DE3943691C2 - Schwingungserfassungsvorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schwingungserfassungsvorrichtung
zum Messen der Schwingungen eines Maschinenteiles, bei
spielsweise zur Feststellung von Klopfen einer Brennkraft
maschine.
Aus dem deutschen 84 36 486 U1 ist eine Schwingungserfassungsvorrichtung
mit einem mit einem schwingungsmäßig zu überwachenden Gegenstand
koppelbaren Gehäuse bekannt, das an eine zentrale Metallbuchse angespritzt
ist. Aus der US-PS 4 660 409 ist es bekannt, bei Schwingungserfassungs
vorrichtungen mit einem ringförmigen Hohlraum in einem Gehäuse
diesen mit einem einzigen Füllstoff auszufüllen.
Die Fig. 4 und 5 sind eine Draufsicht bzw. ein Quer
schnitt II-II nach Fig. 4 und zeigen eine konventionelle
Schwingungserfassungsvorrichtung. Die Figuren zeigen eine
Buchse 1 aus Metall, die in der Mitte ein Bolzeneinfüh
rungsloch 13 hat. Die Buchse 1 hat ferner einen Flansch und
einen Zylinderabschnitt 1c, um den herum Konstruktionsele
mente angeordnet sind. Der Flansch der Buchse 1 hat eine
Sitzfläche 1a, die mit einer Brennkraftmaschine in Kontakt
liegt, wenn die Schwingungserfassungsvorrichtung an dieser
montiert ist, sowie eine Grundfläche 1b, auf der die Kon
struktionselemente in Vertikalrichtung aufeinandergestapelt
sind. Ein Gehäuse 2 aus einem Harzstoff ist gemeinsam mit
der Buchse 1 durch Spritzgießen hergestellt unter Bildung
eines Aufnahmeabschnitts an der Außenseite des Zylinder
abschnitts der Buchse 1 . Das Gehäuse 2 dient ferner als
Gehäuse der Schwingungserfassungsvorrichtung. Ein Verbinder
3 verläuft von einem Teil des Gehäuses 2 nach außen und hat
einen Ausgangsanschluß 11 zur Ausgabe eines Erfassungssi
gnals. Auf der Grundfläche 1b des Flanschs der Buchse 1 ist
eine Scheibe 4 angeordnet. Ein piezoelektrisches Element 5
wandelt Schwingungen in ein elektrisches Signal um. Die
Bezugselektrode des piezoelektrischen Elements 5 ist mit
der Scheibe 4 verbunden. Ein Anschlußkontakt 6 ist mit der
Ausgangselektrode des piezoelektrischen Elements 5 elek
trisch verbunden und liefert ein Erfassungssignal. Eine
Isolierfolie 7 aus einem Polyethylenterephthalat- bzw. PET-
Film oder einem Polyphenylensulfit- bzw. PPS-Film od. dgl.
liegt auf der Seite des Anschlußkontakts 6, die der das
piezoelektrische Element 5 kontaktierenden Seite abgewandt
ist. Eine Masse bzw. ein Gewicht 8 beaufschlagt das piezoelektrische Ele
ment 5 mit einer Schwingbeanspruchung. Eine Mutter 9 ist
auf einen am Außenumfang des Zylinderabschnitts 1c der
Buchse 1 geformten Gewindeabschnitt geschraubt, um die
Konstruktionselemente der Schwingungserfassungsvorrichtung,
d. h. die Scheibe 4, das piezoelektrische Element 5, den
Anschlußkontakt 6, die Isolatorfolie 7 und das Gewicht 8,
festzulegen. Ein Isolierschlauch 12, der aus Klebeband oder
einem warmschrumpfbaren Schlauch besteht, liegt zwischen
der Buchse 1 und den Konstruktionselementen. Das am piezo
elektrischen Element 5 gebildete Erfassungssignal wird am
Ausgangsanschluß 11 über den Anschlußkontakt 6 und den Ver
binder 3 ausgegeben.
Die Fig. 6a und 6b sind Diagramme von Beispielen der Fre
quenzverläufe, die mit der konventionellen Schwingungser
fassungsvorrichtung nach Fig. 4 und 5 erhalten werden.
Fig. 7a ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer weiteren
konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung. Dabei
sind gleiche Teile wie in Fig. 4 und 5 gleich bezeichnet. Bei der
konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung ist zwi
schen dem Außenumfang des Gewichts 8 und dem Innenumfang
des Gehäuses 2 ein Dämpfungsmaterial 21 angeordnet, um die
mechanische Verbindung zwischen beiden zu schwächen. Als
Material für das Gehäuse wird im allgemeinen Polybutylen
terephthalat bzw. PBT eingesetzt, da es relativ hart ist
und Schwingungen in einem Schwingungserfassungssystem sehr
gut überträgt.
