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Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung und Winkelsensor und ein Verfahren zum Herstellen.
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Als Welle-Nabe-Verbindung ist eine Passfederverbindung allgemein bekannt.
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Aus der
DE 698 10 504 T2 ist als nächstliegender Stand der Technik ein Positionsgeber bekannt.
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Aus der
DE 195 32 519 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen metallischen Werkstücks bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach herstellbare Verbindung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Welle-Nabe-Verbindung nach den in Anspruch 1 oder 2 und bei dem Winkelsensor nach den in Anspruch 14 und ein Verfahren zum Herstellen nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1 sind, dass eine als Leiterplatte ausgeführte Nabe, die mit der Welle formschlüssig verbunden ist, vorgesehen ist,
wobei die Leiterplatte eine Ausnehmung, insbesondere Loch, aufweist, durch welche die Welle hindurchragt, insbesondere in axialer Richtung,
wobei die Leiterplatte am Rand, insbesondere Lochrand, der Ausnehmung radial gerichtete Rücknahmen, insbesondere nach radial außen gerichtete Rücknahmen, insbesondere ihres Grundmaterials aufweist, in welche radial gerichtete Erhebungen, insbesondere nach radial außen gerichtete Erhebungen, der Welle hineinragen,
insbesondere wobei der von der Welle in axialer Richtung überdeckte Bereich den von der Leiterplatte in axialer Richtung überdeckten Bereich umfasst.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine spielfreie Verbindung der metallischen Welle mit einer Leiterplatte in einfacher Weise schnell und einfach bewirkbar ist. Hierbei muss nur mittels eines Werkzeugs auf einen Bereich der Welle, insbesondere Kragenbereich, gedrückt werden, um Material der Welle umzuformen, sodass das verdrängte Material nach radial außen herausdringt und dabei Material der Leiterplatte, insbesondere das Grundmaterial der Leiterplatte, verdrängt. Somit entsteht eine in Umfangsrichtung formschlüssige und spielfreie Verbindung. Dadurch, dass das verdrängte Material aber auch teilweise axial neben der Leiterplatte radial noch etwas weiter vordringt als in dem von der leiterplatte in axialer Richtung überdeckten Bereich ist die Leiterplatte auch axial begrenzt. Entgegengesetzt zur axialen Richtung liegt die Leiterplatte aber an einer ebenen Fläche der Welle an. Somit ist die Leiterplatte axial beidseitig begrenzt und daher formschlüssig verbunden. Da die Welle durch die Ausnehmung der Leiterplatte durchgesteckt ist, ist auch in radialer Richtung eine formschlüssige Verbindung bewirkt.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 2 sind, dass eine als Leiterplatte ausgeführte Nabe, die mit der Welle formschlüssig verbunden ist, vorgesehen ist,
wobei die Leiterplatte eine Ausnehmung aufweist, welche radial gerichtete Rücknahmen, insbesondere nach radial außen gerichtete Rücknahmen, des Grundmaterials der Leiterplatte aufweist, in welche radial gerichtete Erhebungen, insbesondere nach radial außen gerichtete Erhebungen, der Welle hineinragen,
wobei die Welle durch die Ausnehmung hindurchragt,
insbesondere wobei der von der Welle in axialer Richtung überdeckte Bereich den von der Leiterplatte in axialer Richtung überdeckten Bereich umfasst.
