DE3934920A1

DE3934920A1 - Verfahren zum herstellen einer mehrpoligen kupplungsscheibe

Info

Publication number: DE3934920A1
Application number: DE3934920A
Authority: DE
Inventors: Thomas P Roll; Dwight E Booth
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Warner Electric Technology LLC
Priority date: 1988-10-27
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1990-05-03
Anticipated expiration: 2009-10-21
Also published as: US4891077A; GB8920966D0; DE3934920C2; GB2224229B; JPH02155584A; FR2638497A1; IT1231062B; GB2224229A; FR2638497B1; IT8921852A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrpoligen Kupplungsscheibe für eine elektromagnetische Kupplungseinrichtung, wie z. B. eine elektromagnetische Kupplung oder Bremse.

Dabei kann die Kupplungsscheibe Bestandteil von drehbaren oder nicht-drehbaren Magnetfelderzeugungseinrichtungen sein oder ein drehbarer oder nicht-drehbarer Anker.

Eine typische elektromagnetische Kupplungseinrichtung ist in der US PS 41 87 939 beschrieben, wobei es sich in diesem speziellen Fall um eine elektromagnetische Kupplung mit einer drehbaren Ankerscheibe aus magnetischem bzw. magnetisierbarem Material, z. B. Stahl, handelt, der Felderzeugungseinrichtungen mit einer drehbaren Kupplungs scheibe bzw. mit einem Rotor zugeordnet sind, welche bzw. welcher ebenfalls aus magnetisierbarem Material besteht. Wenn die Erregerwicklung der Felderzeugungseinrichtungen erregt ist, ergibt sich dabei ein magnetischer Fluß, der einem gewundenem Pfad zwischen dem Rotor und dem ihm axial gegenüber liegenden Anker folgt und zur Folge hat, so daß der Anker gegen den Rotor und in Kontakt mit diesem gezogen wird, um diese beiden Bauteile zu einer ge meinsamen Drehbewegung zu kuppeln. Bei der in der US PS 41 87 939 beschriebenen Kupplung ist der Anker mit einem Ring von in Umfangsrichtung im Abstand von einander angeordneten bananenförmigen Schlitzen ver sehen, während der Rotor mit zwei konzentrischen Ringen von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten bananenförmigen Schlitzen versehen ist, die im Betrieb auf gegenüber liegenden Seiten des aus mehreren Schlitzen gebildeten Ringes in dem Anker liegen. Die bananenförmigen Schlitze bilden Luftspalte mit hohem magnetischen Wider stand und bewirken, daß Rotor und Anker vier Magnetpole bilden, wodurch bei einer Kupplung mit gegebenem Außen durchmesser ein erhöhtes Drehmoment erreichbar ist. Durch Ausbilden eines weiteren Ringes im Rotor und im Anker kann die bekannte Kupplung als sechspolige Kupplung mit noch höherem übertragbaren Drehmoment ausgebildet werden.

Bis vor kurzem wurden die bananenförmigen Schlitze aus dem Rotor und dem Anker ausgestanzt. Dabei können die Schlitze beim derzeitgen Stand der Stanztechnik im allgemeinen nicht mit einer Breite ausgebildet werden, die deutlich geringer ist als die Dicke der betreffenden Scheibe. Es ergeben sich folglich Schwierigkeiten beim Ausstanzen mehrerer aus einzelnen Schlitzen gebildeter Ringe aus einer vergleichs weisen dicken Scheibe, welche einen relativ geringen Durch messer hat. Außerdem bringt das Stanzen der Schlitze nor malerweise Einschränkungen hinsichtlich der Lage der Schlitze in der Scheibe mit sich. Die konstruktive Aus gestaltung der Scheibe wird folglich eher durch die ver fügbaren Werkzeuge diktiert, als entsprechend der ange strebten magnetischen Charakteristik durchgeführt.

Als Alternative zum Herstellen durchgehender Schlitze im Rotor und im Anker zur Erzeugung von Luftspalten hohen magnetischen Widerstandes besteht ferner die Möglichkeit, in die Scheibe Kanäle einzuarbeiten und dann mit einem nicht-magnetischen Material zu füllen, um zwischen den Polen Bereiche hohen magnetischen Widerstandes zu definieren. Anschließend wird dann im Zuge einer maschinellen Bearbeitung der Boden der Kanäle entfernt, um auf diese Weise die zu nächst vorhandenen Pfade für einen magnetischen Fluß zu entfernen, welcher sich sonst über die Bodenbereiche der Kanäle ergeben könnte. Dieses Herstellungsverfahren ist relativ teuer, insbesondere dann, wenn in jeder Scheibe zwei oder mehr Ringe hohen magnetischen Widerstandes her gestellt werden sollen.