Fig. 7b ist eine Draufsicht, die den Zustand des mit dem
Dämpfungsmaterial 21 zusammengebauten Gewichts 8 zeigt.
Dabei verläuft das Dämpfungsmaterial 21 nicht bis zu dem
Kontaktabschnitt zwischen dem Ausgangsanschluß 11 und dem
Anschlußkontakt 6.
Das Diagramm von Fig. 8 zeigt ein Beispiel des Frequenz
verlaufs der konventionellen Schwingungserfassungsvorrich
tung von Fig. 7.
Nachstehend wird das Prinzip der Schwingungserfassung
erläutert. Die Schwingungserfassungsvorrichtung ist an
einer Brennkraftmaschine mit einem Bolzen (nicht gezeigt)
befestigt, der durch das Bolzeneinführungsloch 13 der
Buchse 1 geführt ist, so daß die Sitzfläche 1a einen Teil
der Brennkraftmaschine kontaktiert. Schwingungen treten je
nach dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf und
werden auf die Schwingungserfassungsvorrichtung über die
Sitzfläche 1a übertragen. Da das piezoelektrische Element 5
und das Gewicht 8 auf der Buchse 1 einander überlappend
montiert sind, wird eine Trägheitsbeanspruchung im Gewicht
8 auf das Element 5 in Abhängigkeit von den Schwingungen
übertragen. Wenn das piezoelektrische Element 5 die Träg
heitsbeanspruchung empfängt, wird ein der Größe der Träg
heitsbeanspruchung proportionales Erfassungssignal erzeugt,
so daß dem Ausgangsanschluß der Elektrode ein Erfassungs
signal zugeführt wird. Die Stärke des Erfassungssignals
basiert auf einem Potential an der scheibenseitigen Elek
trode des piezoelektrischen Elements 5. Da die Scheibe 4
aus Metall besteht, entspricht das Potential an der Bezugs
elektrode des piezoelektrischen Elements 5 demjenigen der
Buchse 1. Andererseits ist das Potential am Gewicht 8
gleich demjenigen der Bezugselektrode des piezoelektrischen
Elements 5, weil die Mutter 9 und das Gewicht 8 aus Metall
bestehen. Daher ist der Anschlußkontakt 6 von dem Gewicht 8
durch die zwischengefügte Isolatorfolie getrennt. Somit
wird das Erfassungssignal vom piezoelektrischen Element 5
über den Anschlußkontakt 6 am Ausgangsanschluß 11 abgenom
men. Da der Isolierschlauch 12 den Zylinderabschnitt 1c der
Buchse 1 umgibt, besteht keine Kurzschlußgefahr zwischen
dem Anschlußkontakt 6 und dem Zylinderabschnitt 1c der
Buchse, und zwar auch dann nicht, wenn der Anschlußkontakt
6 bei der Montage etwas verbogen wird. Das Vorsehen des
Isolierschlauchs 12 ist daher sehr wichtig, um ein rich
tiges Erfassungssignal zu gewinnen.
Da die Schwingungserfassungsvorrichtung nach Fig. 4 und 5 eine
feste mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem
Gewicht 8 aufweist, werden unerwünschte Schwingungen vom
Gehäuse 2, das aus einem Harzstoff besteht, auf das Gewicht
8 übertragen, wodurch eine Verzerrung der Trägheitsbean
spruchung resultiert. Dies führt wiederum zu einer Verzer
rung der Ausgangsspannung der Schwingungserfassungsvorrich
tung, obwohl Schwingungen mit konstanter Amplitude die
Sitzfläche 1a beaufschlagen. Wenn die Ausgangsspannung eine
derartige Verzerrung aufweist, wird hochfrequenzseitig eine
hohes Ausgangssignal erzeugt, und selbst in einem Niedrig
frequenzbereich kann kein flacher Frequenzgang erhalten
werden, wie die Fig. 6a und 6b zeigen.
Um das genannte Problem zu beseitigen, wurde bereits vor
geschlagen, das Dämpfungsmaterial 21 zwischen dem Gehäuse 2
und dem Gewicht 8 entsprechend Fig. 7 zu verwenden. Das
Dämpfungsmaterial 21 verringert die Übertragung unerwünschter
Schwingungen vom Gehäuse 2 auf das Gewicht 8 und ver
hindert, daß das Gewicht 8 eine Trägheitsbeanspruchung
überträgt, die zu einer ungleichmäßigen Ausgangs-Charak
teristik führt. Eine Trägheitsbeanspruchung, die den die
Vorrichtung beaufschlagenden Schwingungen korrekt folgt,
wirkt auf das piezoelektrische Element 5, so daß eine Aus
gangsspannung mit flachem Frequenzverlauf entsprechend Fig.
