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Piezoelektrischer Druckgeber
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Druckgeber, insbesondere zur Messung des
Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, in welchem die Piezoele- mente und ein den Druck auf diese übertragender Stempel angeordnet sind, wobei zwischen Gehäuse und
Stempel ein durch eine Membrane dichtend abgeschlossener Ringspalt vorgesehen ist.
Bei piezoelektrischen Druckgebern dieser Art muss der Ringspalt druckseitig einwandfrei abgedichtet sein, da ein Gasdurchtritt durch den Druckgeber tunlichst vermieden werden soll. Die Abdichtung ist insofern schwierig, als diese Druckgeber stempelseitig einer verhältnismässig grossen Wärmebelastung und hohen Drücken ausgesetzt sein können ; ausserdem treten Dehnungen im Gehäuse und im Stempel au. f. (z. B. mechanische oder Wärmedehnungen), wie etwa beim Einschrauben des Druckgebers in den Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei der das Gewinde tragende Teil des Gehäuses gestreckt wird.
Bei den bekannten Ausführungen wird zur Abdichtung meist eine ebene Membrane verwendet, die kreisringförmig ausgebildet und mittels zweier koaxial angeordneter Ringe an Auflageflächen am Gehäuse und am Stempel festgespannt ist. Die Ringe sind hiebei mittels Gewinde am Gehäuse und am Stempel befestigt. Eine derartige Abdichtung ist jedoch den gestellten Anforderungen nicht immer gewachsen, da durch verschieden grosse Wärmedehnungen der einzelnen Teile während des Betriebes und infolge mechanischer Beanspruchungen Undichtheiten an den Auflageflächen auftreten, die Betriebsstörungen verursachen und zeitraubende Reparaturen erforderlich machen.
Auch das weiterhin vorgeschlagene Bestreichen der Berührungsflächen der den Ringspalt abschliessenden Teile mit einem erhärtenden Dichtungsmittel hat sich nicht als ausreichend erwiesen.
Die Erfindung schafft hiebei nunmehr dadurch Abhilfe, dass im Bereich jedes abzudichtenden Randes der Membrane ausserhalb von deren Einspannzonen ein aus elastischem Material, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, bestehender Dichtungsring vorgesehen ist, gegen den sich die Membrane federnd anlegt. Dadurch ergibt sich eine einwandfreie Abdichtung, die auch beim Auftreten von Dehnungen im Gehäuse und im Stempel und bei verschieden grosser Wärmedehnung der einander berührenden Teile voll wirksam bleibt. Da die Membrane federnd an den Dichtungsringen anliegt, ist auch beim Nachgeben des Dichtungswerkstoffes und bei Verformungen der Membrane zufolge auftretender hoher Drücke eine sichere Abdichtung gewährleistet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei einer in an sich bekannter Weise ringförmig ausgebildeten und mittels zweier, z. B. eingeschraubter, eingepresster oder aufgeschrumpfter, koaxial angeordneter Ringe auf Auflageflächen am Gehäuse und am Stempel festgehaltenen Membrane je ein z. B. in einer Ringnut liegender, die Auflageflächen in Achsrichtung überragender Dichtungsring vorgesehen sein, wobei die die Membrane auf die Auflagefläche drückenden Ringe im Bereich der Dichtungsringe zur Aufnahme der elastisch verformten Membranteile Aussparungen od. dgl. aufweisen, z. B. abgeschragt sind.
Durch diese Ausbildung wird eine ungehinderte elastische Verformung der Membrane im Bereich der Dichtungsringe ermöglicht, so dass sich die Membrane mit entsprechend hohem Druck an die Dichtungsringe anlegen kann und eine einwandfreie Abdichtung unter allen Umständen gewährleistet ist.
Ausserdem zeichnet sich diese Ausführung durch besondere Einfachheit und billige Herstellbarkeit aus.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Dichtungsringe aus Polytetrafluoräthylen bestehen. Es hat sich gezeigt, dass dieser unter der Bezeichnung"Teflon"im Handel befindliche Kunststoff die unter den bei den gegenständlichen Druckgebern auftretenden Bedingungen erforderlichen elastischen
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und thermischen Eigenschaften in hohem Masse aufweist und daher hiefür besonders geeignet ist.
In der Zeichnung ist zur näheren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den die Piezoelement enthaltenden Teil des Druckgebers und Fig. 2 eine ver- grösserte Darstellung eines Details, ebenfalls im Schnitt.
