DE2911874A1

DE2911874A1 - Elektromagnetische kupplung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2911874A1
Application number: DE19792911874
Authority: DE
Inventors: Hisanobu Kanamaru; Moisei Okabe; Kosaku Sayo; Hideo Tatsumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1979-03-26
Publication date: 1979-10-11
Also published as: GB2017232B; US4413717A; GB2017232A; DE2911874C2; JPS54126852A; JPS5810605B2; CA1109109A; US4305198A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Elektromagnetische Kupplung und Verfahren zu ihrer

Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Kupplung und ein Verfahren zu deren Herstellung, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine elektromagnetische Kupplung zur Verwendung in einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug und auf ein Verfahren zur Herstellung der elektromagnetischen Kupplung.

Eine elektromagnetische Kupplung enthält antreibende und angetriebene drehbare Körper oder sog. "Rotorscheiben", die elektromagnetisch miteinander gekuppelt oder voneinander entkuppelt werden. Die bekannte Scheibe eines ersten Typs ist aus einem ringförmigen Material gebildet, das aus einem Stahlblech ausgestanzt ist. Die Scheibe enthält radial aufgeteilte erste, zweite und dritte Zonen oder Teile, die konzentrisch zueinander angeordnet und durch äußere und innere kreisförmige Öffnungsreihen radial aufgeteilt oder getrennt sind. Die Öffnungen in jeder Reihe weisen Abstände in Umfangsrichtung auf, um in der Scheibe vier radiale Brücken zu lassen, die das radial benachbarte

903841/0636

Paar von aufgeteilten Zonen mechanisch verbinden.

Bei der bekannten Rotorscheibe der oben erwähnten Art strömt der magnetische Fluß auch durch die wirkungslosen Brücken, wodurch sich ein Abfall des effektiven Flusses ergibt. Aus diesem Grunde muß die bekannte elektromagnetische Kupplung, die die Rotorscheiben der erläuterten Art enthält, von großer oder sperriger Abmessung sein.

Eine zweite Art der bekannten Rotorscheibe ist aus

en
konzentrisch und radial beabstandeten ersten und zweiten ringförmigen Teilen jeweils aus einem magnetisierbaren Werkstoff mit radial einander zugewandten Umfangsoberflachen gebildet, in denen Nuten ausgeb üdet sind. Der erste und der zweite ringförmige magnetisierbar Teil sind durch drei Verbindungsstücke aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff, die unter Abständen in Umfangsrichtung in den zwischen dem ersten und dem zweiten magnet isierbaren Teil definierten Ringraum eingepreßt sind, mechanisch miteinander verbunden. Jedes der Verbindungsstücke wird beim Einpressen in der Axialrichtung der Scheibe gepreßt, um eine plastische Verformung derart zu bewirken, daß das Material des Verbindungsstücke in die Nuten fließt. Dieses Verbindungsverfahren vermag jedoch keine angemessenen mechanischen Festigkeitswerte und keine mechanische Stabilität aus den noch später erläuterten Gründen zu liefern.

Als solche sind daher der erste und der zweite Typ der bekannten Scheiben hinsichtlich des Streuflusses und der mechanischen Festigkeitswerte nicht befriedigend.

909041/0636

-S-

Die US-PS 2 038 124 offenbart ein Verfahren zur mechanischen Verbindung zweier radial beabstandeter und konzentrischer Teile mittels ^ines in den zwischen den beiden konzentrischen Teilen definierten Ringraum eingepreßten Einsatzes oder mechanischen Verbindungsstücks. Die US-PS 2 804 679 und 3 559 946 enthalten ähnliche Lehren. Diese drei US-PS betreffen jedoch keine elektromagnetischen Kupplungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektromagnetische Kupplung mit einem äußerst geringen Streufluß und einer verbesserten mechanischen Stabilität zu entwickeln und ein Verfahren zur Herstellung der verbesserten elektromagnetischen Kupplung der oben erläuterten Art anzugeben.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst eine elektromagnetische Kupplung mit ersten und zweiten im wesentlichen koaxial angeordneten drehbaren Körpern, von denen der erste drehbare Körper antriebsmäßig mit einem angetriebenen Bauteil verbunden ist und einen aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Teil aufweist und der zweite drehbare Körper einen aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Teil aufweist und mit einem Mittel zur Antriebsverbindung des zweiten drehbaren Körpers mit einem Antriebsorgan versehen ist, mit die Teile der ersten und zweiten drehbaren Körper enthaltenden Mitteln zur Bildung eines magnetischen Kreises und mit einer Elektromagnetspulenanordnung zur Erzeugung eines durch den magnetischen Kreis fließenden Magnetflusses, wobei wenigstens einer der beiden drehbaren Körper

908841/0636

im wesentlichen konzentrische und radial beabstandete Ringteile aus einem magnetisierbaren Werkstoff aufweist, mit dem Kennzeichen, daß ein ringförmiges Verbindungsstück aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff in den ringförmigen Raum zwischen den konzentrischen ■ magnetisierbaren Ringteilen zu deren mechanischen Verbindung miteinander und magnetischen Trennung voneinander eingepreßt ist.

