-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Messfühlern und Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur des Gases. Beispielsweise kann es sich allgemein um Messfühler für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug handeln.
-
Beispielsweise können derartige Messfühler als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 bekannt sind. Mit Breitband- und Sprung-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband- und Sprunglambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas an einem Punkt oder in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Alternativ ist jedoch ebenso die Ausbildung als Fingersonde möglich. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
-
Derartige oder auch andere Messfühler weisen üblicherweise ein Gehäuse, das eine Gehäuseöffnung aufweist, durch die Anschlusskabel herausgeführt sind, und einen in der Gehäuseöffnung angeordneten Dichtkörper auf, der von den Anschlusskabeln durchragt wird. Der Dichtkörper ist in der Regel ein aus einer homogenen Elastomermasse gefertigter Stopfen, durch den die Anschlusskabel geführt werden und der danach in einem Abschnitt des Gehäuses, der als Metallhülse ausgebildet ist, verstemmt wird. Dies ist beispielsweise in der
EP 2 192 403 A1 beschrieben.
-
An derartige Messfühler und insbesondere an den Kabelausgang werden hohe Temperaturanforderungen und Anforderungen an die Wasser- und Gasdichtheit gestellt. Zur Einstellung der elastischen Eigenschaften, die zu einer besseren Verarbeitung und einem besseren Abdichtverhalten führen, werden bei der Herstellung des Dichtkörpers dem Elastomer Weichmacher zugesetzt, die in der Elastomermasse homogen verteilt werden.
-
Die Abdichtung und der Schutz des Referenzluftraums einer derartigen Lambdasonde vor Verschmutzung und Feuchte erfolgt durch einen Dichtkörper in Form einer Tülle, durch welche die Kabel oder Litzen zur elektrischen Kontaktierung geführt werden, die durch geeignete Stempelgeometrien so in ihrer Form verändert wird, dass eine Abdichtung sowohl zum Gehäuse hin als auch zu den Litzen hin in allen Betriebszuständen realisiert wird. Die Realisierung der kabelseitigen Dichtheit und die Wahl der Stempelgeometrie sind aber materialabhängig. Dies wird deutlich, wenn man die Zug- und Druckkräfte in der Tülle betrachtet, die durch das Verstemmen in der Tülle eingebracht werden. Da Materialwerte für die Temperaturbereiche in der Literatur nicht vorhanden sind und damit auch das Verstemmen nur vage simuliert werden kann, stellt die richtige Wahl der Stempelgeometrie eine Herausforderung dar, die aber notwendig ist.
-
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Messfühler beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So ist bei den üblichen Dichtkörpern keine optimale Dichtwirkung bei Temperaturen von 280° und mehrere hundert Stunden erzielbar. Auf der dem Gehäuse zugewandten Seite ist beispielsweise bislang ein Dichtring erforderlich, um den Dichtkörper hinreichend abzudichten. Zur Kabelisolation hin wird keine absolut dichte Verbindung bei 280 °C und mehrere hundert Stunden erreicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es werden daher ein Messfühler zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Messfühler zumindest weitgehend vermeidet und der einen Einsatz bei einem Abgassensor in allen Betriebszuständen erlaubt durch eine Verbesserung der kabelseitigen Dichteigenschaften bei Temperaturen von 280 °C und mehr über mehrere hundert Stunden.
-
Ein erfindungsgemäßer Messfühler weist ein Gehäuse, das eine Gehäuseöffnung aufweist, wobei mindestens ein Anschlusskabel durch die Gehäuseöffnung aus dem Gehäuse herausgeführt ist, wobei der Messfühler weiterhin mindestens ein Dichtkörper, insbesondere eine Tülle, aufweist, wobei der Dichtkörper das Anschlusskabel zumindest teilweise radial umschließt, wobei das Gehäuse den Dichtkörper in zumindest einem Bereich radial umschließt, wobei das Gehäuse eine den Dichtkörper radial verpressende Verstemmung aufweist, deren Kontur eine maximale radiale Erstreckung hat, von der aus sie sich in zwei entgegengesetzten axialen Richtungen bezüglich einer Erstreckungsachse des Dichtkörpers in mindestens zwei Verjüngungsabschnitten verjüngt, wobei die Verjüngungsabschnitte der Verstemmung in axialer Richtung im Wesentlichen bis an die axialen Enden des Dichtkörpers heranreichen, wobei jeder Verjüngungsabschnitt an einem jeweiligen axialen Ende eine Radialnut mit einem Radius von 0,3 mm bis 0,7 mm, bevorzugt von 0,4 mm bis 0,6 mm und besonders bevorzugt von 0,5 mm, aufweist.
