DE19829409C2 - Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhülse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungsaufnehmer mit ei­ ner Druckhülse nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bereits in der DE 195 24 147 C2 ein Schwingungs­ aufnehmer mit einer Druckhülse beschrieben, der als Klopfsensor für die Überwachung der Funktion eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Diese Druckhülse wird über einen Auflagebereich fest an das die Schwingungen verursachende Bauteil, hier an den Motorblock des Verbrennungsmotors, angefügt.

Die zu detektierenden Schwingungen sind Klopfgeräusche des Verbrennungsmotors im Betrieb, die über die Druckhül­ se auf eine piezokeramische Scheibe als eigentliches Sen­ sorelement mit dazwischenliegenden Kontaktscheiben und Isolierscheiben, die den Signalabgriff ermöglichen, ge­ leitet werden damit ein auswertbares elektrisches Aus­ gangssignal bilden.

Die Art der Anbringung, bzw. der Einspannung dieses Sen­ sorelements an der Druckhülse und die Befestigung der Druckhülse am schwingenden Bauteil hat hier großen Einfluß auf die Herstellungsweise. Die Einspannung des Sensorelements mitsamt einer Vielzahl von Einzelteilen, z. B. mit einer Feder und einer seismischen Masse, er­ folgt bei diesem bekannten Schwingungsaufnehmer mit einem Gewindering der auf ein entsprechendes Gewinde an der Druckhülse aufschraubbar ist und direkt auf der seismi­ schen Masse aufliegt.

Dieser bekannte Gewindering und das Gewinde auf der Druckhülse sind ein wesentlicher Kostenfaktor und es wer­ den alternative Befestigungsmöglichkeiten gesucht. Alle Bestandteile müssen bei den auftretenden Beschleunigungen bei definierter mechanischer Vorspannung fest zusammenge­ presst sein und bleiben. Wenn sich die Vorspannung än­ dert, ändert sich auch die Übertragungskennlinie und er­ schwert damit die Auswertung.

Der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer der oben ange­ gebenen Art und mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 löst insbesondere die Aufgabe, auch unter einem möglichen Verzicht auf eine Feder die notwendige, ein­ gangs erwähnte axiale Vorspannung mit einer optimalen Druckverteilung auf das derart eingespannte Sensorelement an der Druckhülse des Schwingungsaufnehmers erreichbar zu machen.

In Verbindung mit einem Schwingungsaufnehmer, der eben­ falls der Gattung von Anspruch 1 entspricht, wird durch die DE 44 03 660 A1 die Lehre erteilt, im Sinne einer gu­ ten Schwingungsaufnehmer-Bauteil-Kopplung, die dem Bau­ teil zugekehrte Fläche der Druckhülse z. B. konisch auszu­ legen. Anregungen zu einer entsprechenden Ausgestaltung auch der seismischen Masse finden sich im Stand der Tech­ nik aber nicht.

Erfindungsgemäß weist die seismische Masse im unmontier­ ten Zustand in vorgegebenen ringförmigen Bereichen dem­ nach einen einfach anzubringenden Abstand, beispielsweise durch eine konische Kontur, zu dem Sensorelement und zu der dazwischenliegenden Isolier- und Kontaktscheibe auf. Dadurch, dass beispielsweise mit dem Gewindering beim Aufschrauben ein Druck zur Verringerung dieses Abstands ausübbar ist, wird damit die notwendige Druckkraft für die Einspannung des Sensorelements erzeugt.

Nach der Montage, d. h. nach dem erfolgten Aufschrauben des Gewinderinges auf das entsprechende Gewinde an der Druckhülse, liegt somit diese Seite der seismischen Masse im wesentlichen plan auf. Die nunmehr ausgeübte axiale Vorspannung für das Sensorelement wird hierbei durch flä­ chenmäßig relativ gleich verteilte Druckkräfte ausgeübt, da zunächst die seismische Masse in den Bereichen ohne Abstand aufliegt und der Druck des Gewinderinges zunächst den Abstand überwinden muss.