Ausgestaltungen dieser Kupplung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer solchen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Kupplung, mit dem Kennzeichen, daß man wenigstens einen der drehbaren Körper durch folgende Schritte herstellt:

Schaffung eines Ringraumes zwischen der inneren und der äußeren ümfangsfläche der radial äußeren und inneren Ringteile;

Bildung ringförmiger Nuten in den inneren und äußeren ümfangsflächen der äußeren bzw. inneren Ringteile;

Herstellung eines allgemein ringförmigen Verbindungsstücks aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff mit bestimmten magnetischen Festigkeitswerten und einem geringeren Verformungswiderstand als dem des magnetisierbaren Werkstoffs, aus dem die Ringteile hergestellt sind, welches Verbindungsstück von einfachem Querschnitt mit einer der Höhe des Ringraums im wesentlichen gleichen oder nahen Höhe ist;

Einführung des Verbindungsstücks in den Ringraum zur Bildung einer Baueinheit aus den magnetisierbaren Ringteilen und dem Verbindungsstück;

909841/0638

Anbringung von Druckeinwirkungswerkzeugen relativ zur Baueinheit derart, daß das Verbindungsstück im wesentlichen völlig von den magnetisierbaren Ringteilen und den Druckeinwirkungswerkzeugen umgeben wird, wobei wenigstens eines der Druckeinwirkungswerkzeuge einen zum Verbindungsstück gerichteten ringförmigen Vorsprung aufweist; und

Treiben des Vorsprungs in den Ringraum zur Bewirkung plastischen Fließens des Verbindungsstückwerkstoffs zu im wesentlichen allen Punkten des Ringraums und in die ringförmigen Nuten, wodurch das Verbindungsstück die Ringteile durch Scher- und Klemmkräfte mechanisch miteinander verbindet.

Die Erfindung gibt also eine elektromagnetische Kupplung an, die ein Paar von drehbaren antreibenden und angetriebenen Körpern enthält, die zur elektromagnetischen Kupplung miteinander und Entkupplung voneinander geeignet sind. Dabei weist wenigstens einer der antreibenden und angetriebenen Körper ein Paar von konzentrischen ringförmigen Teilen jeweils aus einem magnetisierbaren Werkstoff und mit einander zugewandten und radial beabstandeten Umfangsoberflächen auf, in denen ringförmige Nuten ausgebildet sind. Außerdem ist ein ringförmiges Verbindungsstück aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff in den Ringraum zwischen den ringförmigen magnetisierbaren Teilen und so auch in die ringförmigen Nuten zur mechanischen Verbindung der magnetisierbaren Teile sowie zu ihrer magnetischen Trennung voneinander eingepreßt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veran-

909841/0B38

_ Q —

schaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer elektromagnetischen Kupplung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivdarstellung einer Scheibe der in Fig. 1 dargestellten Kupplung;

Fig. 3 bis 9 eine Veranschaulichung der einzelnen Schritte eines Verfahrenslzum mechanischen Verbinden zweier Ringteile und einer erhaltenen mechanischen Verbindung, worin

Fig. 3 in Perspektivteiidarsfeellung die beiden Ringteile und ein Verbindungsstück darstellt, bevor sie miteinander verbunden werden;

Fig. 4 graphisch die Beziehung zwischen einem Neigungswinkel der Seitenflächen von in einander zuge~ wandten Oberflächen der beiden zu verbindenden Ringteile gebildeten Nuten und der Axialscherbruchfestigkeit der so erhaltenen mechanischen Verbindung darstellt;

Fig. 5 perspektivisch die beiden zu verbindenden Ringteile und das in einen zwischen den beiden zu verbindenden Ringteilen gebildeten Raum eingeführte Verbindungsstück darstellt;

Fig. 6 das Verbindungsstück zeigt, wenn es mit Hilfe von Druckeinwirkungswerkzeugen eingepreßt wird;

Fig. 7 schematisch die Bedingung für den Einpreßvorgang ve ran s chau1icht;

909841/0636

Fig. 8 graphisch die Beziehung zwischen der Tiefe der Einführung eines Druckeinwirkungswerkzeugs zur Zeit des Einpreßvorgangs, dem durch eine erhaltene Scheibenplatte übertragenen Drehmoment und der Axialscherbruchfestigkeit der durch den Einpreßvorgang erzeugten mechanischen Verbindung darstellt;

Fig. 9 perspektivisch die beiden Ringteile und das Verbindungsstück zeigt, wenn der Einpreßvorgang beendet ist;

Fig.iO bis 12 schematisch die für das Verbindungsstück erforderlichen Bedingungen;

Fig. 13 und 14 schematisch die zurzeit des Einpreßvorgangs erzeugten Beanspruchungen;

Fig. 15 ein modifiziertes Verbindungsstück, das an den gegenüberliegenden Stirnseiten vertieft ist;

Fig. 16 einen Träger zum Abstützen eines mit einem anderen Ringteil zu verbindenden dünnwandigen Ringteils;

Fig. 17 und 18 .Perspektivdarstellungen von Beispielen ringförmiger oder ringartiger, beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Verbindungsstücke;

Fig. 19 eine graphische Darstellung von Ergebnissen zum Vergleich zwischen dem bekannten, in Fig.2OA dargestellten Verbindungsaufbau und dem erfindungsgemäßen, in Fig.2OB dargestellten Aufbau bezüglich des Drehmomentübertragungsverhaltens; und

Fig. 21 und 22, ähnlich Fig. 1, ein zweites und ein drittes Ausführungsbeispiel der elektromagnetischen Kupplung gemäß der Erfindung.

906841/0636

Es sollen nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben werden. In Fig. 1, die im Schnitt eine Hälfte eines Ausführungsbeispiels einer elektromagnetischen Kupplung gemäß der Erfindung zeigt, ist die elektromagnetische Kupplung allgemein mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet und an einem Körper 200A eines Kompressors einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug angebracht dargestellt. Die elektromagnetische Kupplung weist eine Nabe 211 auf, die mittels einer Mutter 213 an einer Welle 210 des Kompressors befestigt ist. Die Welle 210 ist mittels eines Lagers ZO^gglagert, ging^^ _Körper allgemein mit 220 bezeichnete Scheibe ist/antriebsmäßig mit der Nabe 211 durch Federfinger verbunden, wovon einer bei 212 gezeigt ist. Die Scheibe 220 ist mit der Nabe 211 drehbar, jedoch gegenüber der Nabe 211 in der Axialrichtung beweglich. Wie Fig. 2 zeigt, weist die Scheibe 220 konzentrische Ringteile oder sog. "Scheibenplatten" 221 und 222, beide aus einem magnetisierbaren Werkstoff, wie z. B. Stahl hergestellt, und ein mechanisches Verbindungsstück 223 auf, das aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, wie z. B. Kupfer, Messing, hochzugfestem Aluminium od. dgl. hergestellt ist.

