DE102022132177A1 - Verfahren zum befestigen eines magneten an einem drehbaren bauteil für einen stellantrieb mittels eines niederhalters - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Magneten an einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb mittels eines Niederhalters; sowie eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb, einem zu befestigenden Magnet und einem Niederhalter; und ferner einen Stellantrieb mit einem auf einem Getrieberad mittels des Niederhalters befestigten Magneten. Bei dem Verfahren weist der Niederhalter einen ersten Energierichtungsgeber und einen zweiten Energierichtungsgeber auf. Der erste Energierichtungsgeber und der zweite Energierichtungsgeber stehen von einer ersten Stirnseite des Niederhalters vor. Das drehbare Bauteil hat eine Drehachse, sowie eine erste Auflagefläche und eine zweite Auflagefläche an einer ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils. Die erste Auflagefläche und die zweite Auflagefläche erstrecken sich um die Drehachse. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst (1) das Auflegen des Magneten auf der ersten Auflagefläche, wobei eine erste Stirnseite des Magneten der ersten Auflagefläche zugewandt ist; (2) das Auflegen des Niederhalters auf der zweiten Auflagefläche und dem Magneten, sodass der erste Energierichtungsgeber der zweiten Auflagefläche zugewandt und mit dieser in Kontakt ist und der zweite Energierichtungsgeber einer der ersten Stirnseite des Magneten gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten zugewandt ist; (3) das Anordnen einer Sonotrode auf einer der ersten Stirnseite des Niederhalters gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Niederhalters; sowie (4) Durchführen eines Schweißvorgangs mit der Sonotrode, um den ersten Energierichtungsgeber mit dem drehbaren Bauteil zu verschweißen. Während des Schweißvorgangs wird der erste Energierichtungsgeber verformt, wobei der zweite Energierichtungsgeber am Ende des Schweißvorgangs in Kontakt mit der zweiten Stirnseite des Magneten ist. Der Schweißvorgang umfasst eine Phase, in der der erste Energierichtungsgeber verformt wird und der zweite Energierichtungsgeber nicht verformt wird.

