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Die Erfindung betrifft ein Lager, ausgebildet zur Aufnahme einer Sensoreinheit, umfassend einen Innenring und einen Außenring.
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Lager, die der Aufnahme einer Sensoreinheit dienen, oft auch Sensorlager genannt, kommen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Einsatz, wo üblicherweise Drehzahlen oder Winkelpositionen und Ähnliches erfasst werden müssen. Beispielhaft ist der Bereich der Elektromaschinen bzw. Elektromotoren genannt, wie sie beispielsweise im Rahmen der Elektromobilität als Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Da bei diesen Maschinen oft Drehzahlen oder Winkelstellungen hochgenau erfasst werden müssen, kommen entsprechende Lager zum Einsatz, die insbesondere als Hochdrehzahllager ausgebildet sind, da die beteiligten Komponenten oft hohe Drehzahlen fahren. Bei solchen Elektromaschinen bzw. Elektromotoren werden beispielsweise Wälzlager für die Drehzahl-/Kraftübertragung und Sensoren wie Resolver oder Drehgeber für die Kommutierung verwendet.
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Ein Sensorlager ist beispielsweise aus
DE 11 2013 006 421 T5 bekannt. Es weist eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition auf, wobei die Sensoreinheit einen Kodierer und einen Sensorkörper umfasst. In
EP 2 116 813 A1 ist ein Sensorlager für eine Radlageranwendung bekannt. Eine Detektionseinheit umfasst eine Vielzahl von magnetischen Encodern, die ringförmig angeordnet sind, sowie eine Vielzahl magentischer Sensoren zur Detektion magnetischer Felder und zur Bestimmung von Positionsinformationen der magnetischen Encoder.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lager anzugeben, das eine hochgenaue Signalerfassung ermöglicht.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Lager vorgesehen, ausgebildet zur Aufnahme einer Sensoreinheit, umfassend einen Innenring und einen Außenring, wobei am Innenring oder am Außenring ein mit diesem rotierendes, zum Zusammenwirken mit der Sensoreinheit vorgesehenes, ringförmiges Rotorelement in Form einer Winkelscheibe angeordnet ist, die einen sich axial erstreckenden zylindrischen Flansch und einen sich radial erstreckenden Scheibenflansch aufweist und über den Flansch reibschlüssig am Innenring oder am Außenring befestigt ist, wobei zusätzlich der eine Stirnfläche des Innenrings oder Außenrings übergreifende Scheibenflansch stoffschlüssig an der Stirnfläche befestigt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lager ist ein Rotorelement in Form einer Winkelscheibe integriert, die mit der Sensoreinheit, die entweder fester Bestandteil des Lagers sein kann oder die als zusätzliches Bauteil lagerseitig angeordnet oder integriert werden kann, zusammenwirkt. Diese Winkelscheibe weist einen zylindrischen, sich axial erstreckenden Flansch und einen sich radial erstreckenden Scheibenflansch auf, wobei der Scheibenflansch beispielsweise Ausnehmungen aufweist, die über die axial benachbarte Sensoreinheit erfasst werden oder Ähnliches. Dieses Rotorelement ist wie beschrieben am Innen- oder Außenring fest integriert, und zwar erfindungsgemäß auf zweifache Weise. Zum einen ist der zylindrische Flansch reibschlüssig am Innenring oder am Außenring befestigt, das heißt, dass er entweder in den Innenring eingepresst ist, oder auf den Außenring aufgepresst ist. Hierüber ist die Winkelscheibe also über einen Reibschluss am Ring fixiert.
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Abgewinkelt vom Flansch erstreckt sich der Scheibenflansch radial nach außen bei einer am Innenring angeordneten Winkelscheibe oder radial nach innen bei einer am Außenring angeordneten Winkelscheibe. In jedem Fall übergreift der Scheibenflansch die axiale Stirnfläche des ihn tragenden Rings, liegt an dieser also an. Dieser Umstand wird nun erfindungsgemäß genutzt, indem in diesem Bereich zusätzlich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Scheibenflansch und dem Ring gegeben ist. Hierüber wird also eine zweite Befestigungsebene realisiert.
