-
Die
Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer
Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration
im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Bei
einem bekannten Gassensor, insbesondere zur Messung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas von Brennkraftmaschinen (
EP 1 081 491 A2 ), besitzt jede Kontaktfeder
des Verbindungssteckers einen Verbindungsteil, der über ein
hülsenförmiges Metallstück mit der
zugeordneten Anschlussleitung verbunden ist, und einen federnden
Kontaktteil, der sich über
einen Schulterabschnitt einstückig
vom Verbindungsteil aus parallel zu diesem fortsetzt. Der Kontaktteil
besteht aus einem parallel zum Verbindungsteil verlaufenden hinteren
Federschenkel und einen davon V-förmig abstrebenden vorderen
Federschenkel, der bei in einer Aufnahmekammer eingesetzter Kontaktfeder
in den Schacht für
den die Kontaktflächen
tragenden Endabschnitt des Sensorelements hineinragt. Nach Einsetzen
aller Kontaktfedern in die Aufnahmekammern wird das Sensorelement
mit seinem Endabschnitt in den Schacht eingeschoben, wobei der Endabschnitt
bei jeder Kontaktfeder den vorderen Federschenkel nach außen zu dem
anderen Federschenkel hin drückt
und dadurch die Kontaktfeder schließlich mit einer gewissen Vorspannung
auf der zugeordneten Kontaktfläche
aufliegt. Diese konstruktive Ausführung des Verbindungssteckers
hat den Nachteil, dass der Kontaktdruck, mit dem die Federschenkel
auf den Kontaktflächen
aufliegen, sehr genau eingestellt werden muss, was einen sehr hohen
Fertigungsaufwand bedingt. Ist der Kontaktdruck zu gering, erhöhen sich
die Übergangswiderstände zwischen
Kontaktflächen und
Kontaktfedern unzulässig
stark, was sich in einem verfälschten
Messergebnis auswirkt. Bei sehr starken Fahrzeugbeschleunigungen
könne zudem die
Federschenkel von den Kontaktflächen
abheben, so dass die Messfunktion in dieser Zeit total ausfällt. Bei
zu hohen Kontaktdrücken
sind die Montagekräfte zum
Einführen
des Sensorelements in den Schacht sehr groß und außerdem werden die empfindlichen Kontaktflächen des
Sensorelements, die meist aus Gold- oder Platinlegierungen bestehen,
abgeschabt, so dass auch dadurch Kontaktierungsprobleme auftreten
können.
-
Um
diesen Nachteilen zu begegnen, ist bei einem bekannten Gasmessfühler, insbesondere
zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen,
(
DE 40 34 072 A1 )
der Verbindungsstecker aus einem Kontaktteil-Träger, einer Gegenwand, Kontaktteilen
und einem ringartigen Federelement zusammengesetzt, das infolge
mechanischer Vorspannung die Kontaktteile des Kontaktteilträgers und
der Gegenwand gegen die Kontaktflächen des Endabschnitts des
Sensorelements drückt. Die
Kontaktteile besitzen anschlussseitig Verbindungsmittel für Anschlussleiter.
Ein solcher Verbindungsstecker ermöglicht einen Zusammenbau mit dem
Sensorelement, ohne dass die Kontaktflächen beschädigt werden und gewährleistet
eine zuverlässige
Kontaktierung zwischen Kontaktflächen
und Anschlussleitungen. Allerdings muss ein erhöhter Fertigungs- und Wartungsaufwand
in Kauf genommen werden. Wird der bekannte Gasmessfühler sehr
hohen Beschleunigungen ausgesetzt, wie sie z.B. bei Renn- und Sportfahrzeugen
auftreten, kann der frei am Ende des Sensorelements hängende Verbindungsstecker
in Schwingungsresonanz geraten, was zu Brüchen der Verbindungsmittel
zwischen den Kontaktfedern und den Anschlussleitern führen kann.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Messfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das gegenständliche
Trennen der Kontaktfedern von den mit den Anschlussleitungen verbundenen
Anschlussmitteln und das Vorsehen von zwischen die Federschenkel
nach Montage des Sensorelements einsteckbaren Anschlussfahnen in
den Anschlussmitteln die Kontaktflächen mit hohem Kontaktdruck
durch die Kontaktfedern kontaktiert werden, ohne dass bei der Montage
Beschädigungen
an den empfindlichen Kontaktflächen
des Sensorelements auftreten. Der Kontaktdruck kann durch entsprechende
Auslegung der Kontaktfedern beliebig groß gewählt werden, so dass auch Extrembeschleunigungen,
die auf den Messfühler wirken,
nicht zum Abheben der Kontaktfedern von den Kontaktflächen führen. Durch
die radiale und axiale Abstützung
des vorzugsweise aus Keramik gefertigten Isolierteils am Gehäuse kann
der Verbindungsstecker auch nicht bei rauher Betriebsweise des Fahrzeugs
in Schwingung geraten, so dass für
die vorzugsweise als biegeweichen Ausgleichsstücke ausgeführten Verbindungsteile zwischen
den Kontaktfedern und den Anschlussleitungen keine Bruchgefahr besteht.