Im Inneren des zylindrischen Gehäuses l des Druckgebers ist eine Vorspannhülse 2 festgeklemmt, die die Piezoelemente, z. B. zwei Quarzkristalle 3 und 4, umschliesst und'mit einem den zu messenden Druck übertragenden Stempel 5 abgeschlossen ist. Zur Ableitung der elektrischen Ladungen sind Elektroden 6 und 7 vorgesehen, von welchen die Elektrode 6 mit einer isolierten Ausleitung 8 versehen ist und die Elek- trode 7 über die Vorspannhülse 2 mit dem Gehäuse 1 in leitender Verbindung steht. Um den die Quarz- kristalle 3 und 4 umschliessenden Teil der Vorspannhülse 2 herum ist zwischen dieser und dem Gehäuse 1 ein Ringspalt 9 vorgesehen, der stempelseitig durch eine zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 5 dichtend angeordnete Membrane 10 abgeschlossen ist.
Der Ringspalt 9 ist von einem Kühlmittel durchflossen, das durch im Gehäuse 1 vorgesehene Kanäle, von welchen in Fig. 1 nur der Kanal 11 ersichtlich ist, zu-bzw. abgeführt wird. Zur'Verbesserung des Kühlmittelumlaufes ist im Ringspalt 9 eine im Gehäuse 1 eingesetzte Hülse 12 angeordnet, an deren druckseitiger Stirnfläche die Membrane 10 anliegt.
Zur Befestigung der Membrane 10 am Gehäuse 1 bzw. an der Hülse 12 und am Stempel 5 sind zwei, z. B. eingepresste oder aufgeschrumpfte, koaxial angeordnete Ringe 13 und 14 vorgesehen, die die Membrane 10 gegen Auflageflächen an der Hülse 12 und am Stempel 5 drücken. Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, erfolgt die Abdichtung der Membrane 10 mittels elastischer Dichtungsringe 15 und 16, die je in einer in den Auflageflächen an der Hülse 12 und am Stempel 5 ausgesparten Ringnut 17 bzw. 18 liegen und die Auflageflächen in Achsrichtung überragen. Die Ringe 13 und 14 sind im Bereich der Dichtungsringe 15 und 16 abgeschrägt, so dass sich die Ränder 19 und 20 der Membrane 10 elastisch verformen können und federnd an den Dichtungsringen 15 und 16 fest anliegen.
Dadurch ergibt sich eine einwandfreie Abdichtung auch bei einem Nachgeben des Dichtungswerkstoffes und bei auftretenden Relativbewegungen zwischen Gehäuse 1 und Stempel 5, z. B. durch verschiedene Wärmedehnungen oder durch unterschiedliche mechanische Beanspruchung.
Die Membrane 10 ist über die gesamte Breite des Ringspaltes 9 gewölbt ausgeführt. Die Wölbung besitzt im mittleren Teil einen kreisringförmigen Querschnitt, dessen Krümmungsmittelpunkt in Richtung der Wölbung verschoben ist und etwa in der Ebene der Auflageflächen der Membrane 10 an der Hülse 12 und am Stempel 5 liegt. In ihren unmittelbar an die Hülse 12 und den Stempel 5 anschliessenden Bereichen zu beiden Seiten des kreisringförmigenQuerschnittes verläuft die an der Innenseite der Wölbung liegende Begrenzungsfläche der Membrane 10 etwa in Achsrichtung des Stempels 5 und ist zylindrisch ausgebildet. Die Membrane 10 besitzt ausserdem in ihrem gewölbten Teil eine geringere Wandstärke als in ihren an der Hülse 12 und am Stempel 5 anliegenden Bereichen.
Durch diese Formgebung der Membrane 10 treten bei einer Relativbewegung zwischen Gehäuse 1 und Stempel 5 nur geringe Biegebeanspruchungen des gewölbten Teiles der Membrane auf, so dass eine die Charakteristik des Druckgebers verändernde Kraftübertragung weitgehend vermieden wird.
Die Kanten 21 und 22 der auf der Aussenseite der Wölbung der Membrane 10 zu beiden Seiten des Ringspaltes 9 liegenden Auflageflächen der Hülse 12 und des Stempels 5 sind abgerundet und die Membrane 10 liegt im Bereich dieser Abrundungen satt an. Dadurch werden Beschädigungen der Membrane 10, z. B. durch Abscherung während des Betriebes, vermieden. Die etwa in Achsrichtung des Stempels 5 verlaufenden zylindrischen Teile der an der Innenseite der Wölbung liegenden Begrenzungsfläche besitzen dagegen scharfe Randkanten 23 und 24, um eine eindeutig definierte druckbeaufschlagte Fläche der Membrane 10 sicherzustellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Piezoelektrischer Druckgeber, insbesondere zur Messung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, in welchem die Piezoelemente und ein den Druck auf diese übertragender Stempel angeordnet sind. wobei zwischen Gehäuse und Stempel ein durch eine Membrane dichtend abgeschlossener Ringspalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jedes abzudichtenden Randes (19, 20) der Membrane (10) ausserhalb von deren Einspannzonen ein aus elastischem Material, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, bestehender Dichtungsring (15, 16) vorgesehen ist, gegen den sich die Membrane (10) federnd anlegt.