DE3643665A1 - Verfahren und herstellung einer mehrpoligen kupplungsscheibe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Kupplungsscheibe für eine elektro­ magnetische Betätigungsvorrichtung, insbesondere eine Kupplung oder Bremse, bei dem in einer Scheibe aus magnetisierbarem Material eine Schlitzanordnung herge­ stellt wird.

Die erfindungsgemäß hergestellte Kupplungsscheibe kann dabei Teil von Felderzeugungseinrichtungen sein, welche ein konstantes oder ein rotierendes Feld erzeugen oder als drehbarer oder nicht drehbarer Anker dienen.

Eine für den Stand der Technik typische elektromagneti­ sche Kupplung ist in der US-PS 41 87 939 beschrieben und besitzt eine drehbare Ankerscheibe aus magnetisier­ barem Material, wie z.B. Stahl, wobei dieser Anker mit einer drehbaren Kupplungsscheibe bzw. einem Rotor zu­ sammenwirkt, der ebenfalls aus magnetisierbarem Mate­ rial besteht und dem Felderzeugungseinrichtungen zuge­ ordnet sind. Wenn die Erregerwicklung der Felderzeu­ gungseinrichtungen mit einem Strom gespeist wird, ergibt sich ein magnetischer Fluß, der über einen Luft­ spalt hinweg durch den Anker und den Rotor hindurchgeht, wobei der Anker von dem Rotor angezogen wird, um diese beiden Elemente zu einer gemeinsamen Drehbewegung zu kuppeln.

Bei der bekannten Kupplung ist im Anker ein Ring von in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten, bogenförmigen Schlitzen vorgesehen, während im Rotor zwei derartige Ringe von bogenförmigen, durch Stege getrennten Schlitzen vorgesehen sind, die zu beiden Seiten der Schlitzanordnung in der Ankerscheibe liegen. Die bogenförmigen Schlitze bilden dabei Luftspalte mit hohem magnetischem Widerstand, so daß Rotor und Anker vier Magnetpole bilden, welche das von der Kupplung übertragbare Drehmoment erhöhen. Durch Ausbildung wei­ terer Ringe von Schlitzen in Rotor und Anker lässt sich eine sechspolige Kupplung erhalten, mit der ein noch höheres Drehmoment übertragen werden kann.

Die bogenförmigen Schlitze werden in Rotor und Anker gestanzt. Die derzeit verfügbaren Stanzwerkzeuge ver­ langen, daß die Breite der Schlitze mindestens ebenso groß ist wie die Dicke der betreffenden Scheibe. Folg­ lich ergeben sich bei relativ dicken Scheiben mit re­ lativ kleinem Durchmesser Schwierigkeiten beim Stanzen mehrerer Ringe von Schlitzen. Außerdem sind die einzel­ nen bogenförmigen Schlitze durch Brücken bzw. Stege aus magnetisierbarem Material getrennt, welche Bereiche geringen magnetischen Widerstandes darstellen und zu radialen magnetischen Leckflüssen zwischen den Polen führen.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Schlitzen im Rotor und im Anker zur Bildung von Luftspalten mit hohem magnetischen Widerstand besteht darin, in die Scheiben maschinell Kanäle einzuarbeiten und diese dann mit unmagnetischem Material zu füllen, um so zwischen den Polen Sperrbereiche hohen magnetischen Widerstandes zu schaffen. Anschließend werden die Scheiben dann ma­ schinell bearbeitet, um den Boden der gefüllten Kanäle zu entfernen und damit Leckpfade für den magnetischen Fluß zu verhindern, wie sie sich sonst über die Boden­ bereiche der Kanäle ergeben würden. Dieses Herstellungs­ verfahren ist relativ teuer und wird dann noch teurer, wenn in jeder Scheibe zwei oder mehr Ringe hohen magne­ tischen Widerstandes erzeugt werden sollen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren anzugeben, welches die Möglichkeit bietet, magnetische Sperrbe­ reiche von vergleichsweise geringer Breite in magneti­ schen Kupplungsscheiben relativ schnell und billig her­ zustellen und dabei in Umfangsrichtung versetzte Stege mit geringem magnetischen Widerstand in den Sperrbe­ reichen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs angegebenen Verfah­ ren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Laser­ strahl gegen eine der Hauptflächen der Scheibe gerich­ tet wird, daß eine Relativbewegung zwischen der Scheibe und dem Laserstrahl herbeigeführt wird, um die Scheibe zu erhitzen und in dieser die Schlitzanordnung zu er­ zeugen, und daß zumindest ausgewählte Bereiche der Schlitzanordnung mit einem mit den Schlitzflanken ver­ schweißbaren unmagnetischen Material gefüllt werden.