-
Bevorzugt ist der Radius der Radialnuten konstant. Die Radialnuten können sich in einem Abstand von dem jeweiligen axialen Ende des Dichtkörpers von 1 mm bis 3 mm und bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm befinden. Die Radialnuten können eckig oder rund sein. Die Radialnuten können sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den Dichtkörper erstrecken. Der Dichtkörper kann eine Abmessung in der Richtung der Erstreckungsachse von 12 mm bis 18 mm und bevorzugt von 14 mm bis 16 mm aufweisen. Die radiale Verstemmung kann an der maximalen radialen Erstreckung einen Radius von 4 mm bis 8 mm und bevorzugt von 5 mm bis 6 mm aufweisen. Die radiale Verstemmung kann an den axialen Enden des Dichtkörpers einen Radius von 4,25 mm bis 6,75 mm und bevorzugt von 4,50 mm bis 5,00 mm aufweisen. Die radiale Verstemmung kann nach außen gewölbt, ausbauchend, ballig oder kugelförmig ausgeführt sein. Die radiale Verstemmung kann einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verlauf aufweisen. Die Verjüngungsabschnitte können zu der Erstreckungsachse in einem Winkel von 2° bis 10° und bevorzugt von 6° bis 8° angeordnet sein. Die Verjüngungsabschnitte können geradlinig oder gewölbt verlaufen. Die radiale Verstemmung kann an der maximalen radialen Erstreckung linienförmig ausgeführt sein.
-
Unter einer Verstemmung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine durch ein so genanntes Verstemmwerkzeug eingebrachte Verformung, insbesondere Vertiefung, zu verstehen. Insbesondere ist unter dem Verstemmen das Herstellen einer kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen zwei einzelnen Bauteilen durch plastisches Verformen zu verstehen. Die Verformung erfolgt dabei bei zumindest einem der Bauteile in einer Weise, dass sie sich unlösbar ineinander verkeilen. Zum Verstemmen eignen sich alle Materialien, die sich plastisch verformen lassen, wie z. B. Kunststoffe und Metalle.
-
Unter der Kontur einer Verstemmung ist dabei deren dreidimensionale Form zu verstehen.
-
Unter einer Verjüngung der Verstemmung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine kleiner werdende Querschnittsfläche senkrecht zu einer Erstreckungsachse des Dichtkörpers zu verstehen.
-
Unter einer Erstreckung der Verstemmung „im Wesentlichen“ bis an die axialen Enden des Dichtkörpers ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Erstreckung der Verstemmung zu verstehen, bei der sie sich über zumindest 90% einer axialen Länge des Dichtkörpers erstreckt. Der Abstand von den beiden axialen Enden kann dabei gleich groß sein.
-
Unter dem Ausdruck „an einem axialen Ende“ ist dabei eine Anordnung zu verstehen, die sich direkt an dem axialen Ende des Dichtkörpers in einem Abstand von 1 mm bis 3 mm und bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm befindet. Das axiale Ende ist dabei das Ende des Dichtkörpers, das das Ende in der Richtung der Erstreckungsachse darstellt. Insbesondere wird das Ende ausgehend von einer maximalen radialen Erstreckung der Verstemmung betrachtet. Dabei erfolgt die Betrachtungsrichtung in zwei entgegengesetzten axialen Richtungen bezüglich der Erstreckungsachse des Dichtkörpers. Die maximale radiale Erstreckung kann sich beispielsweise in einer axialen Mitte des Dichtkörpers befinden.
