DE102006012397B4 - Klopfsensor - Google Patents
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Abstract
Klopfsensor
(1, 30, 40, 50) umfassend:
eine Basis (3), die besteht aus:
einem Flanschabschnitt (4); und
einem Rohrabschnitt (5), der sich axial vom Flanschabschnitt (4) erstreckt;
einen Sensorhauptkörper (6) mit einem piezoelektrischen Element (8), das über einen äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts (5) gepasst ist; und
einen Anschlagring (7), der über den äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts (5) gepasst ist und mit dem Flanschabschnitt (4) zusammenwirkt, um den Sensorhauptkörper (6) festzuklemmen,
wobei eine Nut (19), die sich in Umfangsrichtung erstreckt, auf der äußeren Randfläche des Rohrabschnitts (5) gebildet ist, und wobei der Sensorhauptkörper (6) befestigt wird, indem eine Pressvorrichtung (23) radial nach innen zu einer äußeren Randfläche des Anschlagsrings (7) getrieben wird, um den Anschlagsring (7) plastisch zu verformen und einen vorspringenden Abschnitt (20) in die Nut (19) einzupressen, wobei:
eine axiale Länge eines vertieften Abschnitts (21), der gleichzeitig auf der äußeren Randfläche des Anschlagsrings...
eine Basis (3), die besteht aus:
einem Flanschabschnitt (4); und
einem Rohrabschnitt (5), der sich axial vom Flanschabschnitt (4) erstreckt;
einen Sensorhauptkörper (6) mit einem piezoelektrischen Element (8), das über einen äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts (5) gepasst ist; und
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf nicht resonante Klopfsensoren, die an einem Verbrennungsmotor angebracht sind, so dass wenn eine Klopfvibration im Verbrennungsmotor auftritt, die Vibration von einem innen angeklemmten piezoelektrischen Element in ein Spannungssignal umgewandelt wird und das Spannungssignal nach außen als Ausgangssignal herausgeführt wird.
- 2. Beschreibung des Stands der Technik
- Bekannte Beispiele herkömmlicher Klopfsensoren umfassen jene, in denen ein Sensorhauptkörper mit einem über einen Rohrabschnitt einer Basis angebrachten piezoelektrischen Element unter Verwendung einer Mutter befestigt wird (siehe z. B. Patentliteratur 1).
- In solchen Ausführungen wird das Festziehen der Mutter unter Verwendung eines Werkzeugs wie z. B. eine Befestigungskopfes eines Drehmomentschlüssels usw. durchgeführt, um das Drehmoment so zu kontrollieren, dass eine vorbestimmte Last auf das piezoelektrische Element aufgewendet wird, und aufgrund von Unregelmäßigkeiten im Befestigungsdrehmoment der Mutter, von Unregelmäßigkeiten bei den Reibungskoeffizienten und den Abmessungen eines inneren Gewindeabschnitts auf der Mutter und eines äußeren Gewindeabschnitts, der in den Rohrabschnitt geschnitten ist, usw. ist eine auf das piezoelektrische Element wirkende Vorbelastung nicht stabil und es sind Probleme aufgetreten, wie z. B. Unregelmäßigkeiten bei den Ausgabeeigenschaften und bei der Messpräzision, die während des Messens des Klopfens auftreten.
- Um z. B. jene oben beschriebenen Probleme zu lösen, haben die vorliegenden Erfinder eine Erfindung vorgeschlagen, die in der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-301484 - Patentliteratur 1
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Japanische Patentanmeldung Nr. 2004-301484 - In einem wie oben beschrieben gestalteten Klopfsensor ist der Anschlagring in einer ringförmigen Nut des Rohrabschnitts mittels Bördeln befestigt und der Sensorhauptkörper wird von einem Flanschabschnitt auf der Basis und dem Anschlagring festgeklemmt, jedoch kann der vorspringende Abschnitt des plastisch verformten Anschlagrings aufgrund von axialen Ausrichtungsfehlern des Presswerkzeugs nicht genügend in die ringförmige Nut pressgepasst werden, wobei die Ausrichtungsfehler z. B. aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Ausrüstung auftreten, wodurch wiederum Unregelmäßigkeiten in der Klemmkraft entstehen, die die dem piezoelektrischen Element verliehene Vorbelastung unstabil machen, und des sind Probleme aufgetreten, dass z. B. die Ausgabecharakteristiken und die Messpräzision instabil werden usw.