Somit sind beim erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmer die Nachteile des Standes der Technik mit einer auch im unmontierten Zustand planen Auflage der seismischen Masse auf die Anordnung mit dem Sensorelement vermieden. Hier wird an der Druckeinleitungsstelle des Gewinderinges oder einer Feder bei der Montage eine höhere Kraft ausgeübt, die im Ergebnis nach der Montage zu einer ungleichen Kraftverteilung auch auf der Anlagefläche der seismischen Masse an der Anordnung mit dem Sensorelement führt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die seismi­ sche Masse im unmontierten Zustand an der der Anordnung mit dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite mit einer im radialen Schnitt schrägen Kontur versehen, die einen radial innen oder außen liegenden Abstand erzeugt.

Um eine gleichmäßige Druckverteilung im Sensorelement zu erhalten, ist es gegebenenfalls wichtig, wo eine ringför­ mige Auflage des Gewinderinges auf der seismischen Masse erfolgt. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass Schwin­ gungsaufnehmer mit unterschiedlich langer radialer Aus­ dehnung der seismischen Masse hergestellt werden. Bei vielen Schwingungsaufnehmern ist die radiale Ausdehnung der seismischen Masse relativ groß. Dadurch ist eine sog. Hebelwirkung bei der ringförmigen Auflage der Mutter auf der seismischen Masse zu beachten. Würde die ringförmige Auflage etwa genau mittig auf der seismischen Masse er­ folgen, so würden sich die Randbereiche von der piezoke­ ramischen Scheibe etwas abheben. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn bei einer ringförmigen Auflage der An­ griff des Gewinderinges auf der seismischen Masse außer­ mittig erfolgt, insbesondere in Richtung der konischen Ausbildung, d. h. des Abstandes, versetzt ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt die seismische Masse im unmontierten Zustand an der der Anordnung mit dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite eine im radialen Schnitt konkave Kontur. Hierbei kann auf einfache Weise auch eine mittige Auflage des Gewinderin­ gen auf der seismischen Masse realisiert werden. Zur wei­ teren Vergleichmäßigung der Krafteinleitung kann die seismische Masse auch an der am Gewindering anliegenden Seite eine korrespondierende Schräge oder sonstige Kontur aufweisen.

Der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer mit einer koni­ schen oder konkaven jeweils gleichen Ausbildung der un­ montierten seismischen Masse auf der Ober- und auf der Unterseite bietet darüber hinaus auch einen Sicherheits­ effekt, da ein falscher Einbau der seismischen Masse wäh­ rend der Montage verhindert werden kann. Vom Prinzip her ist die Auflageart des Gewinderinges auf der seismischen Masse unterschiedlich gestaltbar. Der Gewindering kann sowohl plan, d. h. flächig, oder auch ringförmig auf der seismischen Masse aufliegen. Ziel der konischen oder kon­ kaven Ausbildung der seismischen Masse ist es, eine gleichmäßige Druckverteilung im Sensorelement, beispiels­ weise einer piezokeramischen Scheibe, zu erreichen.

Die Form und Größe der konischen oder konkaven Ausbildung der Oberfläche der seismischen Masse kann hierbei auf einfache Weise auf die durch den Gewindering zu erzeugen­ de Vorspannung abgestimmt werden. Bei den in der Praxis verwendeten Klopfsensoren als Schwingungsaufnehmer kann dabei vorteilhaft auf der Innenseite, d. h. im Bereich der Bohrung in der Druckhülse, eine Höhe von ca. 0,2 mm vor­ gesehen werden.

Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist das, die Schwin­ gungen verursachende Bauteil der Motorblock eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schwingungs­ aufnehmers mit einer Druckhülse werden anhand der Zeich­ nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnitt durch ein Klopfsensorgehäuse als Schwingungsaufnehmer mit einer seismischen Masse mit einer konischen Kontur vor der Montage;

Fig. 2 einen Detailschnitt der seismischen Masse vor der Montage;

Fig. 3 einen Detailschnitt der seismischen Masse nach der Montage;

Fig. 4 einen Detailschnitt der Anordnung der seismi­ schen Masse an einer Druckhülse nach dem Stand der Technik, einschließlich der Druckverläufe;

Fig. 5 einen Detailschnitt der Anordnung der seismi­ schen Masse an einer Druckhülse mit einer Schräge, an der seismischen Masse, einschließlich der Druckver­ läufe und

Fig. 6 einen Detailschnitt der Anordnung der seismi­ schen Masse an einer Druckhülse mit einer konkaven Kontur der seismischen Masse.