Die Verwendung eines Laserstrahls zum Herstellen der Schlitzanordnungen bietet den wichtigen Vorteil, daß vergleichsweise enge Schlitze hergestellt werden kön­ nen, so daß beispielsweise in dicken Scheiben kleinen Durchmessers mehrere konzentrische Schlitze bzw. Schlitz­ anordnungen erzeugt werden können.

Dabei hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn mit Hilfe des Laserstrahls gleichzeitig ein unmagnetisches Füllmaterial aufge­ schmolzen wird, welches dann in den frisch geschnitte­ nen Schlitz hineinfließt und mit den Schlitzflanken ver­ schweißt.

Dabei ergibt sich in weiterer vorteilhafter Ausgestal­ tung der Erfindung die Möglichkeit, die Schlitze, ins­ besondere ringförmig geschlossene Schlitze, vollstän­ dig mit unmagnetischem Material zu füllen oder nur in gewissen Abständen Stege aus unmagnetischem Material vorzusehen, d.h. aus nicht magnetisierbarem Material.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von weiteren Unteransprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens in Verbindung mit der Herstel­ lung einer Kupplungsscheibe;

Fig. 2 eine perspektivische Detaildarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kupplungsscheibe mit voll­ ständig gefüllten Schlitzen;

Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt durch die Kupplungsscheibe gemäß Fig. 3 längs der Linie 4-4 in dieser Figur, und

Fig. 5 eine Teil-Draufsicht auf eine abgewan­ delte Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kupplungsscheibe.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine perspektivische Dar­ stellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens, bei dessen Anwendung bei der Herstellung einer Kupplungsscheibe für eine elektromagnetische Betäti­ gungsvorrichtung, wie z.B. eine elektromagnetische Bremse oder Kupplung. Während es sich bei der Kupplungs­ scheibe 10 auch um einen Anker handeln kann, ist die Kupplungsscheibe 10 in Fig. 1 als Teil eines Kupplungs­ rotors 11 dargestellt, welcher beispielsweise die in der eingangs erwähnten US-PS 41 87 939 beschriebene Bauart besitzen kann. Beim betrachteten Ausführungs­ beispiel ist der Rotor kreisrund und besitzt einen äußeren Mantel 12 und eine innere Nabe 13, wobei die Bauteile 12 und 13 vorzugsweise einstückig an einer Hauptfläche 14 der Scheibe 10 angeformt sind. Die ge­ genüberliegende Hauptfläche 15 der Scheibe bildet die Arbeitsfläche des Rotors 11 und ist reibschlüssig an einem Anker (nicht gezeigt) der Kupplung anlegbar. Der Rotor 11 besteht in konventioneller Weise aus ei­ nem weichmagnetischen Material, beispielsweise aus einem Stahl des Typs 1010 gemäß den AISI-Normen.

Der dargestellte Rotor 11 ist Bestandteil einer vier­ poligen Kupplung, und die Kupplungsscheibe 10 besitzt daher eine innere und eine dazu konzentrische äußere Sperrzone - die Sperrzonen werden nachstehend der Ein­ fachheit halber als Ringe 20 bezeichnet - aus unmagne­ tischem Material. Einer der magnetischen Pole ist beim betrachteten Rotor 11 durch den Scheibenbereich defi­ niert, der sich im Inneren des inneren Ringes 20 be­ findet. Zwei weitere Pole sind durch den Bereich zwi­ schen den Ringen 20 definiert, und der vierte Pol ist durch den Bereich definiert, der radial außerhalb des äußeren Ringes 20 liegt. Durch Schaffung eines dritten unmagnetischen Ringes (nicht gezeigt) in der Kupplungs­ scheibe 10 lässt sich demgemäß ein Rotor 11 für eine sechspolige Kupplung erhalten.