- Darstellung der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die oben genannten herkömmlichen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Klopfsensor zu entwickeln, in dem die Ausgabecharakteristiken und die Messpräzision stabilisiert werden usw., indem die Unregelmäßigkeiten in der Klemmkraft in Bezug auf einen Sensorhauptkörper verringert werden, um eine stabile Vorbelastung auf das piezoelektrische Element aufzuwenden.
- Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, wird entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Klopfsensor bereitgestellt, umfassend: eine Basis, die besteht aus: einem Flanschabschnitt; und einem sich axial aus dem Flanschabschnitt erstreckenden Rohrabschnitt; einen Sensorhauptkörper mit einem piezoelektrischen Element, das über einen äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitt gepasst ist; und einem Anschlagring, der über den äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts gepasst ist und mit dem Flanschabschnitt zusammenwirkt, um den Sensorhauptkörper zu befestigen, wobei eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut auf der äußeren Randfläche des Rohrabschnitts gebildet ist, und ein Klopfsensor befestigt wird, indem eine Pressvorrichtung radial nach innen zu einer äußeren Randfläche des Anschlagrings getrieben wird, um den Anschlagring plastisch zu verformen und einen vorstehenden Abschnitt in die Nut einzupressen, wobei: eine axiale Länge eines vertiefen Abschnitts, der gleichzeitig auf der äußeren Randfläche des Anschlagrings gebildet wird, wenn der vorspringende Abschnitt gebildet wird, länger ist als eine axiale Länge der Nut.
- Bei einem Klopfsensor entsprechend der vorliegenden Erfindung werden die Ausgabecharakteristiken und die Messpräzision stabilisiert, indem Unregelmäßigkeiten in der Klemmkraft relativ zum Sensorhauptkörper verringert werden, um eine stabile Vorbelastung auf das piezoelektrische Element aufzuwenden.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt; -
2 ist eine teilweise Vergrößerung der1 ; -
3 ist ein Querschnitt des Klopfsensors in1 , halb durch die Anordnung; -
4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in3 , betrachtet aus der Richtung der Pfeile; -
5 ist ein teilweiser Querschnitt, der einen Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt; -
6 ist ein teilweiser Querschnitt, der einen Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt; -
7 ist ein teilweiser Querschnitt, der einen Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
8 ist ein Querschnitt des Klopfsensors in7 , halb durch die Anordnung. - Wege zur Ausführung der Erfindung
- Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun basierend auf den Zeichnungen erklärt, und identische oder entsprechende Elemente und Abschnitte in den Zeichnungen werden mit identischen Bezugsziffern versehen.