Die Montage des Messfühlers
ist sehr einfach und zeitsparend, da die Kontaktfedern nur in die
Aufnahmekammern eingeclipst zu werden brauchen und dann darin axial
und radial unverschieblich festgelegt sind, das Sensorelement mit
seinem Endabschnitt kräftefrei
in den zentralen Schacht eingeschoben wird – und so Beschädigungen
an den Kontaktflächen
vermieden werden – und
erst danach durch Einführen
der Kontaktfahnen zwischen die Federschenkel die elektrische Kontaktierung
der Kontaktflächen herbeigeführt wird.
Dabei besteht noch der Vorteil, dass beim Einschieben der Kontaktfahnen
zwischen die Federschenkel evtl. an den Kontaktfahnen anhaftende
Oxidschichten abgeschabt werden, was auch die Kontaktierung zwischen
Kontaktfedern und Kontaktfahnen begünstigt.
-
Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Messfühlers
möglich.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung tragen die schachtseitigen Federschenkel der Kontaktfedern
jeweils eine konvexe Auswölbung,
die bei Herstellung der Kontaktierung durch Einschieben der Kontaktfahnen
zwischen die Federschenkel sich auf die zugeordnete Kontaktfläche am Sensorelement
aufpresst. Durch diese höckerartige
Auswölbung
ist ein präziser,
hoher Kontaktdruck gewährleistet.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die Federschenkel der Kontaktfedern einerseits am
freien Schenkelende abgewinkelt und weisen andererseits im Abstand
von den Schenkelenden angeordnete Rastnasen auf. Mittels der Abwinkelungen
und der Rastnase können
die Kontaktfedern in die Aufnahmekammern eingeclipst werden, wobei
die abgewinkelten Schenkelenden die Öffnungen der Aufnahmekammern übergreifen
und die Rastnasen sich an unterhalb der Öffnungen in den Aufnahmekammern
ausgebildeten Hinterschnitten abstützen. Damit sind die Kontaktfedern
axial und radial in den Aufnahmekammern unverschieblich gehalten
und können
bei der weiteren Montage des Messfühlers nicht wieder aus dem
Isolierteil herausfallen.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das Isolierteil auf einer am Gehäuse befestigten Haltekappe,
die eine das Sensorelement gegenüber
dem Gehäuse
abdichtende Dichtung überdeckt,
axial abgestützt
und zentriert, so dass ein seitlicher Versatz des Isolierteils gegenüber dem Sensorelement
bei der Montage sicher vermieden wird. Das Isolierteil ist außerdem radial
an einer Schutzhülse
abgestützt,
die die Haltekappe sowie das Isolierteil mit Radialabstand umgibt.
Die Abstützung
ist vorzugsweise mittels eines federelastischen Fixierelements vorgenommen,
das am Isolierteil und an der Innenwand der Schutzhülse anliegt
und gleichzeitig das Isolierteil über einen am Isolierteil ausgebildeten
Flansch auf der Haltekappe kraftschlüssig fixiert.
