Befestigungselement, insbesondere Drehmomentstütze, und Ma schine

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement, insbesondere eine Drehmomentstütze, zur Befestigung eines Drehgebers mit einer Geberwelle an einem Gehäuse aufweisend einen Ring, mit tels welchem die Geberwelle umschließbar ist, zumindest zwei erste Ausnehmungen, mittels welchen das Befestigungselement am Drehgeber bzw. am Gehäuse befestigbar ist, zumindest zwei zweite Ausnehmungen, mittels welchen das Befestigungselement am Gehäuse bzw. am Drehgeber befestigbar ist, und zumindest zwei Stege, welche sich von einem jeweiligen Verbindungsbe reich des Ringes jeweils nach radial außen oder innen erstre cken und welche jeweils eine der zweiten Ausnehmungen aufwei sen, wobei der jeweilige Verbindungsbereich in positiver Um fangsrichtung näher an einer von zwei benachbarten ersten Ausnehmungen angeordnet ist, wobei sich der jeweilige Steg in negativer Umfangsrichtung in Richtung der anderen der zwei benachbarten ersten Ausnehmungen erstreckt, wobei die jewei lige zweite Ausnehmung im Bereich des Endes des jeweiligen Steges in negativer Umfangsrichtung angeordnet ist, wobei das Befestigungselement weiterhin zumindest zwei weitere Stege aufweist, welche sich von einem jeweiligen weiteren Verbin dungsbereich des Ringes jeweils nach radial außen oder innen erstrecken und welche jeweils eine der ersten Ausnehmungen aufweisen.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine, aufweisend ein Gehäuse, einen Drehgeber, ein derartiges Befestigungselement, mittels wel chem der Drehgeber an dem Gehäuse befestigt ist, und eine Ma schinenwelle, welche drehfest mit der Geberwelle verbunden ist.

Ein derartiges Befestigungselement kommt beispielsweise bei Elektromotoren zum Einsatz, die mit einem Drehgeber ausgerüs- tet sind. Wird ein Hohlwellengeber bei Elektromotoren zur Er fassung der Drehzahl oder der Winkellage des Rotors einge setzt, so muss das Gehäuse des Drehgebers gegenüber dem Ge häuse des Motors durch eine steife Verbindung abgestützt und am Mitdrehen gehindert werden. Ein Drehgeber (bzw. Drehwin kelgeber oder Rotary Encoder) ist dabei ein Sensor für Dreh winkel, der meist digitale Ausgangssignale liefert, die am anderen Ende der Sensorleitung im Auswertegerät decodiert werden müssen. Deshalb wird er auch als Encoder (englisch: rotary encoder) bezeichnet. „Drehgeber" kann auch als Oberbe griff für alle Winkellagegeber verwendet werden.

Rundlauffehler bei der Befestigung des Gebers, Toleranzen bei der Fertigung, Wärmedehnung der Welle, sowie Schwingungen, die durch den Motor verursacht werden, führen allerdings im mer wieder zu Dauerbrüchen in den vorhandenen Befestigungs techniken, was Folgeschäden verursachen kann, da die Mo torüberwachung nicht mehr gewährleistet ist.

Aus der EP 2216 630 Al ist eine Drehmomentstütze zum dreh steifen Verbinden eines Drehgebers mit einer Anschlussfläche bekannt.