- Ausführungsform 1
-
1 ist ein Querschnitt, der einen Klopfsensor1 in Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. - Bei diesem Klopfsensor
1 ist eine sich axial erstreckende, durchdringende Öffnung2 in einem mittleren Abschnitt einer Basis3 gebildet. Die Basis3 besteht aus: einem scheibenförmigen Flanschabschnitt4 , der an einem unteren Endabschnitt gebildet ist; und einem Rohrabschnitt5 , der sich axial vom Flanschabschnitt4 erstreckt. Ein Sensorhauptkörper6 ist über einen äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts5 gepasst. Zusätzlich ist ein metallischer Anschlagring7 über den äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts5 gepasst und der Sensorhauptkörper6 wird vom Anschlagsring7 und dem Flanschabschnitt4 festgeklemmt. - Beim Sensorhauptkörper
6 kommt eine untere Anschlussplatte9 , die unter Verwendung einer leitenden Metallplatte gebildet ist, mit einer unteren Oberfläche eines ringförmigen piezoelektrischen Elements8 in Kontakt, das axiale Vibration, die sich durch die Basis3 ausbreitet, als Spannungssignal ausgibt. Eine obere Anschlussplatte10 , die unter Verwendung einer leitenden Metallplatte gebildet ist, kommt mit einer oberen Oberfläche des piezoelektrischen Elements8 in Kontakt. Eine ringförmige untere Isolationsschicht11 ist zwischen der unteren Anschlussplatte9 und dem Flanschabschnitt4 angeordnet. Eine ringförmige obere Isolierschicht12 ist auf der oberen Anschlussplatte10 angeordnet. - Im Sensorhauptkörper
6 ist ein ringförmiges Gewicht13 zum Aufwenden einer Vibrationskraft auf das piezoelektrische Element8 über der oberen Isolierschicht12 angeordnet. Eine Tellerfeder14 ist zwischen dem Gewicht13 und dem Anschlagsring7 angeordnet. Die Tellerfeder14 verhindert, dass eine plötzliche übermäßige Druckbelastung auf das piezoelektrische Element8 wirkt und es beschädigt, wenn der Anschlagsring7 über den Rohrabschnitt5 gepasst ist, und erleichtert die Erzeugung von Vibrationen im Gewicht13 durch die Klopfvibrationen von einem Verbrennungsmotor. - Der Sensorhauptkörper
6 besteht aus dem piezoelektrischen Element8 , der unteren Anschlussplatte9 , der oberen Anschlussplatte10 , der unteren Isolierschicht11 , der oberen Isolierschicht12 , dem Gewicht13 und der Tellerfeder14 . - Die untere Anschlussplatte
9 und die obere Anschlussplatte10 des Sensorhauptkörpers6 sind jeweils durch Verschweißen mit einem Paar von Anschlüssen16 eines Steckverbinders verbunden. - Die Basis
3 , der Sensorhauptkörper6 und der Anschlagsring7 werden von einem Gehäuse17 aus Kunstharz (z. B. Nylon 66 (registriertes Warenzeichen)) abgedeckt. Das Gehäuse17 ist mit einem Gehäuse18 des Verbinders integriert. Darüber hinaus wird der Verbinder elektrisch mit einer Zündzeitpunktsteuervorrichtung verbunden, die nicht gezeigt ist. -
2 ist eine teilweise Vergrößerung des Klopfsensors1 in1 . - Eine Nut
19 , die sich in Umfangsrichtung erstreckt, ist an einer äußeren Randfläche des Rohrabschnitts5 gebildet. - Ein vorspringender Abschnitt
20 des plastisch verformten Anschlagrings7 ist in die Nut19 durch eine Presskraft eingepresst, die radial nach innen von einer äußeren Randfläche des Anschlagsrings7 wirkt, um den Anschlagsring7 durch Bördeln am Rohrabschnitt5 zu befestigen. - Ein vertiefter Abschnitt
21 ist an einer äußeren Randfläche des Anschlagsrings7 gegenüber dem vorspringenden Abschnitt20 gebildet. Eine axiale Länge L1 des vertieften Abschnitts21 ist länger als eine axiale Länge L2 der Nut19 . - In dieser Ausführungsform beträgt L1 1,2 mm und L2 1,0 mm.
- Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Klopfsensors mit der obigen Gestaltung basierend auf
3 und4 erklärt. - Zuerst werden die untere Isolierschicht
11 , die untere Anschlussplatte9 , das piezoelektrische Element8 , die obere Anschlussplatte10 , die obere Isolierschicht12 , das Gewicht13 , die Tellerfeder14 und der Anschlagsring7 nacheinander über den Rohrabschnitt5 der Basis3 gepasst. - Dann wird der Anschlagsring
7 herabgedrückt, während eine externe axiale Belastung F auf eine Presshalterung22 mit einem dazwischen vorgesehenen Belastungsanzeiger wie z. B. einer Kraftmesszelle usw. (nicht gezeigt) aufgewendet wird, und der Herabdrückvorgang wird an einer Position gestoppt, an der die vorbestimmte Belastung erreicht wird. Dann wird der Sensorhauptkörper6 zwischen dem Anschlagsring7 und dem Flanschabschnitt4 unter einer vorbestimmten Vorbelastung festgeklemmt, indem Stanzwerkzeuge23 , die eine Pressschablone darstellen, von neben dem Anschlagsring7 in Richtung der Pfeile A eingetrieben werden, während der Sensorhauptkörper6 sich unter Druck befindet, um den Anschlagsring7 durch Verbördeln in der Nut19 des Rohrabschnitts5 in vier Abschnitten mit allgemein gleichmäßigem Winkelabstand zu befestigen. - Schließlich werden die jeweiligen Anschlüsse
16 mit der unteren Anschlussplatte9 und der oberen Anschlussplatte10 durch Verlöten oder Widerstandsschweißen verbunden und das Gehäuse17 wird gebildet, indem die Basis3 durch Harzguss beschichtet wird, mit Ausnahme einer inneren Randfläche und zweier Endflächen des Rohrabschnitts5 . Zu diesem Zeitpunkt wird gleichzeitig das Verbindergehäuse18 zum Extrahieren von Signalen durch Harzformung auch ganzheitlich mit dem Gehäuse17 ausgebildet, um aus einer einzigen Seitenfläche hervorzustehen. - Ein Klopfsensor mit der obigen Gestaltung wird an einem Verbrennungsmotor durch einen Bolzen befestigt, der durch die durchdringende Öffnung
2 der Basis3 eingesetzt wird. Wenn dann eine Klopfvibration im Verbrennungsmotor auftritt, vibriert der Sensorhauptkörper6 zusammen mit der Klopfvibration, die Vibration wird vom piezoelektrischen Element8 in ein Spannungssignal umgewandelt und das Spannungssignal wird als Ausgangssignal durch die untere Anschlussplatte9 , die obere Anschlussplatte10 und die Anschlüsse16 zur Zündzeitpunktsteuervorrichtung gesandt. - Da bei einem Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 1 die axiale Länge L1 des vertieften Abschnitts
21 länger als die axiale Länge L2 der Nut19 ist, können ein axialer Ausrichtungsfehler der Stanzwerkzeuge23 , der aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Anlage auftritt, und Unregelmäßigkeiten in der axialen Ausrichtung der Nut19 auf dem Rohrabschnitt5 usw. absorbiert werden. - Dementsprechend können Unregelmäßigkeiten in der Klemmstärke auf den Sensorhauptkörper
6 , der zwischen dem Anschlagsring7 und dem Flanschabschnitt4 gehalten und festgeklemmt ist, unterdrückt werden. Somit kann eine vorbestimmte Vorbelastung präzise auf das piezoelektrische Element8 angewendet werden, um die Ausgabecharakteristiken und die Messgenauigkeit zu stabilisieren. - Der Durchmesser der Stanzwerkzeuge
23 wird auch im Vergleich zu herkömmlichen Klopfsensoren vergrößert, wodurch das Volumen des vorspringenden Abschnitts20 , der in die Nut19 pressgepasst ist und plastisch verformt wird, durch einen geringen Schub (Auslenkung) der Stanzwerkzeuge23 sichergestellt werden kann, um somit die Zuverlässigkeit bei der Kopplung des Anschlagrings7 mit der Basis3 zu verbessern. Die Nutzungsdauer der Stanzwerkzeuge23 wird auch verlängert, wodurch die Herstellungskosten verringert werden. - Ausführungsform 2
