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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einer Welle und einem Magneten.
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Der Magnet erzeugt ein Magnetfeld, das mittels eines geeigneten Sensors, insbesondere eines Hall-Sensors, erfasst werden kann. Auf diese Weise kann die Position der Welle erfasst werden, und es kann die Anzahl von Umdrehungen der Welle erfasst werden, die diese in die eine oder andere Drehrichtung ausführt. Diese Information ist wichtig in einer Vielzahl von technischen Geräten, angefangen von Elektromotoren, bei denen die Welle den Rotor trägt, hin zu elektromechanischen Aktoren. Das Magnetfeld kann auch dahingehend ausgewertet werden, dass die Drehposition der Welle erfasst wird.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Magneten auf eine axiale Stirnfläche der Welle aufzukleben. Auf diese Weise ergeben sich geringe Herstellungskosten. Allerdings ist die Festigkeit der Klebeverbindung zwischen Magnet und Welle nicht für alle Betriebsbedingungen ausreichend. Wird beispielsweise die Drehung der Welle sehr abrupt abgestoppt, beispielsweise weil ein vom Aktor bewegter Riegel auf einen Anschlag trifft, ist die Klebeverbindung sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Ebenso wirkt sich ein breites Temperaturspektrum negativ auf die dauerhafte Festigkeit der Klebeverbindung aus.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Magneten mit geringem Aufwand so an der Welle zu befestigen, dass höhere Belastungen möglich sind, ohne dass sich der Magnet von der Welle trennt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Baugruppe mit einer Welle und einem Magneten vorgesehen, wobei die Welle an ihrer Stirnseite mit einer Befestigungsstruktur versehen ist und wobei ein Magnethalter vorgesehen ist, der mechanisch mit der Befestigungsstruktur gekoppelt ist, wobei der Magnet am Magnethalter angebracht ist. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, ein zusätzliches Bauteil, nämlich den Magnethalter, zu verwenden, der mechanisch in die Welle eingreift. Hierdurch können im Betrieb deutlich höhere Kräfte zwischen der Welle und dem Magneten übertragen werden, ohne dass sich dieser von der Welle löst.
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Die Befestigungsstruktur kann ein Schlitz sein, der sich parallel zur Mittelachse der Welle erstreckt. Alternativ kann die Befestigungsstruktur eine Bohrung sein, die konzentrisch mit der Mittelachse ist. In beiden Fällen erstreckt sich die Befestigungsstruktur ausgehend von der Stirnseite der Welle, so dass der Magnethalter mit geringem Aufwand in axialer Richtung in die Befestigungsstruktur eingeschoben werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der Welle ein Lagerring an einer Position angebracht ist, in der er in axialer Richtung mit der Befestigungsstruktur zumindest überlappt. Die Befestigungsstruktur führt im optimalen Fall nicht dazu, dass die axiale Baulänge der erfindungsgemäßen Baugruppe größer ist als im Stand der Technik. Wenn die Befestigungsstruktur ein Schlitz ist, ist es für die Anbringung des Lagerrings nicht schädlich, wenn der Schlitz seitlich offen ist, da noch ausreichend Material der Welle zur Verfügung steht, um den Lagerring zuverlässig zu montieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnethalter einen Klemmabschnitt aufweist, der in der Befestigungsstruktur mit Presssitz aufgenommen ist. Der Presssitz gewährleistet, dass sich der Magnethalter nicht in axialer Richtung aus der Befestigungsstruktur herausbewegen kann, ohne dass weitere Sicherungsmaßnahmen erforderlich sind.
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Der Klemmabschnitt kann mindestens eine dünne Verformungsrippe aufweisen, die, wenn der Magnethalter in die Befestigungsstruktur eingeschoben wird, sich plastisch verformt. Durch die Geometrie der Verformungsrippe können die auftretenden Klemmabschnitte sehr genau kontrolliert werden.