-
Unter dem Ausdruck „jeweiliges axiales Ende“ ist dabei ein Ende zu verstehen, das sich in einer von zwei entgegengesetzten axialen Richtungen befindet.
-
Unter einer radialen Erstreckung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Abmessung innerhalb einer Ebene senkrecht zu der Erstreckungsachse zu verstehen
-
Unter dem Radius bei einer nicht-runden Nut, wie beispielsweise einer eckigen Nut, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Radius eines gedachten Innenkreises der eckigen Form zu verstehen, also eines Kreises, der sowohl den Boden als auch die Seitenwände der Nut berührt.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich zu einer konvexen Verstemmung Radialnuten in einem oberen und unteren Verstemmbereich eingebracht. Dadurch wird in einem eng begrenzten Bereich zusätzlich Druck auf den Dichtkörper aufgebracht und damit eine höhere Dichte in diesem Bereich erzielt. Dadurch, dass die Bereiche lokal begrenzt sind, wird das gesamte Gefüge der Tülle nicht beeinflusst und vorgeschädigt, was der Fall wäre, wenn die gleiche Komprimierung über den gesamten Dichtkörper aufgebracht werden müsste.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Seitenansicht eines Messfühlers im Bereich einer Gehäuseöffnung,
-
2 eine perspektivische Darstellung eines Verstemmwerkzeugs,
-
3 eine Draufsicht auf das Verstemmwerkzeug,
-
4 eine Seitenquerschnittsansicht des Verstemmwerkzeugs und
-
5 eine Ansicht eines vergrößerten Ausschnitts des Verstemmwerkzeugs.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Messfühlers 10. Genauer zeigt 1 einen Anschlussbereich eines Messfühlers 10. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar. Daher kann es sich bei dem Messfühler 10 beispielsweise um eine Lambdasonde handeln. Die Lambdasonde dient zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches einer Brennkraftmaschine, um mittels einer Messung der Konzentration des Sauerstoffgehalts im Abgas ein möglichst stöchiometrisches Gemisch einstellen zu können, so dass durch eine möglichst optimale Verbrennung der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine minimiert wird. Daher kann es sich bei dem Messgasraum im Rahmen der vorliegenden Erfindung um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln. Zu diesem Zweck kann der Messfühler 10 in den Abgastrakt hineinragen. Die Lambdasonde wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel für einen Messfühler zur Bestimmung mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine beschrieben.
-
Der Messfühler 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das eine Gehäuseöffnung 14 aufweist. Die Gehäuseöffnung 14 wird von einer Gehäusewand 16 begrenzt. Durch die Gehäuseöffnung 14 ist zumindest ein elektrisches Anschlusskabel 18 herausgeführt. In der Darstellung der 1 sind beispielsweise vier Anschlusskabel 18 zu erkennen. In der Gehäuseöffnung 14 ist ein Dichtkörper 20, wie beispielsweise eine Tülle, zumindest teilweise angeordnet. Der Dichtkörper 20 ist vorgesehen, um eine gasdichte und/oder wasserdichte Abdichtung der Gehäuseöffnung 14 zu bilden, so dass Gase und/oder Wasser nicht in das Innere des Gehäuses 12 eindringen können. Der Dichtkörper 20 umschließt die Anschlusskabel 18 radial. Die Gehäuse 12 umschließt wiederum den Dichtkörper 20 mittels der Gehäusewand 16 in einem Bereich radial. Beispielsweise wird der Dichtkörper 20 von den Anschlusskabeln 18 durchragt. Der Dichtkörper 20 kann die Gehäusewand 16 berühren, damit auch entlang der Gehäusewand 16 eine gasdichte und/oder wasserdichte Abdichtung gebildet ist. Das Gehäuse 12 bzw. die Gehäusewand 16 ist im Bereich des Dichtkörpers 20 zylinderförmig oder hülsenförmig ausgebildet. Insbesondere kann das Gehäuse 12 im Bereich der Gehäusewand 16 des Dichtkörpers 20 aus Metall oder einer Legierung sein. Der Dichtkörper 20 ist in der Gehäuseöffnung 14 mittels einer Verstemmung 22 fixiert.
