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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen druckempfindliche
elektrische Schalter zum Erfassen des Fluiddrucks und insbesondere
derartige Schalter, die in Hochdruckanwendungen, wie etwa Servolenk-
oder Bremssysteme für
Kraftfahrzeuge, verwendet werden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Es ist üblich, druckempfindliche Schalter
anzuordnen, die mit Kraftfahrzeug-Hydraulikfluidsystemen in Verbindung
stehen, um z. B. in Reaktion auf eine Servoanforderung Signale an
das Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) bereitzustellen, so dass die
Maschinendrehzahl bei Bedarf erhöht
werden kann, um ein Abwürgen
zu verhindern.
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Ein Schaltersystem des Standes der
Technik, das für
diesen Zweck verwendet wird, ist in einer Servo-Fluidpumpe installiert
und enthält
einen Kolben, der in einem Anschluss gleitend angeordnet ist, der
sich von der Hochdruckseite der Pumpe erstreckt. Ein stationärer elektrischer
Kontakt ist in Ausrichtung auf den Kolben in einer Schalterkammer
angeordnet und ein zweiter elektrischer Kontakt in an dem Ende des
Kolbens neben dem stationären
elektrischen Kontakt angebracht. Der Kolben ist normalerweise von
dem stationären
elektrischen Kontakt weg federvorbelastet und so beschaffen, dass
er an dem stationären
Kontakt in Eingriff gelangt, wenn der Druck des Fluids auf einen
bestimmten Pegel ansteigt. Das Fluid, das mit dem Kolben in Verbindung steht,
ist außerdem
in der Schalterkammer aufgenommen, so dass die Kontakte, die in
das Fluid eingetaucht sind, in Eingriff und außer Eingriff gelangen.
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Dieses Schaltersystem des Standes
der Technik weist verschiedene Einschränkungen auf, die ein Problem
mit Schmutz und Verunreinigungen in dem Fluid enthalten, die mit
der Zeit dazu neigen, zwischen die Kontakte zu gelangen und die
elektrische Schaltfunktion zu stören.
Ein weiteres Problem betrifft die Tendenz der Schaltpegelkalibrierung,
sich infolge von Reibung des Kolbens in dem Anschluss während der
Lebensdauer der Vorrichtung zu verschieben. Ein weiteres Problem
ist der geringe Pegel der Kontaktkraft, der bei Drücken nahe
am Betätigungsdruck
vorhanden ist.
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Das US-Patent Nr. 5.278.367, das
an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, offenbart
ein Schaltersystem, das die oben angemerkten Einschränkungen überwindet.
In dem Patent ist ein Kolben gezeigt, der in einem Anschluss gleitend
aufgenommen ist, der in der Servo-Fluidpumpe ausgebildet ist. Der
Kolben erstreckt sich in einem Schalterkörper und besitzt ein Ende, das
in der Schalterkammer neben einer Schalterbaueinheit angeordnet
ist. Die Schalterbaueinheit umfasst eine stromführende Scheibe mit Schnappwirkung,
die zwischen gegenüberliegenden
konkav/konvex gekrümmten
Konfigurationen beweglich ist. Die Scheibe ist an einem ringförmigen Scheibensitz
angeordnet und ein stationärer
elektrischer Kontakt ist in Ausrichtung auf das Zentrum der Scheibe
angebracht und befindet sich an einem ausgewählten Ort innerhalb der Bewegung
der Scheibe, wobei die Scheibe einen ausgewählten Schaltpunkt und eine Hysterese
schafft. Eine flexible Membran, die zwischen der Scheibe und dem
Kolben angebracht ist und mit einem elastischen O-Ring zwischen
der Membran und dem Schalterkörper
abgedichtet ist, verhindert ein Eintreten des Hydraulikfluids in
die Schalterkammer.
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Obwohl das Schaltersystem, das gemäß dem Patent
hergestellt ist, sehr wirkungsvoll ist, erfordert es die Schaffung
eines mit Präzision
gearbeiteten Anschlusses in dem Fluidpumpengehäuse, um den Kolben aufzunehmen,
sowie eines Zugangsanschlusses, um ausgeströmtes Fluid zu der Niederdruckseite
der Pumpe zurückzuführen, wodurch
die Kosten der Pumpenbaueinheit ansteigen und diese für bestimmte
kostengünstige
Anwendungen und/oder für
Anwendungen, bei denen aus bestimmten Gründen der Schalter nicht in
dem Pumpengehäuse
angeordnet werden soll, ungeeignet wird.
