DE19746898A1

DE19746898A1 - Knocking sensor for vehicle

Info

Publication number: DE19746898A1
Application number: DE1997146898
Authority: DE
Inventors: Randolf Dipl Phys Dr Mock; Andreas Dipl Phys Dr Kappel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-05-12

Abstract

The sensor has several adjacent functional elements (1,3,4,5). At least one electrode (22) with at least one adjacent insulating layer (21) is provided as a composite unit (2). The insulating layer (21) is connected flat to the electrode (22). The insulator layer (21) is preferably made of plastic. The insulating layer (21) may have a fibre insert to increase the mechanical stiffness. The insulating layer (21) may fully cover a surface of the electrode (22). The electrode (22) is preferably ring shaped. Any number of electrodes (22) and insulating layers (21) may be combined into a composite unit (2). Several composite units may be fitted into the sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Klopfsensor mit reduzierter Zahl der mechanischen Kontaktflächen im Sensorkern.The invention relates to a knock sensor with a reduced number the mechanical contact surfaces in the sensor core.

Die gesetzliche Vorschrift OBD II schreibt vor, daß alle Ag gregate eines Automobils, die für dessen Sicherheit und Um weltverträglichkeit relevant sind, während des Betriebs des Fahrzeugs auf ihre ordnungsgemäße Funktion hin überwacht wer den. Dies gilt im besonderen Maße für Komponenten, die zur Steuerung und Regelung des Verbrennungsvorgangs im Kraftfahr zeugmotor eingesetzt werden.The legal regulation OBD II stipulates that all Ag gregate of an automobile, responsible for its safety and order are relevant to the global environment during the operation of the Who monitors the vehicle for proper functioning the. This applies in particular to components that are used for Control and regulation of the combustion process in motor vehicles machine can be used.

Der Klopfsensor als einer dieser Komponenten unterliegt des halb in zukünftigen Motorsteuerungskonzepten erheblich schär feren Spezifikationen als bisher. Zum einen müssen für OBD 2 die Absolutpegel des Sensorsignals bekannt sein. Die bishe rige Praxis der Auswertung von Pegelverhältnissen reicht dazu nicht mehr aus. Zum zweiten ist eine Verringerung der Tole ranzbandbreite auf ± 15% des Sollwertes vorgesehen. Zusätz lich muß in einer Serienproduktion ein etwa 5%-Abstand von diesen Toleranzgrenzen eingehalten werden, damit auftretende Fertigungsschwankungen auffangbar sind. Darüber hinaus sind einige Automobilhersteller an einer möglichst flachen Sensor kennlinie interessiert. Diese Anforderungen an einen Sensor sind nur dann einhaltbar, wenn alle Maßnahmen ergriffen wer den, damit Störeffekte, die durch nicht optimalen Innenausbau des Sensor hervorgerufen werden, durch entsprechende kon struktive Maßnahmen beseitigt werden.The knock sensor as one of these components is subject to the half sharply in future engine control concepts specifications than before. For one thing, OBD 2 the absolute level of the sensor signal should be known. The so far The practice of evaluating level ratios is sufficient no longer out. The second is a reduction in the tole ranzbandbreite to ± 15% of the target value. Additional In a series production, an approx. 5% distance of these tolerance limits are observed so that occurring Manufacturing fluctuations can be absorbed. Beyond that some car manufacturers on a flat sensor as possible characteristic interested. These requirements for a sensor can only be complied with if all measures are taken the, so interference effects caused by not optimal interior of the sensor are caused by appropriate con structural measures are eliminated.

Eine Klasse solcher Störungen sind Klappereffekte, die im Sensorkern auftreten. Ein typischer Sensorkern ist aus Funk tionselementen aufgebaut, beispielsweise übereinanderliegen den Funktionslagen, wobei die Funktionselemente einzeln her gestellt und dann im Sensor durch geeignete Befestigungen, beispielsweise Muttern, zusammengehalten werden. One class of such disturbances are rattling effects that occur in the Sensor core occur. A typical sensor core is made of radio tion elements built up, for example, one above the other the functional layers, with the functional elements individually and then in the sensor with suitable fastenings, for example, nuts are held together.