Description

• GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Magneten an einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb mittels eines Niederhalters. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb, einem zu befestigenden Magneten und einem Niederhalter, der dazu eingerichtet ist, den Magneten an dem drehbaren Bauteil zu befestigen. Ferner betrifft die Erfindung einen Stellantrieb mit einem auf einem Getrieberad angeordneten Magneten, welcher mittels eines Niederhalters an dem Getrieberad befestigt ist.
• HINTERGRUND
• Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Stellaktuatoren wie Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. In solchen Elektromotoren muss häufig ein Magnet an drehbaren Bauteilen wie beispielsweise Zahnrädern angebracht werden. Beispielsweise kann auf einem Abtriebsrad eines Elektromotors ein Magnet angeordnet sein, um mittels eines Hall-Sensors anhand des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds die Stellung des Abtriebsrads zu ermitteln, zum Beispiel um die Stellung eines mit dem Abtriebsrad gekoppelten Stellglieds zu bestimmen.
• Ein Magnet kann durch einen Niederhalter auf dem Abtriebsrad befestigt werden, indem der Niederhalter und das Abtriebsrad durch ein Ultraschallschweißverfahren zusammengeschweißt werden. Allerdings sind die zur Herstellung solcher Magnete verwendeten Materialien häufig sehr spröde. Dadurch besteht ein hohes Risiko, dass der Magnet während des Schweißverfahrens aufgrund der Schwingungen beschädigt wird.
• DE 10 2020 110 005 A1 und DE10 2020 131658 A1 offenbaren Verfahren zum Befestigen eines Elements an einem drehbaren Bauteil eines Elektromotors mittels eines Niederhalters, in dem der Niederhalter und das drehbare Bauteil durch ein Ultraschallschweißverfahren zusammengeschweißt werden.
• ÜBERBLICK
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen eines Magneten an einem drehbaren Bauteil eines Elektromotors, beziehungsweise Stellantriebes, anzugeben, bei dem das Risiko einer Beschädigung des Magneten beim Durchführen des Verfahrens verringert ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
• In einem weiteren Aspekt ist es eine Aufgabe der Erfindung einen Stellantrieb mit einem Magneten bereitzustellen, der eine sichere Befestigung des Magneten an dem drehbaren Bauteil des Stellantriebes aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
• Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Es wird ein Verfahren zum Befestigen eines Magneten an einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb mittels eines Niederhalters angegeben. Dabei weist der Niederhalter einen ersten Energierichtungsgeber und einen zweiten Energierichtungsgeber auf. Der erste Energierichtungsgeber und der zweite Energierichtungsgeber stehen von einer ersten Stirnseite des Niederhalters vor. Das drehbare Bauteil hat eine Drehachse, sowie eine erste Auflagefläche und eine zweite Auflagefläche an einer ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils. Die erste Auflagefläche und die zweite Auflagefläche erstrecken sich um die Drehachse. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst (1) das Auflegen des Magneten auf der ersten Auflagefläche, wobei eine erste Stirnseite des Magneten der ersten Auflagefläche zugewandt ist; (2) das Auflegen des Niederhalters auf der zweiten Auflagefläche und dem Magneten, sodass der erste Energierichtungsgeber der zweiten Auflagefläche zugewandt und mit dieser in Kontakt ist und der zweite Energierichtungsgeber einer der ersten Stirnseite des Magneten gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten zugewandt ist; (3) das Anordnen einer Sonotrode auf einer der ersten Stirnseite des Niederhalters gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Niederhalters; sowie (4) Durchführen eines Schweißvorgangs mit der Sonotrode, um den ersten Energierichtungsgeber mit dem drehbaren Bauteil zu verschweißen. Während des Schweißvorgangs wird der erste Energierichtungsgeber verformt, wobei der zweite Energierichtungsgeber zumindest am Ende des Schweißvorgangs in Kontakt mit der zweiten Stirnseite des Magneten ist. Der Schweißvorgang umfasst eine Phase, in der der erste Energierichtungsgeber verformt wird und der zweite Energierichtungsgeber nicht verformt wird. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können einige Schritte zumindest zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden.
• Das drehbare Bauteil kann beispielsweise ein Zahnrad eines Stellantriebs sein, insbesondere ein Abtriebsrad. Die erste Auflagefläche kann eine Bodenfläche einer Vertiefung in dem drehbaren Bauteil sein, die in ihren lateralen Ausdehnungen und/oder ihrem Höhenprofil an die Form des Magneten angepasst ist. In einigen Ausgestaltungen kann die erste Auflagefläche auf der Drehachse des drehbaren Bauteils angeordnet sein, so dass sich die Drehachse durch die erste Auflagefläche und den darauf angeordneten Magneten hindurch erstreckt. In anderen Beispielen kann die erste Auflagefläche ringförmig sein und um die Drehachse herum verlaufen. Die zweite Auflagefläche kann sich entlang eines Randes der ersten Auflagefläche erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Auflagefläche beispielsweise eine entlang eines Randes der die erste Auflagefläche umfassenden Vertiefung verlaufende Oberfläche sein. Die zweite Auflagefläche kann in einigen Beispielen parallel zur ersten Auflagefläche und damit senkrecht zur Drehachse sein.
• Der Magnet kann beispielsweise ein Dipol- oder Quadrupolmagnet sein und kann zum Beispiel ring-, zylinder- oder scheibenförmig sein. Bevorzugt ist der Magnet diametral magnetisiert. Der Magnet kann insbesondere ein Seltenerdmagnet sein, zum Beispiel ein kunststoffgebundener Neodym-Eisen-Bor-Magnet (NdFeB). Der Magnet kann zur Positionsbestimmung des drehbaren Bauteils mit einer magnetisch sensitiven Sensoranordnung, insbesondere mit einem Hallsensor, zusammenwirken. Der Hallsensor kann zur Detektion einer oder mehrerer räumlicher Komponenten des Magnetfeldes ausgebildet sein. Aus dem Verlauf der registrierten magnetischen Feldstärke kann somit auf eine Drehwinkelstellung des drehbaren Bauteils geschlossen werden. Insbesondere kann der Hallsensor in der Nähe des Magneten auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Die Leiterplatte kann ferner weitere elektronische Komponenten, insbesondere einen Mikrocontroller zur Steuerung eines Elektromotors umfassen. Die beiden Stirnseiten des Magneten können Bereiche aufweisen, die parallel zueinander sind. Wenn der Magnet auf der ersten Auflagefläche aufliegt, kann eine der zwei Stirnseiten des Magneten in einigen Beispielen parallel zur ersten Auflagefläche und damit senkrecht zur Drehachse sein.
• Die Form des Niederhalters kann bevorzugt ebenfalls an die Form der erste Auflagefläche und/oder des Magneten angepasst sein. In einigen Ausführungsformen kann die Form des Niederhalters so gewählt sein, dass sich der aufgelegte Niederhalter entlang eines Randes des Magneten, eines Randes der ersten Auflagefläche und/oder eines Randes der zweiten Auflagefläche erstreckt. Mindestens der erste Energierichtungsgeber kann dazu eingerichtet sein, während eines Schweißvorganges, z.B. eines Ultraschallschweißvorgangs, ganz oder teilweise aufzuschmelzen, z.B. aufgrund der Reibung zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagefläche.
• Das Auflegen des Magneten auf der ersten Auflagefläche kann das Anordnen des Magneten in der Vertiefung umfassen. Der Magnet kann dabei teilweise oder vollständig in der Vertiefung angeordnet werden, beispielsweise so dass die zweite Stirnseite des Magneten bündig mit der zweiten Auflagefläche ist. In einigen Ausführungsformen kann das Anordnen des Magneten zudem das Anpassen einer Position und/oder Orientierung des Magneten umfassen. In einem Beispiel wird der Magnet so auf der ersten Auflagefläche aufgelegt, dass der Schwerpunkt des Magneten auf der Drehachse zu liegen kommt. In einem anderen Beispiel wird der Magnet so auf der ersten Auflagefläche angeordnet, dass die Verbindungslinie zwischen einem Nord- und einem Südpol des Magneten eine vordefinierte Orientierung relativ zur Drehachse und/oder relativ zu dem drehbaren Bauteil aufweist.
• Das Auflegen des Niederhalters kann in einigen Ausführungsformen ebenfalls das Anpassen einer Position und/oder Orientierung des Niederhalters umfassen, z.B. so dass der Schwerpunkt des Niederhalters auf der Drehachse zu liegen kommt und/oder dass der Niederhalter eine vordefinierte Orientierung relativ zur Drehachse, zu dem drehbaren Bauteil und/oder zu dem Magneten aufweist.
• Die Sonotrode kann eine Arbeitsfläche aufweisen. In einem Schweißvorgang kann ein erster Abschnitt der Arbeitsfläche in Kontakt mit dem Niederhalter sein, so dass eine mechanische Schwingung von der Sonotrode durch den ersten Abschnitt der Arbeitsfläche auf den Niederhalter übertragen werden kann. Das Anordnen der Sonotrode kann ein Anfahren der Sonotrode auf den Niederhalter umfassen. Das Anordnen der Sonotrode kann aber auch ein Anfahren des Niederhalters und/oder des drehbaren Bauteils auf die Sonotrode umfassen. Die Form und/oder die Abmessung des ersten Abschnittes der Arbeitsfläche der Sonotrode kann für den Niederhalter angepasst werden. Beispielsweise können der erste Abschnitt der Arbeitsfläche und/oder der Niederhalter ringförmig sein, oder voneinander beabstandete Segmente aufweisen, die entlang eines ringförmigen Pfads angeordnet sind. In diesem Beispiel kann ein innerer Radius des ersten Abschnitts der Arbeitsfläche kleiner als ein äußerer Radius des Niederhalters und ein innerer Radius des Niederhalters kleiner als ein äußerer Radius des ersten Abschnitts der Arbeitsfläche sein. Der erste Abschnitt der Arbeitsfläche kann eine umlaufende Zone entlang eines ringförmigen Pfades sein, wobei die umlaufende Arbeitsfläche sich über den gesamten Umfang, zumindest aber über 50% des Umfanges oder mehr erstreckt.
• Der Schweißvorgang kann einen Ultraschallschweißvorgang umfassen. Der Ultraschallschweißvorgang kann durchgeführt werden, indem eine hochfrequente mechanische Schwingung auf den Niederhalter, den Magneten und/oder das drehbare Bauteil von der Sonotrode durch die Kontaktfläche zwischen dem ersten Abschnitt einer Arbeitsfläche der Sonotrode und dem Niederhalter übertragen wird. Die Frequenz der Schwingung kann beispielsweise im Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz liegen. Die Schwingung kann eine Relativbewegung zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagefläche hervorrufen. Die daraus resultierende Reibung kann zu einer starken Erhitzung führen und dadurch den ersten Energierichtungsgeber und/oder das Material auf der zweiten Auflagefläche ganz oder teilweise schmelzen. In einigen Ausführungsformen kann dadurch nach dem Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagenfläche hergestellt werden.
• Zumindest am Ende des Schweißvorgangs ist der zweite Energierichtungsgeber in Kontakt mit dem Magneten. Dadurch kann eine Relativbewegung des Magneten gegenüber dem drehbaren Bauteil in der zur Drehachse parallelen Richtung, d. h. in Axialrichtung, durch den Niederhalter verhindert werden. Im Vergleich zu einem Niederhalter ohne zweiten Energierichtungsgeber ist der Kontaktbereich bzw. die Kontaktschnittstelle zwischen dem erfindungsgemäßen Niederhalter und dem Magneten auf ein von dem zweiten Energierichtungsgeber definiertes Gebiet beschränkt. Mit anderen Worten: zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und dem zweiten Energierichtungsgeber kann oberhalb des Magneten ein Freiraum vorgesehen werden. Durch den Freiraum kann eine Radialkraft auf den Magneten während eines Schweißvorgangs oder einer thermischen Ausdehnung des Magneten verhindert werden, die einen Riss auf dem Magneten verursachen kann. Ein Magnet, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an dem drehbaren Bauteil befestigten ist, kann ferner resistent gegen Risse sein, die durch eine thermische Ausdehnung verursacht werden.