Ein Rotor ist als weiterer drehbarer Körper 230 auf dem Körper 200A des Kompressors über Lager 202 montiert. Erfindungsgemäß besteht der Rotor 230 aus drei konzentrischen Ringteilen oder sog. "Scheibenplatten" 231, 232 und 235, die sämtlich aus einem magnetisierbaren Werkstoff, wie z. B. Stahl, hergestellt sind, und aus mechanischen

Verbindungsstücken 233 und 234 aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff, wie z. B. Messing. Eine zylindrische Rotornabe 236 und eine Riemenscheibe 237 sind einstückig mit dem Ringteil 235 bzw. dem Ringteil 23l/ausgebildet. Die linke Seitenwand 237' der Riemenscheibe 237 ist durch Schweißen angebracht. Ein (nicht dargestellter) Riemen ist zur Anlage an der Riemenscheibe 237 zwecks Übertragung eines Drehmoments von einem Kraftfahrzeugmotor auf die Riemenscheibe 237 und damit zum Antrieb des Kompressorkörpers 200A eingerichtet.

Eine Elektromagnetspulenanordnung 203 besteht aus einem Joch und einer Spule und ist direkt am Körper 200A des Kompressors befestigt.

Im Betrieb wird, wenn die elektromagnetische Kiupplung elektrisch nicht gespeist wird, nur der Rotor 230 durch das Drehmoment des Motors angetrieben, das durch die Riemenscheibe 237 übertragen wird, während der Körper 220, der vom Rotor 230 durch einen Spalt g getrennt ist, und damit die Nabe 211 und die Welle 210 stationär gehalten werden. Wenn die elektromagnetische Spule 203 elektrisch gespeist wird, wird ein magnetischer Fluß φ erzeugt und fließt längs einer durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Bahn, * durch das Joch der elektromagnetischen Spule 203, die Riemenscheibe 237, den Ringteil 231, den Spalt g, den Ringteil 221, den Spalt g, den Ringteil 232, den Spalt g, den Ringteil 222, den Spalt g, den Ringteil und die Rotornabe 236. Aufgrund der Gegenwart des magnetischen Flusses φ wird der Körper 220 elektromagnetisch durch den Rotor 230 angezogen, mit diesem verbunden und in Drehung

1/0636

versetzt. Diese Drehung wird durch die Federfinger 212 und die Nabe 211 auf die Welle 210 übertragen, so daß die Welle 210 synchron mit dem Rotor 230 rotiert.

Es ist zu bemerken, daß die mechanischen Verbindungsstücke 223, 233 und 234 ausreichend hohe Festigkeitswerte zum Aushalten des zu übertragenden Drehmoments liefern. Außerdem bestehen die Verbindungsstücke aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff mit magnetisch isolierenden Eigenschaften und halten daher wirksam die Streuung des Magnetflusses äußerst gering.

Ein Verfahren zum Verbinden der Ringteile soll nun im einzelnen anhand der Fig. 3 und der folgenden Figuren beschrieben werden. Aus Vereinfachungsgründen wird die Beschreibung nur bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung des drehbaren Körpers 220 gegeben. Selbstverständlich kann das Verfahren zur Herstellung des Körpers 220 auch auf den Rotor 230 angewendet werden .

In Fig. 3 ist ein ringförmiger Raum 240 mit einer Breite T_Q _und einer Höhe H zwischen der Oberfläche 221a des ersten Ringteils 221 und der Oberfläche 222a des zweiten Ringteils 222 begrenzt. Die Oberflächen 221a und 222a eind mit ümfangsnuten 221b und 222b ausgebildet, die sich parallel zu den Stirnflächen 221c und 222c der zugehörigen Ringteile 221 und 222 erstrecken. Die Tiefen D_Q dieser Nuten liegen vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm und insbesondere von 0,2 bis 0,6 mm.

Der Neigungswinkel =C der Seitenwände jeder Nut beeinflußt erheblich das plastische Fließen des Verbindungsstücks

909841/0836

in diese Nuten und dementsprechend die Verbindungs- oder Kupplungsfestigkeit zwischen dem ersten Ringteil 221 und dem zweiten Ringteil 222. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel oC aer Seitenwände der Nuten 221b und 222b und der Axialscherbruchfestigkeit der mechanischen Verbindung zwischen den beiden Ringteilen 221 und 222. Der Neigungswinkel -sC wird so gewählt, daß er innerhalb eines Bereichs von 25 und 65 , vorzugsweise zwischen 30 und 60° fällt.

Das mechanische Verbindungsstück 223 ist aus einem Werkstoff hergestellt, der eine höhere plastische Verformung und so einen niedrigeren Verformungswiderstand als der Werkstoff aufweist, aus dem die Ringteile 221 und 222 hergestellt sind. Das Verbindungsstück 223 hat eine ringförmige Gestalt. Die Breite T₁ des Verbindungsstücks 223 ist im wesentlichen gleich der oder etwas geringer als die Breite T des erwähnten ringförmigen Raumes 240 zwischen den beiden Ringteilen, während die Höhe H₁ des Verbindungsstücks 223 im wesentlichen gleich der oder etwas größer als die Höhe H des Raumes 240 ist.