Klappereffekte werden durch unerwünschte Ausbildungen an den mechanischen Kontaktflächen der einzelnen Funktionselemente begünstigt bzw. verursacht, beispielsweise durch Unebenheiten an diesen Kontaktflächen, durch bei der Produktion zwischen die Kontaktflächen gelangte Fremdpartikel (Staubspäne und ähnliches mehr) sowie Oberflächenrauhigkeiten der Kontaktflä chen. Solche Klappereffekte bewirken einen unruhigen Verlauf der Sensorkennlinie, so daß die Gefahr von Überschreitung des Toleranzbandes unter Umständen erheblich erhöht wird.Rattling effects are caused by undesired training on the mechanical contact surfaces of the individual functional elements favored or caused, for example, by bumps at these contact areas, through in the production between foreign particles (dust chips and similar more) and surface roughness of the contact surface chen. Such rattling effects cause a restless course the sensor characteristic, so that the risk of exceeding the Tolerance band is significantly increased under certain circumstances.

Dem Auftreten von Klappereffekten versucht man bisher mit entsprechender Sorgfalt der Oberflächenbearbeitung entgegen zuwirken. Desweiteren achtet man bei der Produktion auf wei testgehende Staubfreiheit, damit Verunreinigungen der Kon taktflächen zwischen den einzelnen Teilen des Sensors verhin dert werden. Dies führt jedoch nicht immer zum gewünschten Ergebnis.So far, the occurrence of rattling effects has been tried appropriate care of the surface treatment to act. Furthermore, you pay attention to white during production Test-free dust, so that contamination of the con tact areas between the individual parts of the sensor be changed. However, this does not always lead to the desired one Result.

Wie schwierig die Verhinderung von Klappern im Sensor ist, zeigt beispielhaft die folgende Überlegung. Der Klopfsensor ist direkt auf einem Motorblock befestigt, an dem in bestimm ten Frequenzbereichen Vibrationen mit Beschleunigungswerten bis zum hundertfachen der Erdbeschleunigung auftreten. Typi sche Klopffrequenzen liegen, abhängig von der Motorgeometrie, bei etwa 10 kHz. Bei einer solchen Frequenz entspricht eine sinusförmige Beschleunigung von 100 g einer Auslenkamplitude von nur 0,25 µm. Damit also Klappern aufgrund von nicht lückenlosem Kontakt der Sensorteile verhindert werden kann, müßte deren Fertigungsgenauigkeit (Planparallelität, Keilwin kel sowie Rautiefe) im 0,1-µm-Bereich liegen. Diese Forderung ist z. Zt. nicht erreichbar.How difficult it is to prevent rattling in the sensor shows an example of the following consideration. The knock sensor is attached directly to an engine block on which in certain vibrations with acceleration values occur up to a hundred times the gravitational acceleration. Typi knocking frequencies are, depending on the engine geometry, at about 10 kHz. At such a frequency, one corresponds sinusoidal acceleration of 100 g of a deflection amplitude of only 0.25 µm. So that rattling due to not seamless contact of the sensor parts can be prevented, would have their manufacturing accuracy (plane parallelism, Keilwin angle and roughness depth) are in the 0.1 µm range. This requirement is z. Currently unavailable.

Entschärft wird die Problematik zumindest zum Teil dadurch, daß die Einzelteile des Sensors in der Regel durch eine Vor spannkraft von ca. 4000 N zusammengedrückt werden. Dieser Ef fekt hat allerdings Grenzen: bei einem für Metalle typischen Elastizitätsmodul von ca. 150 GPa besitzt etwa eine seismi sche Masse von 10 mm Innen-, 14 mm Außendurchmesser und 3 mm Höhe eine Federkonstante in Achsenrichtung von ca. 15.10⁹ N/m. Bei einer einwirkenden Kraft von 4000 N führt dies zu einer Verformung von etwa 0,3 µm. Bei Fertigungstoleranzen im Bereich von 1-5 µm reicht dieser Effekt also nicht aus, um evtl. vorhandene Spalte zwischen den Bauteilen auszugleichen. Diese Problematik ist nicht zu unterschätzen. So zeigt ein Sensor, der aus den gleichen Bauteilen mehrfach zusammenge baut und anschließend wieder zerlegt wird, nach jeder Montage ein anderes Sensorverhalten. Dies hängt damit zusammen, daß sich die oben angeführten Toleranzen, je nach Lage der Teile zueinander, im günstigsten Fall kompensieren, im ungünstig sten Fall jedoch aufaddieren.The problem is alleviated at least in part by the fact that the individual parts of the sensor are usually compressed by a pre-tensioning force of approx. 4000 N. However, this effect has limits: with a typical modulus of elasticity of approx. 150 GPa for metals, a seismic mass of 10 mm inside, 14 mm outside diameter and 3 mm height has a spring constant in the axial direction of approx. 15.10 ⁹ N / m. With an applied force of 4000 N, this leads to a deformation of approximately 0.3 µm. With manufacturing tolerances in the range of 1-5 µm, this effect is not sufficient to compensate for any gaps between the components. This problem should not be underestimated. For example, a sensor that assembles several times from the same components and then disassembles shows a different sensor behavior after each assembly. This is due to the fact that the tolerances listed above, depending on the position of the parts to each other, compensate in the best case, but add up in the most unfavorable case.