-
5 ist ein Querschnitt, der einen Klopfsensor30 in Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. - Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform 1 ähnlich, außer dass ein Wert der Dicke D1 eines Anschlagsrings
7 größer oder gleich einem Wert der Tiefe D2 einer Nut19 ist. - Da bei einem Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 2 der Wert der Dicke D1 des Anschlagsrings
7 größer oder gleich dem Wert der Tiefe D2 der Nut19 ist, wodurch die Dicke D1 des Anschlagsrings7 größer als jene der Ausführungsform 1 gemacht wird, wird die zulässige Traglast des Anschlagsrings7 in Bezug auf die axiale äußere Last, die auf den Sensorhauptkörper6 durch die Presshalterung22 wirkt, vergrößert. Dementsprechend wird eine Knickverzerrung des Anschlagsrings7 unterdrückt, wodurch Unregelmäßigkeiten in der Klemmstärke auf den Sensorhauptkörper6 verringert werden. - Da darüber hinaus die plastischen Verformungseigenschaften des Anschlagsrings
7 schlecht werden, wenn die Dicke des Anschlagsrings7 zu stark vergrößert wird, und das Volumen des vorspringenden Abschnitts20 , der in die Nut19 pressgepasst ist und plastisch verformt ist, nicht sichergestellt werden kann, ist es erwünscht, dass die Dicke D1 des Anschlagsrings sich innerhalb eines Bereichs von ein bis zweimal der Tiefe D2 der Nut19 befindet. - Ausführungsform 3
-
6 ist ein Querschnitt, der einen Klopfsensor40 in Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. - Während Eckabschnitte der Nut
19 in den Ausführungsformen 1 und 2 konisch zulaufend sind, haben in dieser Ausführungsform die Eckabschnitte24 in der Nähe des Eintritts in eine Nut19 eine allgemein rechtwinkelige Form. - Der Rest des Aufbaus ist ähnlich jenem der Ausführungsform 1.
- Da bei dem Klopfsensor entsprechend der Ausführungsform 3 die Eckabschnitte
24 in der Nähe des Eintritts in die Nut19 eine allgemein rechtwinkelige Form haben, wird die Fläche der Nut19 , die zum Festklemmen im Bezug auf den Sensorhauptkörper6 beiträgt, im Vergleich mit den Ausführungsformen 1 und 2 vergrößert, bei denen die Eckabschnitte konisch zulaufend sind, wodurch die Klemmstärke vergrößert wird und die Zuverlässigkeit beim Koppeln des Anschlagrings7 mit der Basis3 verbessert wird. - Wenn die Nut
19 gebildet wird, sammelt sich ein großer Teil der dabei entstehenden Späne an den Eckabschnitten24 an und wenn sie in diesem Zustand gelassen werden, ist es möglich, dass die Späne zwischen die Elektroden des piezoelektrischen Elements8 eindringen können und die Elektroden kurzschließen können. - Um diese Situation zu verhindern, müssen die Späne, die sich auf den Eckabschnitten
24 angesammelt haben, entfernt werden, indem die Belastung auf die Eckabschnitte24 verringert wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, ein minimales Nachgeben auf die Eckabschnitte24 aufzuwenden, bei dem R ≤ 0,3 ist oder C ≤ 0,3 ist. - Ausführungsform 4
-
7 ist ein Querschnitt, der einen Klopfsensor50 in Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. - In dieser Ausführungsform weist ein vertiefter Abschnitt
21 , der auf einem Anschlagsring7 gebildet ist, eine Form auf, die sich zu einem offenen Ende hin verbreitert. - Der Rest der Anordnung ist ähnlich jener der Ausführungsform 1.