-
Zeichnung
-
Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 ausschnittweise einen
Längsschnitt eines
Messfühlers
mit einer Schnittführung,
wie sie in 4 durch die
Schnittlinie I-I angedeutet ist,
-
2 einen Querschnitt eines
Isolierteils eines Verbindungssteckers im Messfühler längs der Schnittlinie II-II
in 1,
-
3 einen Querschnitt des
Isolierteils längs
der Linie III-III in 1,
-
4 einen Querschnitt des
Isolierteils längs
der Linie IV-IV in 1,
-
5 eine Seitenansicht einer
Kontaktfeder des Verbindungssteckers des Messfühlers in 1,
-
6 die auf Einbauzustand
zusammengedrückte
Kontaktfeder in 5,
-
7 eine Ansicht der Kontaktfeder
in Richtung Pfeil VII in 6.
-
Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
-
Der
in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Messfühler zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, ist
beispielsweise eine sog. Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Messfühler kann aber auch als Gassensor
zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur
Messung der Abgastemperatur ausgeführt werden.
-
Der
Messfühler
weist ein dem Messgas aussetzbares, stabförmiges Sensorelement 10 auf,
das in einem Gehäuse 11 aus
Metall aufgenommen ist und mit einem hier nicht dargestellten messgasseitigen
Endabschnitt und einem anschlussseitigen Endabschnitt 101 aus
dem Gehäuse 11 herausragt.
Das Sensorelement 10 ist mittels einer paketartigen Keramikdichtung 12 gasdicht
durch das Gehäuse 11 hindurchgeführt. Üblicherweise
besteht die Dichtung 12 aus zwei Keramikteilen, von denen
in 1 nur das obere Keramikteil 13 zu sehen
ist, und einem zwischen den Keramikteilen angeordneten Dichtelement aus
Bornitrit. Das obere Keramikteil 13 steht aus dem Gehäuse 11 vor
und ist von einer Haltekappe 14 überdeckt, die mit ihrem Kappenrand
am Gehäuse 11 befestigt,
z.B. verschweißt,
ist. Das Gehäuse 11 trägt einen
Schlüsselsechskant 15 und
ein hier nicht dargestelltes Gewinde als Mittel für den Einbau
des Messfühlers
in eine Messgasleitung derart, dass der messgasseitige Endabschnitt
dem Messgas ausgesetzt ist.
-
Der
anschlussseitige Endabschnitt
101 des Sensorelements
10 trägt Kontaktflächen
16,
die aus elektrisch leitfähigem,
korrosionsresistentem Material, z.B. Platin oder Gold bzw. einer
Platin- oder Goldlegierung, bestehen und über hier nicht dargestellte Leiterbahnen
mit dem messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements
10 verbunden
sind. Der Aufbau und die Wirkungsweise des Sensorelements
10 ist beispielsweise
in der
DE 199 41 051
A1 beschrieben. Die Kontaktflächen
16 sind dabei
auf den voneinander abgekehrten Großflächen des im Querschnitt rechteckförmigen Sensorelements
10 angeordnet. Im
Ausführungsbeispiel
trägt der
Endabschnitt
101 insgesamt vier Kontaktflächen
16,
von denen jeweils zwei nebeneinander auf einer Großfläche angeordnet
sind. In der Schnittdarstellung sind von den insgesamt vier Kontaktflächen
16 nur
zwei Kontaktflächen
16 zu
sehen, von denen jeweils eine auf den voneinander abgekehrten Großflächen des
Endabschnitts
101 liegt.
-
Auf
den aus der Haltekappe 14 herausragenden Endabschnitt 101 des
Sensorelements 10 ist ein Verbindungsstecker 17 aufgesetzt,
der die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 16 und
Anschlussleitungen 18 herstellt, die den Messfühler mit
einem Steuergerät
verbinden. Die ummantelten Anschlussleitungen 18 sind von
einem elastischen, stopfenartigen Formteil 19 eng umfasst,
das aus einem warmfesten Material, z.B. PTFE, besteht. Eine Schutzhülse 20 aus
Metall umgibt die Haltekappe 14 und den Verbindungsstecker 17 mit
radialem Abstand und ist an ihrem. einen Ende durch eine umlaufende
Schweißnaht 21 am
Gehäuse 11 befestigt und
mit ihrem davon abgekehrten Endbereich auf dem Formteil 19 durch
einen Rundumverstemmung 22 festgelegt.