Grundlegend beseitigen läßt sich dieses Problem nur durch eine Verringerung der Zahl der mechanischen Kontaktflächen im Sensorkern. Dem steht entgegen, daß normalerweise die einzel nen Teile des Sensors unterschiedliche Funktionen besitzen und daher in der Regel, beispielsweise aufgrund einer relativ einfachen Handhabung bei der Herstellung und aus Kostengrün den, als getrennte Teile hergestellt werden.This problem can only be eliminated fundamentally by a reduction in the number of mechanical contact surfaces in the Sensor core. This is opposed to the fact that normally the individual parts of the sensor have different functions and therefore usually, for example due to a relative easy handling during manufacture and for reasons of cost which are manufactured as separate parts.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zahl der mechanischen Kon taktflächen im Sensor zu reduzieren.The object of the invention is the number of mechanical cones to reduce cycle areas in the sensor.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Dazu wird der Klopfsensor so aufgebaut, daß von den Funk tionselementen im Sensorkern mindestens eine Elektrode und mindestens eine an die Elektrode angrenzende Isolierschicht als ein Verbundbauteil hergestellt werden. Durch dieses Merk mal werden mindestens zwei der mechanischen Kontaktflächen im Klopfsensor vermieden.For this purpose, the knock sensor is constructed so that the radio tion elements in the sensor core at least one electrode and at least one insulating layer adjacent to the electrode be manufactured as a composite component. By this note times at least two of the mechanical contact surfaces in the Knock sensor avoided.

Das eingesetzte Isoliermaterial kann unterschiedliche, dem Einsatzzweck angepaßte, Eigenschaften besitzen. Denkbar ist beispielweise eine mehrkomponentige Masse, die bei einer vor bestimmbaren Prozeßtemperatur auf der Elektrode ausgehärtet wird. Zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit der Isolier schicht kann auch eine Fasereinlage in das Isoliermaterial eingebracht werden.The insulation material used can be different Suitable properties, possess properties. Is conceivable For example, a multi-component mass that is used in a determinable process temperature hardened on the electrode becomes. To increase the mechanical rigidity of the insulation layer can also be a fiber insert in the insulating material be introduced.

Falls die Isolierschicht aus Kunststoff besteht, ergeben sich die Vorteile einer einfachen Auftragung, und damit einer ko stengünstigen Herstellung des Verbundbauteils, und einer großen Materialauswahl. Die Aufbringung der Kunststoffisolie rung kann beispielsweise mittels Siebdruck oder Aufwalzens auf die Elektroden geschehen.If the insulating layer is made of plastic, the result is the advantages of a simple application, and therefore a knockout cost-effective production of the composite component, and one large selection of materials. The application of the plastic insulation tion can, for example, by means of screen printing or rolling happen on the electrodes.

Für den Fall, daß die Isolierschicht aus Kunststoff besteht, ist es vorteilhaft, wenn sich das Verbundbauteil während des Aushärtens des Kunststoffes zur Formgebung in einer entspre chend maßhaltigen Form befindet. Dies kann beispielsweise da durch geschehen, daß das Verbundbauteil zwischen zwei Stem peln aushärtet. Weiterhin denkbar wäre das Einbringen der Elektrode in eine Spritzgußform.In the event that the insulating layer is made of plastic, it is advantageous if the composite component during the Hardening of the plastic for shaping in one appropriate dimensional shape. This can happen, for example by happening that the composite component between two Stem peln hardens. The introduction of the Electrode in an injection mold.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines typischen Klopfsensorkerns mit darin enthaltenem erfindungsgemäßen Verbundbauteil. FIG. 1 shows the structure of a typical knock sensor core with contained therein inventive composite component.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Verbundbau teils aus einer Elektrode und einer Isolierschicht. Fig. 2 shows an example of the structure of a composite part from an electrode and an insulating layer.