Gemäß der Erfindung werden die unmagnetischen Ringe 20 hergestellt, indem man mit Hilfe eines Laserstrahls 23 ringförmige Schlitze 21 in die Scheibe 10 schneidet und jeden der Schlitze, zumindest teilweise, mit unmagne­ tischem Material 24 füllt. Dadurch, daß die Schlitze 21 mit dem Laserstrahl 23 geschnitten werden, kann die Breite jedes der Schlitze in radialer Richtung sehr klein gehalten werden, so daß in einer relativ dicken Scheibe 10 mit relativ kleinem Durchmesser mehrere, zueinander konzentrische Schlitze in wirtschaftlicher Weise hergestellt werden können. Darüberhinaus wird die im Laserstrahl enthaltene Wärmeenergie vorzugswei­ se dazu verwendet, das unmagnetische Material 24 zu schmelzen, so daß es in die Schlitze 21 fließt und diese, zumindest in den dafür vorgesehenen Bereichen, füllt.

In Fig. 1 und 3 der Zeichnung ist der innere Schlitz 21 der Scheibe 10 bereits fertiggestellt und gefüllt, während gleichzeitig das bevorzugte Verfahren zum Her­ stellen und Füllen des äußeren Schlitzes 21 gezeigt wird. Im einzelnen ist der Laserstrahl 23 mittels ei­ ner Fokussierspitze 26, die am unteren Ende eines Laser­ kopfes 27 angeordnet ist, nach unten gegen die obere Hauptfläche 14 der Scheibe 10 gerichtet. Die Scheibe 10 und der Laserkopf 27 können relativ zueinander zu einer Drehbewegung um einen Winkel von 360° bezüglich einer Achse angetrieben werden, die durch den Mittel­ punkt 30 der Scheibe 10 geht. Die relative Drehbewegung wird beim betrachteten Ausführungsbeispiel dadurch be­ wirkt, daß der Laserkopf 27 stationär in seiner Lage gehalten wird, während sich der Rotor 11 um seine Achse dreht. Dabei versteht es sich, daß auch der Rotor fest­ gehalten werden könnte, wobei dann der Laserkopf eine Kreisbahn um die Achse des Rotors ausführen würde.

Der Laserstrahl 23 hat einen sehr kleinen Durchmesser, der im vorliegenden Fall in der Größenordnung von etwa 0,38 bis 0,51 mm liegt. Wenn sich der Rotor 11 be­ züglich des eng gebündelten Laserstrahls 23 dreht, schneidet letzterer einen sehr schmalen Schlitz 21, welcher durch die volle Materialstärke der Scheibe 10 hindurchgeht. Bei einer Scheibendicke von etwa 6,4 mm hat der Schlitz an der oberen Hauptfläche 14 der Scheibe 10 eine Breite von etwa 3,8 mm und an der unteren Hauptfläche 15 eine Breite von etwa 1,0 mm. Bei der Herstellung des in Fig. 1 bis 4 gezeigten Rotors 11 wird der Laserstrahl 23 kontinuierlich gegen die Schei­ be 10 gerichtet, während sich der Rotor 11 um eine volle Drehung über einen Winkel von 360° dreht, so daß ein ununterbrochener kreisförmiger Schlitz 21 er­ zeugt wird, der rings um den Mittelpunkt der Scheibe 10 geht.