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Der Klemmabschnitt kann auch mindestens einen elastisch verformbaren Klemmarm aufweisen. Wenn dieser schräg angestellt ist, wirkt er ähnlich wie ein Widerhaken. Wenn mehrere spiegelbildlich schräg angeordnete Klemmarme verwendet werden, kann eine sogenannte Tannenbaumstruktur gebildet sein, mit der der Magnethalter in der Befestigungsstruktur verrastet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Magnethalter einen Abstützteller aufweist, der einstückig an zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten mit dem Klemmabschnitt verbunden ist, wobei zwischen diesen Punkten ein Freiraum für den Durchtritt der Welle vorgesehen ist. Der Abstützteller kann als Widerlager für eine Vorspannfeder dienen, wobei der Abstützteller zusammen mit dem Klemmabschnitt von einem Lagerring, der auf das entsprechende Ende aufgepresst ist, axial in seiner Position gehalten wird.
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Der Magnethalter kann eine Klebefläche aufweisen, mit der der Magnet verklebt ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Magnethalter aus Kunststoff besteht, da die meisten Klebstoffe eine bessere Verbindung mit Kunststoff eingehen als mit Stahl.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Klebefläche mit Nuten zur Aufnahme von Klebstoff versehen ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass überschüssiger Klebstoff beim Aufpressen des Magneten auf den Magnethalter nicht seitlich herausquillt, wo er im späteren Betrieb störend sein könnte.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnethalter mit einer napfförmigen Aufnahme für den Magneten versehen ist. Die napfförmige Aufnahme sorgt dafür, dass der Magnet mechanisch zentriert und auch gehalten ist.
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Wenn der Magnet in der napfförmigen Aufnahme verklebt wird, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Klebefläche am Boden der Aufnahme angeordnet ist. Dort steht genügend Raum zur Verfügung, um eine großflächige Verklebung zu erzielen.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Aufnahme zur Welle hin offen ist, so dass der Magnet durch Magnetkraft an der Welle anhaftet. Bei dieser Ausgestaltung dient der Magnethalter als mechanische Führung insbesondere in radialer Richtung, während der Magnet durch magnetische Anziehungskraft an der Welle anhaftet.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Magnethalter mit mindestens einem elastischen Rasthaken versehen ist, mit dem der Magnet am Magnethalter verrastet ist. Auf diese Weise kann zusätzlich oder als Ersatz für eine Klebeverbindung ein Formschluss zwischen dem Magnethalter und dem Magneten erhalten werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnet mittels einstückig mit dem Magnethalter ausgeführten Haltestrukturen fest mit dem Magnethalter verbunden ist, insbesondere mit den Haltestrukturen umspritzt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Magnet in eine Spritzgussform eingelegt und mit Material umspritzt, das dann den Magnethalter bildet. Bei dieser Ausgestaltung ist der Magnet unlösbar im Magnethalter befestigt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Magnet aus magnetisierbarem Kunststoff besteht und der Magnethalter zusammen mit dem Magneten ein Zwei-Komponenten-Spritzgussteil ist. Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Baugruppe liegt in einem Parksperren-Aktor. Die Welle wird von einem Elektromotor über ein Getriebe angetrieben und setzt ihrerseits die Drehbewegung in eine Translationsbewegung eines Betätigungselements um. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Welle bei bestimmten Betriebszuständen vom Elektromotor getrennt wird. In diesem Fall sorgt eine vorgespannte Feder dafür, dass die Betätigungsstange und damit auch die Welle in eine Ausgangsposition zurückgestellt werden. Am Ende dieser Rückstellbewegung wird die Welle abrupt abgebremst. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Magnet mittels des Magnethalters mit der Welle verbunden ist, da er dann mit so hohen Haltekräften an der Welle befestigt ist, dass er sich nicht von der Welle lösen kann.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe kann auch in einem Getriebesteller verwendet werden, bei dem mit der Welle unterschiedliche Getriebestufen aktiviert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 eine schematische Ansicht eines Parksperren-Aktors, der eine erfindungsgemäße Baugruppe enthält;
- - 2 einen Schnitt entlang der Ebene II-II von 1;
- - 3 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt III von 2;
- - 4 eine Draufsicht auf einen Magnethalter mit daran angebrachtem Magnet, wie er in dem Parksperren-Aktor der 1 bis 3 verwendet wird;
- - 5 einen Schnitt entlang der Ebene V-V von 4;
- - 6 eine perspektivische Ansicht des Magnethalters ohne Magnet; und
- - 7 eine weitere perspektivische Ansicht des Magnethalters, wobei ein Magnet eingesetzt ist.