-
Durch die Verstemmung 22 weist das Gehäuse 12 im Bereich der Gehäusewand 16 eine konvexe Kontur auf mit einer maximalen radialen Erstreckung 24 bezüglich einer Erstreckungsachse 26 des Dichtkörpers 20. Der Dichtkörper 20 kann beispielsweise rotationssymmetrisch um die Erstreckungsachse 26 ausgebildet sein. Von dieser maximalen Erstreckung 24 ausgehend verjüngt sich die Verstemmung 22 in zwei entgegengesetzten axialen Richtungen der Erstreckungsachse 26 in zwei Verjüngungsabschnitte 28, 30. Entsprechend werden Querschnittsflächen senkrecht zu der Erstreckungsachse 26 der Verstemmung 22 ausgehend von der maximalen radialen Erstreckung 24 mit zunehmendem Abstand von dieser kleiner. Die Kontur der der Verstemmung 22 kann nach außen gewölbt, d. h. konvex wie oben beschrieben, ausbauchend, ballig oder kugelförmig ausgeführt sein. Die Verjüngungsabschnitte 28, 30 reichen im Wesentlichen an axiale Enden 32, 34 des Dichtkörpers 20 heran. Dadurch wird eine Maximalkomprimierung des Dichtkörpers 20 an seinem jeweiligen axialen Ende 32, 34 erzeugt. Dadurch entstehen zwei zuverlässige Dichtstellen sowohl zwischen dem Gehäuse 12 und dem Dichtkörper 20 als auch zwischen dem Dichtkörper 20 und dem Anschlusskabel 18. Die Kontur der verstemmten Gehäusewand 16 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, beispielsweise in Stufen mit unterschiedlichen Neigungen, verlaufen. Die Verjüngungsabschnitte 28, 30 der Gehäusewand 16 können beispielsweise geradlinig geneigt oder gewölbt geneigt sein und schließen einen Winkel α von 2° bis 10° und bevorzugt von 6 ° bis 8 ° zur axialen Richtung bezüglich der Erstreckungsachse 26 ein. Der Winkel α kann beispielsweise als Schnittwinkel zwischen der Erstreckungsachse 26 und einer Tangente an eine Verjüngungsabschnitt 28, 30 festgelegt werden. Die Stelle der maximalen radialen Erstreckung 24 der Gehäusewand 16 kann linienförmig oder flächenförmig mit einem zylinderförmigen Bereich mit konstantem radialem Durchmesser vorgesehen sein. Der Dichtkörper 20 ist beispielsweise aus einem Fluorelastomer, also aus Fluor und Kautschuk, beispielsweise aus Viton, hergestellt.
-
Ferner weist die Gehäusewand 16 an den jeweiligen axialen Enden 32, 34 jeweils eine Radialnut 36, 38 auf. Die Radialnuten 36, 38 weisen einen Radius, der bevorzugt konstant ist, von 0,3 mm bis 0,7 mm, bevorzugt von 0,4 mm bis 0,6 mm und besonders bevorzugt von 0,5 mm auf. Die Radialnuten 36, 38 können sich in einem Abstand von einem jeweiligen axialen Ende 32, 34 des Dichtkörpers 20 von 1 mm bis 3 mm und bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm befinden, beispielsweise 2,0 mm. Die Radialnuten 36, 38 können eckig oder rund sein. Die Radialnuten 36, 38 können sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den Dichtkörper 20 erstrecken. Entsprechend der obigen Ausführungen können sich die Verjüngungsabschnitte 28, 30 über zumindest 90 % einer axialen Länge des Dichtkörpers 20 erstrecken. Beispielsweise weist der Dichtkörper 20 eine Abmessung in der Richtung der Erstreckungsachse von 12 mm bis 18 mm und bevorzugt von 14 mm bis 16 mm auf, wie beispielsweise 15 mm. Die Verstemmung 22 kann so ausgeführt sein, dass die maximale radiale Erstreckung 24 einen Radius von 4 mm bis 8 mm und bevorzugt von 5 mm bis 6 mm aufweist, wie beispielsweise 5,5 mm. An den axialen Enden 32, 34 kann die Verstemmung 22 einen Radius von 4,25 mm bis 6,75 mm und bevorzugt von 4,50 mm bis 5,00 mm aufweisen, wie beispielsweise 4,75 mm.