Bei dem bevorzugten Verfahren zum Füllen des Schlitzes 21 mit unmagnetischem Material 24 wird ein länglicher Stab bzw. ein Draht 33 aus unmagnetischem Material dicht bei dem Laserstrahl 23 und in einem fest vor­ gegebenen winkelmäßigen Abstand von demselben ange­ ordnet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel befin­ det sich das Drahtende in Drehrichtung hinter dem Laserstrahl 23. Während sich der Rotor 11 dreht, wird der Draht 33 in seiner Längsrichtung in Richtung auf den Laserstrahl 23 nachgeschoben. Die von dem Laser­ strahl erzeugte Hitze bewirkt, daß der Draht 33 schmilzt und daß die Schmelze in den frisch geschnittenen Schlitz 21 fließt, wo eine Schweißverbindung zwischen den Flanken des Schlitzes und der Drahtschmelze entsteht. Bei der Herstellung des Rotors 11 gemäß Fig. 1 bis 10 wird der Draht während der Drehung der Scheibe 10 kon­ tinuierlich nachgeschoben, so daß der ganze Schlitz 21 mit unmagnetischem Material gefüllt wird. Das be­ vorzugte unmagnetische Material ist ein rostfreier Stahl, welcher zu etwa 80% aus Nickel und zu 20% aus Chrom besteht; anstelle eines solchen rostfreien Stahls kann jedoch auch jedes andere brauchbare unmagne­ tische Material, wie z.B. Messing oder Aluminium, verwendet werden.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der Laserstrahl 23 gegen die rückwärtige Fläche 14 der Scheibe 10 gerichtet und nicht gegen deren Fläche 15, welche im Betrieb die Arbeits- bzw. Friktionsfläche der Scheibe 10 bildet. Auf der Seite, auf der der Laserstrahl 23 zuerst auf die Scheibe 10 trifft, kann nämlich die Breite des Schlitzes 21 nicht exakt gesteuert werden und kann somit längs des Schlitzes 21 etwas schwanken. Wenn der Laserstrahl 23 dann jedoch in das Material der Scheibe 10 eindringt, dann verjüngt sich der Schlitz zunächst und hat mit zunehmender Tiefe die Tendenz, eine konstante Breite anzunehmen, wie dies aus Fig. 4 deutlich wird. Folglich erhält man an der unteren Hauptfläche bzw. der Arbeitsfläche 15 einen Schlitz mit im wesentlichen gleichmäßiger Breite, wenn man den Laserstrahl 23 gegen die obere Hauptfläche 14 richtet. Beim Füllen des Schlitzes 21 kann das un­ magnetische Material 24 so zugeführt werden, daß es den Schlitz auf seiner vollen Tiefe füllt, wie dies speziell in Fig. 4 gezeigt ist. Der Schlitz kann aber auch nur teilweise gefüllt werden, so daß die Oberfläche des unmagnetischen Materials kurz hinter der Fläche 15 liegt.