• Der Schweißvorgang umfasst eine Phase, in der der erste Energierichtungsgeber verformt wird und der zweite Energierichtungsgeber nicht verformt wird. Während der Verformung eines Energierichtungsgebers kann eine mechanische Schwingung von der Sonotrode durch den Energierichtungsgeber auf die zweite Auflagefläche und/oder die zweite Stirnseite des Magneten übertragen werden. Eine auf den Magneten übertragene Schwingung kann einen Riss in dem Magneten verursachen. Die genannte Phase kann es ermöglichen, dass die Schwingungen von der Sonotrode hauptsächlich auf das drehbare Bauteil übertragen werden, während auf den Magneten Schwingungen allenfalls im begrenzten Umfang übertragen werden. Somit kann das Risiko eines Risses im Magneten reduziert werden.
• In einer Ausgestaltung kann während des Schweißvorgangs ein erster Abstand zwischen der zweiten Auflagefläche und der Sonotrode in einer Richtung parallel zu der Drehachse um einen Schweißweg verkürzt werden.
• Weiterhin kann die Relativbewegung zwischen der Sonotrode und dem Niederhalter parallel zu der Drehachse erfolgen. Der erste Abstand kann während des ganzen Schweißvorgangs ununterbrochen verkürzt werden. Dadurch kann der Schweißeffizienz erhöht werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann am Anfang des Schweißvorgangs der zweite Energierichtungsgeber von der zweiten Stirnseite des Magneten beabstandet sein.
• Dieser Abstand bewirkt, dass keine Schwingungsübertragung von dem Niederhalter durch den zweiten Energierichtungsgeber auf die zweite Stirnseite des Magneten stattfindet, was wiederum der Gefahr einer Rissbildung im Magneten entgegenwirkt
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Schweißvorgang eine erste Phase umfassen, in der der Schweißweg kleiner als ein erster Grenzwert ist, und in der der zweite Energierichtungsgeber von der zweiten Stirnseite des Magneten beabstandet ist.
• Diese erste Phase definiert somit einen Arbeitsschritt, in dem noch kein Kontakt zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten hergestellt ist. In dieser ersten Phase wird der Magnet nicht durch Schwingungen belastet, und der zweite Energierichtungsgeber nimmt noch nicht am Schweißprozesses teil und wird noch nicht verformt. Die insgesamt auftretende Schwingungsübertragung auf den Magneten während des gesamten Schweißvorgangs kann dadurch reduziert werden. Der erste Grenzwert kann einem Abstand zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten am Anfang des Schweißvorgangs entsprechen.
• Der Schweißvorgang kann ausschließlich die erste Phase umfassen. Dadurch kann der Niederhalter mit dem drehbaren Bauteil verschweißt werden, ohne dass er durch Kontakt zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und den Magneten gebogen wird. So kann der Magnet axial spielfrei auf der erste Auflagefläche fixiert werden, ohne Spannungen in dem Magneten hervorzurufen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann am Anfang des Schweißvorgangs die Sonotrode in Kontakt mit einem dem ersten Energierichtungsgeber gegenüberliegenden ersten Bereich in der zweiten Stirnseite des Niederhalters sein, und von einem dem zweiten Energierichtungsgeber gegenüberliegenden zweiten Bereich in der zweiten Stirnseite des Niederhalters beabstandet sein.
• Der direkte Kontakt zwischen dem ersten Bereich und der Sonotrode hat zur Folge, dass Schwingungen von der Sonotrode durch den ersten Bereich auf den Niederhalter und weiter durch den ersten Energierichtungsgeber auf die zweite Auflagefläche übertragen werden. Andererseits kann eine Schwingungsübertragung von der Sonotrode durch den zweiten Energierichtungsgeber auf die zweite Stirnseite des Magneten verhindert werden, wenn kein direkter Kontakt zwischen der Sonotrode und dem zweiten Bereich besteht, sodass der Magnet insgesamt weniger Schwingungen ausgesetzt ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann ein zweiter Abstand zwischen der Sonotrode und der zweiten Stirnseite des Niederhalters in einer Richtung parallel zu der Drehachse von dem ersten Bereich in Richtung auf den zweiten Bereich zunehmen.
• In dem - dem ersten Energierichtungsgeber gegenüberliegenden - ersten Bereich kann der genannte zweite Abstand zwischen der Sonotrode und der zweiten Stirnseite des Niederhalters Null sein, was bedeutet, dass die Sonotrode mit dem ersten Bereich in Kontakt ist. In dem - dem zweiten Energierichtungsgeber gegenüberliegenden - zweiten Bereich kann der genannte zweite Abstand zwischen der Sonotrode und der zweiten Stirnseite des Niederhalters größer als Null sein, was bedeutet, dass die Sonotrode mit dem zweiten Bereich nicht in Kontakt ist und die Schwingungen daher in diesem Bereich nicht von der Sonotrode auf den Niederhalter, und somit nicht oder nur im verringerten Maß auf den zweiten Energierichtungsgeber übertragen werden. Der zweite Abstand kann monoton oder strengmonoton von dem ersten Bereich in Richtung auf den zweiten Bereich zunehmen. Wie unten weiter erläutert wird kann über den Verlauf des zweiten Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich eine Verbiegung des Niederhalters im verschweißten Zustand gesteuert werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Schweißvorgang eine zweite Phase umfassen, in der der Schweißweg kleiner als ein zweiter Grenzwert ist, und in der der zweite Energierichtungsgeber mit der zweiten Stirnseite des Magneten in Kontakt ist, aber nicht verformt wird.
• In der zweiten Phase kann der erste Energierichtungsgeber verformt werden, während der zweite Energierichtungsgeber nicht verformt wird. Der zweite Grenzwert kann ein Wert sein, der größer ist als der Abstand zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten am Anfang des Schweißvorgangs. Der Abstand zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten am Anfang des Schweißvorgangs kann Null sein. Dies bedeutet, dass der zweite Energierichtungsgeber zu Beginn des Schweißvorgangs bereits am Magneten aufliegt, aber selbst zumindest zunächst nicht verschweißt wird, und deshalb seine Form nicht verändert. Man beachte, dass in der vorliegenden Offenbarung die „Veränderung der Form“ des Niederhalters sich auf eine Formänderung infolge eines Schweißprozesses bezieht. Durch den von Null verschiedenen zweiten Abstand zwischen dem (dem zweiten Energierichtungsgeber gegenüberliegenden) zweiten Bereich des Niederhalters und der Sonotrode werden Schwingungen allenfalls in einem so geringen Maß an den zweiten Energierichtungsgeber übertragen, dass dieser keinem Schweißprozess und somit auch keiner „Veränderung der Form“ im oben genannten Sinne unterliegt.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Niederhalter während der zweiten Phase in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten auf den zweiten Energierichtungsgeber ausgeübt wird, verbogen werden.
• Durch eine Biegung des Niederhalters kann der zweite Energierichtungsgeber gegen den Magneten vorgespannt werden und diesen somit sicher halten.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Schweißvorgang eine dritte Phase umfassen, in der der zweite Energierichtungsgeber mit der zweiten Stirnseite des Magneten in Kontakt ist und verformt wird.
• In der dritten Phase kann der Schweißweg größer als der zweite Grenzwert sein. Die Sonotrode kann einen zweiten Abschnitt in der Arbeitsfläche aufweisen, der dem zweiten Bereich der zweiten Stirnseite des Niederhalters zugewandt und von diesem beabstandet ist. Der zweite Abschnitt der Arbeitsfläche kann dazu eingerichtet sein, die Biegung des Niederhalters zu beschränken. Der zweite Grenzwert kann einem Schweißweg entsprechen, bei dem der zweite Abschnitt der Arbeitsfläche in Kontakt mit dem bereits vom Magneten weggebogenen Teil des Niederhalters kommt. In dieser Situation können auch Schwingungen von der Sonotrode durch den Kontakt zwischen dem zweiten Abschnitt der Arbeitsfläche und dem gebogenen Teil des Niederhalters auf den Niederhalter übertragen werden. Dies kann dazu führen, dass der zweite Energierichtungsgeber wegen der zusätzlichen Schwingungsübertragung einem Schweißprozesses unterzogen und dadurch verformt wird. Der Kontaktpunkt oder Kontaktbereich zwischen dem zweiten Abschnitt der Arbeitsfläche der Sonotrode und dem gebogenen Teil des Niederhalters kann sich außerhalb des zweiten Bereiches des Niederhalters befinden. Dadurch wird verhindert, dass die Schwingungen ausschließlich oder zumindest in der Hauptsache direkt durch den zweiten Bereich auf den zweiten Energierichtungsgeber übertragen werden, wodurch die Schwingungsübertragung auf den zweiten Energierichtungsgeber gedämpft werden kann.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Niederhalter während der dritten Phase in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten auf den zweiten Energierichtungsgeber ausgeübt wird, verbogen werden bzw. „bleiben“.
• In der dritten Phase kann der Schweißweg größer als der erste Grenzwert und kleiner als der zweite Grenzwert sein. Der erste Grenzwert kann einem Abstand zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten am Anfang des Schweißvorgangs entsprechen. Der erste Grenzwert kann gleich Null sein. Der zweite Grenzwert kann einem Schweißweg entsprechen, bei dem der zweite Abschnitt der Arbeitsfläche der Sonotrode in Kontakt mit dem gebogenen Teil des Niederhalters kommt. In der dritten Phase kann der zweite Bereich des Niederhalters von der Sonotrode beabstandet sein. Durch die Biegung des Niederhalters kann eine Verformung des zweiten Energierichtungsgebers trotzdem kleiner als die Verformung des ersten Energierichtungsgebers sein. Die durchschnittliche oder akkumulierte Schwingungsübertragung auf den Magneten während des gesamten Schweißvorgangs kann dadurch reduziert werden. Damit sinkt auch das Risiko eines Risses im Magneten.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann das drehbare Bauteil ferner folgendes aufweisen: eine dritte Auflagefläche an einer der ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des drehbaren Bauteils, wobei die dritte Auflagefläche der ersten Auflagefläche gegenüberliegt; und eine vierte Auflagefläche an der zweiten Stirnseite des drehbaren Bauteils, wobei die vierte Auflagefläche der zweiten Auflagefläche gegenüberliegt.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren ferner umfassen: Auflegen des drehbaren Bauteils auf einem Bauteilaufnahmeelement, wobei das Bauteilaufnahmeelement in Kontakt mit der vierten Auflagefläche und von der dritten Auflagefläche beabstandet ist.
• Einerseits kann ein direkter Kontakt zwischen dem Bauteilaufnahmeelement und der vierten Auflagefläche es ermöglichen, dass Schwingungen von der Sonotrode hauptsächlich durch den ersten Energierichtungsgeber auf das drehbare Bauteil übertragen werden und dann weiter durch den Kontaktpunkt oder die Kontaktstelle zwischen dem Bauteilaufnahmeelement und der vierten Auflagefläche auf das Bauteilaufnahmeelement übertragen werden. Andererseits kann eine Schwingungsübertragung von der Sonotrode durch den Magneten auf das Bauteilaufnahmeelement verhindert werden, wenn kein Direktkontakt zwischen dem Bauteilaufnahmeelement und der dritten Auflagefläche besteht.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann nach dem Auflegen des Magneten auf der ersten Auflagefläche ein Spalt zwischen der zweiten Auflagefläche und dem Magneten gebildet werden.
