigungssystem, umfassend eine Welle (13), an der stirnseitig ein Magnetelement (14) befestigt ist, welches mit einer Sensorelektronik (16) zur Ermittlung einer Lage der Welle (13) in einer Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (14) aus einem Magnetkopf (18) und einem an seinem Außenumfang Quetschrippen oder Orientierungsrippen (20) tragenden Befestigungsstift (19) besteht, wobei der Befestigungsstift (19) mittels den Quetschrippen oder Orientierungsrippen (20) in einem an einer Stirnseite (23) der Welle (13) ausgebildeten Sackloch (24) befestigt ist.
Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkopf (18) und der Befestigungsstift (19) zur Bildung des Magnetelementes (14) einstückig ausgebildet sind und aus einem Magnetmaterial bestehen.
Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkopf (18) und der Befestigungsstift (19) zur Bildung des Magnetelementes (14) einstückig ausgebildet sind, wobei der Magnetkopf (18) und der Befestigungsstift (19) zur Bildung des Magnetelementes (14) aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen.
Aktoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkopf (18) aus einem Magnetmaterial besteht und der Befestigungsstift (19) und die an dem Befestigungsstift (19) angeordneten Quetschrippen bzw. Orientierungsrippen (20) aus einem Kunststoffmaterial-Verbundwerkstoff bestehen, wobei der Magnetkopf (18) an dem Befestigungsstift (19) angespritzt ist.
Aktoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (14) mit der Welle (13) in dem Sackloch (24) verklebt ist.
Aktoranordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (14) über eine Verdrehsicherung (26, 29) mit der Welle (13) verbunden ist.
Aktoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung aus mehreren Vorsprüngen (26) besteht, die radial um ein dem Magnetkopf (18) zugewandten Ende (27) des Befestigungsstiftes (19) angeordnet sind und in Ausnehmungen (29) eingreifen, die axial verlaufend an der dem Magnetelement (14) zugewandten Stirnseite (23) der Welle (13) ausgebildet sind.