Die in Fig. 1 bis 4 gezeigte Scheibe 10 besitzt eine relativ hohe mechanische Festigkeit, da die Schlitze 21 vollständig mit unmagnetischem Material gefüllt sind. Wenn ein geringes Gewicht wichtiger sein sollte als eine hohe Festigkeit, dann kann eine Kupplungs­ scheibe 10′ erfindungsgemäß so ausgebildet werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird der Laserstrahl 23 während der vollen Umdrehung um 360° kontinuierlich gegen die Scheibe 10 gerichtet; der unmagnetische Draht 33 wird jedoch nur intermittierend während kurzer Zeit­ intervalle in Richtung auf den Laserstrahl vorge­ schoben. Bei dieser Arbeitsweise wird eine Scheibe 10′ erhalten, welche relativ lange, bogenförmige, ungefüllte Schlitze 21′ aufweist, die über relativ kurze Brücken bzw. Stege 24′ aus unmagnetischem Ma­ terial miteinander verbunden sind. Die Stege 24′ fül­ len kurze Teilstücke des zunächst kontinuierlich hergestellten ringförmigen Schlitzes und entstehen, wenn der Draht 33 während kurzer Zeitintervalle nach­ geliefert wird. Die übrigen Teile des Schlitzes blei­ ben dabei ungefüllt bzw. offen. Die Scheibe 10′ gemäß Fig. 5 hat somit dasselbe geringe Gewicht wie eine Scheibe, die in konventioneller Weise mit bogenför­ migen Schlitzen versehen wird; die Stege 24′ bestehen jedoch aus unmagnetischem Material und nicht aus magne­ tisierbarem Material, um die Leckverluste des magne­ tischen Flusses zwischen den Polen zu verringern.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß gemäß der Erfindung ein neues und verbessertes Ver­ fahren angegeben wird, welches für elektromagnetische Kupplungen und Bremsen die Herstellung von Scheiben mit sehr engen Schlitzen ermöglicht, so daß auch bei vergleichsweise dicken Scheiben mit relativ kleinem Durchmesser eine Vielzahl enger Schlitze erzeugt und eine entsprechend große Zahl von Magnetpolen erhalten werden kann. Dabei ermöglicht das kombinierte Schnei­ den und Füllen mit Hilfe eines Laserstrahls das schnel­ le und exakte Herstellen der Schlitze, wobei gleich­ zeitig die maschinelle Bearbeitung gegenüber den bis­ her gebräuchlichen Fertigungsverfahren für Kupplungs­ scheiben hinsichtlich der Zahl der Schritte verringert und hinsichtlich der Kompliziertheit derselben verein­ facht wird. Dabei ist zu beachten, daß das erfindungs­ gemäße Verfahren eine Vielzahl von Varianten hinsicht­ lich der Form und Lage der Schlitze und der mehr oder weniger vollständigen Füllung derselben ermöglicht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer mehrpoligen Kupplungs­ scheibe für eine elektromagnetische Betätigungsvor­ richtung, insbesondere eine Kupplung oder Bremse, bei dem in einer Scheibe aus magnetisierbarem Ma­ terial eine Schlitzanordnung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl (23) gegen eine der Hauptflä­ chen (14) der Scheibe (10, 10′) gerichtet wird, daß eine Relativbewegung zwischen der Scheibe (110) und dem Laserstrahl (23) herbeigeführt wird, um die Scheibe (10, 10′) zu erhitzen und in dieser die Schlitzanordnung (21, 21′) zu erzeugen, und daß zu­ mindest ausgewählte Bereiche (24, 24′) der Schlitz­ anordnung (21, 21′) mit einem mit den Schlitzflanken verschweißbaren unmagnetischen Material gefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Element (33) aus dem unmagneti­ schen Material in der Nähe des Laserstrahls (23) angeordnet und während der Relativbewegung in Rich­ tung auf den Laserstrahl (23) und die Schlitzan­ ordnung (21, 21′) vorgeschoben wird, um von dem Laserstrahl (23) aufgeschmolzen zu werden und ein Füllen ausgewählter Bereiche (24, 24′) der Schlitz­ anordnung (21, 21′) mit dem unmagnetischen Material zu bewirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (23) und die Scheibe (10, 10′) zu einer relativen Drehbewegung über einen Winkel von im wesentlichen 380° um eine durch den Mittel­ punkt der Scheibe (10, 10′) gehende Drehachse ange­ trieben werden und daß der Laserstrahl (23) im we­ sentlichen während der gesamten Dauer der Relativ­ drehung kontinuierlich gegen die Scheibe (10, 10′) gerichtet wird, um in Umfangsrichtung der Scheibe (10, 10′) einen im wesentlichen kreisförmigen Schlitz (21, 21′) zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (33) aus unmagnetischem Material zumindest im wesentlichen während der gesamten Dauer der Relativdrehung zumindest im wesentlichen kontinuierlich vorgeschoben wird, derart, daß im wesentlichen der ganze Schlitz (21, 21′) mit dem un­ magnetischen Material gefüllt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (33) aus unmagnetischem Material während der Relativdrehung intermittierend vorge­ schoben wird, derart, daß winkelmäßig versetzte Bereiche (24′) des Schlitzes (21′) mit dem unmagne­ tischen Material gefüllt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der intermittierende Vorschub für das längli­ che Element (33) seitlich derart gesteuert wird, daß die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander befindlichen gefüllten Bereiche (24′) des Schlitzes (21′) sich über wesentlich kürzere Bogenlängen er­ strecken als die in Umfangsrichtung im Abstand von­ einander angeordneten ungefüllten Bereiche des Schlitzes (21′).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (23) gegen die im Betrieb von der benachbarten Oberfläche des zu­ gehörigen Gegenelements abgewandte Hauptfläche (14) der Scheibe (10) gerichtet wird.