-
Der
Verbindungsstecker 17 hat ein zylindrisches Isolierteil 23 aus
Keramik, das einen koaxialen Schacht 24 zur Aufnahme des
Endabschnitts 101 des Sensorelements 10 und entsprechend der
Anzahl der Kontaktflächen 16 auf
dem Endabschnitt 101 hier vier parallel zum zentralen Schacht 24 verlaufende
Aufnahmekammern 25 aufweist, die zum Schacht 24 hin
offen sind. In der Schnittdarstellung der 4 ist der
in den zentralen Schacht 24 formschlüssig eingeschobene Endabschnitt 101 des
Sensorelements 10 strichliniert dargestellt. Jeweils zwei
Aufnahmekammern 25 liegen auf einer Seite des zentralen Schachts 24 nebeneinander
und sind durch einen bis zum Schacht 24 reichenden Steg 26 voneinander
getrennt. Die Aufnahmekammern 25 durchziehen das Isolierteil 23 axial
vollständig,
während
der Schacht 24 an dem von der Haltekappe 14 abgekehrten
oberen Ende des Isolierteils 23 durch einen mit dem Isolierteil 34 einstückigen Quersteg 30 geschlossen
ist, der am oberen Ende des Isolierteils 23 zwischen den am
Schacht 24 einander gegenüberliegenden Aufnahmekammern 25 verbleibt.
Im Axialabstand unterhalb der Öffnungen 251 der
Aufnahmekammern 25 am oberen Ende des Isolierteils 23 ist
in jeder Aufnahmekammer 25 ein Paar sich gegenüberliegender Hinterschnitte 27 vorhanden.
Diese Hinterschnitte 27 werden von axialen Nutbegrenzungen
von einander paarweise gegenüberliegenden
axiale Nuten 28, 29 gebildet. Die vom Schacht 24 weiter
entfernt liegende äußere Nut 28 ist
in die vom Schacht 24 abgekehrte Kammerwand 252 eingearbeitet.
Diese Nut 28 läuft am
haltekappenseitigen Ende des Isolierteils 23 frei aus und
endet am haltekappenfernen, oberen Ende des Isolierteils 23 mit
Axialabstand vor der Öffnung 251.
Die unmittelbar am Schacht 24 liegenden Nuten 29 sind
in den Quersteg 30 vom Schacht 24 ausgehend, eingearbeitet
und enden im gleichen axialen Abstand wie die Nuten 28 vor
den Öffnungen 251 der Aufnahmekammern 25.
-
Der
Verbindungsstecker 17 umfasst weiter eine der Zahl der
zu kontaktierenden Kontaktflächen 16 auf
dem Endabschnitt 101 des Sensorelements 10 entsprechende
Anzahl von Kontaktfedern 31, von denen jeweils eine in
eine Aufnahmekammer 25 eingesetzt ist. Die in 5 in
Seitenansicht zu sehende Kontaktfeder 21 weist eine achssymmetrische V-Form
mit zwei einstückig
miteinander verbundenen, V-förmig
abgespreizten Federschenkeln 311, 312 auf. Die
freien Enden der Federschenkel 311, 312 sind abgewinkelt,
und aus jedem Federschenkel 311, 312 ist in Abstand
von dem Schenkelende eine Rastnase 32 ausgebogen. Außerdem ist
an dem einen Federschenkel 311 eine höckerartige, konvexe Auswölbung 33,
die ebenfalls aus dem Federschenkel 311 ausgedrückt ist,
vorhanden (5–7).
-
Für die Montage
werden die Federschenkel 311, 312 zusammengedrückt (6).
Die so elastisch deformierte Kontaktfeder 31 wird durch
die Öffnung 251 in
eine Aufnahmekammer 25 eingesetzt und soweit eingeschoben,
bis einerseits die abgewinkelten Schenkelenden der Federschenkel 311, 312 die Öffnung 251 übergreifend
auf der Oberfläche
des Isolierteils 23 aufliegen und andererseits die Rastnasen 32 sich
an den in der Aufnahmekammer 25 gegenüberliegenden Hinterschnitten 27 abstützen (1).