Aus einem Grund, der noch später erläutert wird, sollte der Unterschied ^H (s. Fig. 5) zwischen den Höhen H₁ und H so gering wie möglich sein und vorzugsweise in der Größenordnung von z. B. 0,2 bis 0,3 mm in dem Fall gehalten werden, wo die Höhe H₁ größer als die Höhe H_Q ist. Das Verbindungsstück 223 kann irgendwelche verschiedenen einfachen Querschnittsformen außer der dargestellten rechteckigen Form, z. B. kreisförmige, elliptische, vieleckige Querschnittsform usw. aufweisen. Da das Verbindungsstück 223 dazu bestimmt ist, einer plastischen Verformung nach dem Einsetzen

909841/0636

in den ringförmigen Raum 240 unterworfen zu werden, kann die Querschnittsform des Verbindungsstücks, bevor dieses verformt wird, unabhängig von der Form des Raums 240 gewählt werden.

Zum Verbinden der Ringtei3e221 und 222 miteinander mittels des Verbindungsstücks 223 wird das letztere in den zwischen diesen Ringteilen 221 und 222 definierten ringförmigen Raum 240 wie Fig. 5 zeigt, eingesetzt, um eine Baueinheit zu bilden. Anschließend wird diese Baueinheit auf einen Amboß 40 gesetzt. Das Verbindungsstück 223 wird dann mit einem Preßteil 32 eines Preßwerkzeugs 30 mit einer Stirnfläche 31 geringerer Breite als der Breite T_Q des Raumes 240 gepreßt. Als Ergebnis wird ein plastisches Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstücks 223 derart hervorgerufen,daß der Werkstoff des Verbindungsstücks in die Nuten 221b und^22b eingepreßt oder gestaucht wird.

Der oben erwähnte Schritt des Einsetzens des Verbindungs-

such Stücks, wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann mit Hilfe des Preßwerkzeugs 30 ausgeführt werden?

In der in Fig. 5 gezeigten Stellung wird das Verbindungsstück 223 von den Ringteilen 221 und 222 mit Ausnahme der axialen Endflächen umgeben, die von dem Preßwerkzeug 30 und dem Amboß 40 zu erfassen sind. Der üntesschied .Ah (H..-H) ist von sehr geringer Abmessung. So ist es angemessen zu sagen, daß das eingesetzte Verbindungsstück von den Ringteilen 221 und 222 und vom Preßwerkzeug 30 und vom Amboß 40 zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Beginn des Preßvorgangs mittels des Preßwerkzeugs 30 völlig eingeschlossen und begrenzt ist. Daher fließt, wie in Fig. 6 gezeigt ist,

909841/0616

der Werkstoff des Verbindungsstücks 223 kaum aus dem Raum 240 heraus, während das Verbindungsstück 223 vom Preßwerkzeug 30 gepreßt wird.

Wie in Fig. 7 erkennbar ist, sind die Seitenflächen des Preßteils 32 des Preßwerkzeugs 3O unter einem Winkel Θ¹ zu einer zur Stirnfläche 31 senkrechten Ebene, d. h. zur Richtung des Einsetzens geneigt. Dieser Neigungswinkel θ¹ liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 3 bis 15°. Dies gilt, da ein Preßwerkzeug mit einem zu geringen Neigungswinkel Θ¹ nach dem Einpressen nicht leicht aus dem Werkstoff des Verbindungsstücks 223 herausgezogen werden kann. Bei einem zu großen Neigungswinkel Θ' neigt der Werkstoff des Verbindungsstücks 223 zum Fließen in die der Richtung der eintreibenden Bewegung des Preßwerkzeugs 30 entgegengesetzte Richtung, d. h. nach außerhalb des Raumes 240. Außerdem kann ein zu großer Neigungswinkel Θ¹ nicht das Eintreiben des Preßwerkzeugs in eine wesentlichen Tiefe sichern, was zu einer ungenügenden im Verbindungsstück erzeugten inneren Beanspruchung und dementsprechend zu einer ungenügenden mechanischen Verbindung zwischen den beiden Ringteilen 221 und 222 führt.

Vorzugsweise macht man den Abstand S zwischen der Stirnfläche 31 des Preßteils 32 des Preßwerkzeugs 30 und den oberen Enden der Nuten 221b und 222b der Ringteile so gering wie möglich, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Mit anderen Worten wird es bevorzugt, daß der Preßteil 32 in das Verbindungsstück 223 so tief wie möglich eingetrieben wird, so daß die Stirnfläche 31 so nahe wie möglich zu den oberen Kanten der Nuten 221b und 222b liegt. Dadurch wird

909841/0636

gesichert, daß der durch das plastische Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstück 223 verursachte Reibungswiderstand verringert wird, so daß der Werkstoff des Verbindungsstücks sicher in die Nuten eingepreßt werden kann.

Fig. 8 veranschaulicht graphisch, wie die Axialscherbruchfestigkeit der Verbindung und das durch die Verbindung übertragbare Drehmoment durch das Verhältnis der Breite T des Raumes 240 (s. Fig. 5) zum Abstand

O ———

S zwischen der Stirnfläche 31 des Preßwerkzeugs 30 und den oberen Enden der Nuten 221b und 222b beeinflußt werden. Man sieht, daß eine praktisch annehmbare Festigkeit erhalten wird, wenn der Abstand S innerhalb eines Bereichs:

0 ^ S ^ 3/4 T

fällt.

Die Tatsache, daß das Verbindungsstück 223 entweder nicht von den Stirnflächen der Ringteile 221 und 222 vorspringt oder innerhalb dieser gehalten wird, sichert einen innigen Flächenkontakt zwischen diesen Stirnflächen der Ringteile und der diesen zugewandten Fläche des Rotors 230, wenn der drehbare Körper 220 und der Rotor elektromagnetisch miteinander gekuppelt werden. Daher wird empfohlen, daß das Verbindungsstück 223 in der Weise gepreßt wird, daß das Verbindungsstück unter Bildung einer ringförmigen Vertiefungen der Seite des Körpers 220 eingedrückt wird, die dem Rotor 230 zugewandt und von diesem erfaßt wird,

909841/063 6

wie Fig. 1 zeigt.