• Ein Spalt zwischen der zweiten Auflagefläche und dem Magneten kann eine seitliche Schwingungsübertragung, oder eine Schwingungsübertragung in Radialrichtung auf den Magneten verhindern.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann sich in dem Schweißvorgang geschmolzenes und nachfolgend erstarrtes Material zumindest teilweise in dem Spalt und/oder auf der zweiten Stirnseite des Magneten befinden.
• Das in dem Schweißvorgang geschmolzene und nachfolgend erstarrte Material in dem Spalt und/oder auf der zweiten Stirnseite des Magneten kann dazu führen, dass der Magnet besser auf der ersten Auflagefläche befestigt wird. Vor dem Abkühlen des geschmolzenen Materials kann eine Schwingungsübertragung durch das geschmolzene Material gedämpft werden.
• Die Erfindung stellt weiterhin eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil für einen Stellantrieb, einem zu befestigenden Magneten und einem Niederhalter bereit. Der Niederhalter ist dazu eingerichtet den Magneten an dem drehbaren Bauteil zu befestigen. Das drehbare Bauteil weist auf: eine Drehachse; eine erste Auflagefläche an einer ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils, wobei die erste Auflagefläche sich um die Drehachse erstreckt; und eine zweite Auflagefläche an der ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils, wobei die zweite Auflagefläche sich um die Drehachse erstreckt. Der Magnet ist dazu eingerichtet, auf der ersten Auflagefläche derart aufzuliegen, dass eine erste Stirnseite des Magneten der ersten Auflagefläche zugewandt ist. Der Niederhalter weist einen ersten Energierichtungsgeber und einen zweiten Energierichtungsgeber auf. Der erste Energierichtungsgeber und der zweite Energierichtungsgeber stehen von einer ersten Stirnseite des Niederhalters vor. Der Niederhalter ist eingerichtet, auf der zweiten Auflagefläche des drehbaren Bauteils derart aufzuliegen, dass der erste Energierichtungsgeber der zweiten Auflagefläche zugewandt und mit dieser in Kontakt ist. Der zweite Energierichtungsgeber ist einer der ersten Stirnseite des Magneten gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten zugewandt und von dieser beabstandet, wenn der Magnet auf der ersten Auflagefläche des drehbaren Bauteils aufliegt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung kann einer Anordnung entsprechen, die in dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird. Die erfindungsgemäße Anordnung kann einem Zustand entsprechen, bevor ein Schweißvorgang in dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Einerseits kann ein direkter Kontakt zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagefläche es ermöglichen, dass Schwingungen während des Schweißvorgangs von dem Niederhalter hauptsächlich durch den ersten Energierichtungsgeber auf die zweite Auflagefläche übertragen werden. Andererseits kann eine Schwingungsübertragung von dem Niederhalter durch den zweiten Energierichtungsgeber auf die zweite Stirnseite des Magneten verhindert werden, wenn kein Direktkontakt zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten besteht. Wie oben bereits dargestellt kann somit die durchschnittliche oder akkumulierte Schwingungsübertragung auf den Magneten während des gesamten Schweißvorgangs erheblich reduziert werden. Dadurch wird Risiko verringert, dass im Magneten ein Riss gebildet wird.
• In einer Ausgestaltung kann die zweite Stirnseite des Magneten bei auf der ersten Auflagefläche aufgelegtem Magneten in einer Richtung parallel zu der Drehachse zwischen der ersten Auflagefläche und der zweiten Auflagefläche liegen.
• Die erste Auflagefläche kann die Bodenfläche einer Vertiefung in dem drehbaren Bauteil sein. Die zweite Auflagefläche kann eine entlang eines Randes der die erste Auflagefläche umfassenden Vertiefung verlaufende Oberfläche sein. Der Magnet kann vollständig innerhalb der Vertiefung angeordnet sein. Die zweite Stirnseite des Magneten kann tiefer in der Vertiefung liegen als die zweite Auflagefläche. Dadurch muss der Niederhalter nicht speziell für die Anordnung angepasst werden. Zum Beispiel kann in diesem Fall der zweite Energierichtungsgeber des Niederhalters gleich oder so etwas größer sein als der erste Energierichtungsgeber, und trotzdem zumindest anfänglich der Kontakt zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und dem Magnet vermieden werden.
• In einer Ausgestaltung kann der Magnet an der zweiten Stirnseite eine Schutzbeschichtung aufweisen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Magnet einen strukturierten Bereich an der zweiten Stirnseite aufweisen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der strukturierte Bereich eingerichtet sein, mit dem zweiten Energierichtungsgeber verschweißt zu werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der strukturierte Bereich eingerichtet sein, mit dem verformten zweiten Energierichtungsgeber eine formschlüssige Bindung zu bilden.
• Der strukturierte Bereich kann unterschiedliche Profile aufweisen. Zum Beispiel kann der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Rillen aufweisen. Der strukturierte Bereich kann dazu führen, dass nach einer Verformung des zweiten Energierichtungsgebers und dem Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten hergestellt wird. Die formschlüssige Verbindung kann eine seitliche Bewegung des Magneten, insbesondere eine Relativbewegung des Magneten gegenüber dem drehbaren Bauteil in Umfangrichtung, verhindern. Dadurch kann der Magnet in Umfangrichtung spielfrei auf der ersten Auflagefläche befestigt werden. Der strukturierte Bereich kann auf der Beschichtung gebildet werden. Eine direkte Bildung des strukturierten Bereiches auf dem Magneten kann schwierig sein, weil ein Magnet normalerweise spröde und harte Stirnseiten aufweist. Die Beschichtung aus einem geeigneten Material kann die Bildung des strukturierten Bereiches erleichtern.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der Niederhalter ein ringförmiges Bauteil sein, oder in einer Ebene senkrecht zur Drehachse einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der erste Energierichtungsgeber einen umlaufenden Steg aufweisen, der in Umfangrichtung des Niederhalters entlang des Niederhalters verlaufen kann, wobei der umlaufende Steg sich über den gesamten Umfang des Niederhalters, zumindest aber über 75% des Umfanges oder mehr erstrecken kann.
• Durch einen umlaufenden Steg kann die Kontaktfläche zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagefläche vergrößert werden. Dadurch können Schwingungen während des Schweißvorgangs von dem Niederhalter hauptsächlich durch den ersten Energierichtungsgeber auf die zweite Auflagefläche übertragen werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der zweite Energierichtungsgeber eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Stegsegmenten aufweisen, die in Umfangsrichtung des Niederhalters entlang des Niederhalters angeordnet sind.
• Durch eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Stegsegmenten statt eines umlaufenden Stegs kann die Kontaktfläche zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten reduziert werden. Dadurch kann eine Schwingungsübertragung von dem Niederhalter durch den zweiten Energierichtungsgeber auf die zweite Stirnseite des Magneten reduziert werden. Ferner können zwischen nebeneinanderstehenden Stegsegmenten Freiräume oberhalb des Magneten vorgesehen werden, durch die eine Biegung des Niederhalters erleichtert werden kann.
• Die Arbeitsfläche der Sonotrode kann für die Stegsegmente des Niederhalters angepasst werden. In einer Ausgestaltung ist die Sonotrode bei Anordnen der Sonotrode auf dem Niederhalter mit dem Niederhalter in einem ein Stegsegment umfassenden Sektor in Kontakt. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Sonotrode bei Anordnen der Sonotrode auf dem Niederhalter von dem Niederhalter in einem Sektor beabstandet, der einem Freiraum zwischen benachbarten Stegsegmenten umfasst.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der erste Energierichtungsgeber an seinem von der ersten Stirnseite des Niederhalters abgewandten Ende eine abgeflachte Endfläche aufweisen.
• Durch eine abgeflachte Endfläche an dem von der ersten Stirnseite des Niederhalters abgewandten Ende kann die Kontaktfläche zwischen dem ersten Energierichtungsgeber und der zweiten Auflagefläche vergrößert werden. Dadurch können Schwingungen während des Schweißvorgangs von dem Niederhalter hauptsächlich durch den ersten Energierichtungsgeber auf die zweite Auflagefläche übertragen werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann der zweite Energierichtungsgeber an seinem von der ersten Stirnseite des Niederhalters abgewandten Ende eine Spitze aufweisen.
• Durch eine Spitze an dem von der ersten Stirnseite des Niederhalters abgewandten Ende kann die Kontaktfläche zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber und der zweiten Stirnseite des Magneten reduziert werden. Dadurch kann eine Schwingungsübertragung von dem Niederhalter durch den zweiten Energierichtungsgeber auf die zweite Stirnseite des Magneten reduziert werden.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Stellantrieb mit einem Elektromotor und einem Getriebe. Das Getriebe umfasst wenigstens ein Getrieberad, wobei auf dem Getrieberad ein Magnet mittels eines Niederhalters befestigt ist, und wobei die in einer Richtung parallel zur Drehachse des Getrieberades gemessene Höhe des Niederhalters entlang einer Umfangsrichtung des Niederhalters wenigstens ein Maximum und ein Minimum aufweist.
• In einigen Ausgestaltungen weist der Niederhalter eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite auf, wobei die erste Stirnseite des Niederhalters dem Magneten zugewandt ist, und die zweite Stirnseite des Niederhalters der ersten Stirnseite des Niederhalters gegenüberliegt. In einigen Ausgestaltungen ist die Höhe des Niederhalters in einem Stellantrieb durch den Abstand zwischen dem Magneten und der zweiten Stirnseite des Niederhalters in einer Richtung parallel zur Drehachse des Getrieberades definiert. Die Maxima des Höhenprofils, d.h. der Höhe entlang einer Umfangsrichtung, können insbesondere während des oben beschriebenen Ultraschallschweißvorgangs im Bereich der Stegsegmente der zweiten Energierichtungsgeber des Niederhalters aufgrund des zusätzlichen Materials entstehen. Der Niederhalter kann dann eine unterschiedliche Dicke oder Höhe in einer Richtung parallel zur Drehachse aufweisen. Insbesondere kann der Niederhalter in den Bereichen, in denen vor dem Ultraschallverschweißen zweite Energierichtungsgeber ausgebildet waren, eine größere Höhe aufweisen, als in den Bereichen entlang einer Umfangsrichtung, in denen keine zweiten Energierichtungsgeber ausgebildet waren.
• Der Magnet und der Niederhalter können in manchen Ausgestaltungen des Stellantriebes auf einem Abtriebsrad des Stellantriebes angeordnet sein.
• Der Niederhalter kann zur Befestigung des Magneten mittels eines Fügeprozesses, insbesondere mittels eines Ultraschallschweißprozesses, an dem Getrieberad befestigt sein und eine Haltekraft auf den Magneten ausüben. Der Magnet kann dabei in einer konzentrisch zur Drehachse ausgebildeten Ausnehmung des Getrieberades liegend angeordnet sein.
• Die Haltekraft kann in manchen vorteilhaften Ausgestaltungen des Stellantriebes im Bereich des Maximums/der Maxima des Höhenprofils des Niederhalters größer sein, als im Bereich des Minimums/der Minima des Höhenprofils.
