DE102008051242A1

DE102008051242A1 - Polrad und Montageverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102008051242A1
Application number: DE102008051242A
Authority: DE
Inventors: Klaus Manfred Steinich
Original assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Current assignee: ASM Automation Sensorik Messtechnik GmbH
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-11
Also published as: DE102008051242B4; US8665043B2; US20100117774A1

Abstract

Bei sogenannten Polrädern, wie sie für die Winkeldetektion mittels Magnetfeldsensoren benutzt werden, wird die Zentrierung erleichtert und die Lebensdauer des Polrades erhöht, indem der Magnetring auf einer vorgefertigten Nabe mittels einer dazwischen angeordneten Befestigungsvorrichtung wie etwa ein Kraftschlussband drehfest und lösbar mittels Aufschieben fixiert wird.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Polrad, also einen Rotationskörper mit wechselnder Magnetisierung entlang des Umfanges sowie dessen Herstellung.
II. Technischer Hintergrund
Für verschiedene Anwendungen, beispielsweise die Detektion einer Drehlage, werden Rotationskörper benötigt, die man z. B. drehfest auf einem Wellenstumpf befestigen kann, auf deren Außenumfang definierte Umfangsbereiche abwechselnde Magnetisierungen, also Nord- und Südpole, aufgebracht sind.
Dabei muss aus Stabilitätsgründen der Kern, also die Nabe, des Rotationskörpers meist aus einem Metallwerkstoff, insbesondere Stahl, bestehen, während die Magnetisierungen in einem darauf aufgebrachten Magnetring bewirkt werden, der aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise Ferrit oder bonded Neodym-Eisen-Bor, besteht.
Da gleichzeitig ein solcher Rotationskörper mit seiner magnetisierten Fläche, meist der Umfangsfläche, in einem sehr geringen Abstand an einem stationär daneben angeordneten Magnetfeldsensor entlang geführt werden muss, muss ein solcher Rotationskörper auch hohe Genauigkeitsanforderungen hinsichtlich Rundheit und Achsausrichtung aufweisen, um ein Berühren des Magnetringes und des Magnetfeldsensors zuverlässig zu verhindern.
Abhängig vom Anwendungsfall können jedoch z. B. aufgrund starker Temperaturschwankungen und das dementsprechend unterschiedliche Dehnungsverhalten des Magnetringes einerseits und des Materials der Nabe andererseits so hohe Spannungen dazwischen auftreten, dass es zu einem Bruch des Magnetrings und damit einer Zerstörung des Rotationskörpers kommen kann.
Ferner erfordert bei einem auf der Nabe aufgeklebten Magnetring die Genauigkeitsforderung an den Rotationskörper häufig nach dem Aufkleben eine zusätzliche spanende Bearbeitung, um die Rundheitsanforderungen an den Rotationskörper zu erfüllen.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen Rotationskörper mit wechselnden Magnetisierungen entlang des Umfanges zu schaffen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist und unabhängig von den Einsatzbedingungen eine lange Lebensdauer aufweist.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hinsichtlich der Vorgehensweise wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Magnetring weder direkt auf der Nabe befestigt wird, noch auf dieser verklebt wird.
Stattdessen wird insbesondere der Magnetring, der in der Regel aus einer radial sehr dünnen Schicht von nur 1 mm bis 3 mm Dicke besteht, zunächst auf einem stabilen Trägerring aus magnetisierbaren Material, insbesondere aus Stahl, flächig drehfest und axialfest befestigt.
Dabei hat sich nicht das Verkleben als die bevorzugte Befestigungsart erwiesen, sondern das Aufvulkanisieren auf dem Trägerring, indem der Magnetring aus einem vulkanisierbaren Füllmaterial besteht, in dem magnetisierbare Partikel, beispielsweise Ferrit, fein verteilt eingeschlossen sind.
Durch das Aufvulkanisieren ist zum einen eine hohe Formhaltigkeit ausgehend von dem formhaltig hergestellten Trägerring sichergestellt. Zum anderen ist das vulkanisierbare Material des Magnetringes ausreichend elastisch, um die gegenüber dem Magnetring etwas unterschiedliche Dehnung des Trägerringes z. B. aufgrund einer Temperaturänderung aufzunehmen.
