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Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung zur formschlüssigen Halterung eines ersten Bauteils in einer Aufnahme eines zweiten Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lagerschild, einen Elektromotor, und einen Lenkungsantrieb.
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Heutzutage weisen Kraftfahrzeuge typischerweise eine Servolenkung auf, welche eine Lenkkraft, die zu einer Betätigung eines Lenkrads bei einem Lenken im Stillstand oder im Falle niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten benötigt wird, reduziert. Die Servolenkung unterstützt hierbei einen Kraftfahrzeugnutzer beim Lenken, indem die von dem Fahrzeugnutzer aufgebrachte Lenkkraft beispielsweise mit einem Hydrauliksystem oder mit einem Elektromotor unterstützt wird.
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Bei einer elektromotorischen Servolenkung (EPS: Electric Power Stearing, EPAS: Electric Power Assisted Stearing) unterstützt und überlagert ein an der Mechanik des Lenkrads (Lenksäule, Lenkgetriebe) angeordneter Elektromotor die Lenkbewegungen des Kraftfahrzeugnutzers mit einer erzeugten Hilfskraft. Für derartige elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufiger sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürsten eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.
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Ein derartiger bürstenloser Elektromotor als elektrische Drehstrommaschine weist prinzipiell einen feststehenden (stationären) Stator mit einer elektrischen Drehfeldwicklung mit einer Anzahl von (Motor-)Phasen auf. Im Falle eines bürstenlosen Elektromotors als dreiphasige Drehstrommaschine weist der Stator bzw. dessen Drehfeldwicklung drei Phasen und damit zumindest drei Phasenleiter oder Phasenwicklungen auf, welche jeweils phasenversetzt mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, in dem ein üblicherweise mit Permanentmagneten versehener, auch als Läufer bezeichneter Rotor um dessen Achse dreht (rotiert).
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Der Rotor ist wellenfest mit einer Motor- oder Rotorwelle gefügt, wobei die Welle zur drehbeweglichen Lagerung beispielsweise in ein Festlager eines Lagerschilds eingreift. Das Festlager ist hierbei beispielsweise mittels einer Spannscheibe (Stahlring) befestigt, oder ist mittels Verstemmung durch mehrere randseitige Verstemmpunkte in dem Lagersitz formschlüssig fixiert.
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Bei einem Aluminiumlagerschild wird beispielsweise eine sogenannte Linsenverstemmung zur Bildung der etwa halbkreisförmigen Verstemmpunkte verwendet, bei welchen ein Stempel axial gegen den Randbereich eines Öffnungsrands des Lagersitzes gepresst wird, so dass das Material radial nach innen in die Öffnung des Lagersitzes als Axialanschlag hinein umgeformt wird.
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Insbesondere bei fahrerkabinennahen Anwendungen, wie beispielsweise bei einem Lenkungsantrieb, haben Elektromotoren, insbesondere Synchronmotoren, hohe Anforderung hinsichtlich eines im Betrieb auftretenden Körperschalls. Durch die hohen Anforderungen an den Körperschall, wird ein extrem robustes Design für die Befestigung des Festlagers benötigt, sodass die dafür verwendete Verstemmung sehr große Festigkeiten hinsichtlich der Lebensdauer aufweisen muss.
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Die dynamischen Belastungen wirken auf das Festlager beziehungsweise auf die Verstemmpunkte ein. Da das Festlager in der Regel radial formschlüssig im Lagersitz angeordnet ist, treten hierbei durch die Belastungen insbesondere Scherspannungen auf die Verstemmpunkte auf, da sich das Festlager lediglich in axialer Richtung aus dem Lagersitz bewegen kann. Mittels Linsenverstemmung hergestellte Verstemmpunkte weisen hierbei hinsichtlich der dynamischen Belastungen (hochdynamische Schwingungen und/oder Vibrationen) im Hinblick auf die gewünschten Körperschallanforderungen eine zu geringe Dimensionierung auf. Insbesondere treten bei derartigen Verstemmpunkten hohe linienförmige Scherspannungen im Bereich des ursprünglichen Öffnungsrands auf, wodurch die notwendige Festigkeit der Lagerbefestigung nicht gegeben ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Bauteilverbindung zur formschlüssigen Halterung eines ersten Bauteils in einer Aufnahme eines zweiten Bauteils anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst stabile und feste Bauteilverbindung angegeben werden, welche auch einen geringen Körperschall der verbundenen Bauteile bei dynamischen Belastungen realisiert. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Lagerschild und einen besonders geeigneten Elektromotor sowie einen besonders geeigneten Lenkungsantrieb anzugeben.