-
Die Verstemmung 22 und die Radialnuten 36, 38 werden durch ein Verstemmwerkzeug 40 bevorzugt gleichzeitig eingebracht, wie es beispielsweise in der 2 gezeigt ist. Das Verstemmwerkzeug 40 ist eingerichtet, von radial außen nach innen einen Druck auf die Gehäusewand 16 auszuüben und diese so zu verformen. Beispielsweise weist das Verstemmwerkzeug 40 eine Form eines Stempels auf. Dabei kann das Verstemmwerkzeug so ausgebildet sein, dass es ein Achtel des Umfangs um die Erstreckungsachse der Verstemmung einbringt. Entsprechend sind für eine Verstemmung 22 über den vollen Umfang um die Erstreckungsachse 26 acht Verstemmwerkzeuge erforderlich.
-
3 zeigt eine Draufsicht auf das Verstemmwerkzeug 40. Das Verstemmwerkzeug 40 weist die Form eines Stempels auf, bei dem ein Fuß 42 eine Vorderseite 44 mit der Form eines Kreisausschnitts aufweist, insbesondere eines Achtelkreises 46, und eine Kappe 48 stab- oder stielförmig ausgebildet sein kann. Insbesondere ist die Form des Fußes 42 so ausgebildet, dass er die oben genannte konvexe Verstemmung 22 sowie die Radialnuten 36, 38 einbringen kann.
-
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Verstemmwerkzeugs 40. Dabei ist zu erkennen, dass die Vorderseite 44 des Fußes 42 konkav geformt ist. Ferner weist die Vorderseite 44 zwei Vorsprünge 50, 52 für die Radialnuten 36, 38 auf.
-
5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts 54 des Fußes 42 des Verstemmwerkzeugs 40, der in 4 durch einen Kreis markiert ist. Wie anhand der 5 deutlich zu erkennen ist, ist der Vorsprung 52 als kugel- bzw. kalottenförmiger Vorsprung 52 ausgebildet. Der Vorsprung 50 ist identisch mit dem Vorsprung 52 ausgebildet. Jeder Vorsprung 50, 52 weist einen Radius von 0,3 mm bis 0,7 mm, bevorzugt von 0,4 mm bis 0,6 mm und besonders bevorzugt von 0,5 mm auf. Der Fuß 42 weist eine Höhe, d.h. eine Abmessung von oben nach unten bezogen auf die Darstellung der 4, von 12 mm bis 18 mm und bevorzugt von 14 mm bis 16 mm auf, wie beispielsweise 15 mm. Die Vorsprünge 50, 52 befinden sich dabei in einem Abstand von einem oberen Ende 56 bzw. unteren Endes 58 bezogen auf die Darstellung der 4 von 1 mm bis 3 mm und bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm, beispielsweise 2,0 mm.
-
Zum Einbringen der Verstemmung 22 wird das Verstemmwerkzeug 40 radial von außen bezüglich der Erstreckungsachse 26 mit dem Fuß 42 gegen die Gehäusewand 16 im Bereich des Dichtkörpers 20 gedrückt. Für eine Verstemmung 22 in voller Umfangsrichtung um die Erstreckungsachse 26 können entweder acht Verstemmwerkzeuge 40 gleichzeitig angedrückt werden oder beispielsweise ein Verstemmwerkzeug 40 wird nacheinander an verschiedenen Positionen der Umfangsrichtung angedrückt, bis eine Verstemmung 22 in voller Umfangsrichtung erreicht ist. Durch die zusätzlichen Radialnuten 36, 38 wird die Dichteigenschaft verbessert, da der Dichtdruck auf den Dichtkörper 20 an diesen Stellen erhöht ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Konrad Reif Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]