• Somit kann es vorgesehen sein, dass der Niederhalter aufgrund des in Umfangsrichtung variierenden Höhenprofils als Wellenfeder wirkt und die Haltekraft eine entsprechende Federkraft umfasst. Insbesondere kann durch die Federwirkung des Niederhalters eine spielfreie und Toleranzen ausgleichende, sichere Befestigung des Magneten auf dem Getrieberad erreicht werden. Beispielsweise können dadurch Vibrationen des Magneten während des Betriebes des Stellantriebes minimiert werden, wodurch eine sichere und langlebige Befestigung des Magneten begünstigt wird.
• In einer weiteren Weiterbildung kann der Magnet einen strukturierten Bereich an der zweiten Stirnseite aufweisen, welcher mit dem Niederhalter formschlüssig und/oder durch eine Fügeverbindung verbunden ist. Dadurch kann eine Drehbewegung des Magneten relativ zum Getrieberad verhindert werden kann. Mittels des strukturierten Bereichs kann somit eine Verdrehsicherung des Magneten bereitgestellten werden.
• Der Magnet kann insbesondere ein Sensormagnet sein, welcher mit einem magnetischen Sensor, beispielsweise einem Hallsensor, insbesondere mit einem 2D- oder 3D-Hallsensor zum Erfassen einer Drehwinkelstellung des Getrieberades zusammenwirkt. Der magnetische Sensor kann beispielsweise auf einer Leiterplatte des Stellantriebes angeordnet sein.
• KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
• 1: eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter sowie einer Sonotrode und einem Bauteilaufnahmeelement gemäß einem Beispiel nach dem Stand der Technik in Querschnitt;
• 2: eine vergrößerte Ansicht des gestrichelten Bereiches in 1
• 3: Beispiele für Magnete mit Rissen in Draufsicht, die sich in einer Anordnung nach dem Stand der Technik ergeben können;
• 4: ein Flussdiagramm für ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
• 5: eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter sowie einer Sonotrode und einem Bauteilaufnahmeelement gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 6: eine vergrößerte Ansicht des gestrichelten Bereiches von 5;
• 7: ein Niederhalter gemäß einem Beispiel in einer perspektivischen Darstellung;
• 8: eine Anordnung mit dem drehbaren Bauteil, dem zu fixierenden Magneten und dem Niederhalter sowie der Sonotrode in einer ersten Phase des Schweißvorgangs gemäß dem Beispiel in Querschnitt;
• 9: eine Anordnung mit dem drehbaren Bauteil, dem zu fixierenden Magneten und dem Niederhalter sowie der Sonotrode in einer zweiten Phase des Schweißvorgangs gemäß dem Beispiel in Querschnitt;
• 10: eine Anordnung mit dem drehbaren Bauteil, dem zu fixierenden Magneten und dem Niederhalter sowie der Sonotrode in einer dritten Phase des Schweißvorgangs gemäß dem Beispiel in Querschnitt;
• 11: eine Anordnung mit dem drehbaren Bauteil, dem zu fixierenden Magneten und dem Niederhalter sowie der Sonotrode nach Beendigung des Schweißvorgangs gemäß dem Beispiel in Querschnitt;
• 12: Schliffbilder für einen Niederhalter nach Beendigung eines Schweißvorgangs gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 13: ein Schnittbild eines CT-Scans einer Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter nach Beendigung eines Schweißvorgangs gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 14: ein Schnittbild eines CT-Scans einer Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter nach Beendigung eines Schweißvorgangs gemäß einem Beispiel in Draufsicht:
• 15: eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 16: eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil, einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 17: eine alternative Ausgestaltung des drehbaren Bauteils, mit einem zu fixierenden Magneten und einem Niederhalter gemäß einem Beispiel in Querschnitt;
• 18: eine vergrößerte Ansicht des Details X aus 17.
• BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem drehbaren Bauteil 104, einem zu fixierenden Magneten 103 und einem Niederhalter 102 sowie einer Sonotrode 101 und einem Bauteilaufnahmeelement 105 gemäß einem Beispiel nach dem Stand der Technik im Querschnitt. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des gestrichelten Bereiches von 1. Die Anordnung entspricht einem Zustand vor oder in einem Schweißvorgang.
• In diesem Beispiel ist das drehbare Bauteil 104 ein Abtriebsrad für einen Stellantrieb. Das Abtriebsrad 104 weist auf einer ersten Stirnseite eine Vertiefung mit einer Bodenfläche 109a und einer äußeren Randfläche 111 auf. Die Bodenfläche 109a erstreckt sich ringförmig um eine Abtriebswelle 112, die entlang der Drehachse 108 des Abtriebsrads 104 verläuft und ein Mitnahmeprofil 112a aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden. Die Außenseite der Abtriebswelle 112 bildet dabei eine innere Randfläche oder Seitenwand der Vertiefung.
• Um das Abtriebsrad 104 mit dem Niederhalter 102 zu verschweißen, wird zuerst das Abtriebsrad 104 so auf einem Bauteilaufnahmeelement 105 angeordnet, dass eine der Bodenfläche 109a gegenüberliegende Fläche 1090 des Abtriebsrads 104 in Kontakt mit dem Bauteilaufnahmeelement 105 ist. Das Bauteilaufnahmeelement 105 dient einer Unterstützung des Abtriebsrades 104 während eines Ultraschallschweißvorgangs.
• In der Vertiefung wird dann ein ringförmiger Magnet 103 angeordnet. Ein Außendurchmesser der Bodenfläche 109a ist größer als ein Außendurchmesser des Magneten 103, so dass der Magnet 103 durch einen Spalt von der Randfläche 111 der Vertiefung beabstandet ist. Der Magnet 103 weist eine Öffnung auf, die dazu eingerichtet ist, über die Abtriebswelle 112 gestülpt zu werden.
• Der Magnet 103 weist ferner an seinem Innenumfang einen ringförmigen Kragen 107 auf, der sich von einer zweiten Stirnseite oder der Oberseite des Magneten 103 parallel zu der Drehachse 108 erstreckt. Entsprechend weist der Magnet 103 in einer Ebene parallel zu der Drehachse 108 einen L-förmigen Querschnitt auf. Der Kragen 107 kann dabei beispielsweise um eine Länge aus der Oberseite des Magneten 103 hervorstehen, die dem 0,5 bis 2 fachen der Dicke des Magneten 103 senkrecht zur Oberfläche des Magneten 103 entspricht.
• Der Niederhalter 102 ist ringförmig, so dass der Niederhalter 102 über die Abtriebswelle 112 auf das Abtriebsrad 104 und den Magneten 103 aufgelegt werden kann. Der Niederhalter 102 weist auf einer ersten, dem Abtriebsrad 104 zugewandten ersten Stirnseite bzw. Unterseite des Niederhalters 102 einen ringförmigen Energierichtungsgeber 106 auf. Der Niederhalter 102 wird so auf das Abtriebsrad 104 und den Magneten 103 aufgelegt, dass der Energierichtungsgeber 106 in den Spalt zwischen dem Magneten 103 und der Randfläche 111 eingeführt wird. Der Energierichtungsgeber 106 kann mit dem Abtriebsrad 102 durch Ultraschallschweißen verbunden werden.
• Das Ultraschallschweißen wird mithilfe einer Sonotrode 101 durchgeführt, die zu diesem Zweck auf der der ersten Stirnseite des Niederhalters 102 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite bzw. Oberseite des Niederhalters 102 angeordnet wird, wie in 1 und 2 gezeigt ist. Eine Kontaktfläche zwischen der Sonotrode 101 und der Oberseite des Niederhalters 102 erstreckt sich durch einen Großteil einer radialen Ausdehnung der Oberseite des ringförmigen Niederhalters 102.
• Die vorstehend beschriebene Befestigung des Magneten 103 mithilfe des Niederhalters 102 hat sich in der Praxis als außerordentlich zuverlässig und effizient herstellbar erwiesen. Gleichwohl haben die Erfinder festgestellt, dass bei den fertig montierten Einheiten bisweilen Risse im Magneten 103 aufgetreten sind. 3 zeigt beispielhaft Draufsichten auf zwei Magnete, die in der oben beschriebenen Weise mithilfe eines Niederhalters nach dem Stand der Technik befestigt wurden, und bei denen Risse aufgetreten sind, die in 3 durch die weißen ovalen Formen hervorgehoben sind.
• Die Erfinder haben die folgende Ursache für diese Risse festgestellt. In dem Ultraschallschweißvorgang wird eine hochfrequente mechanische Schwingung von der Sonotrode 101 durch den Niederhalter 102 auf das Abtriebsrad 104 und den Magneten 103 übertragen. In diesem Beispiel wird insbesondere Schwingung entlang der in 2 durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung durch den Energierichtungsgeber 106 auf den Magneten 103 übertragen. Die Richtung der Schwingungsübertragung hat eine radiale Komponente und eine axiale Komponente. Die Schwingung wird weiter durch den Magneten 103, die Bodenfläche 109a und die Fläche 1090 auf das Bauteilaufnahmeelement 105 übertragen. Aufgrund einer nur wenig geschwächten, direkten Schwingungsübertragung auf den Magneten und/oder durch den Magneten besteht das Risiko, dass ein Riss in dem Magneten auftritt, wodurch die Zuverlässigkeit bzw. Funktionsfähigkeit der Baugruppe als Ganzes verringert wird.
• Die Neigung zur Rissbildung kann durch ein geändertes, erfindungsgemäßes Befestigungsverfahren deutlich verringert werden. 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren nachstehend mehr im Detail erläutert wird. Das Beispiel umfasst die folgenden Schritte:
• Schritt 301: Auflegen eines drehbaren Bauteils 204 auf einem Bauteilaufnahmeelement 205, wobei das Bauteilaufnahmeelement 205 in Kontakt mit einer vierten Auflagefläche 209d des drehbaren Bauteils 204 und von einer dritten Auflagefläche 2o9c des drehbaren Bauteils beabstandet ist.
• Schritt 302: Auflegen eines Magneten 203 auf einer ersten Auflagefläche 209a des drehbaren Bauteils 204, wobei eine erste Stirnseite des Magneten 203 der ersten Auflagefläche 209a zugewandt ist;
• Schritt 303: Auflegen eines Niederhalters 202 auf der zweiten Auflagefläche 209b und über dem Magneten 203, sodass ein erster Energierichtungsgeber 206a des Niederhalters 202 einer zweiten Auflagefläche 209b des drehbaren Bauteils 204 zugewandt und mit dieser in Kontakt ist, und ein zweiter Energierichtungsgeber 206b des Niederhalters 202 einer der ersten Stirnseite des Magneten 203 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten 203 zugewandt und von dieser beabstandet ist;
• Schritt 304: Anordnen einer Sonotrode 201 auf einer der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202, wobei die Sonotrode 201 in Kontakt mit einem dem ersten Energierichtungsgeber 206a gegenüberliegenden ersten Bereich 210a auf der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202 ist, und von einem dem zweiten Energierichtungsgeber 206b gegenüberliegenden zweiten Bereich 210b auf der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202 beabstandet ist.
• Schritt 305: Durchführen eines Schweißvorgangs mit der Sonotrode 201, um den ersten Energierichtungsgeber 206a mit dem drehbaren Bauteil 204 zu verschweißen, wobei der Schweißvorgang ferner folgende drei Phasen umfasst:
• Schritt 305a: eine erste Phase, in der der zweite Energierichtungsgeber 206b von der zweiten Stirnseite des Magneten 203 beabstandet ist.
• Schritt 305b: eine zweite Phase, in der der zweite Energierichtungsgeber 206b mit der zweiten Stirnseite des Magneten 203 in Kontakt ist, aber nicht verformt wird. Ferner wird in der zweiten Phase der Niederhalter 202 in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten 203 auf den zweiten Energierichtungsgeber 206b ausgeübt wird, verbogen.
• Schritt 306b: eine dritte Phase, in der der zweite Energierichtungsgeber 206b mit der zweiten Stirnseite des Magneten 203 in Kontakt ist und verformt wird.
• 5 und 6 zeigen eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem drehbaren Bauteil 204, einem zu fixierenden Magneten 203 und einem Niederhalter 202 sowie einer Sonotrode 201 und einem Bauteilaufnahmeelement 205 gemäß einem Beispiel nach der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des gestrichelten Bereiches von 5. Die Schritte 301 bis 304 in 4 werden unten in Verbindung mit den 5 und 6 näher erläutert.