In der Fig. 1 ist als Schwingungsaufnehmer ein Klopfsen­ sor für einen Verbrennungsmotor mit einem äußeren Kunst­ stoffgehäuse 1 dargestellt, in dem eine Druckhülse 2 an­ geordnet ist, die mit ihrer unteren Fläche 3 auf dem hier nicht dargestellten Motorblock, dessen Schwingungen de­ tektiert werden sollen, aufliegt. Am Außenumfang der Druckhülse 2 sind, ausgehend vom unteren Rand, folgende Teile angeordnet: eine Isolierscheibe 4, eine erste Kon­ taktscheibe 5, eine piezokeramische Scheibe 6 als eigent­ liches Sensorelement und darüber wiederum eine zweite Kontaktscheibe 5 sowie eine zweite Isolierscheibe 4. Auf diese Anordnung ist eine seismische Masse 7 aufgesetzt, die mit einem schraubbaren oder auf sonstige Weise be­ festigbaren Ring 9 in Richtung der piezokeramischen Scheibe 6 gedrückt wird.

In einem integrierten Anschlußteil 10 des insbesondere in einem Kunststoff-Spritzgußverfahren hergestellten Gehäu­ ses 1 ist ein elektrischer Anschluss 11 für die Kontakt­ scheiben 5 eingespritzt. Der elektrische Anschluss 11 ist hier einstückig mit der jeweiligen Kontaktscheibe 5 her­ gestellt. Es besteht somit über die beiden Kontaktschei­ ben 5 eine elektrische Verbindung zu den beiden Seiten der piezokeramischen Scheibe 6. An den Anschlüssen 11 ist die elektrische Spannung, die bei einer Druckbean­ spruchung der piezokeramischen Scheibe 6 erzeugt wird, abnehmbar.

Durch eine zentrale Ausnehmung bzw. eine Bohrung 12 in der Druckhülse 2 ragt eine hier nicht dargestellte Befes­ tigungsschraube, mit welcher insgesamt dieser Klopfsensor mittel- oder unmittelbar am Motorblock des Verbrennungs­ motors befestigbar ist. Bei der Montage des Klopfsensors wird das gesamte, von der oben beschriebenen Befesti­ gungsschraube für die Montage auf dem Motorblock ausgeüb­ te Drehmoment auf die Druckhülse 2 über die untere Fläche 3 übertragen, d. h. auf die piezokeramischen Scheibe 6 als Sensorelement wirkt durch die Befestigung keine Kraft.

Eine notwendige axiale Vorspannkraft beim Einspannen der piezokeramischen Scheibe 6 ist so gewählt, daß an der piezokeramischen Scheibe 6 gerade noch ohne bleibende Verschlechterung des elektrischen Signals ertragbare Axi­ alkräfte wirksam sind und diese auch von thermischen Deh­ nungen sowie unvermeidlichen Stauchungen der Druckhülse 2 bei der Montage weitestgehend unabhängig ist. Die von der seismischen Masse 7 proportional zu den Schwingungen des Verbrennungsmotors ausgeübten Impulse werden in der pie­ zokeramischen Scheibe 6 in Spannungsimpulse umgewandelt, die an einem entsprechenden Meßgerät ablesbar sind.

Beim Klopfsensor nach der Fig. 1 ist im fertigmontierten Zustand eine obere, radial nach innen schräge Kontur der seismischen Masse 7 zu erkennen. Aus Fig. 2 ist die seismische Masse 7 vor der Montage zu entnehmen. Hieraus ist erkennbar, dass die seismische Masse 7 ursprünglich eine konische Kontur aufwies, d. h. sowohl die Unter- als auch die Oberseite waren radial nach innen abgeschrägt. Aus Fig. 3 ist die seismische Masse 7 nach erfolgter Montage, also im Zustand nach der Fig. 1, im Detail zu erkennen. Mit Pfeilen 15 ist in der Fig. 3 die hier ringförmig auftreffende Druckkraft gekennzeichnet, die vom Gewindering 9 (Fig. 1) bei der Montage auf die Ober­ seite der seismischen Masse 7 ausgeübt wird. Die Unter­ seite der seismischen Masse 7 wird hierdurch zu einer planen Auflage an die piezokeramische Scheibe 6 über die Kontakt- und Isolierscheibe 5 und 4 geformt.