Aus der EP 2693 170 Al ist eine Statorkupplung zur drehstei fen Verbindung zweier Bauteile bekannt, die radiale und axia le Relativbewegungen innerhalb von Toleranzgrenzen zulässt, mit einer ebenen Basisfläche, mit an der Basisfläche anset zenden ersten Laschen, die ein Paar in einer ersten Achse (X- Achse) diametral zueinander angeordneter erster Montagepunkte zur Befestigung an dem einen Bauteil aufweisen, und mit an der Basisfläche ansetzenden und aus der Ebene der Basisfläche (10) gebogenen zweiten Laschen, die ein Paar in einer zweiten Achse (Y-Achse) diametral zueinander angeordneter zweiter Montagepunkte zur Befestigung an dem anderen Bauteil aufwei sen, wobei die erste Achse (X-Achse) und die zweite Achse (Y- Achse) in der Ebene der Basisfläche etwa senkrecht zueinander verlaufen und wobei die Basisfläche jeweils zwischen den Mon tagepunkten geradlinige Kanten aufweist. Aus der US 3987 645 A ist eine flexible Wellenkupplung be kannt, die aus einem elastisch verformbaren Kupplungselement besteht, das auf der einen Seite mit einer Antriebswelle und auf der anderen Seite mit einer angetriebenen Welle verbunden sein kann.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Befestigungselement und eine Maschine bereitzustellen, welche insbesondere die genannten Nachteile überwinden.

Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Befestigungs element der eingangs genannten Art dadurch, dass sich der je weilige weitere Steg in axialer Richtung erstreckt und die jeweilige erste Ausnehmung im Bereich des axialen Endes des jeweiligen weiteren Steges angeordnet ist.

Weiterhin ergibt sich eine Lösung der Aufgabe durch eine Ma schine der eingangs genannten Art dadurch, dass die Maschine das vorgeschlagene Befestigungselement aufweist.

Die ersten Ausnehmungen und/oder die zweiten Ausnehmungen er lauben insbesondere, das Befestigungselement an dem Drehgeber bzw. an dem Gehäuse mittels Gewindestiften, Schrauben oder Bolzen zu befestigen. Dabei können die ersten Ausnehmungen und/oder die zweiten Ausnehmungen bspw. als Bohrungen ausge führt werden. Vorzugsweise ist der Ring in axialer Richtung flach ausgebildet, insb. im Verhältnis zu seiner Erstreckung in radialer Richtung. Dabei kann der Ring bzw. das komplette Befestigungselement aus einem Blech ausgestanzt und ggf. an schließend geformt werden.

Der Ring weist dabei Verbindungsbereiche auf, an welchen die jeweiligen Stege angeordnet sind. Bspw. sind dabei der Ring und die jeweiligen Stege einstückig ausgebildet. Der jeweili ge Verbindungsbereich ist dabei nicht in der Mitte zwischen zwei benachbarten ersten Ausnehmungen angeordnet, sondern zu einer der beiden benachbarten ersten Ausnehmungen in positi ver Umfangsrichtung hin verschoben. Der jeweilige Steg er- streckt sich dann in negativer Umfangsrichtung zu der anderen der beiden benachbarten ersten Ausnehmungen, d. h. zur weiter entfernten ersten Ausnehmung der beiden benachbarten ersten Ausnehmungen. Bei einer Ausgestaltung des Befestigungselemen tes mit zwei ersten Ausnehmungen und zwei sich nach radial außen erstreckenden Stegen kann der Ring zusammen mit den beiden Stegen dabei insbesondere die Form eines Paragraphsym bols „§" annehmen. Andere Ausgestaltungen des Befestigungs elementes mit drei ersten Ausnehmungen und drei Stegen bzw. vier ersten Ausnehmungen und vier Stegen, usw., sind eben falls umsetzbar.

Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung des Befestigungsele mentes, insbesondere die in Umfangsrichtung verlängerte Ver bindung zwischen dem Drehgeber und dem Gehäuse, werden insbe sondere folgende Vorteile erzielt. So kann bspw. die Steifig keit des Befestigungselementes in Umfangsrichtung erhöht wer den, d.h. es wird eine größere Torsionssteifigkeit erreicht, was Messfehler bei Winkelmesssystemen verringert bzw. verhin dert. Taumelbewegungen des Gebers, d. h. eine umlaufende Ver kippung der Geberwelle, verursacht durch fehlerhaftes Aus richten des Gebers bzw. der Geberwelle, können absorbiert werden, ohne dass dabei nennenswerte mechanische Spannungen in dem Befestigungselement verursacht werden. Dadurch kann die Lebensdauer des Befestigungselementes teils erheblich verlängert werden. Hinzu kommt, dass axiale Verschiebungen ausgeglichen werden können, welche durch Wärmeausdehnung und Fertigungstoleranzen verursacht werden. Dies wird insbesonde re durch die in Umfangsrichtung verlängerte Verbindung zwi schen dem Drehgeber und dem Gehäuse erreicht, die in Umfangs richtung eine vergleichsweise hohe Steifigkeit aufweist, je doch in axialer Richtung beweglich genug bleibt, um derartige axiale Verschiebungen auszugleichen.