Unter dem Gesichtspunkt der Ceringhaltung der für die plastische Verformung des Werkstoffs des Verbindungsstücks zur mechanischen Verbindung der Ringteile erforderlichen Last wird bevorzugt, daß die Breite T des Raumes 240 so gering wie möglich ist. Im Gegensatz dazu sollte die Breite T vom Gesichtspunkt der Sicherung einer angemessenen magnetischen Isolierung so groß wie möglich sein. Für eine in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendete elektromagnetische Kupplung ist die Breite T vorzugsweise gleich einer Hälfte der Dicke der Ringteile, d. h. innerhalb des Bereichs von 1,5 bis 6,0 mm.

Fig. 9 zeigt die beiden Ringteile in ihrem verbundenen Zustand. Eine Preßkraft P wird im Verbindungsstück 223 erzeugt, um den Werkstoff des Verbindungsstücks stark gegen die Nuten 221b und 222b und die Oberflächen 221a und 222a der beiden Ringteile 221 und 222 zu treiben, so daß diese Ringteile durch den Werkstoff des Verbindungsstücks 223 mechanisch miteinander verbunden werden. Damit diese mechanische Verbindung erreicht wird, ist es wesentlich,daß der Werkstoff oder die Werkstoffe des ersten und des zweiten Ringteils 221 und 222 eine höhere Härte und Steifheit als die des Werkstoffs des Verbindungsstücks 223 aufweisen, weil diese Ringteile nicht in merklichem Ausmaß verformt werden sollten,(obwohl eine geringe Beanspruchung bzw. Verformung annehmbar wäre), sondern dem Druck widerstehen sollten, der während der Zeit erzeugt wird, in der . das plastische Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstücks 223 durch den vom Preßwerkzeug 30 ausgeübten Druck bewirkt wird. Mit anderen Worten

909841/0638

ist es erforderlich, daß der Werkstoff des Verbindungsstücks 223 einen geringeren Verformungswiderstand als

Werkstoffs
die des ersten und des zweiten Ringteiles 221 und 222 aufweist. Beispielsweise kann in dem Fall, wo der erste und der zweite Ringteil beide aus einem Stahl hergestellt sind, das Verbindungsstück aus Aluminium, Messing, Kupfer od. dgl. hergestellt sein.

Außerdem ist es erforderlich, daß das Verbindungsstück 223 selbst bestimmte mechanische Festigkeitswerte bezüglich Scherung, Druck, Biegen usw. aufweist. Es erübrigt sich zu sagen, daß die Niveaus dieser mechanischen Festigkeitswerte auf der Basis des Zwecks oder der Anwendung der elektromagnetischen Kupplung bestimmt werden.

Im folgenden soll eine Beschreibung hinsichtlich'der Beziehung zwischen der Höhe H^ des Verbindungsstücks 223 und der Höhe H der Ringteile gegeben werden. Um zu sichern,daß der Raum 240 zwischen den Ringteilen 221 und 222 mit dem Werkstoff des Verbindungsstücks 223 gefüllt wird, wird die Anforderung durch die Verwendung eines Verbindungsstücks erfüllt, das von einem Volumen ist, das wenigstens gleich dem Volumen des Raums 240 ist. Falls jedoch ein Verbindungsstück 223 mit einem großen Höhenunterschied A H, wie in Fig. 10 dargestellt, für die Verbindung verwendet wird, wird das Verbindungsstück an seinen außerhalb des Raumes 240 liegenden Enden verformt, wie Fig. 11 zeigt. Dabei wird deshalb der Raum 240 nicht völlig mit dem Werkstoff des Verbindungsstücks 223 gefüllt, und es bleiben Spalte oder unausgefüllte Hohlräume (J₁ und 62 neben den Böden der Nuten 221b und 222b zurück, wie Fig. 12 zeigt, auch wenn das verwendete Verbindungsstück 223 von größerem Volumen als dem des Raumes 240 ist.

909841/0638

Die Gründe hierfür sollen im folgenden erläutert werden. Wenn das ringförmige Verbindungsstück 223 in der Axialrichtung, wie in Fig. 11 gezeigt ist, mittels des Preßwerkzeugs 30 und des Ambosses 40 gepreßt wird, werden im Verbindungsstück 223 eine Axialbeanspruchung <T₁, eine Umfangsbeanspruchung c> und eine Radialbeanspruchung erzeugt (s. Fig. 13 und 14). Die Axialbeanspruchung CT₁ ergibt sich durch:

Cr₁ = (1 ~ 1,5)Kf ..., (1)

worin "Kf" den Verformungswiderstand des Verbindungsstücks 223 bedeutet.

Da die Teile des Verbindungsstücks 223 angrenzend an dessen entgegengesetzte Enden während des Preßvorgangs radial nicht eingegrenzt sind, ist die Axialbeanspruchung C. maximal, während die Radialbeanspruchung <5~₃ minimal ist.

Demgemäß wird die folgende Gleichung (2) vom "Tresca Yield Criterion" abgeleitet:

Kf =<T₁ - <r₃ (2)

Die Gleichungen (1) und (2) lassen sich kombinieren, um zu ergeben:

<r₃ =c^ - Kf (2·)

= (1 ^ 1,5)Kf - Kf

Die Gleichung (3) zeigt, daß in dem in Fig. 10 und 11 dargestellten Verbindungsstück 223 keine genügend hohe Radialbeanspruchung erzeugt wird, um eine radiale plastische Verformung des Verbindungsstücks in die Nuten in den Ringteilen 221 und 222 zu bewirken.