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Eine weitere Einschränkung des
Schaltersystems des Referenzpatents besteht darin, dass die lange
Lebensdauer des Scheibenelements mit Schnappwirkung in einigen Anwendungen
infolge hoher Biegebelastungen, die auf das Scheibenelement als
ein Ergebnis der Hochdruck-Fluidpumpensysteme wirken, nachteilig
beeinflusst wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine druckempfindliche elektrische Schaltervorrichtung
zu schaffen, die eigentlich an jeder beliebigen Stelle in das Hydrauliksystem
eingesetzt werden kann. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines
derartigen Schalters, der eine verbesserte Langlebigkeit besitzt
und bei verhältnismäßig hohen
Temperaturen und hohen Vibrationspegeln gebrauchsfähig ist
und verhältnismäßig kostengünstig und
trotzdem robust und zuverlässig
ist.
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Gemäß der Erfindung umfasst kurz
gesagt ein auf Hochdruckfluid empfindlicher elektrischer Schalter
ein Gehäuseelement,
das aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material gebildet ist,
das einem hohen Fluiddruck widerstehen kann. Das Gehäuseelement
besitzt ein erstes mit Gewinde versehenes Ende, das von einem Mittelabschnitt
mit einem Anschluss oder einer Öffnung
vorsteht, die durch das mit Gewinde versehene Ende ausgebildet ist
und sich in eine in dem Mittelabschnitt ausgebildete Aussparung
erstreckt. Ein Fach ist um die Aussparung gebildet und ein Hohlraum
wird durch Seitenwände definiert,
die sich von dem Fach nach unten erstrecken. Ein ringförmiges Unterstützungselement
aus Stahl oder dergleichen ist in dem Hohlraum aufgenommen, wobei
es eine flexible Membran, die aus Polyimid oder dergleichen gebildet
ist, zwischen der ringförmigen
Unterstützung
und dem Fach festhält, wodurch
in dem Gehäuseelement
eine Fluidkammer gebildet wird. Die ringförmige Unterstützung wird
wiederum in dem Hohlraum durch eine Öse, die aus einem äußeren Ring
aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material gebildet ist, das
den Drücken
ohne Änderung
seiner Dimensionsbeständigkeit
widerstehen kann, und eine Endstütze
festgehalten, die von dem äußeren Ring
durch ein geeignetes elektrisch isolierendes Material, wie etwa
Kunststoff oder Glas, in einer bekannten Weise getrennt ist. Das
distale freie Ende der Seitenwand ist einwärts über den Ringabschnitt der Öse verformt,
um die Öse
fest an dem Gehäuse
anzubringen. Der Ring ist an seiner oberen Seite mit einer Scheibensitzoberfläche ausgebildet, die
längs der
Längsachse
des Rings über
einem distalen Ende der Endstütze
und des isolierenden Materials beabstandet ist. Eine Scheibe mit
Schnappwirkung ist an der Sitzoberfläche angeordnet und so beschaffen,
dass sie in einen Eingriff mit einem stationären Kontakt an dem distalen
Ende der Endstütze schnappt
und diesen Eingriff löst.
Ein Druck/Kraft-Umsetzer in der Form eines Kolbenelements ist in
der Mittelöffnung
des ringförmigen
Unterstützungselements
aufgenommen und besitzt ein erstes Ende, das an der Membran in Eingriff
ist, und ein entgegengesetztes zweites Ende, das an dem Scheibenelement
mit Schnappwirkung in Eingriff ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung
ist das zweite Ende des Kolbens mit einer kreisförmigen Kraftübertragungsrippe
ausgebildet, die einen Durchmesser besitzt, der so ausgewählt ist,
dass ein ausgewählter Pegel
des Drucks verstärkt
wird, der erforderlich ist, um das Schnappen der Scheibe von einer
aufwärts konvexen
Konfiguration aus dem Eingriff an dem stationären Kontakt zu bewirken. Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist der stationäre Kontakt außerdem aus
einer im Allgemeinen kreisförmigen Rippe
gebildet, die so beschaffen ist, dass sie an der Scheibe, wenn diese
in ihre entgegengesetzte Konfiguration schnappt, an einer Stelle
in Eingriff gelangt, die von dem Zentrum der Scheibe radial auswärts beabstandet
ist, um den Momentarm auf der Scheibe zwischen der Kraftumsetzerrippe
und der Stelle des Eingriffs an dem stationären Kontakt zu verringern. Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist der Oberflächenbereich des Kontakteingriffs
verringert, indem die kreisförmige
Rippe des stationären
Kontakts in Segmenten, d. h. diskontinuierlich, wie z. B. eine Rippe
mit durchbrochenem Steg ausgebildet ist.
