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Die Erfindung betrifft eine elektronisch kommutierte Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine elektronisch schlupfregelbare Bremsanlage mit einer elektronisch kommutierten Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektronisch kommutierten Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
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Elektronisch kommutierte Maschinen werden auch als EC-Maschinen bezeichnet. Sie werden beispielsweise in Antriebsaggregaten elektronisch schlupfregelbarer Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen als Motoren betrieben und zum Antrieb eines Druckerzeugers im Rahmen einer Bremsdruckregelung eingesetzt. Gegenüber herkömmlichen DC- bzw. Gleichstrommaschinen haben EC-Maschinen Vorteile hinsichtlich Lebensdauer, Dynamik und Baugröße, erfordern im Gegenzug allerdings einen erhöhten Bauaufwand, da zu ihrer elektrischen Ansteuerung einen Rotorlagesensor notwendig ist. Der Letztere erfasst die Position einer Rotorwelle der EC-Maschinen und meldet diese Position an ein elektronisches Steuergerät weiter. Dieses nimmt in Abhängigkeit der Rotorlage die elektrische Ansteuerung der EC-Maschine vor. Im Falle einer Ansteuerung des Antriebsaggregats fördert der davon betätigte Druckerzeuger ein Druckmittel innerhalb eines Bremskreises von einem Vorratsbehälter zu angeschlossenen Radbremsen. Proportional zum geförderten Druckmittelvolumen baut sich daraufhin in den Radbremsen ein gewünschter Bremsdruck auf.
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Mit Hilfe zusätzlicher vom elektronischen Steuergerät ansteuerbarer Steuereinrichtungen kann dieser Bremsdruck radindividuell an die Schlupfverhältnisse angepasst werden, welche aktuell an den jeweils zugeordneten Rädern des Fahrzeugs vorherrschen. Durchdrehende Räder beim Anfahren oder Bremsen des Fahrzeugs lassen sich dadurch verhindern und im Fahrbetrieb lässt sich die Fahrstabilität eines Fahrzeugs verbessern. Zudem lassen sich Bremsvorgänge in Abhängigkeit der momentanen Verkehrssituation unabhängig vom Fahrer durchführen.
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Das vom Druckerzeuger verdrängte Volumen an Druckmittel stellt bei diesen Steuer- und/oder Regelungsvorgängen eine maßgebliche Kenngröße dar. Jenes lässt sich wiederum aus den Signalen des Rotorlagesensors vom elektronischen Steuergerät rechnerisch bestimmen, in Druck-Sollwerte umrechnen und mit gemessenen Druck-Istwerten vergleichen. Im Ergebnis lassen sich so mögliche Systemstörungen, wie z.B. Undichtigkeiten oder dgl. erkennen.
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Bekannte Rotorlagesensoren sind aufgebaut aus einem mit der Motorwelle umlaufenden Signalgeber und einem zugeordneten Signalempfänger. Der Letztere ist ortsfest, üblicherweise an einer dem Signalgeber gegenüberliegenden Stelle angeordnet.
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Stand der Technik
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Ein Antriebsaggregat mit einer elektrisch kommutierten Maschine nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gehört zum Stand der Technik und ist in 1 dieser Patentanmeldung dargestellt. Das Antriebsaggregat 10 umfasst als elektrisch kommutierte Maschine einen Motor 12 mit einem zu einer Rotationsbewegung antreibbaren Rotor 14 sowie eine drehfest mit dem Rotor 14 verbundene Rotorwelle 16. Der Rotor 14 ist konventionell aufgebaut und weist einen Eisenkern 18 sowie mehrere darauf gewickelte und in Umfangsrichtung des Eisenkerns 18 nebeneinanderliegend angeordnete Spulen 20 auf. In bekannter Art und Weise bilden die Spulen 20 im stromdurchflossenen Zustand Magnete aus, welche mit Magneten 22, die ortsfest an einer gegenüberliegenden Innenfläche eines Gehäuse 24 des Antriebsaggregats 10 angeordnet sind, derart zusammenwirken, dass Rotor 14 und Rotorwelle 16 eine gemeinsame Rotationsbewegung ausführen. Die Rotorwelle 16 ist dazu exemplarisch mittels Wälzlagern 26 im Gehäuse 24 drehbar gelagert. Gemäß 1 sind auf der Rotorwelle 16 bespielhaft mehrere Exzenterelemente 28 angeordnet um, nicht gezeigte, Einrichtungen zu betätigen, die quer zur Rotorwelle 16 in einem ebenfalls nicht dargestellten Gehäuseblock angeordnet sind, der mit dem Antriebsaggregat 10 verbunden ist.