Dagegen wird nach dem erfindungsgemäßen, in Fig. 7 veranschaulichten Verfahren das Verbindungsstück 223 im wesentlichen völlig von den Ringteilen 221 und 222 und vom Preßwerkzeug 30 und vom Amboß 40 während des Preßvorgangs eingeschlossen und begrenzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher die Axialbeanspruchung (Γ« folgende:

^₁= (2-4JKf ' (4)

Die Gleichung (4) wird in die obige Gleichung (2¹) eingesetzt, um zu ergeben:

rf ₃ = (2~4)Kf - Kf

= (1~3)Kf (5)

Man wird daher feststellen,daß das Niveau der Radialbeanspruchung C₃ höher als das des Verformungswiderstandes Kf ist, so daß ein Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstücks in die Nuten 221b und 222b in den Ringteilen 221 und 222 und eine vollständige Ausfüllung der Nuten bewirkt werden.

Damit das Verbindungsstück während des Preß- oder Stauchvorgangs im wesentlichen völlig eingeschlossen und begrenzt wird, wird die Anforderung von einem Verbindungsstück mit einer Höhe H₁ erfüllt, die gleich der oder geringer als die Höhe H_o des Raumes 240 ist. Wenn jedoch die Höhe des

909841/0636

Querschnitts des Werkstoffs des Verbindungsstücks zu klein ist, ist es erforderlich, daß der Hub des vorspringenden Preßteils 32 des Preßwerkzeugs 30 gesteigert wird«., um ein ausreichendes Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstücks in die Nuten zu sichern. Unglücklicherweise gibt es jedoch eine praktische Grenze beim Erhöhen des Hubs des Preßwerkzeugs 30, da der erwähnte Winkel Θ¹ nicht zu der verkleinert werden kann. Beim Entscheiden der Höhe H^ des Verbindungsstücks 223 ist es erforderlich,daß das verwendete Verbindungsstück von einem etwas geringeren Volumen als dem Volumen des Raumes 240 ist und daß verschiedene Faktoren, wie z. B. die Breite T des Raumes und der Neigungswinkel Θ' der Seitenwände des vorspringenden Preßteils 32 des Preßwerkzeugs 30 in Betracht gezogen werden.

Fig. 15 ist eine teilweise geschnittene Perspektivdarstellung einer Variante, des drehbaren Körpers 220. Der in Fig. 15 dargestellte drehbare Körper unterscheidet sich von dem in Fig. 9 dargestellten drehbaren Körper dadurch,

beide gegenüberliegenden Stirnflächen des Verbindungsstücks 223 unter Schaffung ringförmiger vertiefter Oberflächen oder Nuten 223c in den gegenüberliegenden Stirnflächen des drehbaren Körpers 220 vertieft sind.

Wenn ein Ringteil dünnwandig ist, wird der Ringteil während eines Preßvorgangs verformt, auch wenn der Ringteil aus einem Werkstoff mit einem höheren Verformungswiderstand als dem des Werkstoffs des Verbindungsstücks hergestellt ist. In einem solchen Fall kann daher ein Fließen des Werkstoffs des Verbindungsstücks nicht in alle Punkte des Ringraums bewirkt werden. Es ist daher ein allgemeines

909841/0636

Erfordernis, daß durch eine mechanische Verbindung zu verbindende Ringteile eine Steifigkeit und eine Festigkeit oberhalb vorbestimmter Niveaus aufweisen.

Es gibt jedoch eine Situation, wo ein dünnwandiger Ringteil verwendet werden muß, Beim Durchführen eines Preßvorgangs zur mechanischen Verbindung eines solchen dünnwandigen Ringteils 221 mit einem anderen Ringteil kann der dünnwandige Ringteil 221 vorteilhaft durch einen Träger 41 abgestützt werden, der ein Teil des Ambosses ist und den dünnwandigen Ringteil 221 verläßlich gegen Verformung hält oder abstützt, wie Fig. 16 zeigt. Wenn der andere Ringteil 222 ebenfalls dünnwandig ist, kann ein ähnlicher (nicht dargestellter) Träger hergestellt werden, um den Ringteil 222 während eines Preß- oder Stauchvorgangs gleichartig abzustützen.

Fig. 17 zeigt perspektivisch ein ringförmiges Verbindungsstück 223 mit einem einfachen rechteckigen Querschnitt. Dieses Verbindungsstück besteht aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff und wird durch Schneiden eines Rohres oder zylindrischen Materials, plastische Verformung oder Sinterung hergestellt.

Fig. 18 ist eine Fig. 17 ähnliche Darstellung, veranschaulicht jedoch ein anderes Beispiel des Verbindungsstücks. Das gezeigte Verbindungsstück 223 ist ebenfalls allgemein ringförmig mit einem einfachen rechteckigen Querschnitt, ist jedoch im Verlauf des Umfangs durch einen Spalt d unterbrochen. Das Verbindungsstück 223 wird durch Eiegen einer Stange oder eines Drahtes aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff zu einer ringartigen Form bestimmter Abmessung gebildet. Der Spalt d ist derart bemessen, daß er

wenn das Verbindungsstück 223 zwischen die Ringteile 221 und 222 eingesetzt und dann zum Einstauchen gepreßt wird, im wesentlichen zu Null gemacht wird, indem nämlich die Endoberflächen des ringförmigen Verbindungsstücks in engen Kontakt miteinander gebracht werden. Als praktisches Beispiel ist der Außendurchmesser des Verbindungsstücks 54 mm, wobei der Spalt d etwa 0,5 mm beträgt, was einem Winkel von etwa 1 entspricht.

