DE10044483A1 - Schwingungsaufnehmer sowie Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungsaufnehmer (1) zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil. Der Schwingungsaufnehmer umfasst ein Gehäuse (2), eine Druckhülse (3) mit einem zylindrischen Bereich (4) und einem flanschartigen Bereich (5) und einer zwischen zwei Isolierscheiben (14) und zwei Kontaktscheiben (13) angeordneten piezoelektrischen Scheibe (9), auf welcher eine seismische Masse (10) über eine durch ein Federelement (11) ausgeübte Vorspannkraft wirkt. Dabei wirkt ein Betriebspunkt des Federelements (11) im montierten Zustand in einem Sättigungsbereich der Federkennlinie. Des Weiteren wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schwingungsaufnehmers vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungs­ aufnehmer zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers.

Schwingungsaufnehmer sind in unterschiedlichen Ausge­ staltungen bekannt. Beispielsweise werden Schwingungs­ aufnehmer als Klopfsensoren für Verbrennungsmotoren eingesetzt, wobei die zu detektierenden Schwingungen, in diesem Fall Klopfgeräusche des Verbrennungsmotors, in Betrieb sind, welche über eine Druckhülse auf eine piezo­ keramische Scheibe geleitet werden und in ein auswertbares Ausgangssignal umgewandelt werden.

Beispielsweise ist aus der EP-01 84 666 ein Klopfsensor für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher ein Gehäuse mit einer Druckhülse aufweist, wobei auf der Außenseite der Druckhülse eine piezokeramische Scheibe und eine auf diese einwirkende seismische Masse angeordnet sind. Diese beiden Teile werden durch eine Tellerfeder mit Kontaktscheiben in Berührung gebracht, wobei die Vorspannung der Tellerfeder durch einen auf die Druckhülse aufgeschraubten Gewindering erzeugt wird.

Weiterhin ist aus der DE-195 24 152 ein Schwingungsaufnehmer bekannt, bei dem eine Tellerfeder zur Vorspannung der piezo­ keramischen Scheibe bzw. der seismischen Masse an einer Verstemmung anliegt. Diese Verstemmung ist im metallischen Material der Druckhülse hergestellt und wirkt als ein Anschlag für das Federelement.

Bei Funktionsuntersuchungen wurde festgestellt, dass der Vorspannung durch die Tellerfeder beim Schwingungsaufnehmer eine besondere Bedeutung zukommt. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen die Vorspannkräfte in gewissen Grenzen gewährleistet sein. Da das Gehäuse des Schwingungs­ aufnehmers aus Kunststoff gespritzt wird, treten auch häufig Probleme aufgrund des Eindringens des Kunststoffs zwischen die Tellerfeder und der seismischen Masse auf, welche die Funktion des Schwingungsaufnehmers beeinträchtigen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass im montierten Zustand ein Betriebspunkt des Federelements im Sättigungsbereich der Kennlinie des Federelements liegt. Dies wird dadurch er­ reicht, dass bei der Montage des Federelements dieses über­ drückt wird, sodass das Federelement vollständig an der an es angrenzenden seismischen Masse anliegt. Dabei befindet sich der Betriebspunkt des Federelements während des Niederdrückens in einem Blockbereich der Kennlinie des Feder­ elements. Anschließend wird das Federelement z. B. mittels Verstemmen an einem zylinderförmigen Bereich einer Druckhülse fixiert, wobei sich das Federelement nach dem Wegfall der Niederhaltekraft aufgrund von elastischen Effekten wieder teilweise entlastet. Dabei lässt die Fixierung des Federelements jedoch nur eine Entlastung derart zu, dass der Betriebspunkt des Federelements dann im endgültig montierten Zustand im Sättigungsbereich der Kennlinie liegt. Dadurch ergibt sich weiterhin der große Vorteil, dass nach der Fixierung des Federelements während des anschließenden Schrittes des Umspritzens eines Gehäuses mit einem Spritzwerkstoff kein Spritzwerkstoff zwischen das Federelement und die seismische Masse eindringen kann, da diese im Wesentlichen plan aufeinander liegen. Dadurch können ungewünschte Funktionsveränderungen vermieden werden, was z. B. im Stand der Technik beim Eindringen von Spritz­ werkstoff in einem spitzen Winkel zwischen eine Tellerfeder und eine seismische Masse vorkommen kann. Somit kann die Anzahl der Fehlteile während der Produktion verringert werden und das Funktionsverhalten des Schwingungsaufnehmers deutlich verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, während des Fertigungsprozesses Überwachungseinrichtungen einzubauen.

