WO2001044772A1 - Schwingungsaufnehmer mit einer druckhülse - Google Patents

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WO2001044772A1
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vibration sensor
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Hartmut Brammer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a vibration sensor with a pressure sleeve according to the preamble of the main claim.
  • the vibrations to be detected are knocking noises of the internal combustion engine in operation, which are transmitted via the pressure sleeve onto a piezoceramic disk as the actual sensor element with contact disks in between Insulating washers that enable the signal to be tapped are routed and thus generate an evaluable electrical output signal.
  • the above-mentioned vibration sensor with a pressure sleeve in which the pressure sleeve with an initially concave base surface can be attached under pressure to a component causing vibrations, is advantageously further developed according to the invention in that the seismic mass is provided with an internal thread. can be seen and can be screwed onto the sensor arrangement in order to generate the axial preload.
  • the construction of a knock sensor on the engine block of an internal combustion engine can be carried out inexpensively, since fewer individual parts are required and, in particular, a lower axial height and a lower weight of the vibration sensor can be realized. Furthermore, the elimination of the disc spring in the known arrangement also enables a more constant characteristic curve when the sensor signal is detected.
  • the seismic mass according to the invention can have at least two radially extending, opposing grooves. Since through these grooves the plastic can get an interior space between the sensor arrangement and the pressure sleeve during the encapsulation m and thereby fasten it, a compact arrangement can be built up in which the installation position, for example on the engine block, is arbitrary.
  • the sensor arrangement has at least two radially extending, opposing grooves through which the plastic can get into the interior between the sensor arrangement and the pressure sleeve during the encapsulation.
  • the grooves can be used in both embodiments preferably be attached to both axial boundary surfaces of the seismic mass or the piezoceramic disk of the sensor arrangement. They are advantageously offset by 90 ° between one and the other surface.
  • a particularly good effect when clamping the sensor element with the seismic mass is achieved if one or both axial boundary surfaces of the seismic mass are designed in such a concave manner that the axial wall thickness of the seismic mass becomes smaller towards the center.
  • a vibration pickup in which a base surface of the pressure sleeve has a radially inward concave contour in front of the assembly on a component in a manner known per se can advantageously also be designed such that the contact surface for the sensor element in front of the pressure sleeve assembly has a radially inward convex contour.
  • This contour is dimensioned such that, after assembly, at least the sensor arrangement lies largely flat on the support surface.
  • Figure 1 shows a section through a knock sensor housing as a vibration sensor with a pressure sleeve and a screw-on seismic mass with grooves;
  • FIG. 2 shows a detail section of the seismic mass according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a section through a knock sensor housing as a vibration sensor with a pressure sleeve and a screw-on seismic mass and with a sensor arrangement with grooves;
  • FIG. 4 shows a detail section of the seismic mass according to Figures 3 and
  • Figure 5 is a plan view of the sensor arrangement of Figure 3 with the grooves.
  • a knock sensor for an internal combustion engine with an outer plastic housing 1 is shown as a vibration sensor, in which a pressure sleeve 2 is arranged.
  • the pressure sleeve 2 has a flange-like edge 3 in the region of its lower end, via which it has its lower base surface 4 the engine block, not shown here, whose vibrations are to be detected, rests.
  • the following parts are arranged on the outer circumference of the pressure sleeve 2, starting from a lower contact surface on the flange-like edge 3: an insulating disk 5, a first contact disk 6, a piezoceramic disk 7 as the actual sensor element and, in turn, a second contact disk 6 and a second insulating disk 5.
  • a seismic mass 8 is placed on this arrangement, which is provided with an internal thread 9 and can be screwed onto the pressure sleeve 2 in the direction of the piezoceramic disk 7
  • the entire torque exerted by the fastening screw described above is transmitted to the pressure sleeve 2 via the lower surface 4, ie to the piezoceramic Disk 7 as a sensor element does not have any force due to the attachment.
  • a biasing force is generated here by the pressure of the screwed-on seismic mass 8.