Aus Fig. 4 ist eine Anordnung nach dem Stand der Technik ausschnittsweise mit einer seismischen Masse 8 mit recht­ eckigem Querschnitt zu entnehmen. Hieraus ist zuerkennen, dass eine ringförmige Druckeinleitung (Pfeil 16) mittels eines Gewinderings oder einer Feder 17 zu einer über die Auflagefläche ungleichen Druckverteilung 18 an der piezo­ keramischen Scheibe 6 führt.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 5 zeigt eine an der Unterseite abgeschrägte seismische Masse 7, bei der eine radial äußere Einleitung der Druckkraft 16 zu einer planen Auflage an der piezokeramischen Scheibe 6 (über die Isolier- und Kontaktscheiben 4 und 5) und zu einer gleichmäßigen Druckverteilung 18 führt, da zunächst die seismische Masse 7 in den Bereichen ohne Abstand aufliegt und der Druck des aufzuschraubenden Gewinderinges zu­ nächst diesen Abstand überwinden muss.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der seismischen Masse 7 mit einer konkaven Unterseite und einen Gewindering 9a, der so geformt ist, dass eine mittige Einleitung der Druck­ kraft beim Aufschrauben des Gewinderinges 9a erfolgt. Hierbei muss also der mittige Abstand der seismischen Masse 7 zu der Anordnung mit der piezokeramischen Scheibe 6 überwunden werden, bis eine plane Auflage erfolgt.

Claims (9)

1. Schwingungsaufnehmer mit einer ein flanschartiges Ende aufweisenden Druckhülse, bei dem
die Druckhülse (2) über eine mittel- oder unmittelbare Befestigung mit diesem Ende mit einem schwingenden Bauteil kontaktierbar und an diesem anbringbar ist, und
einem unter einer seismischen Masse (7) angeordneten Sensorelement (6), das radial außen an der Druckhülse (2) mittels eines aufschraubbaren Gewinderinges oder einer sonstigen Befestigungsmöglichkeit unter einer axialen Vorspannung gegen das flanschartige Ende gehalten sowie über Kontaktscheiben (5) und ein Anschlußteil (11) elektrisch kontaktierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die seismische Masse (7) im unmontierten Zustand nur teilweise auf der Anordnung mit dem Sensorelement (6) aufliegt, wobei in vorgegebenen ringförmigen Bereichen ein Abstand zur Anordnung mit dem Sensorelement (6) vorhanden ist und daß
nach der Montage unter Überwindung dieses Abstandes bei im wesentlichen planer Auflage der seismischen Masse (7) auf der Anordnung mit dem Sensorelement (6) die axiale Vorspannung erzeugt ist.

2. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindering (9) oder die sonstige Befestigungsmöglichkeit so geformt ist, daß mindestens auf die den ringfömigen Bereichen mit dem Abstand in etwa gegenüberliegenden Bereiche der seismischen Masse (7) ein Druck zur Verringerung des Abstandes ausübbar ist.

3. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (7) im unmontierten Zustand an der der Anordnung mit dem Sensorelement (6) gegenüberliegenden Seite eine im radialen Schnitt schräge Kontur mit einem radial innen liegenden Abstand aufweist.

4. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (7) im unmontierten Zustand an der der Baugruppe mit dem Sensorelement (6) gegenüberliegenden Seite eine im radialen Schnitt schräge Kontur mit einem radial außen liegenden Abstand aufweist.

5. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (7) im unmontierten Zustand an der der Anordnung mit dem Sensorelement (6) gegenüberliegenden Seite eine im radialen Schnitt konkave Kontur aufweist.

6. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (7) auch an der am Gewindering (9) oder an der sonstigen Befestigungsmöglichkeit anliegenden Seite eine korrespondierende Schräge oder konkave Kontur aufweist.

7. Schwingungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (6) eine piezokeramische Scheibe ist.

8. Schwingungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckhülse (2) und dem Sensorelement (6) eine Isolierscheibe (4) angeordnet ist.

9. Schwingungsaufnehmer als Klopfsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schwingungen verursachende Bauteil der Motorblock eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug ist.