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Diese sowie weitere Vorteile und
Merkmale der Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Schnittansicht durch einen Schalter, der im nicht betätigten Zustand
gezeigt ist und gemäß der Erfindung
hergestellt wurde;
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2 ist
eine aufgebrochene Schnittansicht von 1,
die den Schalter im bestätigten
Zustand zeigt;
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3 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines Abschnitts eines Schalters mit einem Druckumsetzer, der an
einer elektrisch leitenden Scheibe mit Schnappwirkung in Eingriff
ist, wobei eine Oberfläche des
stationären
Kontakts in Ausrichtung auf das Zentrum der Scheibe mit Schnappwirkung
angeordnet ist;
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4 ist
eine Ansicht, die 2 ähnlich ist und
einen verbesserten stationären
Kontakt zur Verwendung mit dem Druckumsetzer und der Scheibe mit
Schnappwirkung zeigt; und
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5 ist
eine genaue perspektivische Ansicht, die die Konfiguration des stationären elektrischen
Kontakts in einem Schalter zeigt, der gemäß der Erfindung hergestellt
ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 umfasst
ein auf Fluiddruck empfindlicher elektrischer Schalter 10,
der gemäß der Erfindung
hergestellt ist, ein im Allgemeinen zylindrisches Gehäuse 12,
das aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material, wie etwa
Messing, gebildet ist, mit einem Mittelabschnitt 14, der
vorzugsweise mit einem hexagonal konfigurierten äußeren Umfang gebildet ist,
um eine Installation oder das Entfernen über ein Gewinde 16 zu
ermöglichen,
das an einem ersten Gehäuseende 18 ausgebildet
ist, das sich von dem Mittelabschnitt 14 längs einer
Längsachse 20 erstreckt.
Eine Öffnung 22 ist
durch das Ende 18 gebildet und erstreckt sich in eine Aussparung 24,
die in einer ersten Oberfläche 26 des
Mittelabschnitts 14 ausgebildet ist, wobei die Aussparung 24 eine
Druckkammer bildet, die später
erläutert
wird. Eine Seitenwand 28 erstreckt sich von der ersten
Oberfläche 26 in Richtung
zu einem zweiten Ende 30 des Gehäuses 12, um einen
Schalterhohlraum 32 zu bilden, und hinterlässt eine
Schulter an der Oberfläche 26 um
den Umfang der Aussparung 24.
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Eine im Allgemeinen ringförmige Unterstützungsplatte 34 ist
in dem Hohlraum 32 angeordnet und an der Schulter an der
Oberfläche 26 mit
einer flexiblen Membran 26 aus einem geeigneten Material,
wie etwa Polyimid oder dergleichen, aufgenommen (wobei zwei Lagen
gezeigt sind, die Anzahl der Lagen jedoch gewählt werden kann), die zwischen der
Unterstützungsplatte 34 und
der Oberfläche 26 angeordnet
ist. Eine geeignete elastische Dichtung, wie etwa ein O-Ring 38,
ist außerdem
in der Aussparung 38 aufgenommen, um eine fluiddichte Abdichtung
zu bilden.
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Eine Öse 40 mit einem äußeren Ring,
der aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, ist in
dem Hohlraum 32 in Ausrichtung auf die Schulter an der
Oberfläche 36 angeordnet,
wobei die Öse und
die Unterstützungsplatte
durch eine Verformung des distalen Endes der Wand 28 radial
einwärts,
wie am Punkt 42 gezeigt ist, an der Verwendungsstelle verriegelt
sind. Die Öse 40 befestigt
eine lang gestreckte elektrisch leitende Endstütze 44, die jedoch davon
durch ein geeignetes elektrisch isolierendes Material, wie etwa
Kunststoff 46, in einer bekannten Weise elektrisch isoliert
ist. Bei Bedarf kann zusätzliches
Gießmaterial über der äußeren Oberfläche der Öse 40,
des Kunststoffs 46 und des äußeren Umfangsabschnitts des
Flansches 45 der Endstütze 44 angeordnet
sein, um einen Fluidverlust längs
der Grenzfläche
der Kunststoff- und Metalloberflächen minimal
zu machen.