Fig. 19 veranschaulicht graphisch die Versuchsergebnisse, wobei der mechanische Verbindungsaufbau eines bekannten, in Fig. 2OA dargestellten drehbaren Körpers 20 mit dem mechanischen Vertoindungsaufbau des in Fig. 2OB dargestellten drehbaren Körpers 220 gemäß der Erfindung verglichen wurde. Die Körper 20 und 220 nach dem Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung hatten beide eine Dicke von 5 mm. Der bekannte Körper 20 wurde aus einem äußeren Ringteil 21 und einem inneren Ringteil 22 gebildet, die durch drei unter Umfangsabständen angeordnete mechanische Verbindungsstücke 23a, 23b, und 23c verbunden wurden, deren jedes sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von Θ/3 derstreckte, während der äußere Ringteil 221 und der innere Ringteil des drehbaren Körpers 220 gemäß der Erfindung durch ein einziges mechanisches Verbindungsstück 223 von geschlossener Kreis- oder Ringform verbunden waren. Die bei den drehbaren Körpern nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung verwendeten Verbindungsstücke bestanden sämtlich aus Messing. Die drehbaren Körper wurden bezüglich der Eignung zur Drehmomentübertragung überprüft.

Es wurde eine Mehrzahl von Probestücken des bekannten drehbaren Körpers 20 hergestellt, wobei der Winkel θ (der die Summe der Winkel Θ/3 der drei Verbindungsstücke ist)

S098A1/0638

zu 90°, 180°, 270° und 340° variiert wurde. Wie Fig. 19, (A) zeigt, führte die Steigerung des Winkels θ von 90 bis zu 340 nicht zu einer merklichen Erhöhung des übertragenen Drehmoments. Das bei dem Winkel θ von 340° übertragene Drehmoment erreichte nur 10 .bis 25 % des Drehmoments (32 bis 36 kg.m), das mit dem drehbaren Körper 220 gemäß der Erfindung übertragen wurde, wie Fig. 19, (B) zeiqt. Dieser Unterschied beruht auf der Tatsache, daß bei dem mechanischen Verbindungsaufbau des bekannten Körpers nach Fig. 2OA die Verbindungsstücks 23a bis 23c umfangsmäßig nicht eingegrenzt waren und daher der auf die Verbindungsstücke zurzeit des Einpreßvorgangs einwirkende Axialdruck in Umfangsrichtung mit daraus folgender Verringerung der radialen Klemmkraft abgebaut wurde. Dies ist der Grund, weshalb die Steigerung des Winkels θ nicht zu einer merklichen Erhöhung der Drehmomentübertragung führte. Dieser Grund soll noch im einzelnen erläutert werden. Wenn jedes der Verbindungsstücke des bekannten drehbaren Körpers 20 axial gepreßt wird, entstehen Beanspruchungen C₁/

¹^₂ ^und ^3 ^im Verbindungsstück in Axial- bzw. Umfangs- bzw. Radialrichtung. Unter der triaxialen Beanspruchung fließt der Werkstoff in der Richtung der geringsten Beanspruchung ( o'„). Wie oben bereits erläutert, wird der Verformungswiderstand Kf des Verbindungsstückwerkstoffs wiedergegeben durch:

<r ₁ = (1 ^ 1,5)Kf (1)

Da keines der Verbindungsstücke in der umfangsrichtung eingeschlossen oder begrenzt ist, wird die folgende Gleichung (3¹) vom "Tresca Yield Criterion" abgeleitet:

<r₃ = (0 - 0,5)Kf (3')

909841/0636

Die Gleichung (3¹) zeigt, daß der ausgeübte Axialdruck keine Radialbeanspruchung erzeugt, die hoch genug ist, um ein plastisches Fließen des Verbindungsstückwerkstoffs in die Nuten im äußeren und inneren Ringteil 21 und 22 des bekannten drehbaren Körpers 20 zu bewirken.

Das in Fig. 18 dargestellte und beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Verbindungsstück ist in ümfangsrichtung durch den Spalt d unterbrochen und so in Ümfangsrichtung nicht eingegrenzt, bevor das Verbindungsstück gepreßt wird. Im Anfangsstadium des Preß- oder Stauchvorgangs wird jedoch das Verbindungsstück in ümfangsrichtung ausgedehnt oder gelängt, bis der Spalt d Null wird. Danach ist das Verbindungsstück auch in Ümfangsrichtung voll eingeschlossen, und die Radialbeanspruchung wird, wenn der Preß- oder Stauchvorgang weiter fortschreitet, mit einer dadurch hervorgerufenen Steigerung der Klemmkraft erhöht. Im Gegensatz zu den in Fig. 2OA dargestellten mechanischen Verbindungsaufbau läßt sich daher das in Fig. 18 dargestellte Verbindungsstück unter Bildung einer mechanischen Verbindung einpressen, die äine Drehmomentübertragung liefert, die im wesentlichen der gleich ist, die mit dem in Fig. 17 dargestellten geschlossenen ringförmigen Verbindungsstück erhältlich ist.

Fig. 21 veranschaulicht eine elektromagnetische Kupplung 200a des Einzelflußtyps gemäß der Erfindung. Gleiche Teile wie die des ersten Ausführungsbeispiels, d. h. der magnetischen Kupplung 200 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Nur der Unterschied soll im folgenden erläutert werden. Ein Rotor 23Oa, der das Antriebsorgan bei der

909841/0638

Kupplung 20Oa ist, weist einen ersten und einen zweiten Ringteil oder sog. "Scheibenplatten" 231a und 235a auf, die beide aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt und mechanisch miteinander durch ein im wesentlichen ringförmiges Verbindungsstück 233a aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff verbunden sind. Ein drehbarer Körper 22Oa, der das angetriebene Organ bei der Kupplung 200a ist, ist von einstückigem Aufbau, der nur aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildet ist.

Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Einzel- und Doppelflußtypen von elektromagnetischen Kupplungen ist, daß der antreibende und der angetriebene Körper der Einzelflußtypkupplung elektromagnetisch an zwei Punkten miteinander gekuppelt werden, d. h. einer Hälfte der Punkte der elektromagnetischen Verbindung bei der Doppelflußtypkupplung, woraus sich eine Verringerung der Andrückkraft zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Körper ergibt. Die Kupplung des Einzeltyps erfordert jedoch nur eine verringerte Anzahl von Bauteilen, hat einen vereinfachten Aufbau und läßt sich daher wirtschaftlich herstellen.