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Diese doppelte Befestigung des Rotorelements ist dahingehend von Vorteil, als eine deutlich bessere Fixierung des Elements gegeben ist, als bei nur reibschlüssiger Verbindung. Wie beschrieben eignet sich ein solches Lager auch für Hochdrehzahlanwendungen, bei der der das Rotorelement tragende Ring mit extrem hohen Drehzahlen von mehreren tausend U/min, mitunter von Drehzahlen größer 10.000 U/min, rotiert. Hierbei wirken große Fliehkräfte auf alle Elemente, so auch auf die Winkelscheibe, die üblicherweise aus einem dünneren Blech gestanzt und gezogen ist. Diese Fliehkräfte können nun zu einer, wenngleich gegebenenfalls geringfügigen, Geometrieänderung führen. Zwar ist die Winkelscheibe bei Einpressen in den Innenring über den Innenring radial gefangen, gleichwohl erstreckt sich der Scheibenflansch radial nach außen. Die zusätzliche stoffschlüssige Befestigung des Scheibenflansches selbst verhindert jede Geometrieveränderung und erlaubt demzufolge eine hochgenaue Messung. Bei einer Anordnung am Außenring wäre der zylindrische Flansch auf den Außenring aufgepresst, er wäre also nicht gefangen, so dass dort der Angriff der hohen Fliehkräfte noch größer ist. Dem kann wie beschrieben durch die stoffschlüssige Verbindung von Scheibenflansch und Ringstirnfläche entgegengewirkt werden.
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Wenngleich die Möglichkeit besteht, den Scheibenflansch quasi vollumfänglich stoffschlüssig mit der Ringstirnfläche zu verbinden, sieht eine Weiterbildung vor, dass der Scheibenflansch über mehrere lokale stoffschlüssige Verbindungsbereiche befestigt ist. Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung mehrerer lediglich lokaler oder punktueller Verbindungsbereiche, also punktueller stoffschlüssiger Verbindungen bereits ausreichend ist, die Winkelscheibe hinreichend zu fixieren. Beispielsweise sind um den Umfang der Überdeckung vier, sechs oder acht solcher lokaler Verbindungsbereiche vorgesehen, wobei die Anzahl natürlich vom Durchmesser des Lagers abhängt.
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Kommen mehrere solcher Verbindungsbereiche zum Einsatz, so sind diese zweckmäßiger äquidistant um den Umfang verteilt, so dass die Kraftaufnahme symmetrisch ist.
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Bevorzugt ist der Scheibenflansch hierbei über mehrere Schweißverbindungen, insbesondere Reibschweißverbindungen stoffschlüssig an der Ringstirnfläche fixiert. Das heißt, dass zur Befestigung ein Reibschweißverfahren zum Einsatz kommt. Dieses ermöglicht eine Verbindung mit sehr kleinen Taktzeiten, ebenso wie auch die Ausbildung lokaler Verbindungsbereiche auf einfache Weise möglich ist. Alternativ kann die stoffschlüssige Verbindung auch durch Widerstandspunktschweißen oder andere Schweißverfahren erfolgen.
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Wenngleich das Lager nur das Rotorelement in Form der Winkelscheibe aufweisen kann und die Sensoreinheit in der Montagestellung zwar axial benachbart zum Rotorelement angeordnet ist, jedoch nicht in das Lager selbst integriert ist, ist es gleichermaßen denkbar, die Sensoreinheit in das Lager selbst zu integrieren respektive Vorkehrungen für deren Integration am Lager selbst zu treffen. Um dies zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn eine Hülse oder eine zweite Winkelscheibe mit einem sich axial erstreckenden zylindrischen Flansch, und im Fall der Winkelscheibe zusätzlich mit einem sich radial erstreckenden Scheibenflansch vorgesehen ist, die über den Flansch reibschlüssig am Außen- oder Innenring befestigt ist, und die, sofern vorgesehen, mit ihrem Scheibenflansch, an dem die Sensoreinheit anzuordnen oder angeordnet sein kann, den Scheibenflansch der ersten Winkelscheibe mit Abstand übergreift. Es kommt also entweder eine Hülse oder eine zweite Winkelscheibe am anderen Ring, der also nicht mit dem Rotorelement versehen ist, zum Einsatz, wobei auch diese Hülse bzw. Winkelscheibe einen zylindrischen Flansch und, im Fall der Winkelscheibe, einen Scheibenflansch aufweist und mit dem zylindrischen Flansch reibschlüssig am entsprechenden Ring befestigt ist. Dieser zylindrische Flansch ist länger als der zylindrische Flansch des Rotorelements, an ihm kann die Sensoreinheit fixiert werden. Ist eine zweite Winkelscheibe vorgesehen, so wäre dann aufgrund der Länge des zylindrischen Flansches der Scheibenflansch der zweiten Winkelscheibe axial beabstandet, jedoch parallel zum Scheibenflansch der ersten Winkelscheibe angeordnet. An diesem zweiten Scheibenflansch kann dann nun die Sensoreinheit angeordnet oder kann daran angeordnet werden. Hierbei kommt es natürlich auf die Ausgestaltung der Sensoreinheit an. Handelt es sich um einen Sensorring, so ist dieser zweckmäßigerweise bereits vor der Montage der zweiten Winkelscheibe daran befestigt. Falls es sich nur um eine kleine, nicht um den Umfang laufende Sensoreinheit handelt, kann diese auch nachträglich an der bereits fixierten zweiten Winkelscheibe angeordnet werden.