Den Magnetring direkt auf der Nabe aufzuvulkanisieren hätte zwar den Vorteil, dass das Befestigen des Trägerringes auf der Nabe als zusätzlichen Arbeitsschritt eingespart wird, jedoch entsteht dann eine nicht mehr veränderbare Einheit, bei dem für jeden neuen Anwendungsfall unter Umständen eine neue Form der Nabe gestaltet werden muss.
Indem der Aufschiebering, also Trägerring mit dem darauf aufgebrachten Magnetring oder auch der Magnetring alleine, mittels einer Befestigungsvorrichtung auf jeder Art von Nabe – sofern sie nur an der aufnehmenden Stelle den richtigen Außendurchmesser besitzt – aufgenommen werden kann, können die Naben abgesehen vom Aufnahmebereich für den Trägerring unterschiedlich gestaltet sein, also in den davon weiter abliegenden axialen Bereichen verschieden gestaltet sein, z. B. unterschiedlich große zentrale Bohrungen für die Befestigung auf einem Wellenstumpf besitzen und ähnliches.
Um bei der Befestigung des Aufschieberinges auf der Nabe eine ausreichend genaue automatische Zentrierung des Aufschieberinges und damit des Magnetringes auf der Nabe zu erreichen, wird der Aufschiebering durch Anordnen einer selbstzentrierenden Verbindungsvorrichtung, beispielsweise eines oder mehrerer Kraftschlusselemente, insbesondere eines Kraftschlussbandes, zwischen dem Außendurchmesser der Nabe und dem Innendurchmesser des Trägerringes gegeneinander fixiert.
Dabei handelt es sich um ein Band aus federndem Material, in der Regel Blechmaterial, aus dessen Ebene vorzugsweise immer in die gleiche Richtung Aufwölbungen ausgeprägt oder ausgestanzt sind, die eine federnde Wirkung quer zur Ebene des Bandes besitzen.
Im Außenumfang der Nabe ist eine Umfangsnut eingearbeitet, in die ein solches Kraftschlussband – abgelängt auf die Umfangslänge des Nutbodens – eingelegt wird und aufgrund Vorspannung auf einen kleineren Durchmesser dort selbsttätig in Position bleibt.
Das Einlegen erfolgt so, dass die Aufwölbungen radial nach außen gerichtet sind und da die Dicke des Kraftschlussbandes einschließlich der Aufwölbungen größer ist als die radiale Höhe der Schulter, stehen die Aufwölbungen, die meist linienförmig in axialer Richtung der Nabe und damit quer zur Längsrichtung des Bandes verlaufen, radial geringfügig über die Schultern der Umfangsnut vor.
Schiebt man nun den stabilen, also in radialer Richtung so gut wie nicht dehnbaren Aufschiebering und axial über die erste Schulter und die Aufwölbungen des Kraftschlussbandes bis auf die zweite Schulter der Umfangsnut, so werden die Aufwölbungen des Kraftschlussbandes von dem Innenumfang des Aufschieberinges radial nach innen gedrückt und verpresst und zwar über den gesamten Umfang der Nabe jeweils mit der gleichen radial nach innen gerichteten Kraft, wodurch der Aufschiebering nicht nur drehfest und axialfest gegenüber der Nabe fixiert wird, sondern auch selbstzentrierend auf der Nabe befestigt wird.
Unterstützt wird dies dadurch, dass der radiale Außenumfang der beiden Schultern der Umfangsnut sehr eng toleriert ist gegenüber dem Maß des Innenumfanges des Aufschieberinges, und auch dadurch verhindert wird, dass der Aufschiebering exzentrisch zur Nabe fixiert wird.
Um beim Aufschieben ein Verkanten zu vermeiden, ist die dem Trägerring in Aufschieberichtung entgegengerichtete äußere Umfangskante der ersten Schulter gerundet oder angephast.