Erfindungsgemäß kann somit das Federelement im Sättigungs­ bereich der Kennlinie betrieben werden. Da der Sättigungs­ bereich der Kennlinie im Wesentlichen waagrecht verläuft, sind die Vorspannkräfte des Federelements auf die seismische Masse bzw. das piezoelektrische Element in vorbestimmten Grenzen definiert. Dadurch kann der besonderen Bedeutung des Federelements als Vorspannelement für die übrigen Elemente des Klopfsensors Rechnung getragen werden. Des Weiteren kann durch die Fixierung des Federelements derart, dass sie im Wesentlichen plan auf der seismischen Masse anliegt, ein negativer Einfluss von einem im Stand der Technik möglichen Eindringen von Spritzwerkstoff zwischen das Federelement und die seismische Masse verhindert werden. Als Fixierung des Federelements wird dabei vorzugsweise ein Verstemmen verwendet, es ist jedoch auch denkbar, dass das Federelement z. B. mittels eines Gewinderings o. ä. fixiert wird.

Bevorzugt ist das Federelement als ringförmige Scheibe bzw. Tellerfeder ausgebildet.

Vorzugsweise weist die Tellerfeder an ihrem inneren Umfangs­ bereich eine beispielsweise konisch ausgebildete Fläche auf, welche zur Druckhülse hin gerichtet ist. Dabei ist die konisch ausgebildete Fläche vorzugsweise nach oben, d. h. entgegengesetzt zur seismischen Masse gerichtet. Durch diese konisch ausgebildete Fläche kann bei einer Fixierung der Tellerfeder mittels Verstemmen erreicht werden, dass ein Verstemmungsbereich an dieser Fläche anliegt. Dadurch können auch insbesondere zu große Belastungen auf die Tellerfeder während des Verstemmvorgangs verhindert werden, da durch die geneigte bzw. schräge Fläche eine Kraftkomponente sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung auf die Tellerfeder wirkt.

Um eine möglichst sichere Fixierung zu erhalten, liegt der Verstemmungsbereich der Druckhülse vorzugsweise vollständig an der konisch ausgebildeten Fläche an.

Besonders bevorzugt werden an der Druckhülse fünf Ver­ stemmungsbereiche ausgebildet. Durch die hierbei erzeugten Verwölbungen beim Verstemmen wird erreicht, dass ein besonders sicherer Halt der gesamten Anordnung an der Druckhülse erreicht wird.

Um eine gleichmäßige Vorspannung durch die Tellerfeder zu erreichen, sind die Verstemmungsbereiche vorzugsweise am Umfang der Druckhülse gleich weit voneinander beabstandet.

Bevorzugt werden die Verstemmungsbereiche an einem Bereich mit einer größeren Dicke der Druckhülse des Schwingungs­ aufnehmers angebracht. Dadurch kann vermieden werden, dass die Druckhülse während des Verstemmvorgangs beschädigt wird oder für die Verstemmung nicht ausreichend Material vorhanden ist.

Ein grundsätzlicher Vorteil des Verstemmens liegt darin, dass auf eine spanende Bearbeitung, insbesondere der Druckhülse z. B. zum Schneiden eines Gewindes, verzichtet werden kann. Dadurch entfällt insbesondere die aufwendige Spanbeseitigung und es tritt auch kein Risiko dahingehend auf, dass durch verbleibende Späne im Schwingungsaufnehmer ein Kurzschluss in der Anordnung ausgebildet wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung bzw. Montage eines Schwingungsaufnehmers werden in einem ersten Schritt die Einzelteile des Schwingungsaufnehmers, d. h. eine piezoelektrische Scheibe, eine seismische Masse, Isolier­ scheiben, Kontaktscheiben und ein Federelement auf einen zylindrischen Bereich einer Druckhülse aufgefädelt bzw. übergestreift. Dabei ist die Reihenfolge des Auffädelns derart, dass zuerst eine Isolierscheibe, dann eine Kontakt­ scheibe, dann die piezoelektrische Scheibe, dann eine zweite Kontaktscheibe und danach eine zweite Isolierscheibe, dann die seismische Masse und zuletzt das Federelement auf den zylindrischen Bereich der Druckhülse aufgefädelt werden. Anschließend wird das Federelement derart niedergedrückt, dass es auf der seismischen Masse plan anliegt und dass sich sein Betriebspunkt in einem Blockbereich der Kennlinie des Federelements befindet. Das niedergedrückte Federelement wird in diesem Zustand gehalten und anschließend erfolgt die Fixierung des Federelements vorzugsweise mittels Verstemmen am Umfangsbereich des zylindrischen Bereichs der Druckhülse. Nach der Fixierung des Federelements wird dieses wieder entlastet, wobei das Federelement aufgrund seiner Fixierung nur in geringem Umfang entlastet wird, so dass es sich in einem Sättigungsbereich seiner Kennlinie befindet. An­ schließend wird ein Gehäuse mit einem Spritzwerkstoff um das vormontierte Bauteil gespritzt und der Schwingungsaufnehmer fertig gestellt. Somit befindet sich das Federelement im Endzustand der Herstellung in einem Betriebspunkt, welcher im Sättigungsbereich der Kennlinie des Federelements liegt und nicht, wie im Stand der Technik, in einem linear ansteigenden Bereich. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die durch das Federelement ausgeübten Vorspannkräfte innerhalb vorbestimmter Grenzen bereitgestellt werden, da die Kennlinie des Federelements im Sättigungsbereich im Wesentlichen waagrecht verläuft.