• In diesem Beispiel ist das drehbare Bauteil 204 wie in 1 und 2 ein Abtriebsrad für einen Stellantrieb. Das Abtriebsrad 204 weist ebenfalls auf einer ersten Stirnseite eine erste Vertiefung mit einer ersten Bodenfläche oder einer ersten Auflagefläche 209a und einer ersten äußeren Randfläche 211a auf. Die erste Auflagefläche 209a erstreckt sich ringförmig um eine Abtriebswelle 212, die entlang der Drehachse 208 des Abtriebsrads 204 verläuft und ein Mitnahmeprofil 212a aufweist, das dazu eingerichtet ist, mit einem Stellglied mechanisch gekoppelt zu werden. Die Außenseite der Abtriebswelle 212 bildet dabei eine innere Randfläche oder Seitenwand der ersten Vertiefung. Das Abtriebsrad weist ferner eine zweite Auflagefläche 209b auf. Die zweite Auflagefläche 209b verläuft entlang der ersten äußeren Randfläche 211a um die Drehachse 208. Die zweite Auflagefläche 209b kann parallel zu der ersten Auflagefläche 209a und senkrecht zu der Drehachse 208 sein. Das Abtriebsrad 204 weist ferner eine zweite äußere Randfläche 211b auf. Die zweite äußere Randfläche 211b verläuft entlang eines äußeren Randes der zweiten Auflagefläche 209b um die Drehachse ₂₀8. Das Abtriebsrad 204 weist ferner eine fünfte Auflagefläche 209e auf. Die fünfte Auflagefläche 209e verläuft entlang der zweiten äu-ßeren Randfläche 211b um die Drehachse ₂₀8. Die fünfte Auflagefläche 209e kann parallel zu der ersten und zweiten Auflageflächen 209a und 209b sein. Das Abtriebsrad 204 weist auf der der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite bzw. Unterseite eine zweite Vertiefung mit einer zweiten Bodenfläche bzw. dritten Auflagefläche 209c und einer dritten äußeren Randfläche 211c auf. Das Abtriebsrad 204 weist ferner auf der zweiten Stirnseite eine vierte Auflagefläche 209d auf. Die vierte Auflagefläche 209d verläuft entlang der dritten äußeren Randfläche 211c um die Drehachse ₂₀8. Die dritte Auflagefläche 209c liegt der ersten Auflagefläche 209a gegenüber. Die vierte Auflagefläche 209d liegt der zweiten und fünften Auflagefläche 209b bzw. 209e gegenüber.
• Um das Abtriebsrad 204 mit dem Niederhalter 202 zu verschweißen, wird zunächst das Abtriebsrad 204 so auf dem in 5 gezeigten Bauteilaufnahmeelement 205 angeordnet, dass die vierte Auflagefläche 209d des Abtriebsrades 204 in Kontakt mit dem Bauteilaufnahmeelement 205 ist, während das Bauteilaufnahmeelement 205 von der dritten Auflagefläche 209c beabstandet ist (Schritt 301 von 4). Die Kontaktfläche zwischen dem Bauteilaufnahmeelement 205 und dem Abtriebsrad 204 kann entlang der vierten Auflagefläche 209d um die Drehachse 208 herum verlaufen. Die Kontaktfläche zwischen dem Bauteilaufnahmeelement 205 und dem Abtriebsrad 204 kann eine umlaufende Fläche sein oder eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Segmenten aufweisen. Das Bauteilaufnahmeelement 205 dient der Unterstützung des Abtriebsrades 204 während des Ultraschallschweißvorgangs.
• In der ersten Vertiefung wird dann ein ringförmiger Magnet 203 angeordnet (Schritt 302 von 4). Ein Außendurchmesser der ersten Auflagefläche 209a ist größer als ein Außendurchmesser des Magneten 203, so dass der Magnet 203 durch einen Spalt von der ersten Randfläche 211a der Vertiefung beabstandet ist. Der Magnet 203 weist eine Öffnung auf, die dazu eingerichtet ist, über die Abtriebswelle 212 gestülpt zu werden. Die Form und die Ausgestaltung des Magneten können ähnlich oder identisch zu dem in 1 oder 2 dargestellten Magneten sein.
• Auf dem Abtriebsrad 204 und über dem Magneten 203 wird als nächstes ein Niederhalter 202 aufgelegt (Schritt 303 von 4). Der Niederhalter 202 ist ringförmig, so dass der Niederhalter 202 über die Abtriebswelle 212 auf das Abtriebsrad 204 und den Magneten 203 aufgelegt werden kann. Der Niederhalter 202 weist auf einer dem Abtriebsrad 204 zugewandten ersten Stirnseite 207a bzw. Unterseite des Niederhalters 202 einen ersten Energierichtungsgeber 206a und einen zweiten Energierichtungsgeber 206b auf. Der erste Energierichtungsgeber 206a ist entlang des äußeren Randes des Niederhalters 202 angeordnet. Der erste Energierichtungsgeber 206a steht von der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 vor und weist einen sich verjüngenden, trapezförmigen Querschnitt auf, mit zwei gegenüber dem Normalenvektor der ersten Stirnseite 207a geneigten Seitenflächen. Der erste Energierichtungsgeber 206a weist an seinem von der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 abgewandten Ende eine abgeflachte Endfläche auf, die parallel zu der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 verläuft.
• Der zweite Energierichtungsgeber 206b ist in Radialrichtung von dem äußeren und dem inneren Rand des Niederhalters 202 beabstandet. Der zweite Energierichtungsgeber 206b steht von der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 vor und weist einen sich verjüngenden, dreieckigen Querschnitt auf, mit zwei gegenüber dem Normalenvektor der ersten Stirnseite 207a geneigten Seitenflächen, die an einem von der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 abgewandten Ende des zweiten Energierichtungsgebers 206b zu einer Spitze zusammenlaufen.
• Die Höhe des ersten Energierichtungsgebers 206a ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gleich die Höhe des zweiten Energierichtungsgebers 206b, oder anders ausgedrückt, der Abstand zwischen der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 und dem von der ersten Stirnseite 207a abgewandten Ende des ersten Energierichtungsgebers 206a ist gleich dem Abstand zwischen der ersten Stirnseite 207a des Niederhalter 202 und dem von der ersten Stirnseite 207a abgewandten Ende des zweiten Energierichtungsgebers 206b. Die Höhen des ersten Energierichtungsgebers 206a und/oder des zweiten Energierichtungsgebers 206b können beispielsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 0,3 mm und 1,2 mm.
• 7 zeigt einen Niederhalter 202 gemäß einem Beispiel in einer perspektivischen Darstellung. Der Niederhalter 202 kann dem Niederhalter 202 von 5 und 6 entsprechen.
• Der erste Energierichtungsgeber 206a wird durch einen kreisförmigen umlaufenden Steg gebildet, der sich auf der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 in Umfangsrichtung entlang des äußeren Randes des Niederhalters 202 erstreckt.
• Der zweite Energierichtungsgeber 206b weist drei voneinander beabstandete Stegsegmente auf, die in Umfangrichtung des Niederhalters 202 entlang eines umlaufenden Pfades auf der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 angeordnet sind. Jedes der Stegsegmente kann sich beispielsweise über eine Länge zwischen 2% und 20% des entsprechenden Umfanges des Rings erstrecken. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Stegsegmenten kann ebenfalls zwischen 2% und 20% des entsprechenden Umfanges des Niederhalters 202 betragen.
• Ein solcher Niederhalter 202 kann beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens gefertigt werden.
• Wie im Zusammenhang mit 4 erwähnt wird der Niederhalter so auf dem Abtriebsrad 204 aufgelegt, dass der erste Energierichtungsgeber 206a in Kontakt mit der zweiten Auflagefläche 209b ist, während der zweite Energierichtungsgeber 206b von dem Magneten 203 beabstandet ist. Der Abstand zwischen der Spitze des zweiten Energierichtungsgebers 206b und dem Magneten 203 in Axialrichtung kann zwischen 0 mm und 1 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 0,1 mm und 0,5 mm.
• Gemäß Schritt 304 von 4 wird dann eine Sonotrode 201 auf der der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 207b bzw. Oberseite des Niederhalters 202 angeordnet. Die Sonotrode 201 ist dabei in Kontakt mit einem dem ersten Energierichtungsgeber 206a gegenüberliegenden ersten Bereich 210a auf der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202, aber ist von einem dem zweiten Energierichtungsgeber 206b gegenüberliegenden zweiten Bereich 210b auf der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202 beabstandet. Die zweite Stirnseite 207b des Niederhalters 202 ist flach und verläuft senkrecht zu der Drehachse ₂₀8. Die Arbeitsfläche der Sonotrode 201 weist zwei in Axialrichtung gegeneinander versetzte Abschnitte auf. Ein erster oder äußerer Abschnitt der Arbeitsfläche liegt dem ersten Bereich 210a des Niederhalters 202 gegenüber, und ein zweiter oder innerer Abschnitt der Arbeitsfläche liegt dem zweiten Bereich 210b des Niederhalters 202 gegenüber. Der äußere Abschnitt der Arbeitsfläche steht gegenüber dem inneren Abschnitt vor. Bei Anordnen der Sonotrode auf dem Niederhalter 202 kann der äußere Abschnitt der Arbeitsfläche mit dem ersten Bereich 210a in Kontakt kommen während der innere Abschnitt der Arbeitsfläche von dem zweiten Bereich 210b beabstandet ist. Ein Abstand A2 (siehe 6) zwischen der Sonotrode 201 und der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202 in Axialrichtung nimmt in radialer Richtung von außen nach innen zu. In diesem Beispiel nimmt der Abstand A2 kontinuierlich zu. Der Abstand A2 kann auch abrupt oder stufenweise zunehmen. Zum Beispiel kann die Arbeitsfläche der Sonotrode eine stufenartige Form aufweisen, wobei zwischen dem äußeren Abschnitt und dem inneren Abschnitt eine Randfläche entsteht, die sich in Axialrichtung erstreckt. Der Unterschied zwischen den maximalen und minimalen Werten des Abstands A2, bzw. der Höhenunterschied auf der Arbeitsfläche der Sonotrode kann zwischen 0,1 mm und 1 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 0,3 mm und 0.5 mm.
• In Schritt 305 von 4 wird ein Schweißvorgang durchgeführt. Der Schweißvorgang beinhaltet eine Schwingungsübertragung von der Sonotrode 201 durch den Niederhalter 202 auf das Abtriebsrad 204. Somit ist die Sonotrode während des Schweißvorgangs in Kontakt mit dem Niederhalter 202. Die Sonotrode kann bereit vor dem Schweißvorgang, zum Beispiel in dem Schritt 304, Schwingungen erzeugen. Während des Schweißvorgangs wird ein erster Abstand A1 (siehe 6) zwischen der zweiten Auflagefläche 209b und der Sonotrode 201 in Axialrichtung um einen Schweißweg verkürzt. Der Schweißvorgang umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Phasen, die in 8 bis 10 dargestellt werden. Die unterschiedlichen Phasen können ununterbrochen nacheinander durchgeführt werden. Zwischen zwei Phasen kann jedoch auch eine Pause eingelegt werden.
• 8 zeigt eine Anordnung mit dem drehbaren Bauteil 204, dem zu fixierenden Magneten 203 und dem Niederhalter 202 sowie der Sonotrode 201 in einer ersten Phase des Schweißvorgangs gemäß dem Beispiel in Querschnitt. Die erste Phase entspricht einem Schweißweg von Null bis zu einem ersten Grenzwert. Der erste Grenzwert entspricht einem Abstand zwischen der Spitze des zweiten Energierichtungsgebers 206b und dem Magneten 203 in Axialrichtung, wie er am Anfang des Schweißvorgangs vorliegt. In diesem Beispiel ist der erste Grenzwert 0,2 mm. Der erste Grenzwert kann aber auch zwischen 0 mm und 1 mm sein, in einem Beispiel zwischen 0 mm und 0,5 mm. In der ersten Phase werden Schwingungen von der Sonotrode 201 nur durch den ersten Energierichtungsgeber 206a auf die zweite Auflagefläche 209b übertragen. Der Pfeil in 8 bezeichnet die Richtung der Schwingungsübertragung. Aufgrund einer Reibung zwischen dem ersten Energierichtungsgeber 206a und der zweite Auflagefläche 209b wird der erste Energierichtungsgeber 206a verformt, geschmolzen und verkürzt. In der ersten Phase ist der zweite Energierichtungsgeber 206b hingegen von dem Magneten 203 beabstandet. Schon deshalb werden keine Schwingungen durch den zweiten Energierichtungsgeber 206b übertragen. Man beachte dass in dieser ersten Phase die Sonotrode aufgrund ihrer oben beschriebenen, gestuften Struktur nur mit dem (dem ersten Energierichtungsgeber 206a gegenüberliegenden) ersten Bereich 210a auf der zweiten Stirnseite 207b des Niederhalters 202 in Kontakt ist, nicht aber mit dem (dem zweiten Energierichtungsgeber 206b gegenüberliegenden) zweiten Bereich 210b, sodass in diesem Fall der zweite Energierichtungsgeber 106b auch nur geringfügig durch die Sonotrode 201 angeregt wird. Am Ende der ersten Phase kommt der zweite Energierichtungsgeber 206b mit dem Magneten 203 in Kontakt.