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Das Lager selbst ist wie beschrieben bevorzugt ein Hochdrehzahllager, insbesondere für eine Elektromaschine, wobei die Anwendung hierauf jedoch nicht beschränkt ist.
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Als Sensoreinheit, die in das beschriebene Lager oder Lagerdesign integriert ist oder integriert werden kann, sind Einheiten verwendbar, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren, beispielsweise eine Wirbelstromsensorik, oder eine Sensorik auf magnetischer oder invers-magnetoelastischer Basis.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Lager einer ersten Ausführungsform,
- 2 das Lager aus 1 ohne die am Innenring angeordnete, das Rotorelement bildende Winkelscheibe,
- 3 das Lager aus 1 in einer Perspektivansicht, und
- 4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Lagers einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lager 1 zur Aufnahme einer Sensoreinheit, insbesondere ein Hochdrehzahllager, vorzugsweise zur Integration in einer Elektromaschine. Das Lager umfasst einen Innenring 2 und einen Außenring 3, wobei am Innenring eine Laufbahn 4 und am Außenring eine Laufbahn 5 ausgebildet ist, auf denen Wälzkörper 6, hier in Form von Kugeln, die in einem Käfig 7 geführt sind, wälzen. Der Wälzbereich ist zu beiden Seiten über Dichtelemente 8, die im gezeigten Beispiel am Außenring 3 festgelegt sind und über eine Lippen- respektive Labyrinthdichtung zum Innenring 2 hinlaufen, axial gesehen abgedichtet.
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Am Innenring 2 ist eine falzartige ringförmige Ausnehmung 9 ausgebildet, über die eine ringförmige radiale Abstützfläche ausgebildet wird, an der ein Rotorelement 10 in Form einer Winkelscheibe 11 reibschlüssig fixiert wird. Die Winkelscheibe 11, beispielsweise gezogen aus einem Blech, umfasst einen zylindrischen Flansch 12 sowie einen davon radial nach außen laufenden Scheibenflansch 13. Der zylindrische Flansch 12 ist reibschlüssig in der falzartigen Ausnehmung 9 aufgenommen, er ist darin also eingepresst, so dass sich ein Reibschluss zwischen der Außenmantelfläche 14 des Flanschs 12 und der Abstützfläche ergibt.
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Wie 1 ferner zeigt, läuft der Scheibenflansch 13 über eine Abwinklung radial nach außen. Er liegt damit an der Stirnfläche 15 des Innenrings 2 an. Im Anlagebereich zwischen der Stirnfläche 15 und der Scheibenflanschfläche 16 wird nun eine stoffschlüssige Verbindung 17 über eine Reibschweißverbindung 18 erzeugt, wobei diese stoffschlüssige Verbindung 17 über das eingezeichnete Kreissymbol dargestellt wird. Das heißt, dass der Scheibenflansch 13 fest mit dem Innenring 2 verschweißt wird.