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Hinsichtlich der Bauteilverbindung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Lagerschilds mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie hinsichtlich des Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und hinsichtlich des Lenkungsantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Bauteilverbindung angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Lagerschild und/oder den Elektromotor und/oder den Lenkungsantrieb übertragbar und umgekehrt.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Die erfindungsgemäße Bauteilverbindung ist zur formschlüssigen Halterung eines ersten Bauteils in einer Aufnahme eines zweiten Bauteils vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Bauteilverbindung wird insbesondere zur Verbindung von zwei Bauteilen eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Die beispielsweise topfförmige oder zylindrische Aufnahme nimmt das erste Bauteil auf. Mit anderen Worten ist das erste Bauteil in die Aufnahme eingesetzt.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zu einer Höhenrichtung der Aufnahme, also senkrecht zu den Stirnseiten der Aufnahme verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Höhenrichtung der Aufnahme orientierte Richtung entlang eines Radius der Aufnahme verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs der Aufnahme (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
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Erfindungsgemäß ist radial beabstandet zu einem Öffnungsrand der Aufnahme mindestens eine Vertiefung derart in das den Öffnungsrand umgebende Material des zweiten Bauteils eingebracht, dass das radial zwischen dem Öffnungsrand und der Vertiefung befindliche Material des zweiten Bauteils aufgrund der Vertiefung derart umgeformt ist, dass das umgeformte Material als laschenartiger Axialanschlag radial in den Öffnungsrand hineinragt und das erste Bauteil axial formschlüssig übergreift. Dadurch ist eine besonders geeignete Bauteilverbindung realisiert.
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Insbesondere wird durch das Einbringen der Vertiefung und die dadurch bewirkte radiale Umformung des verdrängten Materials zu dem Axialanschlag ein besonders stabiler und fester Axialanschlag realisiert, welcher auftretende Scherspannungen bei einer dynamischen Belastung besser in das umliegende zweite Bauteil verteilt. Die bei der dynamischen Belastung vom ersten Bauteil auf den Axialanschlag ausgeübte Scherspannung wird somit in größere Bereiche des zweiten Bauteils eingeleitet, wodurch die Stabilität und Haltbarkeit des Axialanschlags verbessert ist.
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Um die Dauerfestigkeit der Befestigung des ersten Bauteils zu erhöhen, kann die Anzahl der Axialanschläge erhöht werden. In einer geeigneten Weiterbildung sind eine Anzahl von Vertiefungen, also mindestens zwei Vertiefungen, tangential verteilt um den Öffnungsrand eingebracht, wobei eine entsprechende Anzahl von Axialanschlägen zur Sicherung des ersten Bauteils durch die Vertiefungen erzeugt sind. Dadurch wird die Befestigung des ersten Bauteils weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Vertiefung beziehungsweise der Axialanschlag durch einen Verstemm- oder Prägeprozess erzeugt. Dadurch ist eine zuverlässige Umformung des Materials des zweiten Bauteils zum Axialanschlag gewährleistet. Weiterhin kann die Stempelgeometrie zur Erzeugung der Vertiefung an die jeweiligen Randbedingungen der Bauteilverbindung angepasst werden (Einpresskraft, benötigte Festigkeit etc.). Insbesondere kann auch die Einpresskraft, das verdrängte Material und die Standzeit des Werkzeuges einfach variiert werden, so dass die Bauteilverbindung besonders flexibel an eine jeweilige Anwendung anpassbar ist.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Vertiefung ausgehend vom Öffnungsrand in radialer Richtung eine zunehmende Tiefe auf. Dies bedeutet, dass der Stempel zum Einbringen der Vertiefung eine schräge, bogenförmige oder monoton gekrümmte Stempelfläche aufweist, welche in das Material des zweiten Bauteils eingepresst wird, und dabei das Material in Querrichtung zur Stempelfläche in die Öffnung der Aufnahme hin verdrängt. Dadurch ist sichergestellt, dass ein besonders stabiler und fester Axialanschlag gebildet ist.