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Die Endstütze 44 besitzt eine
Längsachse, die
koaxial zur Achse 20 verläuft. Ein ringförmiger Scheibensitz 48 ist
auf der Öse 40 ausgebildet,
die längs
der Achse 20 über
der Endstütze 44 und
dem Kunststoff 46 beabstandet ist und nimmt darauf eine steife
elektrisch leitende Scheibe 50 mit Schnappwirkung auf,
die zwischen einer aufwärts
konvexen Konfiguration, die in 1 gezeigt
ist, und einer entgegengesetzten aufwärts konkaven Konfiguration,
die in 2 gezeigt ist,
beweglich ist, wenn ein ausreichender Pegel der Kraft auf die obere
Oberfläche
der Scheibe ausgeübt
wird, wie in den Figuren zu sehen ist und später beschrieben wird. Ein stationärer elektrischer
Kontakt 52 ist an dem inneren distalen Ende der Endstütze 44 angeordnet
und ist vorzugsweise als eine aufrecht stehende kreisförmige Rippe
geformt, wie später
erläutert
wird. Nach dem Anordnen der Scheibe 50 auf dem Sitz 48 können bei
Bedarf beabstandete Abschnitte 54 der Öse 40 über dem Scheibensitz 48 einwärts verstemmt
oder verformt werden, um eine Verlagerung der Scheibe 50 während der
Prozedur des Zusammenbaus zu verhindern, wobei trotzdem möglich ist,
dass die Scheibe auf ihrem Sitz "schwebt".
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Die Unterstützungsplatte 34 ist
mit einer mittig angeordneten Bohrung 56 ausgebildet, die
eine im Allgemeinen mit der Achse 20 übereinstimmende Längsachse
aufweist und in der ein Druckumsetzerkolben 58 aufgenommen
ist, der einen Abschnitt 60 mit erstem Durchmesser, der
in der Bohrung 56 gleitend aufgenommen ist, und einen Abschnitt 62 mit zweitem
größeren Durchmesser,
der eine Anschlagoberfläche
bildet, aufweist, so dass die obere Oberfläche des Kolbens 58,
wie in 1 sichtbar ist,
mit der oberen Oberfläche
der Unterstützungsplatte 34 im
Allgemeinen eine glatte Oberfläche
bildet. Die obere Oberfläche
der Unterstützungsplatte 34 ist
angrenzend an die Bohrung 56 nach unten verjüngt, während die
obere Oberfläche
des Kolbens 58 mit einer im Allgemeinen aufwärts konvexen
Form ausgebildet ist, um eine so genannte Befeuchtungswirkung der
Membran 36 mit dem darunter liegenden Oberflächenbereich
zu unterstützen,
um die Wiederholbarkeit des Umsetzens von Fluiddruck, der in der Öffnung 22 aufgenommen
wird, in eine Kraft auf die Scheibe 50 zu optimieren.
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Eine im Allgemeinen kreisförmige Kraftübertragungsrippe 64 ist
an der unteren Oberfläche
des Kolbens 58 ausgebildet und so beschaffen, dass sie an
der oberen Oberfläche
der Scheibe 50 in Eingriff gelangt, um Kraft auf die Scheibe
zu übertragen.
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Fluiddruck, der in der Öffnung 22 aufgenommen
wird, wirkt auf die Membran 36 und den Kolben 60,
wodurch eine Kraft über
die kreisförmige
Rippe 64 auf die Scheibe 50 ausgeübt wird.
Wenn die auf die Scheibe 50 ausgeübte Kraft den In stabilitätspegel der
Scheibe übersteigt,
schnappt die Scheibe in die Position von 2 in einen Eingriff an dem stationären Kontakt 52,
um dadurch einen elektrischen Stromkreis zwischen dem Anschluss 24 und
einem geerdeten Gehäuse 12 zu
schließen.
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Der Durchmesser der ringförmigen Kraftübertragungsrippe 64 ist
so gewählt,
dass das gewünschte
Verstärkungsverhältnis der
Scheibenkraft zu dem Fluiddruck, bei dem der Schalter betätigt werden
soll, geschaffen wird. Die Höhe
der Rippe ist so gewählt,
dass sie ausreichend ist, damit das Zentrum der Scheibe, wenn diese
in der aufwärts
konvexen Position ist, den Körper
des Kolbens 58 nicht berührt, wenn sich die Scheibe
ihrem Schnapppunkt nähert.