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Diese Verschweißung erfolgt lediglich lokal, so dass sich lokale stoffschlüssige Verbindungs- respektive Schweißbereiche ergeben, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
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2 zeigt das Lager 1, wobei hier das Rotorelement 10 nicht gezeigt ist. Zu sehen ist einerseits der Innenring 2 sowie dessen Stirnfläche 15 und der Außenring 3 und das an ihm angeordnete Dichtelement 8.
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Von der in der Perspektivansicht gemäß 2 gezeigten Richtung wird nun, siehe die Perspektivansicht gemäß 3, das Rotorelement 10 bzw. die Winkelscheibe 11 aufgesetzt und mit dem zylindrischen Flansch 12 in den Innenumfang des Innenrings 2 respektive in die falzartige Ausnehmung 9 eingepresst, so dass sich dort die reibschlüssige Pressverbindung ergibt.
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Anschließend werden unter Verwendung einer geeigneten Reibschweißvorrichtung die lokalen stoffschlüssigen Verbindungsbereiche 18, also die Reibschweißverbindungen 17 ausgebildet, wie sie in 3 gestrichelt angedeutet sind. Im gezeigten Beispiel sind vier solcher stoffschlüssiger Verbindungsbereiche 18 vorgesehen, die äquidistant um den Umfang verteilt sind. Selbstverständlich können auch mehr solcher lokalen Reibschweißverbindungen 17 vorgesehen werden.
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Der Scheibenflansch 13 weist mehrere Ausnehmungen 19 auf, die mit dem hier nicht gezeigten Sensorelement zusammenwirken respektive der Signalerfassung dienen.
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4 zeigt ein Lager 1, das dem Lager 1 aus 1 entspricht, weshalb auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird und für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Auch hier ist ein Innenring 2 sowie ein Außenring 3 und entsprechende Wälzkörper 6 vorgesehen. Ebenso ist auch hier ein Rotorelement 10 in Form einer Winkelscheibe 11 vorgesehen, die sowohl reibschlüssig am zylindrischen Umfang als auch stoffschlüssig über die mehreren Reibschweißverbindungen 17 am Innenring 2 fixiert ist.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine zweite Winkelscheibe 20 am Außenring angeordnet. Auch die Winkelscheibe 20 weist einen zylindrischen Flansch 21 auf, mit dem sie auf den Außenring 3, der eine entsprechende falzartige Ausnehmung 22 aufweist, aufgepresst ist, so dass sich zwischen der Außenumfangsfläche 23 und der Innenumfangsfläche 24 des Flanschs 21 eine reibschlüssige Pressverbindung ergibt.
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An den zylindrischen Flansch schließt sich ein Scheibenflansch 25 an, der parallel zum Scheibenflansch 13 der ersten Winkelscheibe verläuft, jedoch axial beabstandet ist. In diesem Abstandsbereich wird die Sensoreinheit 26 integriert, beispielsweise ein entsprechender Ringsensor, über den das Rotorelement 10 respektive dessen Ausnehmungen detektiert werden können. Da der Außenring 3 bei im gezeigten Ausführungsbeispiel positionsfest ist, während der Innenring 2 mit dem Rotorelement 10 mit hoher Drehzahl rotiert, ist zur Fixierung der zweiten Winkelscheibe 20 die reibschlüssige Pressverbindung ausreichend.
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Selbstverständlich ist es denkbar, die Anordnung auch umgekehrt zu gestalten, also das Rotorelement am Außenring reibschlüssig und stoffschlüssig zu befestigen, während die zweite Winkelscheibe am Innenring angeordnet ist, in diesem Fall würde dann der Innenring positionsfest sein, während der Außenring rotiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lager
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Laufbahn
- 5
- Laufbahn
- 6
- Wälzkörper
- 7
- Käfig
- 8
- Dichtelement
- 9
- Ausnehmung
- 10
- Rotorelement
- 11
- Winkelscheibe
- 12
- Flansch
- 13
- Scheibenflansch
- 14
- Außenmantelfläche
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Scheibenflanschfläche
- 17
- Reibschweißverbindung
- 18
- Verbindungsbereich
- 19
- Ausnehmung
- 20
- Winkelscheibe
- 21
- Flansch
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Außenumfangsfläche
- 24
- Innenumfangsfläche
- 25
- Scheibenflansch
- 26
- Sensoreinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112013006421 T5 [0003]
- EP 2116813 A1 [0003]