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In einer bevorzugten Dimensionierung weist der Axialanschlag eine radial Länge, also einen radialen Überstand über den Öffnungsrand in die Öffnung hinein, von 0,5 mm (Millimeter) und eine axiale Höhe oder Dicke von 1,0 mm auf, wobei die Vertiefung einen radialen Durchmesser von 5 mm aufweist.
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In einer bevorzugten Anwendung wird die vorstehend beschriebene Bauteilverbindung zur Fixierung eines Festlagers (erstes Bauteil) in einem Lagersitz (Aufnahme) eines Lagerschilds (zweites Bauteil) verwendet. Die erfindungsgemäße Bauteilverbindung kann jedoch auch in ähnlicher Ausführung bei anderen Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Tür- und Heckklappensystemen, bei Fensterhebern, bei Fahrzeugschlössern, bei verstellbaren Sitz- und Innenraumsystemen sowie bei elektrischen Antrieben/Steuerungen/Sensoren und deren Anordnung im Fahrzeug verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Lagerschild ist für einen Elektromotor vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Lagerschild weist hierbei ein Festlager für eine drehbewegliche Lagerung einer Welle des Elektromotors, und einen Lagersitz auf, in welchem das insbesondere als Wälz- oder Kugellager ausgeführte Festlager radial formschlüssig einsitzt, wobei das Festlager mittels einer vorstehend beschriebenen Bauteilverbindung axial formschlüssig in dem Lagersitz gehalten ist.
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Hierzu ist radial beabstandet zu einem Öffnungsrand des Lagersitzes mindestens eine Vertiefung derart in das den Öffnungsrand umgebende Material des Lagerschilds eingebracht, dass das radial zwischen dem Öffnungsrand und der Vertiefung befindliche Material des Lagerschilds aufgrund der Vertiefung derart umgeformt ist, dass das umgeformte Material als laschenartiger Axialanschlag radial in den Öffnungsrand hineinragt und das Festlager axial formschlüssig übergreift. Dadurch ist ein besonders geeignetes Lagerschild realisiert. Insbesondere ist durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung ein hinsichtlich des Körperschalls bei dynamischen Beanspruchungen verbessertes Lagerschild realisiert.
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Zur Realisierung der Bauteilverbindung beziehungsweise zur Halterung und Befestigung des Festlagers ist beispielsweise ein Verstemmen zur Erzeugung der Vertiefung beziehungsweise des Axialanschlags möglich, so dass ein zusätzliches Bauteil in Form einer Spannscheibe zur Halterung des Lagers entfallen kann.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist eine Welle, beispielsweise eine Rotorwelle, auf, welche in einem vorstehend beschrieben Lagerschild drehbar gelagert ist. Durch das erfindungsgemäße Lagerschild beziehungsweise die erfindungsgemäße Bauteilverbindung zur Fixierung des Festlagers wird ein Körperschall im Betrieb des Elektromotors vorteilhaft reduziert.
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Der erfindungsgemäße Lenkungsantrieb ist insbesondere für eine Servolenkung eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Der Lenkungsantrieb weist hierbei einen vorstehend beschriebenen Elektromotor auf. Bei einer Anwendung für eine Servolenkung ist der Elektromotor im Bereich einer Fahrerkabine angeordnet, wobei durch die erfindungsgemäße Bauteilverbindung zur Halterung des Festlagers ein besonders laufruhiger Motorbetrieb gewährleistet ist, da eine besonders hohe Festigkeit der Axialanschläge gewährleistet ist. Dadurch wird eine Geräuschentwicklung des Lenkungsantriebs vorteilhaft und einfacher reduziert, was sich vorteilhaft auf den Benutzerkomfort des Kraftfahrzeugs überträgt.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Servolenkung mit einem elektromotorischen Lenkungsantrieb,
- 2 in Schnittdarstellung ein Lagerschild des Lenkungsantriebs,
- 3 in perspektivischer Darstellung einen Axialanschlag des Lagerschilds, und
- 4 in Schnittdarstellung ausschnittsweise den Axialanschlag,
- 5 in Draufsicht ausschnittsweise das Lagerschild, und
- 6 in perspektivischer Darstellung ausschnittsweise das Lagerschild.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Art und Weise ein Kraftfahrzeug 2 mit einem Lenkrad 4 und mit einem damit gekoppelten Lenkgetriebe 6 zur Bewegung nicht näher dargestellter Räder des Kraftfahrzeugs 2. Zur Reduzierung der benötigten Lenkkraft ist zwischen dem Lenkrad 4 und dem Lenkgetriebe 6 eine Servolenkung 8 vorgesehen.