Vorzugsweise besitzt die zweite Schulter einen Axialanschlag, um ein zu weites Aufschieben des Trägerringes zu vermeiden.
Die Kraftschlusselemente, insbesondere Kraftschlussbänder, werden aus einem endlichen Material auf Länge zugeschnitten, da die Herstellung als endloser geschlossener Ring zum einen aufwendiger ist, zum anderen das Aufbringen in der Umfangsnut über die seitliche Schulter hinweg erschwert bzw. unmöglich macht.
Bei einer Herstellung aus einem quasi endlosen Stück eines Kraftschlussbandes ist es jedoch auf einfache Art und Weise möglich, dieses quasi endlose Kraftschlussband mit einem Innendurchmesser helixförmig zu wickeln, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Bodens der Umfangsnut.
Wird dann von dieser Helix ein benötigtes Stück des Kraftschlussbandes abgeschnitten entsprechend der Umfangslänge der Umfangsnut und dieses Stück in die Umfangsnut eingelegt, so liegt es mit Vorspannung und ohne weitere Hilfsmaßnahmen auf dem Boden der Umfangsnut an.
Auf diese Art und Weise kann der z. B. aus Trägerring und Magnetring hergestellte Aufschiebering mit Hilfe des Kraftschlussbandes auf jedem passenden Außendurchmesser befestigt werden, welches abgesehen vom Befestigungsbereich vom Kunden nach Bedarf gestaltet werden kann.
Das Magnetisieren des Magnetringes kann vor oder nach dem Aufschieben von Trägerring und Magnetring auf der Nabe erfolgen, vorzugsweise jedoch vor dem Aufschieben auf der Nabe und nach dem Befestigen des Magnetringes auf dem Trägerring.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: Den erfindungsgemäßen, montierten Rotationskörper,
2: den Rotationskörper der 1 in Einzelteilen vor dem Zusammenbau.
Wie am besten 1b zeigt, besteht der Rotationskörper aus einer Nabe 2, auf der der Magnetring 1 indirekt befestigt ist.
Die Nabe 2 besitzt eine in der axialen Richtung konzentrisch um die Rotationsachse 10 verlaufende zentrale Bohrung 8, mit der der Rotationskörper auf eine Welle aufgesteckt und mittels einer radial durch die Nabe 2 hindurch einschraubbare Fixierschraube 7 verklemmt werden kann.
In axialer Richtung besitzt die Nabe 2 einen abgestuften Außendurchmesser, wobei die Fixierschraube 7 im Bereich des kleineren Außendurchmessers sitzt, der Magnetring 1 dagegen auf dem größeren Außendurchmesser befestigt ist.
Dabei wird der Magnetring 1 nicht direkt auf der Nabe 2 befestigt, sondern er wird zunächst auf dem Außenumfang eines stabilen Trägerringes 5 befestigt, die gemeinsam einen Aufschiebe-Ring 1 + 5 bilden.
Die Nabe 2 besitzt in dem Teil des Außenumfanges, hier dem größeren Außendurchmesser, in dem der Aufschiebering 1 + 5 befestigt werden soll, eine Umfangsnut 6, deren Schultern 6a, b einen Außenumfang aufweisen, der dem Innendurchmesser des Trägerringes 5 entspricht.
In die Umfangsnut 6 ist ein so genanntes Kraftschlussband 3 eingelegt, welches aus einem federnden Blechmaterial besteht, aus dessen Ebene heraus Aufwölbungen 4 in jeweils die gleiche Richtung ausgeprägt sind.
Das Kraftschlussband 3 ist in die Umfangsnut 6 so eingelegt, dass die Aufwölbungen 4 nach außen weisen und da das Kraftschlussband 3 einschließlich seiner Aufwölbungen 4 eine Dicke besitzt, die geringfügig größer ist als die Höhe der Schultern 6a, b, ragen diese Aufwölbungen 4 radial nach außen über die Schultern 6a, b geringfügig hinaus.
Das Kraftschlussband 3 ist ein endliches Stück Band, welches auf Länge zugeschnitten einen vollen Umfang in der Umfangsnut 6 bildet, wobei die entstehende Umfangslücke so gering wie möglich gehalten wird.