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Das Detail X nach 1 zeigt einen Signalgeber 30 einer Sensoreinrichtung zur elektronischen Erfassung und Auswertung der Position der Rotorwelle 16. Dieser Signalgeber 30 ist an der vom Rotor 14 abgewandten Stirnfläche der Rotorwelle 16 angeordnet. Er weist ein Magnetelement 32 auf, das mittelbar über eine Haltevorrichtung 34 an der Rotorwelle 16 befestigt ist. Die Haltevorrichtung 34 ist becherförmig ausgebildet und besteht aus magnetisch nichtleitendem Material. Von einem Boden 36 der Haltevorrichtung 34 steht ein Dorn 38 in Richtung einer Längsachse der Haltevorrichtung 34 ab, mit dem diese Haltevorrichtung 34 in eine zugeordneten Zentrierbohrung 40 der Rotorwelle 16 eingesetzt und darin verklebt ist. An der dazu gegenüberliegenden Seite des Haltevorrichtung 34 ist eine sacklochartige, nach außen offene Aufnahme 42 ausgebildet, in welcher das Magnetelement 32 formschlüssig und nach außen bündig aufgenommen ist. Eine Fixierung des Magnetelements 32 in dieser Aufnahme 42 erfolgt ebenfalls durch eine Klebeverbindung.
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Unter Betriebsbedingungen des Antriebsaggregats 10 wird der Rotor 14 oftmals stark beschleunigt oder verzögert. Dabei auftretende Kräfte und Vibrationen können unerwünschte Relativbewegungen zwischen Signalgeber 30 und Rotorwelle 16 verursachen. Die Folgen sind Ungenauigkeiten bei der Erfassung des Drehwinkels der Rotorwelle 16 und damit einhergehend in der elektrischen Ansteuerung des Antriebsaggregats 10 bzw. in der Bremsdruckregelung. In Ausnahmefällen kann sich die Verbindung der Haltevorrichtung 34 mit der Rotorwelle 16 lösen.
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Vorteile der Erfindung
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Ein elektronisch kommutierte Maschine nach den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Befestigung des Signalgebers an der Motorwelle ohne Klebeverbindungen auskommt. Damit werden Elastizitäten eliminiert und die Erfassung des Drehwinkelsignals erfolgt mit höherer Genauigkeit. Einher damit geht eine Verbesserung der elektrischen Ansteuerbarkeit des Antriebsaggregats und folglich eine Verringerung eventueller Abweichungen zwischen einem tatsächlich geförderten Druckmittelvolumen und einem gewünschten Sollwert. Davon abgesehen vereinfacht sich durch einen Entfall der Klebeverbindungen der Herstellprozess des Antriebsaggregats in einer Großserie, da z.B. Rüst-, Reinigungs- und Aushärtezeit für den Kleber eingespart werden können.
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Erfindungsgemäß werden diese Vorteile durch eine Haltevorrichtung erreicht, die an einem der Rotorwelle zugewandten Ende durch Formschluss befestigt ist.
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Ein Formschluss schafft eine dauerhafte und unlösbare Befestigungsmöglichkeit, die widerstandsfähiger gegenüber auftretenden Beschleunigungskräften und Vibrationen ist und mit der nach wie vor eine einfache Zentrierung der Haltevorrichtung an der Rotorwelle möglich ist. Relativbewegungen zwischen dem in der Haltevorrichtung aufgenommenen Magnetelement des Signalgebers und der Rotorwelle können dadurch dauerhaft gesenkt bzw. im Idealfall sogar ganz vermieden werden. Die Haltevorrichtung ist einfacher gestaltet und somit kostengünstiger herzustellen, ihre Verankerung an der Rotorwelle lässt sich mit bekannter Technik automatisiert durchführen und elektronisch überwachen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Haltevorrichtung an ihrem der Rotorwelle zugewandten Ende eine Öffnung auf, durch welche ein an der Rotorwelle ausgebildeter Vorsprung hindurchragt, wobei an dem durch die Öffnung hindurchragenden Ende des Vorsprungs eine Verdickung ausgebildet ist, welche eine Umfangskontur einer freien Öffnung der Haltevorrichtung wenigstens abschnittsweise überragt.