Besonders vorteilhaft ist an dem vorgeschlagenen Befesti gungselement die erwähnte Verringerung der mechanischen Span nung, die im Folgenden genauer erläutert wird. Dazu wird die mechanische Spannung für das vorgeschlagene Befestigungsele- ment und für zwei andere Befestigungselemente, die in den Fi guren 1 und 2 dargestellt sind und weiter unten kurz erläu tert werden, in entsprechenden Simulationen berechnet, wobei die jeweiligen Befestigungselemente verschiedenen Lasten aus gesetzt werden. Die Lasten entsprechen dabei einer axialen Verschiebung, wobei bei den Simulationen ein Wert von 2 mm angenommen wird. Dies spiegelt eine Wärmedehnung einer Welle, bspw. einer Rotorwelle einer als Elektromotor ausgestalteten Maschine wider. Weiterhin berücksichtigen die Lasten eine um laufende Verkippung bzw. Verdrehung, welche in Richtung der Hochachse und der Querachse variiert wird. Dies spiegelt eine fehlerhafte Ausrichtung der Geberwelle wider. Bei dem Befes tigungselement gemäß der Figur 2 werden dabei zwei mögliche Ausrichtung innerhalb der Langlöcher berücksichtigt.

Die Ergebnisse der Simulationen sind in der Tabelle unten zu sammengestellt, wobei die Ergebnisse für die verschiedenen Befestigungselemente wie folgt benannt sind:

„A": das Befestigungselement gemäß Figur 1,

„Bl" bzw. „B2": das Befestigungselement gemäß Figur 2 mit ei ner ersten bzw. zweiten Ausrichtung innerhalb der Langlöcher „C": ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Befesti gungselements gemäß den Figuren 3 und 4. Durch das vorgeschlagene Befestigungselement können die übli cherweise während des Betriebs auftretenden mechanischen Spannungen im Vergleich zu den beiden Befestigungselementen gemäß den Figuren 1 und 2 somit beträchtlich verringert wer den: bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3 und 4 sogar um beachtliche 78% bzw. 83%. Aber auch andere Ausge staltungen des vorgeschlagenen Befestigungselementes bewirken eine deutliche Verringerung der während des Betriebs auftre tenden mechanischen Spannungen. Dies geht unter anderem ein her mit einer deutlich verlängerten Lebensdauer des vorge schlagenen Befestigungselementes.

Die jeweilige zweite Ausnehmung ist im Bereich des Endes des jeweiligen Steges in negativer Umfangsrichtung angeordnet. Dadurch kann die Länge des jeweiligen Steges in Umfangsrich tung besonders gut ausgenutzt werden gleichzeitig Material eingespart werden. Weiterhin weist das vorgeschlagene Befes tigungselement dadurch eine besonders große Torsionssteifig keit auf.

Das Befestigungselement weist zumindest zwei weitere Stege auf, welche sich von einem jeweiligen weiteren Verbindungsbe reich des Ringes jeweils nach radial außen oder innen erstre cken und welche jeweils eine der ersten Ausnehmungen aufwei sen.

Der jeweilige weitere Steg erstreckt sich dabei in axialer Richtung, insbesondere zum Drehgeber bzw. zum Gehäuse bzw. in jener axialen Richtung, in welcher der Drehgeber bzw. das Ge häuse relativ zum Befestigungselement positioniert werden kann, um das Befestigungselement über die jeweilige erste Ausnehmung am Drehgeber bzw. am Gehäuse zu befestigen, wobei die jeweilige erste Ausnehmung im Bereich des axialen Endes des jeweiligen weiteren Steges angeordnet ist.