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Die Servolenkung 8 ist hierbei einerseits mit einer mit dem Lenkrad 4 gekoppelten Lenksäule 10 und andererseits mit einem Lenkgetriebe 6 mechanisch gekoppelt.
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Die Servolenkung 8 weist zwei Drehsensoren 12, 14 und einen zwischen den Drehsensoren 12 und 14 angeordneten Torsionsstab 16 auf. Die Drehsensoren 12, 14 sind signaltechnisch mit einem Controller 18 gekoppelt. Der Controller 18 ist weiterhin signaltechnisch an einen elektromotorischen Lenkungsantrieb 20 geführt, welcher antriebstechnisch mit dem Lenkgetriebe 6 gekoppelt ist.
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Dreht ein Fahrzeugnutzer das Lenkrad 4 mittels einer Lenkkraft wird die Lenksäule 10 entsprechend gedreht oder rotiert. Dadurch wird der Torsionsstab 16 ausgelenkt, was mittels der Drehsensoren 12 und 14 erfasst wird. Die Drehsensoren 12 und 14 senden entsprechende Messsignale S1, S2 an den Controller 18, welcher in Abhängigkeit der Messsignale S1, S2 den Lenkungsantrieb 20 ansteuert und/oder regelt. Der Lenkungsantrieb 20 erzeugt im Betrieb unterstützend zur Lenkkraft eine gleichgerichtete Hilfskraft zur Bewegung des Lenkgetriebes 6.
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Die 2 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung ausschnittsweise ein Lagerschild 22 des Lenkungsantriebs 20. Der Lenkungsantrieb 20 beziehungsweise dessen Elektromotor weist eine Welle 24 auf, auf welcher ein Rotor wellenfest befestigt ist. Die Welle 24 wird auf einer A-Seite des Elektromotors, welche die Antriebsseite des Lenkungsantriebs 20 darstellt, mittels eines Festlagers 26 gelagert. Das Lagerschild 22 weist hierfür eine Lagerbuchse oder Lagersitz 28 auf, in welcher das Festlager 26 fest angeordnet ist.
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Das Festlager 26 ist insbesondere als ein Kugellager ausgeführt. Hierbei ist die Welle 24 in einem Innenring 30 des Festlagers 26 axial fest, also nicht verschiebbar angeordnet. Ein Außenring 32 des Festlagers 26 sitzt radial formschlüssig in dem Lagersitz 28 ein.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ A wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zur Welle 24 des Elektromotors verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ R insbesondere eine senkrecht (quer) zur Welle 24 des Elektromotors orientierte Richtung entlang eines Radius des Elektromotors beziehungsweise des Lagerschilds 22 verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ T wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Lagerschilds 22 oder des Elektromotors (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung A und zur Radialrichtung R, verstanden.