8 erhalten werden kann. Als Dämpfungsmaterial 21 wird
bevorzugt ein Harzmaterial verwendet.
Eine hinreichende Wirkung kann erzielt werden, wenn Gummi
oder ein Epoxidharz, das weicher als das Polybutylen
terephthalat des Gehäuses 2 ist, verwendet wird. Durch
geeignete Änderung der Form des Ausgangsanschlusses 11 und
des metallischen Anschlußkontakts 6 sowie durch geeignete
Anordnung des Dämpfungsmaterials 21 um den Gesamtumfangs
abschnitt des Gewichts 8 kann beispielsweise ein sehr guter
weiterer Effekt erzielt werden (gegenüber dem Ausführungs
beispiel von Fig. 7b, bei dem das Dämpfungsmaterial 21
diesen Abschnitt zwar umgibt, jedoch unter Aussparung des
Verbindungsabschnitts zwischen dem Ausgangsanschluß 11 und
dem Anschlußkontakt 6). Um eine weitere Wirkung zu erzie
len, wird das Dämpfungsmaterial 21 bis zum Bereich der
Mutter 9 ausgedehnt, um die Schwingungen vom Gehäuse 2 zu
trennen, so daß die unerwünschten Schwingungen nicht auf
das Gewicht 8 übertragen werden.
Mit der konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung
nach Fig. 7 kann der Frequenzgang in gewissem Umfang ver
bessert werden. Es genügt jedoch nicht, unerwünschte
Schwingungen dadurch zu isolieren, daß das Dämpfungsmate
rial um das Gewicht herum angeordnet wird, weil die mecha
nische Verbindung zwischen dem Gewicht und dem Gehäuse
immer noch stark ist. Bei der konventionellen Schwingungs
erfassungsvorrichtung stellt sich ein ungleichmäßiger Fre
quenzgang entsprechend Fig. 8 ein, und die Ausgangsspannung
schwankt in Abhängigkeit von den Frequenzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Schwingungserfassungsvorrichtung, die ungeachtet der
Frequenzen eine gleichbleibende Ausgangs-Erfassungsspannung
erzeugen kann.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs
gelöst.
Die Erfindung ist im folgenden
anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schwingungser
fassungsvorrichtung gemäß der Stammanmeldung;
Fig. 2 ein Diagramm, das den Frequenzgang der Schwin
gungserfassungsvorrichtung von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Ausfüh
rungsbeispiel der Schwingungserfassungsvor
richtung nach der Erfindung;
Fig. 4 eine Vorderansicht einer konventionellen
Schwingungserfassungsvorrichtung;
Fig. 5 einen Querschnitt II-II nach Fig. 4;
Fig. 6a und 6b Diagramme, die die Frequenzverläufe der kon
ventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung
zeigen;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere konven
tionelle Schwingungserfassungsvorrichtung; und
Fig. 8 ein Diagramm, das den Frequenzgang der kon
ventionellen Vorrichtung nach Fig. 7 zeigt.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist ein Füllstoff 15 vorge
sehen, der einen zwischen der Buchse 1 und dem Gehäuse 2
ausgebildeten Aufnahmeabschnitt dicht abschließt. Fig. 2
zeigt den Frequenzgang der Schwingungserfassungsvorrichtung
nach Fig. 1.
Ein durch Spritzgießen geformtes Gehäuse 16 hat im wesent
lichen Ringform, und sein unterer Teil ist mit dem Außen
umfang des Flanschs der aus Metall bestehenden Buchse 1
fest verbunden. Am oberen Teil ist eine ringförmige Öffnung
19 gebildet, und ein ringförmiger Raum ist als Aufnahme
abschnitt zwischen dem Außenumfang des Zylinderabschnitts
1c der Buchse 1 und dem Innenumfang des Gehäuses 16 ausge
bildet. Im Aufnahmeabschnitt sind Konstruktionselemente wie
das piezoelektrische Element 5, das Gewicht 8 etc. aufge
nommen. Ebenso wie bei der konventionellen Schwingungser
fassungsvorrichtung nach den Fig. 4, 5 und 7 sind die Scheibe
4, das piezoelektrische Element 5, der Anschlußkontakt 6,
das Gewicht 8 und die Mutter 9 in dieser Reihenfolge auf
der Buchse 1 angeordnet, und der Füllstoff 15 ist in den
ringförmigen Zwischenraum zwischen den Außenseiten der
Konstruktionselemente und dem Innenumfang des Gehäuses und
in die ringformige Öffnung 19 gefüllt, so daß die Konstruk
tionselemente einschließlich der Mutter 9 vollständig dicht
eingeschlossen sind. Als Füllstoff 15 kann ein Harzmaterial
wie Epoxidharz verwendet werden.