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Ein elektrischer Schalter des hier
offenbarten Typs, bei dem sich eine Scheibe mit Schnappwirkung von
einer gekrümmten
Konfiguration zu einer entgegengesetzten gekrümmten Konfiguration bewegt,
um an einem stationären
elektrischen Kontakt in Eingriff zu gelangen, weist keine wesentliche
Schleifwirkung zwischen der Scheibe und dem stationären Kontakt auf.
Um den Einfluss von Verunreinigungspartikeln auf die Schaltwirkung
minimal zu machen, ist es erwünscht,
den Oberflächenbereich
des Abschnitts des stationären
Kontakts, der an der Scheibe in Eingriff gelangt, minimal zu machen.
Wie z. B. in 3 gezeigt
ist, schafft ein mittig angeordneter im Allgemeinen kugelförmiger stationärer Kontakt 66 mit
einem verhältnismäßig kleinen
Radius einen effektiven Kontakt; dieser Typ des Kontakts hat jedoch
verhältnismäßig große Biegebelastungen
zur Folge, die in der Scheibe mit Schnappwirkung entwickelt werden,
wodurch die Nutzlebensdauer der Scheibe begrenzt wird, indem Änderungen
an dem kalibrierten Einstellpunkt der Scheibe, d. h. die Kraft,
bei der die Scheibe von der Konfiguration der 1 zu der Konfiguration von 2 wechselt, sowie die Verringerung
der Ermüdungsdauer
der Scheibe bewirkt werden. Wie in 3 ersichtlich
ist, hat dieser Typ des Kontakts, wenn er bei einem Druckumsetzer
mit einer Kraftübertragungsrippe
verwendet wird, einen verhältnismäßig großen Momentarm
L zwischen dem Kontakt 66 und der Rippe 64 zur
Folge, wobei die Scheibe 50 einer verhältnismäßig großen Mittendurchbiegung unterzogen
wird, wie durch die ge strichelten Linien ersichtlich ist, was eine
verhältnismäßig große Biegebelastung
zur Folge hat. Bei einigen Anwendungen kann die Verwendung eines
zentralen stationären Kontakts
auf der Grundlage der Anwendungsbedingungen, d. h. der Druckpegel,
die gewünschte
Anzahl von Zyklen, die die Scheibe während der erwarteten Lebensdauer
des Schalters durchläuft,
die Druckkraftumsetzung, die durch den Umsetzer 58 bewirkt wird,
sowie die Elastizitätsgrenze
der Scheibe akzeptabel sein.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung
verringert der kreisförmige
stationäre
Kontakt 52, wie in den 1, 2 und 4 gezeigt ist, die Biegebelastung in der
Scheibe und gewährleistet
außerdem
einen verhältnismäßig kleinen
Oberflächenbereich
des Kontakteingriffs. Wie in 4 ersichtlich
ist, ist der Momentarm L' minimal
gemacht, um dadurch die Biegebelastung zu begrenzen und die Lebenserwartung der
Scheibe bedeutend zu verbessern. Obwohl im Idealfall optimale Ergebnisse
erreicht werden würden,
wenn die Durchmesser der Kraftübertragungsrippe 64 und
des stationären
Kontakts 52 untereinander gleich wären, so dass der gesamte oder
der Großteil
des Drucks, der auf den Umsetzer 58 ausgeübt wird,
lediglich Druckkräfte
auf die Scheibe zur Folge haben würde, gibt es von einem praktischen Standpunkt
in Bezug auf Anforderungen des Abstands für die Schalterkomponenten,
z. B. die Notwendigkeit der elektrischen Isolation zwischen dem Anschluss 44 und
dem Ösenelement 40 eine
Einschränkung
dahingehend, wie nahe man in einem bestimmten Aufbau an den Wert
L = 0 gehen kann.
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5 zeigt,
dass die kreisförmige
Kontaktrippe des stationären
Kontakts 52' in
der Form von diskontinuierlichen Segmenten 68 ist, die
den Oberflächenbereich
des Kontakteingriffs reduzieren, während trotzdem der Momentarm
minimal gemacht wird.
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Selbstverständlich können verschiedene Änderungen
an den Einzelheiten, den Materialien und der Anordnung von Teilen,
die dargestellt wurden, um das Wesen der Erfindung zu erläutern, durch
einen Fachmann innerhalb des Umfangs der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen dargestellt
ist, vorgenommen werden.