Nach dem Einlegen des Kraftschlussbandes 3 in die Umfangsnut 6 wird der Aufschiebering 1 + 5 in Aufschieberichtung 12, also in der axialen Richtung 10, über die erste Schulter 6a, die Aufwölbung 4 des Kraftschlussbandes 3 und die Schulter 6b geschoben, wobei der Innenumfang des Trägerringes 5 die Aufwölbungen 4 des Kraftschlussbandes 3 radial nach innen gegen die Nabe 2 presst und zwar an jeder Stelle des Umfanges gleich stark, so dass der Aufschiebering 1 + 5 sowohl axialfest als auch drehfest und durch das Kraftschlussband 3 zentriert gegenüber der Nabe 2 auf dieser fixiert ist.
Die Breite, also axiale Erstreckung, des Aufschieberinges 1 + 5 entspricht dabei vorzugsweise dem axialen Abstand zwischen den äußeren Enden der Schultern 6a und 6b, wobei die in Aufschieberichtung 12 erste Außenkante der in Aufschieberichtung ersten Schulter 6a angephast oder gerundet ist, um das Aufpressen des Trägerringes 5 auf die Nabe 2 ohne Verkanten zu ermöglichen.
Der Magnetring 1 ist seinerseits vorher auf dem Trägerring 5 drehfest und axialfest, vorzugsweise flächig, befestigt worden, wofür sich insbesondere das Aufvulkanisieren des Magnetringes 1 auf dem Trägerring 5, der meist aus Stahl besteht, bewährt hat.
Zu diesem Zweck sind Magnetpartikel in einem vulkanisierbaren Material aufgenommen und daraus der Magnetring 1 gebildet, beispielsweise durch Gießen, Spritzen oder Ziehen.
Der Vorteil besteht darin, dass auf diese Art und Weise der Magnetring 1 alleine hergestellt und auf dem Trägerring 5 befestigt werden kann, ohne dass es anschließend einer mechanischen Nachbearbeitung des Magnetringes oder des Trägerringes bedarf.
Ebenso ist nach dem Aufpressen des Aufschieberinges 1 + 5 auf der Nabe 2 keine weitere Nachbearbeitung mehr notwendig.
Da das Kraftschlussband 3 aus einem quasi endlosen Stück des Kraftschlussbandes auf Länge geschnitten wird, wird dieses quasi endlose Kraftschlussband vorzugsweise zunächst spiralig aufgewickelt, beispielsweise auf einem Kern aufgewickelt, so dass diese Helix einen Innendurchmesser besitzt, der kleiner ist als der Durchmesser der Umfangsnut 6.
Ein von dieser Helix abgeschnittenes Stück des Kraftschlussbandes 3 besitzt daher eine solche radiale Vorspannung, dass es nach Einlegen in der Umfangsnut 6 selbsttätig auf dem Nutengrund bis zum Aufschieben des Aufschubringes 1 + 5 anliegt.

1: Magnetring
1a: magnetisierbare Schicht
2: Nabe
3: Kraftschlussband
4: Aufwölbung
5: Trägerring
6: Umfangsnut
6a, b: Schulter
7: Fixierschraube
8: zentrale Bohrung
9: Axialanschlag
10: axiale Richtung, Rotationsachse
11: radiale Richtung
12: Aufschieberichtung
N, S: Magnetisierung

Claims

Rotationskörper mit wechselnder Magnetisierung entlang des Umfanges, insbesondere entlang der Mantelfläche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Nabe (2) ein die abwechselnden Magnetisierungen (N, S) tragender Magnetring (1) mittels einer Verbindungsvorrichtung drehfest und selbstzentrierend zur Rotationsachse (10) der Nabe (2) befestigt ist.
Rotationskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (1) lösbar auf der Nabe (2) befestigt ist.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung ein Kraftschlusselement mit in der radialen Dicke federnden Elementen ist, insbesondere ein ringförmig umlaufendes, endliches Kraftschlussband (3), insbesondere mit radialen Ausprägungen, Ausstanzungen oder Aufwölbungen (4).