Auch bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Kupplung 200a des Einzelflußtyps wird die Streuung des Magnetflusses erheblich verringert, und es wird zusätzlich eine höhere mechanische Stabilität gesichert.

Fig. 22 veranschaulicht als weiteres Ausführungsbeispiel eine elektromagnetische Kupplung 200b, die von ähnlichem Aufbau wie die in Fig. 1 gezeigte mit der Ausnahme ist, daß ein Rotor 23Ob einen Ringteil 231b enthält, der einstückig mit sowohl der rechten Seitenwand 237b als auch der linken Seitenwand 237'b der Riemenscheibe gefertigt ist. Da sich der Ringteil 231b gesondert von einem Ringteil 2 32 ■ herstellen läßt, kann der Ringteil 231b derart

9098^1/0638

ausgelegt und verarbeitet werden, daß er die V-förmige Riemenscheibe als einstückigen Teil enthält, und mit dem Ringteil 232 mittels eines Verbindungsstücks 233 mechanisch verbunden werden.

909841/0638

Claims

Ansprüche

( 1.!Elektromagnetische Kupplung mit ersten und zweiten im ^wesentlichen koaxial angeordneten drehbaren Körpern, von denen der erste drehbare Körper antriebsmäßig mit einem angetriebenen Bauteil verbunden ist und einen aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Teil aufweist und der zweite drehbare Körper einen aus magnetisierbarem Werkstoff bestehenden Teil aufweist und mit einem Mittel zui^Antriebsverbindung des zweiten drehbaren Körpers mit einem Antriebsorgan versehen ist, mit die Teile der ersten und zweiten drehbaren Körper enthaltenden Mitteln zur Bildung eines magnetischen Kreises und mit einer Elektromagnetspulenanordnung zur Erzeugung eines durch den magnetischen Kreis fließenden Magnetflusses, wobei wenigstens einer der beiden drehbaren Körper im wesentlichen konzentrische und radial beabstandete Ringteile aus einem magnetisierbaren Werkstoff aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Verbindungsstück (22 3; 233, 234) aus einem nicht_magnetisierbaren Werkstoff in den ringförmigen Raum (z. B. 240) zwischen den konzentrischen magnetisierbaren Ringteilen (221, 222; 231, 232, 235) zu deren mechanischen Verbindung miteinander und magnetischen Trennung voneinander eingepreßt ist.
2. Kupplung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der erste drehbare Körper (220) ein Paar von konzentrischen und radial beabstandeten Ringteilen (221, 222) aus

81-(A 3658-O3)-TF

9098*1 /0ß3S

magnetisierbarem Werkstoff und ein in den ringförmigen Raum (240) zwischen dem Paar der magnetisierbaren Ringteile (221, 222) eingepreßt^^rförfd^ufgsstück (223) aufweist, der zweite drehbare körper (230) drei im wesentlichen konzentrische und radial beabstandete Ringteile (231, 232, 235) aus magnetisierbarem Werkstoff und in die Ringräume zwischen den drei magnetisierbaren Ringteilen (231, 232, 235) eingepreßte ringförmige Verbindungsstücke (233, 234) aufweist und der äußerste magnetisierbare Ringteil (231) des zweiten drehbaren Körpers (230) mit einer an seinem Außenumfang gebildeten Riemenscheibe (237) versehen ist, die das Mittel zur ^ AntriebsVerbindung des zweiten drehbaren Körpers (23$) mit dem Antriebsorgan darstellt.
3. Kupplung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke (223; 233, 234) von den gegenüberliegenden Oberflächen des ersten drehbaren Körpers (220) und des zweiten drehbaren Körpers (230) eingedrückt sind.
4. Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß einer der beiden drehbaren Körper (22O, 230) axial in Stirnflächenkontakt mit dein anderen beweglich ist, wenn die Elektromagnetspulenanordnung (203) elektrisch gespeist wird.
5. Verfahren zur Herstellung einer elektromagnetischen Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen der drehbaren Körper durch folgende Schritte herstellt:

Schaffung eines Ringraumes zwischen der inneren und der äußeren ümfangsfläche der radial äußeren und inneren Ringteile;

909841/0638

Bildung ringförmiger Nuten in den inneren und äußeren Umfangsflächen der äußeren bzw. inneren Ringteile;

Herstellung eines allgemein ringförmigen Verbindungsstücks aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff mit bestimmten mechanischen Festigkeitswerten und einem geringeren Verformungswider stand als dem des magnetisierbaren Werkstoffs, aus dem die Ringteile hergestellt sind, welches Verbindungsstück von einfachem Querschnitt mit einer der Höhe des Ringraums im wesentlichen gleichen oder nahen Höhe ist;

Einführung des Verbindungsstücks in den Ringraum zur Bildung einer Baueinheit aus den magnetisierbaren Ringteilen und dem Verbindungsstück;

Anbringung von Druckeinwirkungswerkzeugen relativ zur Baueinheit derart, daß das Verbindungsstück im wesentlichen völlig von den magnetisierbaren Ringteilen und den Druckeinwirkungswerkzeugen umgeben wird, wobei wenigstens eines der Druckeinwirkungswerkzeuge einen zum Verbindungsstück gerichteten ringförmigen Vorsprung aufweist; und

Treiben des Vorsprungs in den Ringraum zur Bewirkung plastischen Fließens des Verbindungsstückwerkstoffs zu im wesentlichen allen Punkten des Ringraums und in die ringförmigen Nuten, wodurch das Verbindungsstück die Ringteile durch Scher- und Klemmkräfte mechanisch miteinander verbindet.

909841/0636