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Die Umfangskontur der Öffnung und die Umfangskontur des Vorsprungs können darüber hinaus in ihrer jeweiligen Form derart aufeinander abgestimmt sein, dass neben einem Formschluss in Axialrichtung gleichzeitig ein Formschluss in Umfangsrichtung und damit ein drehfeste Verankerung der Haltevorrichtung an der Rotorwelle sichergestellt ist. Bevorzugt sind dazu die Umfangskonturen jeweils als Mehrkantprofile ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Magnetelement des Signalgebers und dem in die Haltevorrichtung hineinragenden Vorsprung ein magnetisch nichtleitendes Element eingelegt. Durch dieses Element wird die Ausrichtung des Magnetfeldes des Magnetelements in Richtung des Signalempfängers gelenkt, was die Signalerfassung durch den Signalempfänger erleichtert. Mit einem relativ klein bauenden Magnetelement lässt sich auf diese Weise ein relativ starkes und damit einfacher erfassbares Magnetfeld darstellen.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn ein Mündungsquerschnitt der Öffnung der Haltevorrichtung auf ihrer von der Rotorwelle abgewandten Innenseite in einen jeweils umlaufenden und den Querschnitt der Öffnung erweiternden Radius oder in einen dementsprechenden Innenkonus übergeht. Dadurch kann sich die Verdickung am Vorsprung der Rotorwelle bei ihrer Herstellung dem Verlauf der Öffnung leichter anpassen, spitze Kanten und damit auftretende Kerbwirkungen innerhalb der Verdickung werden vermieden und die hergestellte Formschluss hält dauerhaft höheren mechanischen Belastungen stand.
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Figurenliste
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Die Erfindung wir nachfolgend anhand der Zeichnung detailliert erläutert.
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Zu diesem Zweck zeigt:
- 1 einen Längsschnitt eines Antriebsaggregats mit einer elektrisch kommutierten Maschine nach dem eingangs dieses Dokuments beschriebenen Stand der Technik;
- 2 das Detail X nach 1, vor einer Herstellung des erfindungsgemäßen Formschlusses zwischen einer Haltevorrichtung und einer Rotorwelle dieser elektrisch kommutierten Maschine;
- 3 das Detail X nach 2 nach der Herstellung dieses Formschlusses;
- 4 einen Querschnitt durch den Formschluss entlang der Schnittline X-X nach 3;
- 5 den Querschnitt nach 4 in einer zweiten Ausführungsvariante und
- 6 den Querschnitt nach 4 in einer dritten Ausführungsvariante.
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In den Figuren wurden für einander entsprechende Bauelemente einheitlich dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Beschreibung der Erfindung
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2 zeigt ein Ende einer Rotorwelle 16 einer elektrisch kommutierten Maschine. Die Rotorwelle 16 ist an diesem Ende in ihrem Außendurchmesser einmal rechtwinklig abgesetzt und bildet dadurch einen zapfenförmigen, zylindrischen Vorsprung 44 aus. Dieser Vorsprung 44 erstreckt sich koaxial zu einer Längsachse der Rotorwelle 16 und reicht bis zu deren Ende. Sein Außendurchmesser ist kleiner als der Außendurchmesser der Rotorwelle 16 bemessen. Der Übergang zwischen den beiden Außendurchmessern ist bevorzugt rechtwinklig gestaltet, so dass die Rotorwelle 16 eine ringförmige Anlageschulter 46 aufweist. An dieser Anlageschulter 46 liegt eine becherförmige Haltevorrichtung 34 mit ihrem Boden 36 bündig an. Dazu ist im Zentrum des Bodens 36 eine Öffnung 48 ausgebildet durch die hindurch der Vorsprung 44 in das Innere der Haltevorrichtung 34 hineinragt. Abmessungen und Form der Öffnung 48 im Boden 36 der Haltevorrichtung 34 sind auf die Abmessungen und die Form des zapfenförmigen Vorsprungs 44 der Rotorwelle 16 derart abgestimmt, dass die Haltevorrichtung 34 auf den Vorsprung 44 leicht aufschiebbar und zentrisch zur Rotorwelle 16 anordenbar ist.
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Die Erstreckung des Vorsprungs 44 in Richtung der Längsachse der Rotorwelle 16 ist so gewählt, dass der Vorsprung 44 über die Dicke des Bodens 36 der Haltevorrichtung 34 hinaus in deren Inneres hineinragt, wenn die Haltevorrichtung 34 an der Anlageschulter 46 der Rotorwelle 16 anliegt.
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Die Mündung der Öffnung 48 ist auf ihrer, der Rotorwelle 16 zugewandten Außenseite vorzugsweise rechtwinklig, mit ggf. abgerundeter Kante ausgebildet, während der im Inneren der Haltevorrichtung 34 liegende Mündungsbereich sich mit zunehmender Entfernung zur Rotorwelle 16 kontinuierlich im Querschnitt erweitert. Diese Aufweitung kann als Innenkonus ggf. in mehreren Abschnitten unterschiedlicher Neigung oder alternativ als Radius gestaltet sein.
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Rotorwelle 16 und Vorsprung 44 sind in einem Stück gefertigt und bestehen aus Stahl; für die Haltevorrichtung 34 wird ein nicht magnetisches Blechmaterial verwendet, das bevorzugt umformtechnisch, z.B. in einem Tiefziehverfahren, umgeformt ist.