Fig. 3 zeigt ein Verbundbauteil, aufgebaut aus einer Elek trode und einer Isolierschicht aus Kunststoff in einer maß haltigen Form. Fig. 3 shows a composite component, constructed from an electrode and an insulating layer made of plastic in a dimensionally stable form.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung in Seitenansicht eines typischen Klopfsensorkerns, bei dem auf einem Träger 1 das erfindungsgemäße Verbundbauteil 2, bestehend aus der Isolie rung 21 und der Elektrode 22, aufliegt. Auf dem Verbundbau teil liegen ein Piezoelement 3, ein weiteres erfindungsgemä ßes Verbundbauteil 2 und eine seismische Masse 4. Die Funkti onselemente 2, 3, 4 werden auf dem Träger mit Hilfe einer Mutter 5 festgehalten. Die Elektroden 22 des Verbundbauteils 2 sind jeweils mit dem Piezoelement 3 in Kontakt. Fig. 1 shows a sectional side view of a typical knock sensor core in which on a support 1 composite component 2 of the invention consisting of the Isolie tion 21 and the electrode 22 rests. On the composite construction part 3 are a piezoelectric element 3, a further inventive SLI composite component 2, and a seismic mass 4. The functi onselemente 2, 4 are held on the carrier by means of a nut. 5 The electrodes 22 of the composite component 2 are each in contact with the piezo element 3 .

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Verbundbauteil 2 zum Einbau in den erfindungsgemäßen Klopfsensor, aufgebaut aus einer als ringförmig ausgebildeten Elektrode 22, bei spielsweise aus Messing, und einer ringförmigen Isolier schicht 21, beispielsweise aus Kunststoff, wobei die Isolier schicht 3 im Herstellungsverfahren flächig auf die Elektrode 2 aufgebracht worden ist. Elektrode 22 und Isolierschicht 21 besitzen den gleichem Innen- und Außendurchmesser, die je weils der gemeinsamen Oberfläche entgegengesetzten Flächen sind zueinander planparallel. Fig. 2 shows a perspective view of a composite component 2 for installation in the knock sensor according to the invention, constructed from an electrode 22 designed as a ring, for example made of brass, and an annular insulating layer 21 , for example made of plastic, the insulating layer 3 being flat in the manufacturing process has been applied to the electrode 2 . Electrode 22 and insulating layer 21 have the same inner and outer diameter, the surfaces opposite each other because of the common surface are plane-parallel to one another.

Die Isolierschicht 21 kann beispielsweise eine Fasereinlage zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit beeinhalten oder aus einer mehrkomponentigen Masse bestehen. Die Elektrode 22 besteht beispielsweise aus Messing.The insulating layer 21 can, for example, contain a fiber insert to increase the mechanical rigidity or consist of a multi-component mass. The electrode 22 is made of brass, for example.

Fig. 3 zeigt ein Verbundbauteil 2 zum Einbau in den erfin dungsgemäßen Klopfsensor in Schnittdarstellung in Seitenan sicht mit einer Elektrode 22 und einer Isolierschicht 21 aus Kunststoff, wobei sich das Verbundbauteil 2 zur Aushärtung in einer maßhaltigen Form 6 befindet. Die maßhaltige Form 6 kann beispielsweise aus Stempeln 61 und 62 zusammengesetzt sein. Man erkennt, daß Elektrode 22 und Isolierschicht 21 den glei chem Innen- und Außendurchmesser besitzen, die jeweils der gemeinsamen Oberfläche entgegengesetzten Flächen sind zuein ander planparallel. Fig. 3 shows a composite component 2 for installation in the knock sensor according to the invention in a sectional view in Seitenan view with an electrode 22 and an insulating layer 21 made of plastic, wherein the composite component 2 is for curing in a dimensionally stable shape 6 . The dimensionally stable shape 6 can be composed, for example, of stamps 61 and 62 . It can be seen that the electrode 22 and insulating layer 21 have the same inner and outer diameters, the surfaces opposite the common surface are mutually plane-parallel.

Claims

1. Knock sensor consisting of

- several adjacent functional elements ( 1 , 3 , 4 , 5 ),
- Where at least one electrode ( 22 ) with at least one adjacent insulating layer ( 21 ) is designed as a composite component ( 2 ) and the insulating layer ( 21 ) is connected to the surface of the electrode ( 22 ).

2. knock sensor according to claim 1, wherein the insulating layer ( 21 ) of the composite component ( 2 ) consists of plastic.

3. knock sensor according to one of claims 1 to 2, wherein the insulating layer ( 21 ) of the composite component ( 2 ) contains a fiber insert to increase the mechanical rigidity.

4. knock sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the insulating layer ( 21 ) completely covers a surface of the adjacent electrode ( 22 ).

5. knock sensor according to one of claims 1 to 4, wherein the electrode ( 22 ) is annular.

6. knock sensor according to one of claims 1 to 5, in which any number of electrodes ( 22 ) and insulating layers ( 21 ) were combined to form a composite component ( 2 ).

7. knock sensor according to one of claims 1 to 6, in which a plurality of composite components ( 2 ) are used in the sensor.