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftschlussband (3) ein Blechstreifen ist mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandet aufeinanderfolgenden Aufwölbungen (4) oder im Querschnitt einer oder mehrerer in Querschnittsrichtung aneinander anschließenden Aufwölbungen, die in Längsrichtung des Kraftschlussbandes (3) durchgehen.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftschlussband (3) eine aus Draht gewickelte, insbesondere helixförmig sich entlang der Längsrichtung des Kraftschlussbandes (3) erstreckende, Feder ist, und der Querschnitt des Drahtes rund oder flach viereckig ist.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftschlussband (3) ein Hohlprofil, insbesondere ein geschlossen umlaufendes Hohlprofil, ist.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (1) einen inneren Trägerring (5) umfasst, auf dessen Außenumfang eine magnetisierbare Schicht (1a) aufgebracht ist, insbesondere aufgeklebt ist, der auf der Verbindungsvorrichtung sitzt.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (5) aus magnetisierbarem Material, insbesondere Stahl, besteht.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (2) auf ihrem Außenumfang eine Umfangsnut (6) besitzt, in der das Kraftschlussband (3) kraftschlüssig, insbesondere auch formschlüssig, anliegt.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnut (6) mindestens eine, besser zwei axial gegenüberliegende, wenigstens in radialer Richtung eng tolerierte Schultern (6a, b) aufweist, als Zentrierung für den Magnetring (1) bzw. Trägerring (5).
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der das Kraftschlussband (3) im entspannten Zustand einen kleineren Innendurchmesser aufweist als der Durchmesser der Umfangsnut (6) der Nabe (2).
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetring (1) Magnetpartikel gebunden in einem vulkanisierbaren Material enthält.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Magnetring (1) bzw. der Trägerring (5) und Magnetring (1) bestehende Aufschiebering (1 + 5) mit Vorspannung auf dem Kraftschlussband (3), insbesondere dessen Aufwölbungen (4) sitzt.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Aufschieberichtung (12) des Aufschieberinges (1 + 5) vorderste Außenkante der Schulter (6a) gerundet oder angephast ist.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Aufschieberichtung (12) hintere Schulter (6b) einen Axialanschlag (9) für den Aufschiebering (1 + 5) besitzt.
Rotationskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kraftschlussbandes (3) in radialer Richtung größer ist als die Höhe der Schultern (6a, b) der Umfangsnut (6).
Verfahren zum Herstellen eines mit einer umlaufend abwechselnden Magnetisierung ausgestatteten Rotationskörpers, dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer Nabe (2) eine entlang des Umfangs angeordnete, insbesondere ringförmige, Befestigungsvorrichtung mit selbstzentrierenden Eigenschaften aufgebracht wird, und – auf der selbstzentrierenden Befestigungsvorrichtung der Aufschiebering, der einen Magnetring (1) umfasst, lösbar befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen auf der Befestigungsvorrichtung der Magnetring (1) auf einem Trägerring (5), insbesondere dessen Außenumfang, aufgebracht wird, und insbesondere auch vulkanisiert wird, indem der Magnetring (1) Magnetpartikel gebunden in einem vulkanisierbaren Material enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstzentrierende Befestigungsvorrichtung ein Kraftschlussband (3) ist, welches vor dem Aufbringen auf die Nabe (2) auf die benötigte Länge abgelängt und in eine Umfangsnut (6) auf dem Außenumfang der Nabe (2) eingelegt wird, insbesondere mit nach außen weisenden Aufwölbungen (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftschlussband vor dem Ablängen quasi endlos spiralig aufgewickelt wird mit einem Innendurchmesser der Spirale, der kleiner ist als der Durchmesser der Umfangsnut (6).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen des Aufschieberinges (1 + 5) dieser axial auf die mit dem Kraftschlussband (3) ausgestatteten Nabe (2) axial aufgeschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Magnetringes (1) auf der Nabe (2) der Magnetring (1) in Umfangsrichtung abwechselnd mit Magnetisierungen (N, S) versehen wird.