- In dieser Ausführungsform haben gemäß
8 die vorderen Endabschnitte der Stanzwerkzeuge23 eine sich verjüngende Form und die Stanzwerkzeuge23 werden von neben dem Anschlagsring7 in der Richtung der Pfeile A eingetrieben, wobei der Sensorhauptkörper6 durch die Presshalterung22 gepresst wird, um den Anschlagsring7 durch Verbördeln in der Nut19 des Rohrabschnitts15 in vier Bereichen unter einer allgemein gleichmäßigen Winkelbeabstandung zu befestigen. - Da bei einem Klopfsensor
50 entsprechend der Ausführungsform 4 die vorderen Endabschnitte der Stanzwerkzeuge23 eine sich verjüngende Form aufweisen, kann die Reibungskraft, die zwischen dem Anschlagsring7 und den Stanzwerkzeuge23 auftritt, wenn die Stanzwerkzeuge23 in den Einschlagsring7 hineingetrieben und herausgezogen werden, verringert werden, wodurch das Hineintreiben und Herausziehen der Stanzwerkzeuge23 gleichmäßiger gemacht wird. - Da die Reibungskraft abnimmt, wenn die Stanzwerkzeuge
23 in den Anschlagsring7 hineingetrieben werden, wird die Lebensdauer der Stanzwerkzeuge23 zudem verlängert. - Wenn darüber hinaus ein Konuswinkel θ des vertieften Abschnitts
21 zu groß ist, nimmt die beim Eintreiben der Stanzwerkzeuge23 in den Anschlagsring7 entstehende Reibungskraft zu und das Ausmaß an plastischer Verformung des vorspringenden Abschnitts20 des Anschlagsrings7 nimmt ab, wodurch die Zuverlässigkeit beim Koppeln des Anschlagsrings7 mit der Basis3 verringert wird. Dementsprechend ist es erwünscht, dass der Konuswinkel θ höchstens 45° beträgt.
Claims (4)
- Klopfsensor (
1 ,30 ,40 ,50 ) umfassend: eine Basis (3 ), die besteht aus: einem Flanschabschnitt (4 ); und einem Rohrabschnitt (5 ), der sich axial vom Flanschabschnitt (4 ) erstreckt; einen Sensorhauptkörper (6 ) mit einem piezoelektrischen Element (8 ), das über einen äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts (5 ) gepasst ist; und einen Anschlagring (7 ), der über den äußeren Randabschnitt des Rohrabschnitts (5 ) gepasst ist und mit dem Flanschabschnitt (4 ) zusammenwirkt, um den Sensorhauptkörper (6 ) festzuklemmen, wobei eine Nut (19 ), die sich in Umfangsrichtung erstreckt, auf der äußeren Randfläche des Rohrabschnitts (5 ) gebildet ist, und wobei der Sensorhauptkörper (6 ) befestigt wird, indem eine Pressvorrichtung (23 ) radial nach innen zu einer äußeren Randfläche des Anschlagsrings (7 ) getrieben wird, um den Anschlagsring (7 ) plastisch zu verformen und einen vorspringenden Abschnitt (20 ) in die Nut (19 ) einzupressen, wobei: eine axiale Länge eines vertieften Abschnitts (21 ), der gleichzeitig auf der äußeren Randfläche des Anschlagsrings (7 ) gebildet wird, wenn der vorspringende Abschnitt (20 ) gebildet wird, länger ist als eine axiale Länge der Nut (19 ). - Klopfsensor (
30 ) nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis zwischen einer Dicke D1 des Anschlagsrings (7 ) und einer Tiefe D2 der Nut (19 ) das Verhältnis D2 ≤ D1 ≤ 2D2 erfüllt. - Klopfsensor (
40 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Entlastungsverfahren auf einen Eckabschnitt (24 ) in der Nähe eines Eintritts in die Nut (19 ) angewendet wird, in welchem C ≤ 0,3 oder R ≤ 0,3 ist. - Klopfsensor (
50 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vertiefte Abschnitt21 eine Form aufweist, die sich zu einem offenen Ende hin verbreitert.
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