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Die 2 zeigt die Rotorwelle 16 und die Haltevorrichtung 34 in einem Vormontagestadium. In diesem Vormontagestadium sind die beiden Bauelemente lediglich lose gefügt, jedoch noch nicht fest miteinander verbunden. Die feste Verbindung wird in einem nachfolgenden Schritt hergestellt, dessen Endergebnis die 3 zeigt.
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Erfindungsgemäß werden dazu die Bauelemente formschlüssig bzw. durch einen Formschluss miteinander verbunden. Zur Herstellung des Formschluss wird der Vorsprung 44 im Inneren der Haltevorrichtung 34 plastisch umgeformt, was beispielsweise durch ein axiales Abstützen der Rotorwelle 16 unter gleichzeitiger Verstemmung des zapfenförmigen Vorsprungs 44 mittels eines in das offene Ende der Haltevorrichtung 34 eingeführten Stempels (nicht dargestellt) erfolgen kann. Über den Stempel wird der Vorsprung 44 mit einer Axialkraft beaufschlagt bis sein Material zu fließen beginnt und sich dabei an die Querschnittskontur der Öffnung 48 im Mündungsbereich der Haltevorrichtung 34 anlegt. Am Vorsprung wird dabei eine Verdickung 50 ausgebildet, welche den freien Querschnitt der Öffnung 48 der Haltevorrichtung 34 zumindest abschnittsweise radial überragt. Haltevorrichtung 34 und Rotorwelle 16 sind durch den Formschluss fest und zumindest weitegehend spielfrei miteinander verbunden und bilden die in 3 dargestellte Baugruppe aus.
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Durch eine Abstimmung einer Axialkraft bei der Verformung des Vorsprungs 44 sowie der axialen Erstreckung des über den Boden vorstehenden Abschnitts des Vorsprungs 44 kann erreicht werden, dass die Verdickung 50 umfangseitig bündig mit dem Boden 36 der Haltevorrichtung 34 abschließt und dass sich eine weitgehend plane Anlagefläche 52 im Inneren der Haltevorrichtung 34 ausbildet. Diese Anlagefläche 52 dient einem in die Haltevorrichtung 34 eingelegten Scheibe 54 aus magnetisch nichtleitendem Material als Anlage. Diese Scheibe 54 wiederum ist zur schlüssigen Anlage eines Magnetelements 32 des Signalgebers 30 vorgesehen, so dass ein den Magnetfluss des Magnetelements 32 möglicherweise störender Hohlraum im Inneren der Haltevorrichtung 34 vermieden ist. Die Scheibe 54 hat weiterhin die Funktion eine Ausbreitung des Magnetfeldes in Richtung der Rotorwelle 16 zu verhindern und damit das in Richtung des Signalaufnehmers (nicht dargestellt) wirksame Magnetfeld des Magnetelements 32 zu schwächen.
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Die 4 bis 6 zeigen verschiedenen Alternativen zur Gestaltung des Querschnitts des Vorsprungs 44 der Rotorwelle 16 bzw. des Querschnitts der auf diesen Vorsprung 44 abgestimmten Öffnung 48 im Boden 36 der Haltevorrichtung 34.
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Das Beispiel nach 4 zeigt eine kreisrunde Querschnittsform. Diese ist z.B. spanabhebend leicht herzustellen, hat aber den Nachteil, dass sie in Umfangrichtung wirkenden Radialkräften keinen Widerstand entgegensetzt und die Haltevorrichtung 34 sich dadurch potenziell relativ zur Rotorwelle 16 bewegen kann. Zur Vermeidung unerwünschter Relativbewegungen muss der ausgebildete Formschluss diesen Radialkräften standhalten und ist damit höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Diesbezüglich weniger kritisch sind die Alternativen nach den 5 und 6. Dort weisen Vorsprung 44 bzw. Öffnung 48 die Form eines Mehrkantprofils auf, im Falle von 5 beispielhaft dargestellt als 8-Eck-Profil und im Falle von 6 beispielhaft ein 4-Eck-Profil. Mehrkantprofile bewirken auch einen in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss zwischen der Haltevorrichtung 34 und dem Vorsprung 44 der Rotorwelle 16, welcher evtl. auftretende Radialkräfte aufnimmt. Andere mögliche Mehrkantprofile sind denkbar, beispielhaft erwähnt in diesem Zusammenhang sind 3-Kant-Profile, 6-Kant-Profile, Formprofile oder Profile mit beispielsweise flügel- oder sternförmigem Querschnitt.
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Selbstverständlich sind über diese Erläuterungen hinausgehende Änderungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen denkbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