Damit ist die Kontaktfeder 31 in der Aufnahmekammer 25 eingeclipst
und in der Aufnahmekammer 25 axial und radial unverschieblich
gehalten. Die Öffnungen 251 der
Aufnahmekammer 25 sind dabei so dimensioniert, dass die
Auswölbungen 33 an
den Federschenkeln 311, die dem zentralen Schacht 24 zugekehrt
sind, nicht oder nur geringfügig
in den zentralen Schacht 24 hineinragen.
-
Das
Isolierteil 23 weist an seinem der Haltekappe 14 zugekehrten
Ende einen umlaufenden Flansch 34 auf, der radial über die
Außenfläche des Isolierteils 23 vorsteht.
In die Unterseite des Isolierteils 23 ist eine konzentrische
Vertiefung 35 eingearbeitet, die der Zentrierung des Isolierteils 23 auf
der Haltekappe 14 dient.
-
Bei
der Montage wird das mit den Kontaktfedern 31 in jeder
Aufnahmekammer 25 ausgestattete Isolierteil 23 mit
seinem zentralen Schacht 24 über den Endabschnitt 101 des
Sensorelements 10 geschoben und mit seiner Vertiefung 35 auf
die Haltekappe 14 aufgesetzt. Da die schachtseitigen Federschenkel 311 der
insgesamt vier Kontaktfedern 31 nicht oder nur wenig in
den Schacht 24 hineinragen, dringt der Endabschnitt 101 des
Sensorelements 10 weitgehend kräftefrei in den Schacht 24 ein,
so dass eine Beschädigung
der empfindlichen Kontaktflächen 16 auf
dem Endabschnitt 101 durch das Einschieben des Sensorelements 10 zuverlässig vermieden
wird. Zum Verbindungsstecker 17 gehören ferner steife Kontaktfahnen 36 aus
rostfreiem Stahl. Die Kontaktfahnen 36 haben Stabform mit
einem viereckigen, vorzugsweise rechteckigen Querschnittsprofil.
Sie können
jedoch auch als Rundstift ausgeführt
werden. Die Anzahl der Kontaktfahnen 36 entspricht wiederum
der Anzahl der Kontaktfedern 31 bzw. der Aufnahmekammern 25.
Jede Kontaktfahne 36 ist über ein biegeweiches Ausgleichsstück 37 mit dem
abisolierten Ende einer Anschlussleitung 18 verbunden.
Die Verbindungsstellen an den Anschlussleitungen 18 sind
von einem Isoliermaterial 38 umschlossen, das in das Formteil 19 eingepresst
ist. Die Kontaktfahnen 36 werden nunmehr durch die Öffnungen 251 hindurch
jeweils zwischen die Federschenkel 311, 312 der
in einer Aufnahmekammer 25 gehaltenen Kontaktfeder 31 eingeschoben.
Dadurch werden die Federschenkel 311, 312 auf
gespreizt, und die Auswölbungen 33 auf
den schachtseitigen Federschenkeln 311 pressen sich auf
jeweils eine der Kontaktflächen 16 auf
dem Endabschnitt 101 des Sensorelements 10 auf.
-
Das
Isolierteil 23 ist radial an der Schutzhülse 20 abgestützt und
axial auf die Haltekappe 14 aufgedrückt. Dies erfolgt mittels eine
federelastischen Fixierelements 39, das axial am Flansch 34 und
radial am Isolierteil 23 und an der Schutzhülse 20 anliegt. Dabei
kann das Fixierelement 39 an seinem das Isolierteil 23 umgreifenden
Bereich elastische Radialzähne 40 aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel
der 1 ist das Fixierelement 39 als Federring 41 ausgeführt, der
mit einem ringförmigen
zentralen Teil 411 auf das Isolierteil 23 aufgeschoben
ist und sich über vom
zentralen Teil 411 radial abgehende Federstege 412 an
der Innenwand der Schutzhülse 20 abstützt.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So
braucht der Endabschnitt des Sensorelements nicht rechteckig zu sein,
sondern kann auch einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. In diesem
Fall sind die Aufnahmekammern sternförmig um den koaxialen Schacht
herum gruppiert, und die in den Aufnahmekammern gehaltenen Kontaktfedern
pressen sich mit ihren schachtseitigen Federschenkeln auf die über den Umfang
des Endabschnitts vorzugsweise äquidistant angeordneten
Kontaktflächen
auf.