• 9 zeigt die Anordnung von 8 am Übergang zwischen der ersten und der zweiten Phase. Die zweite Phase entspricht einem Schweißweg von dem ersten Grenzwert bis einen zweiten Grenzwert. Der zweite Grenzwert ist größer als der erste Grenzwert und kann zwischen 0.1 mm und 1.5 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 0.2 mm und 1 mm. In der zweiten Phase werden Schwingungen weiter von der Sonotrode 201 durch den ersten Energierichtungsgebers 206a auf die zweite Auflagefläche 209b übertragen, und der erste Energierichtungsgeber 206a wird weiter verformt und verkürzt. In der zweiten Phase ist der zweite Energierichtungsgeber 206b in Kontakt mit dem Magneten 203. Aufgrund eines verkürzten Abstandes A1 übt der Magnet 203 eine Druckkraft auf den zweiten Energierichtungsgeber 206b aus. Der Pfeil in 9 bezeichnet die Richtung der Druckkraft. Aufgrund des Freiraums zwischen dem zweiten Bereich 210b und der gestuften Sonotrode 201 wird der zweite Energierichtungsgeber 206b allenfalls indirekt und somit schwach von der Sonotrode 201 angeregt, sodass der zweite Energierichtungsgeber 206b keinem Schweißprozesses unterzogen wird. Die Druckkraft führt zu einer lokalen Biegung des Niederhalters 202, die in der nachfolgenden 10 zu erkennen ist. Die Biegung wird allerdings durch den inneren Abschnitt der Arbeitsfläche der Sonotrode 201 beschränkt, an dem der Niederhalter 202 am Ende der zweiten Phase anstößt. Am Ende der zweiten Phase kommt somit der innere Abschnitt der Arbeitsfläche der Sonotrode 201 mit dem gebogenen Teil des Niederhalters 202 in Kontakt.
• 10 zeigt die Anordnung am Übergang zwischen der zweiten und dritten Phase . Die dritte Phase entspricht einem Schweißweg von dem zweiten Grenzwert bis einen dritten Grenzwert. Der dritte Grenzwert ist größer als der zweite Grenzwert und kann zwischen 0,2 mm und 1,7 mm betragen, in einem Beispiel zwischen 0,3 mm und 1,2 mm. In der dritten Phase werden Schwingungen von der Sonotrode 201 hauptsächlich durch den ersten Energierichtungsgeber 206a auf die zweite Auflagefläche 209b übertragen, aber teilweise auch durch den zweiten Energierichtungsgeber 206b auf den Magneten 203. Der Peil in 10 bezeichnet die Richtung der Schwingungsübertragung durch den zweiten Energierichtungsgeber 206b. Aufgrund der Schwingungsübertragung wird der zweite Energierichtungsgeber 206b einem Schweißprozesses unterzogen und verformt. Die Kontaktstelle zwischen dem inneren Abschnitt der Sonotrode 201 und dem gebogenen Teil des Niederhalters 202 befindet sich im in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel außerhalb des zweiten Bereiches 210b. Dies hat zur Folge, dass Schwingungen nicht auf dem kürzesten Weg, d. h. durch den zweiten Bereich 210b auf den zweiten Energierichtungsgeber 206b übertragen werden, wodurch die Schwingungsübertragung gedämpft wird.
• 11 zeigt die Anordnung nach Beendigung des beschriebenen Schweißvorgangs. Nach der dritten Phase des Schweißvorgangs übt der zweite Energierichtungsgeber 206b aufgrund der Biegung des Niederhalters 202 eine Federkraft auf den Magneten 203 aus. Dadurch können temperaturbedingte Ausdehnungen des Magneten 203 ausgeglichen werden. Ferner kann sich in dem Schweißvorgang geschmolzenes und nachfolgend erstarrtes Material 2o6a', das aus dem ersten Energierichtungsgeber 206a stammt, zumindest teilweise in einem Spalt zwischen der Unterseite des Niederhalters 202 und dem Magneten 203 befinden. Somit kann der Magnet 203 durch das Material 206a' niedergehalten und besser auf der ersten Auflagefläche 209a fixiert werden.
• 12 zeigt Schliffbilder für einen Niederhalter nach Beendigung eines Schweißvorgangs gemäß einem Beispiel in Querschnitt. 12a zeigt einen Querschnitt entlang einer Schnittebene, die durch ein Stegsegment des zweiten Energierichtungsgebers 206b verläuft. In diesem Beispiel bestehen das drehbare Bauteil 204 an der zweiten Auflagefläche 209b und der erste Energierichtungsgeber 206a aus demselben Material. Somit ist nach dem Schweißvorgang eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Energierichtungsgeber 206a und der zweiten Auflagefläche 209b gebildet. Der zweite Energierichtungsgeber 206b ist erkennbar verformt. Der Abstand zwischen der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 und dem Magneten 203 in Axialrichtung beträgt zwischen ca. 255 µm bis ca. 263 µm. 12b zeigt einen Querschnitt entlang einer Schnittebene, die durch einen Freiraum zwischen benachbarten Stegsegmenten des zweiten Energierichtungsgeber 206b verläuft. Der Abstand zwischen der ersten Stirnseite 207a des Niederhalters 202 und dem Magneten 203 in Axialrichtung beträgt in dieser Schnittebene lediglich zwischen ca. 213 µm bis ca. 241 µm. Der Abstandsunterschied von ca. 30 µm beruht auf der lokalen Biegung des Niederhalters 202 aufgrund des zweiten Energierichtungsgebers 206b, die unter Bezugnahme auf 10 und 11 beschrieben wurde. Durch diese Biegung wird die oben beschriebene Federkraft aufgebaut, d. h. der Niederhalter 202 wird gegen den Magneten 203 vorgespannt. Ferner zeigt der Abstandunterschied, dass die Biegung des Niederhalters 202 entlang der Umfangrichtung nicht gleichmäßig ist, sondern vornehmlich in den Bereichen ausgeprägt ist, an denen der zweite Energierichtungsgeber 106b vorliegt. In einigen Beispielen weist der Niederhalter 202 in einem Sektor, der ein Stegsegment umfasst, somit eine stärkere Biegung in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten 203 auf den Niederhalter 202 ausgeübt wird, als in einem Sektor auf, der einem Freiraum zwischen zwei benachbarten Stegsegmenten entspricht.
• 13 zeigt ein Schnittbild eines CT-Scans einer Anordnung mit dem drehbaren Bauteil, dem zu fixierenden Magneten und dem Niederhalter nach Beendigung eines Schweißvorgangs gemäß einem weiteren Beispiel in Querschnitt. 14 zeigt ein Schnittbild eines CT-Scans in Draufsicht auf einen Querschnitt, der in 13 durch die Linie A-A' gekennzeichnet ist. Der Querschnitt A-A' ist senkrecht zu der Dreihachse 208 und verläuft quer durch das Abtriebsrad 204, den Kragen des Magneten 203, und den zweiten Energierichtungsgeber 206b des Niederhalters 202. In der Anordnung ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Niederhalter 202 und dem Abtriebsrad 204 durch die Verformung des ersten Energierichtungsgebers 206a infolge des Ultraschall-Schweißprozesses gebildet. Der Niederhalter 202 ist in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten 203 auf den zweiten Energierichtungsgeber 206b ausgeübt wird, lokal verbogen. Durch die Rückstellkraft, die durch die Biegung entsteht, kann der Magnet 203 besser auf dem Abtriebsrad 204 fixiert werden. Der zweite Energierichtungsgeber 206b des Niederhalters 202 weist an seinem von dem Niederhalter 202 abgewandten Ende eine Spitze auf. Der zweite Energierichtungsgeber 206b wurde im Schweißvorgang nicht oder nur geringfügig verformt. Der zweite Energierichtungsgeber 206b weist drei voneinander beabstandete Stegsegmente auf.
• 15 zeigt eine Anordnung mit einem drehbaren Bauteil 204, einem zu fixierenden Magneten 203 und einem Niederhalter 202 gemäß einem weiteren Beispiel in Draufsicht. 16 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt, der in 15 durch die Linie B-B' gekennzeichnet ist. Der Querschnitt B-B' ist parallel zu der Drehachse 208 und verläuft in Radialrichtung quer durch das drehbare Bauteil 204, den Magneten 203, eine Rille 214 in einem strukturierten Bereich 213 auf dem Magneten 203, den Niederhalter 202 sowie den ersten Energierichtungsgeber 206a und den zweiten Energierichtungsgeber 206b des Niederhalters 202.
• Das drehbare Bauteil 204 und der Niederhalter 202 sind ähnlich zu dem bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten drehbaren Bauteil 204 und dem Niederhalter 202. Der Magnet 203' ist ähnlich zu dem bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Magneten 203, mit der Ausnahme, dass der Magnet 203' zusätzlich einen strukturierten Bereich 213 aufweist. Der strukturierter Bereich 213 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Bereich auf der zweiten Stirnseite des Magneten 203', der dem zweiten Energierichtungsgeber 206b zugewandt ist, wenn der Niederhalter 202 zum Schweißvorgang auf dem drehbaren Bauteil 204 und dem Magneten 203' aufgelegt wird. Der strukturierte Bereich 213 kann sich umlaufend um die Drehachse entlang des Magneten 203' erstrecken. In diesem Beispiel befindet sich die Spitze des zweiten Energierichtungsgebers 206b in Radialrichtung mittig über dem strukturierten Bereich 213. In dem strukturierten Bereich 213 ist eine Mehrzahl von Rillen 214 ausgebildet. Die Rillen 214 sind entlang eines Pfades in Umfangrichtung angeordnet und voneinander beanstandet. Jede Rille 214 ist entlang der Radialrichtung ausgerichtet. In diesem Beispiel erstreckt sich der zweite Energierichtungsgeber 206b über einer Mehrzahl von Rillen 214. Nach der Verformung des zweiten Energierichtungsgebers 206b, zum Beispiel in einer Dritte Phase des erfindungsgemäßen Schweißvorgangs, und einem Abkühlen kann eine formschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Energierichtungsgeber 206b und der zweiten Stirnseite des Magneten 203' durch die Rillen 214 in dem strukturierten Bereich 213 hergestellt werden. In dem Beispiel ist der strukturierte Bereich 213 direkt auf dem Magneten 203' gebildet. Der strukturierte Bereich 213 kann auch auf einer Schutzbeschichtung gebildet werden, die zum Schutz des Magneten 203' auf der zweiten Stirnseite des Magneten 203' gebildet wird.
• Die 17 und 18 zeigen eine alternative Ausgestaltung einer schematisch dargestellten Sonotrode 401 und eins als Zahnrad ausgebildeten drehbaren Bauteils 404. Das Zahnrad umfasst eine zentrisch angeordnete Ausnehmung, in welcher der Magnet 403 angeordnet ist. Der Magnet 403 ist mittels eines kreisförmigen Niederhalters 402 an dem Zahnrad befestigt. Gezeigt ist die Anordnung aus Sonotrode 401, drehbarem Bauteil und Niederhalter 402 nach dem Schweißvorgang. Analog zu den oben beschriebenen Ausgestaltungen liegt der Magnet 403 mit einer ersten Auflagefläche 409a auf dem als Zahnrad ausgebildeten drehbaren Bauteil 404 auf. Zu Beginn des Ultraschweißvorgangs liegt wiederum der erste Energierichtungsgeber 409a auf der zweiten Auflagefläche 409b auf. In dieser Ausgestaltung weist der Magnet 403 eine entlang der Drehachse führende Ausnehmung auf, welche den Magneten 403 vollständig durchdringen kann. Die Ausnehmung kann jedoch auch lediglich in Form einer Vertiefung umgesetzt sein.
• Die Arbeitsfläche der Sonotrode 401 weist wiederum zwei axial zueinander beabstandete Abschnitte auf, so dass über den näher am drehbaren Bauteil 402 angeordneten Abschnitt zuerst der erste Energierichtungsgeber 409a aufgeschmolzen wird und in einer späteren Phase des Ultraschallschweißvorgangs der zweite Energierichtungsgeber 409b aufgeschmolzen wird, wobei die Ausnehmung wenigstens teilweise ausgefüllt wird. Dadurch kann der Magnet 403 nicht nur in axialer, sondern auch in radialer Richtung fixiert werden. Die Energierichtungsgeber 409a, 409b sind zur besseren Illustration des Niederhalters 402 in ihrer vor dem Schweißvorgang bestehenden Gestalt dargestellt.
• LISTE DER BEZUGSZEICHEN