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Von Vorteil ist dabei, dass eine spielfreie Verbindung der metallischen Welle mit einer Leiterplatte in einfacher Weise schnell und einfach bewirkbar ist. Hierbei muss nur mittels eines Werkzeugs auf einen Bereich der Welle, insbesondere Kragenbereich, gedrückt werden, um Material der Welle umzuformen, sodass das verdrängte Material nach radial außen herausdringt und dabei Material der Leiterplatte, insbesondere das Grundmaterial der Leiterplatte, verdrängt. Somit entsteht eine in Umfangsrichtung formschlüssige und spielfreie Verbindung. Dadurch, dass das verdrängte Material aber auch teilweise axial neben der Leiterplatte radial noch etwas weiter vordringt als in dem von der leiterplatte in axialer Richtung überdeckten Bereich ist die Leiterplatte auch axial begrenzt. Entgegengesetzt zur axialen Richtung liegt die Leiterplatte aber an einer ebenen Fläche der Welle an. Somit ist die Leiterplatte axial beidseitig begrenzt und daher formschlüssig verbunden. Da die Welle durch die Ausnehmung der Leiterplatte durchgesteckt ist, ist auch in radialer Richtung eine formschlüssige Verbindung bewirkt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hintergreifen die radial gerichteten Erhebungen die Leiterplatte, insbesondere in dem von den radial gerichteten Rücknahmen in Umfangsrichtung überdeckten Bereichen,
insbesondere sodass die Leiterplatte in allen Richtungen, insbesondere also in radialer Richtung und in axialer Richtung und in Umfangsrichtung, formschlüssig mit der Welle verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine in allen Richtungen formschlüssige Verbindung in einfacher Weise durch Aufstecken der Leiterplatte und Umformen von Bereichen der Welle erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Welle als Hohlwelle ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine weitere Welle in einfacher Weise verbindbar ist, indem die Welle auf die weitere Welle aufsteckbar ist. Die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und der weiteren Welle ist durch Klebstoff und/oder durch eine Passfederverbindung erreichbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Welle mit einer weiteren Welle, insbesondere Rotorwelle eines Elektromotors, drehfest verbunden, insbesondere mittels Passfederverbindung. Von Vorteil ist dabei, dass eine Leiterplatte drehfest mit der Rotorwelle verbindbar ist und somit ein Elektromotor mit integriertem Geber, also Winkelsensor, ausbildbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ausnehmung mittig in der Leiterplatte angeordnet und/oder axial durchgehend ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Welle durch die Ausnehmung durchsteckbar ist und somit die Leiterplatte an eine ebene Fläche der Welle anschmiegbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der radial äußere Umfang der Leiterplatte kreisförmig, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet. Von Vorteil ist dabei, dass eine möglichst geringe Unwucht erzeugt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die radial gerichteten Erhebungen der Welle in Umfangsrichtung voneinander regelmäßig beabstandet, insbesondere wobei die Erhebungen alle auf demselben Radialabstand und/oder alle an derselben axialen Position angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass mehrere Erhebungen am Umfang vorgesehen sind und somit bei Versagen einer der Erhebungen genügend viele andere Erhebungen in Wirkverbindung mit der Leiterplatte sind, sodass eine erhöhte Sicherheit hergestellt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die radial gerichteten Rücknahmen der Leiterplatte in Umfangsrichtung voneinander regelmäßig beabstandet, insbesondere wobei die Rücknahmen alle auf demselben Radialabstand und/oder alle an derselben axialen Position angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine erhöhte Sicherheit vorgesehen ist, wobei Unwucht möglichst geringgehalten wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Rand der Ausnehmung an einem an der Welle ausgebildeten, insbesondere ausgeformten, Kragenbereich an. Von Vorteil ist dabei, dass eine spielfreie Verbindung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragt ein oder der an der Welle ausgebildete Kragenbereich, insbesondere ausgeformte Kragenbereich, durch die Ausnehmung hindurch, insbesondere in axialer Richtung. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte eng und spielfrei an der Welle anliegt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt die Leiterplatte auf der vom Kragenbereich in axialer Richtung abgewandten Seite an einem ebenen Oberflächenabschnitt der Welle an, dessen Normalenrichtung parallel zur axialen Richtung ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte einerseits ausgerichtet ist und andererseits spielfrei anliegt. Beim Umformen des Kragenbereichs drückt das verformte Material die Leiterplatte auch mit einer elastischen Restspannung an die ebene Fläche, also den ebenen Oberflächenabschnitt der Welle, an.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Welle einen in radialer Richtung, insbesondere nach radial außen, hervorragenden Wulst auf, an dem der Oberflächenabschnitt ausgebildet und/oder angeordnet ist,