Aus der US PS 46 85 202 ist es auch bereits bekannt, in einer Kupplungsscheibe Schlitze unter Verwendung eines Laserstrahls herzustellen. Bei diesem bekannten Verfahren bildet ein Laserstrahl kontinuierliche Schlitze aus, die sofort wieder mit unmagnetischem Material gefüllt werden.

Außerdem besteht die Möglichkeit, in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordnete bananenförmige Schlitze herzustellen, die durch unmagnetische Brücken getrennt sind, welche durch Füllen der betreffenden Schlitzbereiche mit einem unmagnetischen Material erhalten werden.

Das in der US PS 46 85 202 beschriebene Verfahren stellt hinsichtlich der Herstellung magnetischer Kupplungs scheiben eine beachtliche Verbesserung dar. Selbst dieses modernste Verfahren leidet jedoch an gewissen Einschränkungen. Beispielsweise ist es schwierig Schlitze mit beträchtlicher radialer Breite in einem einzigen Durchlauf und mit hoher Produktionsgeschwindigkeit herzustellen, ohne sehr energie reiche Laser einzusetzen, die einen Laserstrahl beträcht lichen Durchmessers erzeugen.

Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend er läuterten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Kupplungsscheibe unter Verwendung eines Lasers anzugeben und dabei bei Einsatz eines Lasers mit vergleichsweise geringer Leistung die Herstellung relativ breiter Schlitze in einer Scheibe zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs an gegebenen Art gelöst, welches gemäß der Erfindung durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
es wird eine Scheibe aus magnetisierbarem Material hergestellt;
es wird ein Laserstrahl gegen eine Oberfläche der Scheibe an einer Stelle gerichtet, die zwischen der Mitte der Scheibe und dem äußeren Umfang derselben liegt;
es wird dafür gesorgt, daß der Laserstrahl an einer Stelle auf die Scheibe auftrifft, die sich im Abstand vom Brenn punkt des Laserstrahl befindet, um den Laserstrahl bezüglich der Scheibe zu defokusieren;
es wird eine relative Drehbewegung zwischen der Scheibe und dem Laserstrahl herbeigeführt, um zu bewirken, daß der defokusierte Laserstrahl Teile der Scheibe schmilzt und relativ breite, gekrümmte Schlitzelemente in der Scheibe erzeugt; und
während der Bildung der Schlitzelemente wird ein Druck gasstrahl, welcher dem Laserstrahl eng benachbart ist, gegen die Scheibe gerichtet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, daß durch Defokusieren des Laserstrahls hinsichtlich seines Auftreffbereichs an der Scheibe ein größerer Strahldurchmesser an der Scheibe erreicht wird und daß die damit verbundene Verringerung der Energie zum Aufschmelzen des Scheibenmaterials dadurch ausgeglichen wird, daß ein Druckgasstrahl eingesetzt wird, um das ge schmolzene bzw. das erweichte Metall der Scheibe wegzu blasen bzw. kraftvoll wegzuschleudern, so daß mit einem Laserstrahl vorgegebener Energiedichte breitere Schlitze in die Scheibe geschnitten werden können, als dies bis her möglich war.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver fahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Kupplungsscheibe, in der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Schlitze hergestellt werden;

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung;

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1 und

Fig. 4 eine schematisierte Querschnitts darstellung zu Erläuterung der Herstellung von Schlitzen in einer Scheibe mit Hilfe eines defoku sierter Laserstrahls.

Im einzelnen dienen die Zeichnungen der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Erläuterung der Herstellung einer Kupplungsscheibe 10 zur Verwendung in einer elektromagnetischen Kupplungseinrichtung, wie z. B. einer elektromagnetischen Bremse oder Kupplung. Während die Kupplungsscheibe 10 im Prinzip auch ein Anker sein könnte, ist sie in den Zeichnungen ferner als Bestand teil eines Kupplungsrotors 11 dargestellt, wie er beispielsweise in der eingangs zitierten US PS 41 87 937 für eine typische elektromagnetische Kupplung beschrieben ist. Im vorliegenden Fall hat der Rotor speziell eine kreisrunde Form und umfaßt einen sich in axialer Richtung erstreckenden äußeren Flansch 12 und eine sich in axialer Richtung erstreckende innere Nabe 13, wobei diese beiden Elemente 12 und 13 vorzugsweise einstückig an einer der Flächen, nämlich der Fläche 14 (Fig. 2), der nachstehend einfach nur noch als Scheibe bezeichneten Kupplungsscheibe 10 angeformt sind. Die gegenüberliegende Fläche der Scheibe 10 bildet die Arbeitsfläche des Rotors 11 (das heißt, die Kupplungs- bzw. Bremsfläche) und ist dazu geeignet, den Anker der Kupplungseinrichtung reibschlüssig zu erfassen. In üblicher Weise besteht der Rotor 11 aus einem magnetisierbaren Material mit niedriger Reluktanz, beispielsweise aus Stahl des US-Typs AISI 1010.