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Das Festlager 26 ist axial formschlüssig in dem Lagersitz 28 gehalten. Hierfür ist eine Bauteilverbindung 34 zwischen dem Festlager 26 als ersten Bauteil und dem Lagerschild 22 als zweiten Bauteil vorgesehen. Die Bauteilverbindung 34 ist nachfolgend anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Der Lagersitz 28 bildet eine insbesondere radial formschlüssige Aufnahme des Lagerschilds 22 für das Festlager 26. Der Lagersitz 28 weist einen kreisförmigen Öffnungsrand 36 auf, welcher im Zuge der Herstellung der Bauteilverbindung 34 zumindest abschnittsweise verformt wird. Hierzu ist radial beabstandet zu dem Öffnungsrand 36 mindestens eine Vertiefung 38 derart in das den Öffnungsrand 36 umgebende Material des Lagerschilds 22 mittels Verstemmen eingebracht, dass das radial zwischen dem Öffnungsrand 36 und der Vertiefung 38 befindliche Material des Lagerschilds 22 aufgrund der Vertiefung 38 derart umgeformt wird, dass das umgeformte Material als laschenartiger Axialanschlag 40 radial in den Öffnungsrand 36 hineinragt und das Festlager 26, insbesondere dessen Außenring 32, axial formschlüssig übergreift. Das Festlager 26 ist somit zwischen einem Boden 42 des Lagersitzes 22 und dem mindestens einen Axialanschlag 40 axial formschlüssig in dem Lagersitz 22 gehalten.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei, beispielsweise mindestens 4, insbesondere mindestens 6, verteilt angeordnete Axialanschläge 40 und Vertiefungen 38 gleichmäßig in Tangentialrichtung T verteilt angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind - wie insbesondere in den 5 und 6 ersichtlich - sechs gleichmäßig verteilte Axialanschläge 40 und Vertiefungen 38 um den Öffnungsrand 36 verteilt angeordnet. In der 6 sind die Vertiefungen 38 und der Axialanschlag 40 lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Die Vertiefung 38 weist - wie beispielsweise in der 3 und 4 erkenntlich - ausgehend vom Öffnungsrand 36 in Radialrichtung R eine zunehmende Tiefe auf.
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Hierbei weist ein Verstemm-Stempel zum Einbringen der Vertiefung 38 eine schräge, bogenförmige oder monoton gekrümmte Stempelfläche auf, welche in das Material des Lagerschilds 22 eingepresst wird, und dabei das Material in Querrichtung zur Stempelfläche in über den Öffnungsrand 36 hinaus nach innen verdrängt.
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In einer bevorzugten Dimensionierung weist der Axialanschlag 40 eine radial Länge, also einen radialen Überstand über den Öffnungsrand 36 in die Öffnung hinein, von 0,5 mm (Millimeter) und eine axiale Höhe oder Dicke von 1,0 mm auf, wobei die Vertiefung 28 einen radialen Durchmesser von 5 mm aufweist.
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In einer bevorzugten Anwendung wird die vorstehend beschriebene Bauteilverbindung zur Fixierung eines Festlagers (erstes Bauteil) in einem Lagersitz (Aufnahme) eines Lagerschilds (zweites Bauteil) verwendet. Die erfindungsgemäße Bauteilverbindung kann jedoch auch in ähnlicher Ausführung bei anderen Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Tür- und Heckklappensystemen, bei Fensterhebern, bei Fahrzeugschlössern, bei verstellbaren Sitz- und Innenraumsystemen sowie bei elektrischen Antrieben/Steuerungen/Sensoren und deren Anordnung im Fahrzeug verwendet werden.
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Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere sind die vorstehenden Ausführungen für die Anwendung bei einem Lagerschild 22 sinngemäß auch auf andere Anwendungen übertragbar. So kann die erfindungsgemäße Bauteilverbindung 34 bzw. das Befestigungs- oder Verstemmungskonzept auch in ähnlicher Ausführung bei anderen Kraftfahrzeug-Anwendungen, wie zum Beispiel bei Tür- und Heckklappensystemen, bei Fensterhebern, bei Fahrzeugschlössern, bei verstellbaren Sitz- und Innenraumsystemen sowie bei elektrischen Antrieben/Steuerungen/Sensoren und deren Anordnung im Fahrzeug verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Lenkrad
- 6
- Lenkgetriebe
- 8
- Servolenkung
- 10
- Lenksäule
- 12, 14
- Drehsensor
- 16
- Torsionsstab
- 18
- Controller
- 20
- Lenkungsantrieb
- 22
- Lagerschild, zweites Bauteil
- 24
- Welle
- 26
- Festlager, erstes Bauteil
- 28
- Lagersitz, Aufnahme
- 30
- Innenring
- 32
- Außenring
- 34
- Bauteilverbindung
- 36
- Öffnungsrand
- 38
- Vertiefung
- 40
- Axialanschlag
- 42
- Boden
- S1, S2
- Messsignal
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- T
- Tangentialrichtung