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In den 1 und 2 ist ein Parksperren-Aktor 1 gezeigt, der dazu dient, eine Parksperre zu betätigen. Die Parksperre verhindert, wenn sie aktiviert ist, dass ein Kraftfahrzeug unbeabsichtigt wegrollt. Solche Parksperren werden insbesondere bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen oder Kraftfahrzeugen mit Hybrid-Getrieben, mit automatisierten Getrieben oder mit Automatikgetrieben verwendet.
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Der Parksperren-Aktor 1 weist einen Elektromotor 2 auf, der über ein Getriebe 3 eine Welle 4 antreiben kann. Die Drehung der Welle 4 wird über einen hier nicht im Detail gezeigten Mechanismus in eine Translationsbewegung einer Schaltstange 5 umgesetzt. Die Schaltstange 5 kann dann eine hier nicht gezeigte Sperrklinke der Parksperre betätigen.
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Aus Sicherheitsgründen ist ein Mechanismus vorgesehen, mit dem die Welle 4 in eine Stellung verdreht werden kann, in der die Schaltstange 5 die Parksperre in eine geschlossene Stellung beaufschlagt. Dieser Mechanismus enthält eine Vorspannfeder 6, welche die Welle 4 in der gewünschten Drehrichtung beaufschlagt, eine Kupplung 7, die im Kraftfluss vom Elektromotor 2 zur Welle 4 liegt, einen Elektromagneten 8, der bei Bestromung die Kupplung 7 öffnen kann, sowie eine Kupplungsfeder 9, welche die Kupplung 7 in eine geschlossene Stellung beaufschlagt.
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Für Details des Aufbaus und der Funktionsweise des Parksperren-Aktors 1 wird auf die
DE 10 2018 133 269 A1 verwiesen, auf deren Offenbarung hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Für die Ansteuerung des Elektromotors ist es wichtig, eine Information über die Drehposition der Welle 4 zu haben. Zu diesem Zweck ist die Welle 4 mit einem Magneten 10 versehen (siehe insbesondere 3), der an einer Stirnseite der Welle 4 angebracht ist. Dem Magneten 10 ist ein Hall-Sensor 12 zugeordnet, der das Magnetfeld des Magneten 10 erfassen kann.
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Der Magnet 10 ist an der Welle 4 mittels eines Magnethalters 15 angebracht, der nachfolgend anhand der 4 bis 7 erläutert wird.
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Der Magnethalter 15 ist ein Spritzgussteil aus Kunststoff. Er weist einen Klemmabschnitt 16 auf, der dazu dient, mit einer Presspassung in einer geeigneten Befestigungsstruktur aufgenommen zu werden, die in der Welle 4 vorgesehen ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Befestigungsstruktur durch einen Schlitz 18 gebildet, der sich ausgehend von der Stirnseite der Welle 4 in axialer Richtung und in diametraler Richtung erstreckt. Im Querschnitt betrachtet, hat die Welle 4 also im Bereich der Befestigungsstruktur 18 die Form von zwei einander gegenüberliegenden Kreissegmenten.
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Die Welle 4 besteht aus Metall, insbesondere Stahl, so dass die strukturelle Festigkeit der Welle 4 durch die Befestigungsstruktur 18 nicht beeinträchtigt ist.
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Die beiden Zylindersegmente der Welle 4, die im Bereich der Befestigungsstruktur 18 vorhanden sind, bilden zusammen einen Lagersitz für einen Lagerring 20, der Teil eines Wälzlagers ist, mit dem die Welle 4 im Gehäuse des Parksperren-Aktors gelagert ist.
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Der Klemmabschnitt 16 ist im Querschnitt allgemein rechteckig (hier mit abgerundeten Außenrändern). Die voneinander abgewandten Flachseiten weisen jeweils zwei Verformungsrippen 22 auf (siehe insbesondere die 6 und 7). Die Verformungsrippen können sich plastisch verformen, wenn der Klemmabschnitt 16 in die Befestigungsstruktur 18 eingepresst wird. Hierdurch kann die Klemmkraft zwischen dem Klemmabschnitt und der Befestigungsstruktur sehr gut kontrolliert werden.