  • the pre-tensioning force is selected so that on the piezoceramic disk 7 just bearable axial forces are effective without permanent deterioration of the electrical signal and this is largely independent of thermal expansion and inevitable compression of the pressure sleeve 2 during assembly.
  • the impulses exerted by the seismic mass 8 in proportion to the vibrations of the internal combustion engine are converted in the piezoceramic disk 7 into charge impulses which can be evaluated on a corresponding device.
  • the seismic mass 8 has grooves 14 and 15 in the lower region, which are also clearly evident from the detailed illustration of the seismic mass 8 according to FIG. It can also be seen from FIG. 2 that, in addition to the grooves 14 and 15 lying radially opposite on one axial side of the seismic mass 8, there are also grooves 16 offset by 90 ° on the other axial side. These grooves 14, 15 and 16 allow the plastic to form the housing 1 during the overmolding into an interior 17 between the piezoceramic disk 7 and the pressure sleeve 2.
  • the seismic mass 8 is formed without grooves.
  • the sensor arrangement or the piezoceramic disk 7 has grooves 18, 19 and 20, 21, which from the three views of the piezoceramic Disk 7 are shown in FIG 5. From FIG. 5, metallized surfaces 22 can also be seen, which serve for the electrical contacting of the piezoceramic disc 7 on the two axially opposite surfaces by means of the contact discs 6.

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Abstract

Es wird ein Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhülse vorgeschlagen, bei dem die Druckhülse (2) auf einem Schwingungen verursachenden Bauteil unter Druck anbringbar ist. Zur erfassung eins schwingungssignals, beispielsweise bei einem Klopfsensor, ist eine Sensoranordnung (7, 5, 6) von einer darüberliegenden seismischen Masse außen an der Druckhülse (2) unter einer axialen Vorspannung an einer Auflagefläche der Druckhülse (2) mittels Verschraubung gehalten. Die seismische Masse (8) ist mit einem Innengewinde versehen und zur Erzeugung der axialen Vorspannung in Richtung auf die sensoranordnung (7) aufschraubbar. Die seismische Masse (8) oder die Sensoranordnung (7) weisen mindestens zwei radial verlaufende sich gegenüberliegende Nuten (14, 15, 16; 18, 19, 20, 21) auf, durch die Kunststoff während der Umspritzung in einen Innenraum (17) zwischen der Sensoranordnung (7, 5, 6) und der Druckhülse (2) gelangen kann.

Description

Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bereits in der DE 44 03 660 AI ein Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse beschrieben, der als Klopfsensor für die Überwachung der Funktion eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Diese Druckhulse wird über einen Auflagebereich fest an das die Schwingungen verursachende Bauteil, hier an den Motorblock des Verbrennungsmotors, angefugt.
Die zu detektierenden Schwingungen sind bei der bekannten Anordnung Klopfgeräusche des Verbrennungsmotors im Betrieb, die über die Druckhülse auf eine piezokeramische Scheibe als eigentliches Sensor- element mit dazwischenliegenden Kontaktscheiben und Isolierscheiben, die den Signalabgriff ermöglichen, geleitet werden und damit ein auswertbares elektrisches Ausgangssignal erzeugen.
Die Art der Anbringung, bzw. der Einspannung dieser Sensoranordnung an der Druckhulse und die Befestigung des Schwingungsaufnehmers am schwingenden Bauteil hat hier großen Emfluss sowohl auf die Herstellungsweise als auch auf eventuelle Fehlmessungen und Störungen im Betrieb. Die Einspannung des Sensorelements mit- samt einer Vielzahl von Einzelteilen, z.B. mit einer Feder und einer seismischen Masse erfolgt bei diesem bekannten Schwingungsaufnehmer beispielsweise mit einem Gewindering der auf ein entsprechendes Gewinde an der Druckhulse aufschraubbar ist.