insbesondere wobei der vom Wulst überdeckte Radialabstandsbereich radial außerhalb des vom Kragenbereich der Welle überdeckten Radialabstandsbereichs angeordnet ist oder mit diesem überlappt. Von Vorteil ist dabei, dass mittels des in Umfangsrichtung umlaufenden Wulstes, welcher den Kragenbereich radial überragt, eine ebene Fläche zum Anliegen der Leiterplatte bereitgestellt ist. Mittels des Kragenbereichs ist die Leiterplatte in Umfangsrichtung formschlüssig verbindbar und somit drehfest verbindbar mit der Welle.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leiterplatte in axialer Richtung durchgehende, insbesondere voneinander beabstandete, Löcher, insbesondere Zentrierlöcher, auf,
wobei an der Welle Stiftbereiche angeformt sind, welche an der Welle in axialer Richtung hervorragen und durch die Löcher der Leiterplatte in axialer Richtung hindurchragen. Von Vorteil ist dabei, dass eine Zentrierung der Leiterplatte zur Welle hin in einfacher Weise ermöglicht ist. Alternativ sind die Stiftbereiche nicht an der Welle angeformt, sondern an dem Werkzeug, mit welchem das Umformen ausgeführt wird und welches das Material derart drückt, dass das Material als radial gerichtete Erhebungen verformt wird. Dabei wird dann die relative Lage des Werkzeugs zur Leiterplatte mittels der in die Löcher eingesteckten Stiftbereiche festgelegt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzt der Kragenbereich an den Wulst an oder ist in axialer Richtung vom Wulst beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte mit einer dünnen Wandstärke ausführbar ist, da der Kragenbereich möglichst nah am Wulst angeordnet ist oder an ihn angrenzt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung grenzt der vom Kragenbereich in axialer Richtung überdeckte Bereich an an den vom Wulst in axialer Richtung überdeckten Bereich oder ist davon beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte mit einer dünnen Wandstärke ausführbar ist, da der Kragenbereich möglichst nah am Wulst angeordnet ist oder an ihn angrenzt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind radial gerichteten Erhebungen durch Umformen erzeugt, insbesondere mittels eines Werkzeugs, dessen in Umfangsrichtung voneinander beabstandete am Werkzeug hervorragenden Stempelbereiche in axialer Richtung auf den Kragenbereich gedrückt sind. Von Vorteil ist dabei, dass durch das verdrängte Material eine spielfreie Verbindung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die radial gerichteten Rücknahmen mittels der radial gerichteten Erhebungen, insbesondere bei deren Erzeugung durch Umformen, erzeugt,
insbesondere sodass die Leiterplatte mit der Welle spielfrei verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass das beim Umformen verdrängte Material in das Grundmaterial der Leiterplatte eindringt und dabei dieses verdrängt, also die Rücknahmen erzeugt. Da das Werkzeug nur an in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stellen mit seinen Stempelbereichen drückt, fließt das umgeformte Material nur an entsprechend beabstandeten Stellen in radialer Richtung in das Grundmaterial der Leiterplatte. Somit sind die Rücknahmen in Umfangsrichtung entsprechend voneinander beabstandet.
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Wichtige Merkmale bei dem Winkelsensor mit Welle-Nabe-Verbindung oder Elektromotor mit Winkelsensor mit Welle-Nabe-Verbindung sind, dass der Winkelsensor einen ersten Teil, insbesondere einen ersten, zu einem zweiten Teil, insbesondere Stator des Winkelsensors, drehbar gelagerten, Teil, insbesondere Rotor des Winkelsensors, aufweist und den zweiten Teil,
wobei der erste Teil die als Maßverkörperung fungierende Leiterplatte aufweist, welche mit der Welle durch Umformen der Welle, insbesondere des Kragenbereichs der Welle, drehfest verbunden ist,