Der Einfachheit halber bildet der spezielle Rotor 11, der in Fig. 1 bis 4 gezeigt ist, einen Bestandteil einer vierpoligen Kupplungseinrichtung, und die Scheibe 10 besitzt daher innere und dazu konzentrische äußere, nicht magnetische Widerstands- bzw. Sperrbereiche. Beim Ausführungsbeispiel werden die nicht-magnetischen Sperr bereiche durch eine innere und eine radial im Abstand davon angeordnete äußere Reihe, bzw. durch zwei Ringe von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten Schlitzen 20 gebildet. Dabei wird ein Magnet durch den Bereich der Scheibe 10 gebildet, der innerhalb des inneren Ringes von Schlitzen liegt. Zwei Pole werden durch die Fläche zwischen den Ringen gebildet, und der vierte Pol wird durch die Fläche außerhalb des äußeren Ringes gebildet. Durch Anbringen eines dritten Ringes von Schlitzen in der Scheibe 10 könnte der Rotor 11 als Element einer sechspoligen Kupplungseinrichtung ausgebildet werden.

Die Schlitze 20 jedes Ringes sind voneinander jeweils durch in Umfangsrichtung im Abstand voneinander ange ordnete magnetische Brücken 21 (Fig. 3) getrennt, welche zwischen den Schlitzen 20 stehen bleiben, um den kon struktiven Zusammenhalt bzw. die Einstückigkeit der Scheibe 10 aufrecht zu erhalten. Jeder der Schlitze 20 wird ge wöhnlich als "Bananen-"Schlitz bezeichnet, da er derart ausgebildet ist, daß er eine längliche bogenförmige Außenseite und eine längliche, dazu konzentrische Innen seite und zwei mit einem Radius abgerundete Enden auf weist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Schlitze 20 in der Scheibe 10 mit Hilfe eines Laserstrahls 25 hergestellt, welcher in der Lage ist, relativ breite Schlitze herzustellen, obwohl er nur eine relativ geringe Energie bzw. Leistungs dichte besitzt. Zu diesem Zweck wird der Laserstrahl bezüglich der Scheibe 10 defokusiert bzw. aufgefächert, während gleichzeitig, in Verbindung mit dem Laserstrahl mit einem Druckgasstrahl gearbeitet wird. Wie aus der nachfolgenden Erläuterung deutlich werden wird, ermöglicht der kombi nierte Einsatz eines aufgefächerten Laserstrahls und eines Druckgasstrahles bei Einsatz eines Lasers mit vorgegebener Leistung die Schaffung eines Schlitzes der breiter ist, als dies sonst möglich wäre.

Wie die Zeichnung zeigt, wird der Laserstrahl 25 erfindungs gemäß durch eine fokusierende Spitze 26 am unteren Ende eines Laserkopfes 27 hindurch nach unten gerichtet. Dabei sind die Scheibe 10 und der Laserkopf 27 derart montiert, daß sie relativ zueinander um eine mit dem Mittelpunkt der Scheibe 10 zusammenfallende Achse verdrehbar sind, wobei im hier speziell betrachteten Fall die Relativdrehung be wirkt wird, indem der Laserkopf 27 fest in seiner räum lichen Lage gehalten wird, während der Rotor 11 um seine Achse gedreht wird. Dabei versteht es sich, daß statt dessen der Rotor in einer festen Lage gehalten werden könnte und daß in diesem Fall der Laserkopf 27 längs einer kreisförmigen Bahn um die Achse des Rotors be wegt werden könnte.

Die Spitze 26 fokusiert den Strahl 25 derart, daß der Durchmesser des Laserstrahls an einem Brennpunkt 35 mit minimalem Querschnitt in der Größenordnung von etwa 0,254 bis 0,508 mm liegt. In diesem Bereich minimalen Querschnitts ist die Energiedichte des Laserstrahls am größten und beträgt bei einem typischen Laser etwa 1,55×10⁶W/cm² (10⁷ W/inch²). Bei dieser Energie dichte und bei in der Ebene der Scheibe 10 liegendem Brennpunkt 35 kann der Laserstrahl niedrig legierten Kohlenstoffstahl schnell schneiden, wobei jedoch bei einem Durchlauf nur Schlitze mit einer relativ geringen Breite in der Größenordnung von etwa 0,254 bis 0,508 mm geschnitten werden können.