Der Füllstoff 15 reduziert die mechanische Verbindung zwi
schen dem Gewicht 8 und dem Gehäuse 16 in ausreichender
Weise, so daß unerwünschte Schwingungen nicht vom Gehäuse
auf das Gewicht übertragen werden können und im wesentli
chen flache Frequenzgänge entsprechend Fig. 2 erhalten
werden.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch ein Ausführungs
beispiel der Schwingungserfassungsvorrichtung. Dabei sind
gleiche oder entsprechende Teile wie vorher mit den glei
chen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals
erläutert. Ein elektrischer Schwingungsaufnehmerabschnitt
A, der durch die Scheibe 4, das piezoelektrische Element 5,
die Isolatorfolie 7 und das Gewicht 8 gebildet ist, ist im
Aufnahmeabschnitt zwischen dem Zylinderabschnitt 1c der
Buchse 1 und dem Gehäuse 16 angeordnet. Ein erster Füll
stoff 18 eines gelartigen Silikonharzes ist in einen Raum
zwischen der Außenseite des Schwingungsaufnehmerabschnitts
A und dem Innenumfang des Gehäuses 16 gefüllt. Ein zweiter
Füllstoff 17 größerer Härte als der erste Füllstoff 18 ist
auf den ersten Füllstoff gefüllt und reicht bis zu der
ringförmigen Öffnung 19.
Durch Einfüllen des gelartigen ersten Füllstoffs 18 in den
Raum zwischen der Außenseite des elektrischen Schwingungs
aufnehmerabschnitts A und dem Innenumfang des Gehäuses 16
wird die mechanische Verbindung zwischen dem Gewicht und
dem Gehäuse geschwächt, wodurch der Grundfrequenzgang bei
Raumtemperatur flach wird und der Frequenzgang auch bei
einer Temperaturänderung flach ist.
Die Härte des zweiten Füllstoffs 17 ist größer als dieje
nige des ersten Füllstoffs 18. Somit kann eine sehr gute
Beständigkeit gegenüber der Umgebung und eine ausgezeich
nete Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten aufrechterhalten
werden.
Wenn der Füllstoff 15 entsprechend Fig. 1 verwendet und
unter Hochtemperaturbedingungen gehalten wird, kann die
Beständigkeit gegenüber der Umgebung und gegenüber Flüssig
keiten schlechter werden, weil der Füllstoff 15 durch
Mischen eines Hauptbestandteils mit einem Härter, gefolgt
von Erwärmung zum Aushärten, hergestellt wird. Wenn der
Füllstoff 15 nach dem Aushärten weich ist, ergeben sich
sehr gute Schwingungserfassungs-Charakteristiken. Wenn er
jedoch unter Hochtemperaturbedingungen gehalten wird, wird
er härter und spröde. In diesem Fall kann der flache Fre
quenzgang nicht erzielt werden.
Durch das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird eine Verbes
serung gegenüber dem vorgenannten Problem erzielt.
Claims (1)
- Schwingungserfassungsvorrichtung mit einem mit einem schwingungsmäßig zu überwachenden Gegenstand koppelbaren Gehäuse (16), das einen Aufnahmeabschnitt mit einem zu einem Ende, das dem Gegenstand abgewandt ist, hin offenen Hohlraum aufweist, in welchem ein piezo elektrisches Element (5), ein Anschlußkontakt (6) und eine mit dem piezoelektrischen Element gekoppelte träge Masse (8) festgelegt sind, wobei
- - das Gehäuse (16) ein im wesentlichen ringförmiger Körper aus Harzmaterial ist, der unter Bildung des Aufnahmeabschnittes mit dem Hohlraum an eine zentrale Metallbuchse (1) angespritzt ist;
- - der Hohlraum durch einen Füllstoff zum dichten Ein schließen der im Aufnahmeabschnitt aufgenommenen Elemente ausgefüllt ist;
- - der Füllstoff einen ersten Füllstoff (18) aus gel artigem Silikonharz, der die Außenseiten des piezoelek trischen Elements (5), dem Anschlußkontakts (6) und der Masse (8) in dem Hohlraum umgibt, und einen zweiten Füllstoff (17) umfaßt, der unter Abdeckung des ersten Füllstoffs (18) in den verbleibenden Teil des Hohlraumes gefüllt ist, und wobei
- - der zweite Füllstoff (17) härter als der erste Füllstoff (18) ist.
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