101

Sonotrode

102

Niederhalter

103

Magnet

104

drehbares Bauteil

105

Bauteilaufnahmeelement

106

Energierichtungsgeber

107

Kragen

108

Drehachse

109a

Bodenfläche

109c

Flache

111

äußere Randfläche

112

Antriebswelle

112a

Mitnahmeprofil

201

Sonotrode

202

Niederhalter

203

Magnet

203'

Magnet

204

drehbares Bauteil

205

Bauteilaufnahmeelement

206a

erster Energierichtungsgeber

206b

zweiter Energierichtungsgeber

206a'

Material

207a

erste Stirnfläche des Niederhalters

207b

zweite Stirnfläche des Niederhalters

208

Drehachse

209a

erste Auflagefläche

209b

zweite Auflagefläche

209c

dritte Auflagefläche

209d

vierte Auflagefläche

209e

fünfte Auflagefläche

A1

erster Abstand

210a

erster Bereich

210b

zweiter Bereich

A2

zweiter Abstand

211a

erste äußere Randfläche

211b

zweite äußere Randfläche

211c

dritte äußere Randfläche

212

Antriebswelle

212a

Mitnahmeprofil

213

strukturierter Bereich

214

Rille

301

Auflegen des drehbaren

302

Auflegen des Magneten

303

Auflegen des Niederhalters

304

Anordnen einer Sonotrode

305a

Erste Phase des Schweißvorgangs

305b

Zweite Phase des Schweißvorgangs

305c

Dritte Phase des Schweißvorgangs

401

Sonotrode

402

Niederhalter

403

Magnet

404

drehbares Bauteil

406a

erster Energierichtungsgeber

406b

zweiter Energierichtungsgeber

409a

erste Auflagefläche

409b

zweite Auflagefläche

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102020110005 A1 [0004]
• DE 102020131658 A1 [0004]

Claims (26)

1. Verfahren zum Befestigen eines Magneten (203, 403) an einem drehbaren Bauteil (204, 404) für einen Stellantrieb mittels eines Niederhalters (202,402), wobei: der Niederhalter (202, 402) einen ersten Energierichtungsgeber (206a, 406a) und einen zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) aufweist, wobei der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) von einer ersten Stirnseite (207a) des Niederhalters (202, 402) vorstehen; und das drehbare Bauteil (204, 404) aufweist: eine Drehachse (208); eine erste Auflagefläche (209a, 409a) an einer ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die erste Auflagefläche (209a, 409a) sich um die Drehachse (208) erstreckt; und eine zweite Auflagefläche (209b, 409b) an der ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die zweite Auflagefläche (209b, 409b) sich um die Drehachse (208) erstreckt; und das Verfahren umfasst: Auflegen des Magneten (203, 403) auf der ersten Auflagefläche (209a, 409a), wobei eine erste Stirnseite des Magneten (203, 403) der ersten Auflagefläche (209a, 409a) zugewandt ist; Auflegen des Niederhalters (202, 402) auf der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) und dem Magneten (203, 403), sodass der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) zugewandt und mit dieser in Kontakt ist, und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) einer der ersten Stirnseite des Magneten (203, 403) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) zugewandt ist; Anordnen einer Sonotrode (201, 401) auf einer der ersten Stirnseite (207a) des Niederhalters (202, 402) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite (207b) des Niederhalters (202, 402); und Durchführen eines Schweißvorgangs mit der Sonotrode (201, 401), um den ersten Energierichtungsgeber (206a, 406a) mit dem drehbaren Bauteil (204, 404) zu verschweißen, wobei der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) während des Schweißvorgangs verformt wird, wobei der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) am Ende des Schweißvorgangs in Kontakt mit der zweiten Stirnseite des Magneten ist, und wobei der genannte Schweißvorgang eine Phase umfasst, in der der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) verformt wird und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) nicht verformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Schweißvorgangs ein erster Abstand (A1) zwischen der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) und der Sonotrode (201, 401) in einer Richtung parallel zu der Drehachse um einen Schweißweg verkürzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei am Anfang des Schweißvorgangs der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) von der zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) beabstandet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schweißvorgang eine erste Phase umfasst, in der der Schweißweg kleiner als ein erster Grenzwert ist, und in der der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) von der zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) beabstandet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Anfang des Schweißvorgangs die Sonotrode (201, 401) in Kontakt mit einem dem ersten Energierichtungsgeber (206a, 406a) gegenüberliegenden ersten Bereich (210a) in der zweiten Stirnseite (207b) des Niederhalters (202, 402) ist, und von einem dem zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) gegenüberliegenden zweiten Bereich (210b) in der zweiten Stirnseite (207b) des Niederhalters (202, 402) beabstandet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein zweiter Abstand (A2) zwischen der Sonotrode (201, 401) und der zweiten Stirnseite des Niederhalters (202, 402) in einer Richtung parallel zu der Drehachse (208) von dem ersten Bereich (210a) in Richtung auf den zweiten Bereich (210b) zunimmt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Schweißvorgang eine zweite Phase umfasst, in der der Schweißweg kleiner als ein zweiter Grenzwert ist, und in der der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) mit der zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) in Kontakt ist, aber nicht verformt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Niederhalter (202, 402) während der zweiten Phase in Folge einer Druckkraft, die von dem Magneten (203, 403) auf den zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) ausgeübt wird, verbogen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schweißvorgang eine dritte Phase umfasst, in der der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) mit der zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) in Kontakt ist und verformt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Niederhalter (202, 402) während der dritten Phase in Folge einer Druckkraft, die von dem Magnet (203, 403) auf den zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) ausgeübt wird, verbogen wird bzw. bleibt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das drehbare Bauteil (204, 404) ferner folgendes aufweist: eine dritte Auflagefläche (209c) an einer der ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die dritte Auflagefläche (209c) der ersten Auflagefläche gegenüberliegt (209a, 409a); und eine vierte Auflagefläche (209d) an der zweiten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die vierte Auflagefläche (209d) der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) gegenüberliegt, und das Verfahren ferner umfasst: Auflegen des drehbaren Bauteils (204, 404) auf einem Bauteilaufnahmeelement (205), wobei das Bauteilaufnahmeelement (205) in Kontakt mit der vierten Auflagefläche (209d) und von der dritten Auflagefläche (209c) beabstandet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Auflegen des Magneten (203, 403) auf der ersten Auflagefläche (209a, 409a) ein Spalt zwischen der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) und dem Magneten (203, 403) gebildet ist, und sich in dem Schweißvorgang geschmolzenes und nachfolgend erstarrtes Material zumindest teilweise in dem Spalt und/oder auf der zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) befindet.
13. Anordnung mit einem drehbaren Bauteil (204, 404) für einen Stellantrieb, einem zu befestigenden Magneten (203, 403) und einem Niederhalter (202, 402), der dazu eingerichtet ist, den Magneten (203, 403) an dem drehbaren Bauteil (204, 404) zu befestigen, wobei: das drehbare Bauteil (204, 404) aufweist: eine Drehachse (208); eine erste Auflagefläche (209a, 409a) an einer ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die erste Auflagefläche (209a, 409a) sich um die Drehachse (208) erstreckt; und eine zweite Auflagefläche (209b, 409b) an der ersten Stirnseite des drehbaren Bauteils (204, 404), wobei die zweite Auflagefläche (209b, 409b) sich um die Drehachse (208) erstreckt; und der Magnet (203, 403) dazu eingerichtet ist, auf der ersten Auflagefläche (209a, 409a) derart aufzuliegen, dass eine erste Stirnseite des Magneten (203, 403) der ersten Auflagefläche (209a, 409a) zugewandt ist; und der Niederhalter (202, 402) einen ersten Energierichtungsgeber (206a, 406a) und einen zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) aufweist, wobei der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) von einer ersten Stirnseite (207a) des Niederhalters (202, 402) vorstehen, der Niederhalter (202, 402) eingerichtet ist, auf der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) des drehbaren Bauteils (204, 404) derart aufzuliegen, dass der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) zugewandt und mit dieser in Kontakt ist, und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) einer der ersten Stirnseite des Magneten (203, 403) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magneten (203, 403) zugewandt und von dieser beabstandet ist, wenn der Magnet auf der ersten Auflagefläche des drehbaren Bauteils aufliegt.
14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei bei auf der ersten Auflagefläche aufgelegtem Magneten (203, 403) die zweite Stirnseite des Magneten (203, 403) in einer Richtung parallel zu der Drehachse (208) zwischen der ersten Auflagefläche (209a, 409a) und der zweiten Auflagefläche (209b, 409b) liegt.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei der Magnet (203, 403) an der zweiten Stirnseite eine Schutzbeschichtung aufweist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Magnet (203, 403) einen strukturierten Bereich an der zweiten Stirnseite aufweist, der eingerichtet ist, mit dem zweiten Energierichtungsgeber (206b, 406b) verschweißt zu werden.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Niederhalter (202) ein ringförmiges Bauteil ist oder wobei der Niederhalter (402) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
18. Anordnung nach Anspruch 17, wobei der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) einen umlaufenden Steg aufweist, der in Umfangrichtung des Niederhalters (202, 402) entlang des Niederhalters (202, 402) verläuft, wobei der umlaufende Steg sich über den gesamten Umfang des Niederhalters (202, 402), zumindest aber über 75% des Umfanges oder mehr erstreckt.
19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, wobei der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Stegsegmenten aufweist, die in Umfangsrichtung des Rings entlang des Rings angeordnet sind.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der erste Energierichtungsgeber (206a, 406a) an seinem von der ersten Stirnseite des Niederhalters (202, 402) abgewandten Ende eine abgeflachte Endfläche aufweist, und der zweite Energierichtungsgeber (206b, 406b) an seinem von der ersten Stirnseite des Niederhalters abgewandten Ende eine Spitze aufweist.
21. Stellantrieb mit einem Elektromotor und einem Getriebe, das Getriebe umfassend wenigstens ein Getrieberad, wobei auf dem Getrieberad ein Magnet (203, 403) mittels eines Niederhalters (202, 402) befestigt ist, und wobei die in einer Richtung parallel zur Drehachse des Getrieberades gemessene Höhe des Niederhalters (202, 402) entlang der Umfangsrichtung des Niederhalters (202, 402) wenigstens ein Maximum und ein Minimum aufweist.
22. Stellantrieb nach Anspruch 21, wobei der Magnet (203, 403) und der Niederhalter (202, 402) auf einem Abtriebsrad des Stellantriebes angeordnet sind.
23. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei der Niederhalter (202, 402) zur Befestigung des Magneten (203, 403) mittels eines Fügeprozesses, insbesondere mittels eines Ultraschallschweißprozesses an dem Getrieberad befestigt ist, und wobei der Magnet (203, 403) in einer zentrisch oder konzentrisch zur Drehachse (208) ausgebildeten Ausnehmung des Getrieberades liegend angeordnet ist und der Niederhalter eine Haltekraft auf den Magneten (203, 403) ausübt.
24. Stellantrieb nach Anspruch 23, wobei die Haltekraft im Bereich der Maxima des Höhenprofils größer ist, als im Bereich der Minima des Höhenprofils.
25. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei der Niederhalter (202, 402) aufgrund des in Umfangsrichtung variierenden Höhenprofils als Wellenfeder wirkt, so dass die Haltekraft eine Federkraft umfasst.
26. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei der Magnet (203, 403) einen strukturierten Bereich an der zweiten Stirnseite aufweist, welcher mit dem Niederhalter (202, 402) formschlüssig und/oder durch eine Fügeverbindung verbunden ist und dadurch eine Drehbewegung des Magneten (203, 403) relativ zum Getrieberad verhindert.

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