Gemäß der Erfindung wird nun der Laserstrahl 25 bezüglich der Scheibe 10 aufgefächert, indem man entweder die foku sierende Spitze 26 in Richtung auf die Scheibe 10 ab senkt oder indem man die Scheibe 10 bezüglich der Spitze 26 anhebt. In beiden Fällen wird der Brennpunkt 35 bzw. die Fläche mit dem minimalem Strahldurchmesser in die Scheibe bzw. unter die Ebene der Scheibe abgesenkt, wie dies in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, während der Strahl durchmesser an der Stelle, an der der Laserstrahl zuerst auf die Fläche 14 der Scheibe 10 auftrifft, beträchtlich erhöht wird. Durch diese Zunahme des Strahldurchmessers wird die Energiedichte des Laserstrahls an der Fläche 14 der Scheibe 10 verringert, wobei diese Verringerung der Energie pro Flächeneinheit jedoch erfindungsgemäß durch den Einsatz eines Druckgasstrahls kompensiert wird.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der Druckgasstrahl durch eine Düse 30 gegen die Scheibe 10 gerichtet. Das Gas wird der Düse 30 mit einem Überdruck durch einen Schlauch 31 zugeführt, und die Düse 30 richtet den Druckgasstrahl gegen einen Bereich der Scheibe 10, der unmittelbar an den Bereich angrenzt, der von dem Laserstrahl 25 überstrichen wird. Der Druckgasstrahl bläst das geschmolzene Metall aus den Schlitzen 20 heraus und ermöglicht damit das effektive Schneiden eines breiten Schlitzes mit Hilfe des defoku sierter Strahls. Beispielsweise ermöglicht die Verbindung eines Druckluftstrahls in Verbindung mit einem defokusierten Strahl, der eine Energiedichte von etwa 1,55×10⁴ W/cm² (10⁵W/inch²) besitzt, das Schneiden von Schlitzen mit einer Breite bis zu 1,9 mm.

Wenn anstelle eines Luftstrahls ein Sauerstoffstrahl ver wendet wird, reagiert der Sauerstoff mit dem (erhitzten) Stahl der Scheibe 10 und bewirkt ein Schmelzen des Stahls mit einer Geschwindigkeit, die höher ist, als dies bei alleiniger Verwendung eines Lasertrahls der Fall wäre. Hier durch wird die Möglichkeit geschaffen, mit dem Laser relativ breite Schlitze mit einer relativ hohen Geschwindigkeit her zustellen; der Einsatz von Sauerstoff für die Erzeugung des Druckgasstrahles ermöglicht die Herstellung von Schlitzen mit einer Breite von bis zu etwa 5,08 mm in einem einzigen Schritt, wobei jedoch die Kanten der Schlitze etwas rauher werden, als die Kanten von Schlitzen, die bei Verwendung eines Druckluftstrahls erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer mehrpoligen Kupplungs scheibe für eine elektromagnetische Kupplungsein richtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
es wird eine Scheibe aus magnetisierbarem Material hergestellt;
es wird ein Laserstrahl gegen eine Oberfläche der Scheibe an einer Stelle gerichtet, die zwischen der Mitte der Scheibe und dem äußeren Umfang derselben liegt;
es wird dafür gesorgt, daß der Laserstrahl an einer Stelle auf die Scheibe auftrifft, die sich im Ab stand vom Brennpunkt des Laserstrahls befindet, um den Laserstrahl bezüglich der Scheibe zu de fokusieren;
es wird eine relative Drehbewegung zwischen der Scheibe und dem Laserstrahl herbeigeführt, um zu bewirken, daß der defokusierte Laserstrahl Teile der Scheibe schmilzt und relativ breite, gekrümmte Schlitzelemente in der Scheibe erzeugt; und
während der Bildung der Schlitzelemente wird ein Druckgasstrahl, welcher dem Laserstrahl eng be nachbart ist, gegen die Scheibe gerichtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas für den Druckgasstrahl Luft verwendet wird, welche geschmolzenes Material aus den Schlitz elementen herausbläst, während die Schlitzelemente von dem Laserstrahl erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas für den Druckgasstrahl Sauerstoff ver wendet wird, welcher mit dem Material der Scheibe reagiert und das Aufschmelzen desselben unterstützt, derart daß der aus Sauerstoff bestehende Druckgas stahl geschmolzenes Material aus den Schlitzelementen herausbläst, während diese mit Hilfe des Laserstrahls hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem feststehendem Laserstrahl gearbeitet wird und daß die relative Drehbewegung durch Drehen der Scheibe um eine durch ihren Mittelpunkt hindurch gehende und zu der zu bearbeitenden Fläche senk rechte Achse herbeigeführt wird.