insbesondere wobei der Winkelsensor nach einem induktiven Wirkprinzip arbeitet oder funktioniert und/oder wobei der erste Teil mit dem zweiten Teil in induktiver Wirkverbindung ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein induktiv arbeitender Winkelsensor mittels der Leiterplatte bereitstellbar ist, so dass eine als Leiterplatte mit Kupferflächen ausgeführte Maßverkörperung vom zweiten Teil detektiert wird. Somit ist das Trägheitsmoment der Welle, insbesondere einer mit der Welle verbundenen Rotorwelle, nur geringfügig erhöht und die Dynamik eines Elektromotors im Wesentlichen unverändert. Eine Integration einer Winkelerfassung in einen Elektromotor ist in einfacher Weise ermöglicht, da die Leiterplatte in axialer Richtung nur einen geringfügigen Bauraum beansprucht. Ebenso ist aber der zweite Teil als eine bestückte zweite Leiterplatte ausführbar und daher eine einfache Montage erreichbar und nur geringer Bauraum notwendig.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Herstellen eines Winkelsensors mit einer Welle-Nabe-Verbindung oder zum Herstellen einer Welle-Nabe-Verbindung sind, dass
- (i) in einem ersten Verfahrensschritt in die als Nabe und/oder Maßverkörperung fungierende Leiterplatte eine insbesondere kreisförmige Bohrung, insbesondere Rundbohrung, eingebracht wird,
- (ii) in einem zweiten, auf den ersten Verfahrensschritt zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt eine Welle zumindest teilweise durch die Bohrung hindurchgesteckt wird und danach mittels Aufdrücken eines Werkzeugs in axialer Richtung auf die Welle, insbesondere mittels Aufdrücken von Stempelbereichen eines Werkzeugs in axialer Richtung auf einen an der Welle axial hervorragenden Kragenbereich der Welle Bereiche der Welle, insbesondere des Kragenbereichs, umgeformt werden, so dass radial gerichtete Erhebungen der Welle, insbesondere des Kragenbereichs, entstehen und Material der Leiterplatte verdrängen,
insbesondere wobei die radial gerichteten Erhebungen die Leiterplatte zumindest teilweise hintergreifen,
insbesondere wobei die Welle vor dem zweiten Verfahrensschritt, insbesondere also vor der Einwirkung des Werkzeugs auf die Welle, als Drehteil und/oder als Rotationskörper ausgeführt ist, insbesondere also an jeder axialen Position die Welle einen vom Umfangswinkel unabhängigen maximalen Außenradius, insbesondere Außendurchmesser, oder Radialabstand aufweist,
insbesondere wobei vor dem zweiten Verfahrensschritt die Drehlage des Werkzeugs relativ zur Leiterplatte vor dem Aufdrücken des Werkzeugs auf die Welle optisch, insbesondere durch Detektieren der Kupferflächen und Ausrichten des Werkzeugs durch Drehen eigestellt wird oder wobei vor dem zweiten Verfahrensschritt die Drehlage des Werkzeugs relativ zur Leiterplatte vor dem Aufdrücken des Werkzeugs auf die Welle mittels Einfädeln eines am Werkzeug hervorragenden Stiftbereichs in eine Indexbohrung der Leiterplatte erreicht wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass in die Leiterplatte nur ein kreisrundes Loch gebohrt werden muss und durch Aufdrücken des Werkzeugs, also der Stempelbereiche, auf den Kragenbereich der Welle spielfrei und drehfest mit der Leiterplatte verbindbar ist. Somit ist durch einen einfachen Fertigungsschritt eine Leiterplatte mit einem metallischen Wellenteil verbindbar. Die Welle ist dabei aus Aluminium oder auch aus Stahl herstellbar.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Anordnung in Draufansicht dargestellt.
- In der 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 1 dargestellt.
- In der 3 ist die Welle-Nabe-Anordnung in einer Schnittansicht dargestellt.
- In der 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 3 dargestellt.
- In der 5 ist eine Draufsicht auf die als Leiterplatte 1 ausgeführte Nabe in Draufsicht dargestellt.
- In der 6 ist ein Querschnitt durch die Leiterplatte 1 dargestellt.
- In der 7 ist ein vergrößerter Ausschnitt der 5 dargestellt.
- In der 8 ist die die Bearbeitung einer Welle-Nabe-Anordnung mittels eines Werkzeugs in Schnittansicht dargestellt.
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Wie in den Figuren dargestellt, ist die Nabe der Welle-Nabe-Verbindung als Leiterplatte 1 ausgeführt, welche als erster Teil eines Winkelsensors fungiert. Ein zweiter, zum ersten Teil relativ drehbar angeordneter Teil des Winkelsensors ist in den Figuren nicht dargestellt.
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Die Leiterplatte 1 weist in Umfangsrichtung, insbesondere regelmäßig, voneinander beabstandete Kupferflächen 3 auf. Die Kupferflächen 3 werden durch den zweiten Teil detektiert, da dieser zweite Teil zumindest einen Sensor zur Detektion von Kupferflächen 3 aufweist.
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Die Kupferflächen 3 sind alle auf demselben Radialabstand angeordnet und gleichartig ausgeformt. Insbesondere geht eine jeweilige Kupferfläche 3 durch eine gedachte Drehung um die Drehachse der Welle 2 um einen Winkelbetrag, insbesondere um 360° / N mit N als Anzahl der Kupferflächen 3 in eine andere der Kupferflächen 3 über.