Beispielsweise weist das Befestigungselement zwei erste Aus nehmungen, zwei zweite Ausnehmungen und zwei Stege auf, die sich jeweils paarweise diametral gegenüberliegen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der jeweilige Steg in negativer Umfangsrichtung außerhalb des je weiligen Verbindungsbereichs im Wesentlichen ringsegmentför mig ausgestaltet. Je nach seiner Erstreckung in Umfangsrich tung, bspw. eine Viertel Umdrehung bzw. 90°, weist der jewei lige Steg somit die Gestalt eines entsprechenden Teils eines vollständigen Ringes auf, bspw. ein Viertel eines vollständi gen Ringes. Auch dadurch kann die Torsionssteifigkeit des vorgeschlagenen Befestigungselementes erhöht werden und somit eine besonders langlebige Ausgestaltung des vorgeschlagenen Befestigungselementes erzielt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der jeweilige Steg in negativer Umfangsrich tung bis zu der anderen der zwei benachbarten ersten Ausneh mungen oder über die andere der zwei benachbarten ersten Aus nehmungen hinaus. Diese beiden Ausgestaltungen ermöglichen eine besonders große Torsionssteifigkeit des vorgeschlagenen Befestigungselementes .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Befestigungselement zwei erste Ausnehmungen, zwei zweite Ausnehmungen und zwei Stege auf, die sich jeweils paarweise diametral gegenüberliegen, wobei der jeweilige Ver bindungsbereich in positiver Umfangsrichtung um 30° bis 50°, vorzugsweise 40°, gegenüber der Mitte zwischen zwei benach barten ersten Ausnehmungen versetzt angeordnet ist, und wobei sich der jeweilige Steg ausgehend von dem jeweiligen Verbin dungsbereich in negativer Umfangsrichtung auf einer Länge von 100° bis 120°, vorzugsweise 107,5° in Richtung der anderen der zwei benachbarten ersten Ausnehmungen erstreckt.

Diese Ausgestaltung des Befestigungselementes ermöglicht des sen Fertigung aus einem Stück, bspw. einem Blech, insbesonde re, wenn weitere Stege für die ersten Ausnehmungen vorgesehen sind und sich diese weiteren Stege in dieselbe radiale Rich tung wie die Stege für die zweiten Ausnehmungen erstrecken. Das Befestigungselement kann zum Beispiel durch Stanzen oder Lasern aus einem Stück hergestellt werden. Dank der erläuter ten des jeweiligen Steges können dabei die erläuterte hohe Torsionssteifigkeit sowie die Toleranz gegenüber axialen Ver schiebungen erreicht werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest der jeweilige Steg, insb. das ganze Befesti gungselement aus Stahl, insb. Federstahl. Dies erlaubt eine robuste Ausführung des Befestigungselementes und dies wiede rum eine hohe Kundenakzeptanz.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Maschine einen Elektromotor oder einen Elektroge nerator. Zusätzlich kann die Maschine bspw. ein Getriebe und/oder andere Teile einer größeren Anlage umfassen.

Oftmals werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn sich die Stege und ggf. die weiteren Stege vom Ring nach radial außen erstrecken.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 eine erste Drehmomentstütze, FIG 2 eine zweite Drehmomentstütze, FIGs 3&4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Be festigungselementes, und

FIG 5 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Maschine.

Figur 1 zeigt eine erste Drehmomentstütze. Die Drehmoment stütze weist einen Ring 2 auf, durch welchen eine Geberwelle hindurchgeführt werden kann. Weiterhin weist die Drehmoment stütze zwei Stege 5 mit jeweils einer zweiten Ausnehmung 4 sowie zwei weitere Stege 7 mit jeweils zwei ersten Ausnehmun gen 3 auf. Dabei sind die Paare von Stegen und weiteren Ste gen in Umfangsrichtung um 90° zueinander versetzt angeordnet. Mithilfe der ersten Ausnehmungen 3 kann die Drehmomentstütze

1 an einem Drehgeber befestigt werden und mithilfe der zwei ten Ausnehmungen 4 an einem Gehäuse einer Maschine.