Es ist weiterhin aus der DE 195 24 147 AI em Schwingungsaufnehmer der zuvor beschriebenen Art bekannt, bei dem der Gewindering und die Feder als sogenannte Federkopfmutter ein e stuckiges Bauteil darstellen. Diese Federkopfmutter ist dann auf das Gewinde an der Druckhulse aufschraubbar und liegt damit direkt auf der seismischen Masse auf.
Vorteile der Erfindung
Der eingangs erwähnte Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse, bei dem die Druckhulse mit einer zunächst konkaven Basisflache auf einem Schwingungen verursachenden Bauteil unter Druck anbringbar ist, wird er- f dungsgemaß dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die seismische Masse mit einem Innengewinde ver- sehen ist und zur Erzeugung der axialen Vorspannung auf die Sensoranordnung aufschraubbar ist.
Mit der vorgeschlagenen Anordnung ist beispielsweise der Aufbau eines Klopfsensors am Motorblock eines Verbrennungsmotors kostengünstig durchfuhrbar, da weniger Einzelteile benotigt werden und insbesondere auch eine geringere axiale Bauhohe und ein geringeres Gewicht des Schwingungsaufnehmers realisierbar ist. Weiterhin ermöglicht der Wegfall der bei der bekann- ten Anordnung vorhanden Tellerfeder auch eine konstantere Kennlinie bei der Erfassung des Sensorsignals .
Bei einem für sich gesehen bekannten Aufbau des Schwingungsaufnehmers mit einem Kunststoff- Spπtzgussgehause, das um die Druckhulse mit der Sensoranordnung und die seismische Masse gelegt ist kann die seismische Masse erfindungsgemaß mindestens zwei radial verlaufende, sich gegenüberliegende Nuten aufweisen. Da durch diese Nuten der Kunststoff wahrend der Ümspritzung m einen Innenraum zwischen der Sensoranordnung und der Druckhulse gelangen kann und diese dadurch befestigt, wird eine kompakte Anordnung aufbaubar, bei der die Einbaulage, beispielsweise am Motorblock, beliebig ist. Bei einer anderen vorteilhaften Ausfuhrungsform mit einem Kunststoff-Spritzgussgehause weist die Sensoranordnung mindestens zwei radial verlaufende sich gegenüberliegende Nuten auf, durch die der Kunststoff wahrend der Ümspritzung in den Innenraum zwischen der Sensoranordnung und der Druckhulse gelangen kann.
Auch hierbei ist somit eine beliebige Einbaulage möglich, wobei allerdings die Herstellung einer seismischen Masse ohne Nuten einfacher und kostengünstiger wird. Die Nuten können bei beiden Ausfuhrungsformen bevorzugt an beiden axialen Begrenzungsflachen der seismischen Masse, bzw. der piezokeramischen Scheibe der Sensoranordnung angebracht sein. Sie sind dabei in vorteilhafter Weise zwischen der einen und der an- deren Flache um 90° versetzt.
Eine besonders gute Wirkung bei der Einspannung des Sensorelements mit der seismischen Masse wird erzielt, wenn eine oder beide axialen Begrenzungsflachen der seismischen Masse derart konkav gestaltet sind, dass die axiale Wandstarke der seismischen Masse zur Mitte hin geringer wird.
Ein Schwingungsaufnehmer bei dem in an sich bekannter Weise eine Basisflache der Druckhulse vor der Montage auf einem Bauteil eine radial nach innen konkav ver- laufende Kontur aufweist, kann in vorteilhafter Weise auch so ausgestalten sein, dass die Auflageflache für das Sensorelement innen an der Druckhulse vor der Montage eine radial nach innen konvex verlaufende Kontur aufweist. Diese Kontur ist so bemessen, dass nach der Montage zumindest die Sensoranordnung weitgehend plan an der Auflageflache aufliegt.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausfuhrungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfahige Ausfuhrungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Zeichnung
Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmers mit einer Druckhulse werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch ein Klopfsensorgehause als Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse und einer aufschraubbaren seismischen Masse mit Nuten;
Figur 2 einen Detailschnitt der seismischen Masse nach der Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt durch ein Klopfsensorgehause als Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse und einer aufschraubbaren Seismischen Masse sowie mit einer Sensoranordnung mit Nuten;
Figur 4 einen Detailschnitt der seismischen Masse nach der Figur 3 und
Figur 5 eine Draufsicht auf die Sensoranordnung nach der Figur 3 mit den Nuten.
Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele
In Figur 1 ist als Schwingungsaufnehmer ein Klopfsensor für einen Verbrennungsmotor mit einem äußeren Kunststoffgehause 1 dargestellt, in dem eine Druckhulse 2 angeordnet ist. Die Druckhulse 2 weist im Bereich ihres unteren Endes einen flanschartigen Rand 3 auf, über den sie mit ihrer unteren Basisflache 4 auf dem hier nicht dargestellten Motorblock, dessen Schwingungen detektiert werden sollen, aufliegt.
Am Außenumfang der Druckhulse 2 sind, ausgehend von einer unteren Auflageflache am flanschartigen Rand 3, folgende Teile angeordnet: eine Isolierscheibe 5, eine erste Kontaktscheibe 6, eine piezokeramische Scheibe 7 als eigentliches Sensorelement und darüber wiederum eine zweite Kontaktscheibe 6 sowie eine zweite Isolierscheibe 5. Auf diese Anordnung ist eine seismische Masse 8 aufgesetzt, die mit einem Innengewinde 9 versehen ist und in Richtung der piezokeramischen Scheibe 7 auf die Druckhulse 2 aufschraubbar
In einem integrierten Anschlußteil 10 des msbesonde- re m einem Kunststoff-Spritzgußverfahren hergestellten Gehäuses 1 sind elektrische Anschlüsse 11 für die Kontaktscheiben 6 und Flachstecker 12 eingespritzt. Die Flachstecker 12 sind dadurch mit den beiden Kon- taktscheiben 6 verbunden, wodurch über die beiden Kontaktscheiben 6 eine elektrische Verbindung zu den beiden Seiten der piezokeramischen Scheibe 7 besteht und die elektrische Spannung, die bei einer Druckbeanspruchung der piezokeramischen Scheibe 7 in axialer Richtung erzeugt wird, abnehmbar ist. Durch eine zentrale Ausnehmung, bzw. eine Bohrung 13 m der Druckhulse 2 ist eine hier nicht dargestellte Befestigungsschraube fuhrbar, mit welcher insgesamt dieser Klopfsensor mittel- oder unmittelbar am Motorblock des Verbrennungsmotors befestigbar ist. Bei der Montage des Klopfsensors wird das gesamte, von der oben beschriebenen Befestigungsschraube ausgeübte Drehmoment auf die Druckhulse 2 über die untere Flache 4 übertragen, d.h. auf die piezokeramischen Scheibe 7 als Sensorelement wirkt durch die Befestigung keine Kraft.
Eine Vorspannkraft wirkt hier durch den Druck der aufgeschraubten seismischen Masse 8 erzeugt. Die Vor- Spannkraft ist so gewählt, daß an der piezokeramischen Scheibe 7 gerade noch ohne bleibende Verschlechterung des elektrischen Signals ertragbare Axialkräfte wirksam sind und diese auch von thermischen Dehnungen sowie unvermeidlichen Stauchungen der Druckhulse 2 bei der Montage weitestgehend unabhängig ist. Die von der seismischen Masse 8 proportional zu den Schwingungen des Verbrennungsmotors ausgeübten Impulse werden in der piezokeramischen Scheibe 7 in Ladungsimpulse umgewandelt, die an einem entsprechen- den Gerät auswertbar sind.