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Die axiale Richtung ist ebenso wie die radiale Richtung und die Umfangsrichtung auf die Drehachse der Welle 2 bezogen.
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Vorzugsweise weist die Leiterplatte 1 ein Grundmaterial aus einem Epoxidharz auf.
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Zur drehfesten Verbindung der Leiterplatte 1 mit der Welle 2 ist die Welle 2 mit einem Werkzeug 80, insbesondere Formwerkzeug, verformt, so dass ein axial an der Welle hervorstehender, in Umfangsrichtung vollständig umlaufender Kragenbereich mittels des Werkzeugs 80 derart verformt wird, dass radial gerichtete Erhebungen 4 entstehen, welche in radial gerichtete Rücknahmen der Leiterplatte 1 hineinragen. Somit ist die Leiterplatte 1 in Umfangsrichtung formschlüssig, also drehfest, mit der Welle 2 verbunden.
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Vorzugsweise ist die Welle 2 als Hohlwelle ausgeführt.
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Das Werkzeug 80 weist in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, insbesondere auf gleichem Radialabstand angeordnete, Zentrierstiftbereiche 81 auf, die in entsprechende insbesondere axial durchgehende Löcher 6, insbesondere Zentrierlöcher, hineinragen und somit die relative Lage des Werkzeugs 80 zur Welle 2 festlegen.
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Die Zentrierstiftbereiche 81 sind radial innerhalb der Kupferflächen 3 und radial außerhalb der Welle 2 angeordnet.
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Die Leiterplatte 1 weist eine mittig angeordnete, axial durchgehende Ausnehmung auf, deren Rand am Kragenbereich der Welle anliegt und/oder durch welche der Kragenbereich der Welle hindurchragt.
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Das Werkzeug 80 weist in Umfangsrichtung, insbesondere regelmäßig, voneinander beabstandete, axial zur Welle hin hervorragende Stempelbereiche 82 auf, welche das Material des Kragenbereichs mit einer derart hohen axial gerichteten Kraft beaufschlagen, dass das Material verformt wird und in radialer Richtung ausweicht, also hervorwölbt. Die so entstandenen radial gerichteten Erhebungen 4 ragen in entsprechende radial gerichtete Rücknahmen des Grundmaterials der Leiterplatte 1 hinein. Vorzugsweise sind die Stempelbereiche 82 zueinander gleichförmig ausgeführt und/oder alle auf dem selben Radialabstand zur Drehachse der Welle 2 angeordnet.
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Wie in 7 gezeigt, sind die radial gerichteten Erhebungen 4 vorzugsweise gerundet ausgeführt, insbesondere also kreisabschnittsförmig.
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Der lichte Durchmesser der Löcher 6, insbesondere Zentrierlöcher, ist kleiner als der axial durch die Leiterplatte 1 durchgehenden, radial mittig in der Leiterplatte 1 angeordneten Ausnehmung.
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Vorzugsweise wird die Welle-Nabe-Verbindung in einer Antriebskomponente, wie Elektromotor, Getriebe oder Bremse eingesetzt.
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Bei Verwendung in einem Elektromotor ist die Welle 2 drehfest mit der Rotorwelle des Elektromotors verbunden oder mit dieser zusammen einstückig, insbesondere einteilig, ausgeführt. Mit dem Statorgehäuse des Elektromotors ist der zweite Teil drehfest verbunden, sodass die Winkelstellung der Rotorwelle mittels der Detektion der Kupferflächen 3 der Leiterplatte 1 bestimmbar ist, insbesondere mittels des zweiten Teils des Winkelsensors, welcher eine Auswerteelektronik umfasst.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird statt des Epoxidharzes ein anderes Grundmaterial der Leiterplatte 1 gewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Welle, insbesondere Hohlwelle
- 3
- Kupferfläche
- 4
- radial gerichtete Erhebung
- 5
- axial gerichtete Erhebung
- 6
- Loch, insbesondere Zentrierloch
- 80
- Werkzeug, insbesondere Formwerkzeug
- 81
- Zentrierstiftbereich
- 82
- Stempelbereich des Werkzeugs 80
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69810504 T2 [0003]
- DE 19532519 A1 [0004]