Um eine effiziente Fertigung zu gewährleisten, werden bei einer Fixierung mittels Verstemmen vorzugsweise gleichzeitig mehrere Verstemmungsbereiche ausgebildet.

Erfindungsgemäß wird somit ein Schwingungsaufnehmer bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt, welcher ein Federelement aufweist, welches im montierten Zustand seinen Betriebspunkt im Sättigungsbereich der Federkennlinie auf­ weist. Dadurch werden Vorspannkräfte in definierten Grenzen bereitgestellt. Des Weiteren sind dadurch das Federelement und die seismische Masse derart zueinander angeordnet, dass während des Fertigungsschritts des Umspritzens eines Gehäuses kein Spritzwerkstoff zwischen diese beiden Elemente gelangen kann. Dadurch wird die Funktionssicherheit des erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmers deutlich verbessert.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Schwingungsaufnehmers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine Darstellung einer Kennlinie eines im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Federelements.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Schwingungsaufnehmer 1 zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil (nicht dargestellt) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst der erfindungsgemäße Schwingungsaufnehmer 1 eine Druckhülse 3, welche aus einem zylindrischen Bereich 4 und einem flanschartigen Bereich 5 besteht, welcher für eine Anlage an dem Schwingungen aufweisenden Bauteil ausgelegt ist. Weiter ist im zylindrischen Bereich 4 ein Bereich 6 mit einer größeren Dicke als der restliche zylindrische Bereich ausgebildet.

Weiter umfasst der Schwingungsaufnehmer 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als piezoelektrisches Element eine piezokeramische Scheibe 9, eine seismische Masse 10, eine Tellerfeder 11, zwei Kontaktscheiben 13 und zwei Isolierscheiben 14. Diese Einzelteile sind über den zylindrischen Bereich 4 der Druckhülse 3 aufgefädelt und stützen sich am flanschartigen Bereich 5 ab. Dabei ist die piezokeramische Scheibe 9 zwischen zwei Kontaktscheiben 13 angeordnet, welche über einen Widerstand 16 und eine Leitung 15 mit einem Anschlussstecker 17 verbunden sind, um die durch das piezokeramische Element aufgenommenen Signale an eine Auswerteeinheit abzugeben. Um einen elektrischen Kontakt zu verhindern, sind die beiden Kontaktscheiben 13 von zwei Isolierscheiben 14 umgeben. Dabei liegt eine Isolierscheibe 14 am flanschartigen Bereich 5 an. An der zweiten Isolierscheibe 14 liegt die seismische Masse 10 an, welche über das als Tellerfeder ausgebildete Federelement 11 auf die piezokeramische Scheibe 9 wirkt. In Fig. 1 ist die piezokeramische Scheibe 9 zusätzlich noch schematisch etwas vergrößert dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Druckhülse 3 eine Durch­ gangsöffnung 7 auf, welche zur Befestigung des Schwingungs­ aufnehmers 1 z. B. mittels einer Schraube am Schwingungen aufweisenden Bauteil dient.

Wie weiter in Fig. 1 gezeigt, weist die Tellerfeder 11 einen geneigten bzw. konischen Bereich 12 auf, welcher an ihrem inneren Umfangsbereich gebildet ist. Dabei ist der konische Bereich 12 als Fase an einem inneren Umfangs­ randbereich ausgebildet. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der konische Bereich 12 von der seismischen Masse 10 fort­ gerichtet, d. h. in Fig. 1 nach oben gerichtet. An diesem konischen Bereich 12 werden Verstemmungsbereiche 8 ausgebildet, welche sich vollständig an den konischen Bereich 12 anlegen. Alternativ ist auch eine abgerundete Ausbildung an Stelle der Fase möglich.