Die seismische Masse 8 weist im unteren Bereich Nuten 14 und 15 auf, die ebenfalls deutlich aus der Detaildarstellung der seismischen Masse 8 nach Figur 2 ersichtlich sind. Aus der Figur 2 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass neben den radial auf einer axialen Seite der seismischen Masse 8 gegenüber liegenden Nuten 14 und 15 auf der anderen axialen Seite auch um 90° versetzte Nuten 16 angeordnet sind. Durch diese Nuten 14, 15 und 16 kann der Kunststoff zur Bildung des Gehäuses 1 wahrend der Ümspritzung in einen Innenraum 17 zwischen der piezokeramischen Scheibe 7 und der Druckhulse 2 gelangen.
Beim Ausfuhrungsbeispiel nach den Figuren 3, 4 und 5 ist im Unterschied zu der Darstellung nach den Figu- ren 1 und 2 die seismische Masse 8 ohne Nuten ausgebildet. Hier weist die Sensoranordnung bzw. die pie- zokeramische Scheibe 7 Nuten 18, 19 und 20, 21 auf, die aus den drei Ansichten der piezokeramischen Scheibe 7 nach der Figur 5 ersichtlich sind. Aus der Figur 5 sind auch metallisierte Flachen 22 erkennbar, die zur elektrischen Kontaktierung der piezokeramischen Scheibe 7 auf den beiden axial gegenüberliegenden Flachen mittels der Kontaktscheiben 6 dienen.

Claims

Patentanspruche
1) Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhulse, bei dem - die Druckhülse (2) auf einem Schwingungen verursachenden Bauteil unter Druck anbringbar ist und mit
- einer Sensoranordnung (7,5,6) und einer daruber- liegenden seismischen Masse, die außen an der Druckhulse (2) unter einer axialen Vorspannung an einer Auflageflache eines flanschartigen Segments (3) der Druckhülse (2) mittels Verschraubung gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- die seismische Masse (8) mit einem Innengewinde versehen ist und zur Erzeugung der axialen Vorspan- nung in Richtung auf die Sensoranordnung (7) aufschraubbar ist.
2) Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:, dass - eine der axialen Begrenzungsflachen der seismischen Masse (8) derart konkav gestaltet ist, dass die axiale Wandstarke der seismischen Masse (8) zur Mitte hin geringer wird.
3) Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- beide axialen Begrenzungsflachen der seismischen Masse (8) derart konkav gestaltet sind, dass die axiale Wandstarke der seismischen Masse (8) zur Mitte hin geringer wird.
4) Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Kunststoff-Spritzgussgehause (1), dass um die Druckhülse (2) mit der Sensoranordnung (7,5,6) und die seismische Masse (8) gelegt ist, da- durch gekennzeichnet, dass
- die seismische Masse (8) Nuten (14,15,16) auf mindestens einer Seite aufweist, durch die Kunststoff wahrend der Ümspritzung in einen Innenraum (17) zwischen der Sensoranordnung (7) und der Druckhulse (2) einfuhrbar ist.
5) Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Kunststoff-Spritzgussgehause (1), dass um die Druckhulse (2) mit der Sensoranordnung (7,5,6) und die seismische Masse (8) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sensoranordnung (7) Nuten (18,19,20,21) auf mindestens einer Seite aufweist, durch die Kunststoff wahrend der Ümspritzung in einen Innenraum (17) zwi- sehen der Sensoranordnung (7,5,6) und der Druckhulse (2) einfuhrbar ist. 6) Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens zwei radial verlaufende, sich gegenüberliegende Nuten (14,15,16) vorhanden sind.
7) Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Nuten auf beiden axialen Begrenzungsflachen der seismischen Masse (8) oder der Sensoranordnung (7) jeweils um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind.
8) Schwingungsaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Basisflache (4) der Druckhul- se (2) vor der Montage auf einem Bauteil eine radial nach innen konkav verlaufende Kontur aufweist, die durch den Druck der Montage veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Auflageflache vor der Montage eine radial nach innen konvex verlaufende Kontur aufweist, die so bemessen ist, dass nach der Montage zumindest die Sensoranordnung (7,5,6) weitgehend plan an der Auflageflache aufliegt.
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