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Der Magnethalter 15 weist einen Abstützteller 24 auf, der sich in einer Ebene erstreckt, die senkrecht zur Mittelachse des Klemmabschnitts 16 ist. Der Abstützteller 24 hat eine Mittelöffnung, in der der Klemmabschnitt 16 so angeordnet ist, dass der Klemmabschnitt 16 und der Abstützteller 24 einstückig an zwei einander diametral gegenüberliegenden Punkten miteinander verbunden sind. Dadurch ist die Mittelöffnung des Abstütztellers 24 in zwei Teilöffnungen 26 unterteilt.
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Am vom Abstützteller 24 abgewandten Ende des Klemmabschnitts 16 ist eine napfförmige Aufnahme 28 für einen Magneten vorgesehen.
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Der Boden der napfförmigen Aufnahme 28 erstreckt sich in einer Ebene, die parallel zur Ebene des Abstütztellers 24 ist.
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Die Aufnahme 28 weist einen umlaufenden Kranz 30 auf, dessen Innendurchmesser etwa dem Außendurchmesser des aufzunehmenden Magneten 10 entspricht. Dabei sind einige Einschnitte vorgesehen, so dass elastische Haltearme 32 gebildet sind.
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Der Boden der napfförmigen Aufnahme 28 bildet eine Klebefläche, mittels der der Magnet 10 in der napfförmigen Aufnahme 28 über die mechanische Fixierung hinaus befestigt werden kann. Am Boden der napfförmigen Aufnahme 28 sind dabei mehrere Nuten 34 vorgesehen, in die hinein Klebstoff verdrängt werden kann. Weiterhin kann Klebstoff in eine Mittelöffnung 36 verdrängt werden, die sich in axialer Richtung durch den Klemmabschnitt 16 hindurch erstreckt.
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Bei der Montage des Magnethalters 15 an der Welle 4 wird der Klemmabschnitt 16 in den die Befestigungsstruktur 18 bildenden Schlitz eingeschoben. Dabei greifen die beiden Zylindersegmente an diesem Ende der Welle 4 durch die beiden Teilöffnungen 26. Der Abstützteller 24 bildet dann das Widerlager für die Kupplungsfeder 9.
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Die axiale Haltekraft zwischen der Welle 4 und dem Magnethalter 15 kann noch dadurch erhöht werden, dass der Lagerring 20 auf das entsprechende Ende der Welle 4 aufgepresst wird, bis er in axialer Richtung an der von der Kupplungsfeder 9 abgewandten Seite des Abstütztellers 24 anliegt.
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Der Magnet 10 ist in axialer Richtung primär durch seine Verbindung zum Magnethalter 15 und die Verbindung des Magnethalters 15 mit der Welle 4 fixiert. Unterstützend kommt die magnetische Anziehungskraft hinzu, die den Magnet 10 hin zur Welle 4 beaufschlagt. Die magnetische Anziehungskraft ist umso stärker, je geringer der Abstand des Magneten 10 von der Stirnseite der Welle 4 ist.
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Wie in 3 zu sehen ist, entspricht der Außendurchmesser der Aufnahme 28 für den Magneten 10 dem Innendurchmesser des Lagerrings 20. Auf diese Weise ist die Aufnahme 28 und damit der Magnet 10 präzise innerhalb des Lagerrings 20 und damit auf die Mittelachse der Welle 4 zentriert.
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Es ist auch möglich, dass der Magnet 10 dadurch am Magnethalter 15 befestigt wird, dass er mit dem Material umspritzt wird, das den Magnethalter 15 bildet. Ebenso ist denkbar, dass der Magnet dadurch gebildet wird, dass magnetisierbarer Kunststoff an den Magnethalter 15 angespritzt wird. In diesem Fall sind Magnet und Magnethalter zusammen als Zwei-Komponenten-Spritzgussteil hergestellt.
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Die Erfindung ist hier am Beispiel eines Parksperren-Aktors erläutert. Der Magnethalter 15 mit dem Magneten 10 kann aber grundsätzlich bei jeder Welle verwendet werden, an der zuverlässig ein Magnet angebracht werden muss. Die Welle könnte die Rotorwelle eines Elektromotors sein oder eine Welle innerhalb eines Getriebestellers.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018133269 A1 [0025]