Um die Vorspannkraft der Tellerfeder 11 in vorbestimmten Grenzen zu halten, wurde bei der Fixierung der Tellerfeder 11 mittels der Verstemmungsbereiche 8 die Tellerfeder 11 niedergehalten. Dabei wird die Tellerfeder 11 derart niedergehalten, dass sie sich in einem Blockbereich ihrer Kennlinie befindet, d. h. sie nicht weiter zusammengedrückt werden kann. Nach dem Fixieren der Tellerfeder mittels der Verstemmungsbereiche 8 wird die Tellerfeder 11 nach Wegfall der Niederhaltekraft wieder teilweise entlastet, sodass sich der Betriebspunkt im Sättigungsbereich der Federkennlinie befindet.

In Fig. 2 ist eine Federkennlinie der Tellerfeder 11 dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die Kennlinie einen linear ansteigenden Bereich, einen Sättigungsbereich sowie einen Blockbereich auf. Beim Niederhalten der Tellerfeder 11 während des Verstemmvorgangs befindet sich der Betriebspunkt der Feder 11 im Blockbereich. Nachdem den Niederhaltekraft entfällt, wird die Tellerfeder 11 teilweise entlastet, und sie befindet sich dann im Sättigungsbereich der Kennlinie. Da der Sättigungsbereich der Kennlinie im Wesentlichen horizontal verläuft, ist die Vorspannkraft der Tellerfeder in engen Grenzen vorbestimmt. Dadurch kann die Genauigkeit der Erfassung von Schwingungen verbessert werden.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Schwingungs­ aufnehmer 1 zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil. Der Schwingungsaufnehmer umfasst ein Gehäuse 2, eine Druckhülse 3 mit einem zylindrischen Bereich 4 und einem flanschartigen Bereich 5 und einer zwischen zwei Isolierscheiben 14 und zwei Kontaktscheiben 13 angeordneten piezoelektrischen Scheibe 9, auf welcher eine seismische Masse 10 über eine durch ein Federelement 11 ausgeübte Vorspannkraft wirkt. Dabei liegt ein Betriebspunkt des Federelements 11 im montierten Zustand in einem Sättigungsbereich der Feder­ kennlinie. Des Weiteren wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schwingungsaufnehmers vorgeschlagen.

Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims (10)

1. Schwingungsaufnehmer zur Befestigung an einem Schwingungen aufweisenden Bauteil mit einer zwischen zwei Isolierscheiben (14) und zwei Kontaktscheiben (13) angeordneten piezoelektrischen Scheibe (9), auf welche eine seismische Masse (10) über ein Federelement (11) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebspunkt des Federelements (11) im montierten Zustand in einem Sättigungsbereich der Kennlinie des Federelements (11) liegt.

2. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Federelement (11) als ringförmige Scheibe ausgebildet ist.

3. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die ringförmige Scheibe (11) an einem inneren Umfangsrand eine konisch oder abgerundet ausgebildete Fläche (12) aufweist, die von der seismischen Masse (10) fortgerichtet ist.

4. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11) mittels eines Verstemmungsbereichs (8) fixiert ist, welcher an einem im Wesentlichen zylinderförmigen Bereich (4) einer Druckhülse (3) ausgebildet ist.

5. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Verstemmungsbereich (8) nach dem Verstemmvorgang vollständig an der konisch oder abgerundet ausgebildeten Fläche (12) der ringförmigen Scheibe (11) anliegt.

6. Schwingungsaufnehmer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Verstemmungsbereiche (8) gebildet sind.

7. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstemmungsbereiche (8) am Umfang der Druckhülse (3) gleich weit von­ einander beabstandet sind.

8. Schwingungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstemmungsbereiche an einem Bereich (6) mit größerer Dicke des zylinderförmigen Bereichs (4) der Druckhülse (3) gebildet sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers (1) umfassend die Schritte des Anordnens einer piezoelektrischen Scheibe (9), einer seismischen Masse (10), zweier Isolierscheiben (14), zweier Kontaktscheiben (13) und eines Federelements (11) auf einen zylinderförmigen Bereich (4) einer Druckhülse (3) und des Ausbildens von Anschlagbereichen (8) am zylindrischen Bereich (4) der Druckhülse (3) mittels Verstemmen, wobei das Federelement (11) während des Verstemmens auf die seismische Masse (10) nieder­ gedrückt wird, so dass sich sein Betriebspunkt in einem Blockbereich der Kennlinie des Federelements (11) befindet und sich der Betriebspunkt des Federelements (11) im Endzustand der Herstellung in einem Sättigungsbereich der Kennlinie des Federelements (11) befindet, wenn das Federelement (11) nach der Montage entlastet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mehrere Verstemmbereiche (8) an dem zylindrischen Bereich (4) der Druckhülse (3) ausge­ bildet werden.