Figur 2 zeigt eine zweite Drehmomentstütze mit einer gegen über der in Figur 1 dargestellten ersten Drehmomentstütze mo difizierten Geometrie. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 gleiche Gegenstände.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines er findungsgemäßen Befestigungselementes 1. Das als Drehmoment stütze ausgeführte Befestigungselement 1 weist einen Ring 2 auf, mittels welchem eine Geberwelle umschließbar ist. Wei terhin weist das Befestigungselement 1 zwei Stege 5 auf, wel che sich von einem jeweiligen Verbindungsbereich 6 des Ringes

2 jeweils nach radial außen (vgl. Pfeil 32) erstrecken und welche an ihrem jeweiligen Ende in Umfangsrichtung jeweils zwei Ausnehmungen 4 aufweisen. Mittels der beiden zweiten Ausnehmungen 4 ist das Befestigungselement 1 an einem Gehäuse bzw. an einem Drehgeber befestigbar. Das Befestigungselement weist weiterhin zwei weitere Stege 7 auf, welche sich von ei nem jeweiligen weiteren Verbindungsbereich 8 des Ringes 2 je weils zunächst nach radial außen und anschließend sich in axiale Richtung (vgl. Symbol ®, 33) erstrecken und welche jeweils eine erste Ausnehmung 3 aufweisen. Mittels der beiden ersten Ausnehmungen 3 ist das Befestigungselement 1 an einem Drehgeber bzw. an einem Gehäuse befestigbar.

Wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, ist der jeweilige Verbindungsbereich 6 in positiver Umfangsrichtung 30 näher an einer der beiden ersten Ausnehmungen 3 angeordnet, wobei sich der jeweilige Steg 6 in negativer Umfangsrichtung 31 in Rich tung der anderen ersten Ausnehmung 3 erstreckt.

Die jeweilige zweite Ausnehmung 4 ist dabei im Bereich des Endes des jeweiligen Steges 5 in negativer Umfangsrichtung 31 angeordnet. Weiterhin ist der jeweilige Steg 5 in negativer Umfangsrichtung 31 außerhalb des jeweiligen Verbindungsberei- ches im Wesentlichen ringsegmentförmig ausgestaltet. Der je weilige Verbindungsbereich 6 ist dabei in positiver Umfangs richtung 30 um 40° gegenüber der Mitte zwischen zwei ersten Ausnehmungen 3 versetzt angeordnet. Dabei erstreckt sich der jeweilige Steg 5 ausgehend von dem jeweiligen Verbindungsbe reich 6 in negativer Umfangsrichtung 31 auf einer Länge von 107,5° in Richtung der anderen ersten Ausnehmung.

Vorzugsweise ist das Befestigungselement 1 dabei aus Stahl, insbesondere Federstahl gefertigt.

Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels ei ner erfindungsgemäßen Maschine 23. Die Maschine 23 weist ein Gehäuse 22 auf, welches mehrstückig ausgebildet sein kann und dabei auch einen Deckel umfassen kann, wie in Figur 5 ange deutet. Weiterhin weist die Maschine 23 einen Drehgeber 21 und ein Befestigungselement auf, mittels welchem der Drehge ber an dem Gehäuse befestigt ist. In Figur 5 sind von dem Be festigungselement die zwei Stege 5, die zwei zweiten Ausneh- mungen 4 sowie die zwei ersten Ausnehmungen 3 erkennbar, wo hingegen andere Teile des Befestigungselementes von dem Dreh geber 21 verdeckt sind. Die Maschine weist weiterhin eine Ma schinenwelle 24 auf, welche mit einer in Figur 5 nicht darge stellten Geberwelle drehfest verbunden ist.