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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abdichten eines
Sensors sowie ein Sensorelement, wobei nachfolgend ohne Beschränkung eine
Anwendung bei allgemeinen Sensoren nur Luftmassensensoren betrachtet
werden.
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Nach
dem Stand der Technik stellt ein Luftmassensensor ein kleinbauendes
und geringes Gewicht aufweisendes Bauteil dar, das direkt nach einem
Luftfilter in einen Ansaugkanal eines Kraftfahrzeugs eingebaut wird.
Hier misst der Luftmassensensor mit hoher Genauigkeit den Luftmassenstrom
zum Motor. Von dem Luftmassensensor gemessene Werte bilden die Grundlage
für die
Bestimmung einer Benzin-Einspritzmenge in Otto-Motoren. Bei Diesel-Maschinen
werden aus den Messwerten eines Luftmassensensors eine Abgasrückführungsmenge sowie
eine maximale Einspritzmenge berechnet. Aufgrund ihrer zuverlässigen Funktionsweise
und ihrer Robustheit gegen Umwelteinflüsse tragen Luftmassensensoren
so ganz wesentlich zu einer Reduzierung von Schadstoffemissionen
bei Brennkraftmaschinen bei.
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In
bekannter Art und Weise werden Luftmassensensoren in einer so genannten "Plug-in" Bauart in eine Ausnehmung
in dem Ansaugkanal ca. 40 mm tief bei einer Genauigkeit der Ausrichtung
von ca. +/– 1° gegenüber der
Längsachse
des Ansaugkanals eingeführt
und an der Außenseite
des Ansaugkanals durch Verschraubungen lösbar fixiert. Hierbei ist um die
jeweilige Ausnehmung herum eine Spalt-Abdichtung erforderlich, die
ein Eintreten von ungefilterter Rohluft vermeiden soll. Die Dichtigkeit
dieser Abdichtung muss über
die Lebensdauer des Kraftfahrzeugs oder des Luftmassensensors Aufrecht
erhalten werden. Über
die Dichtung hat zudem ein Toleranzausgleich zwischen den Fügepartnern
zu erfolgen. Damit ergeben sich an einem Dichtungsmaterial mit der Forderung
nach einer dauerhaften Beständigkeit
gegenüber
verschiedenen Medien über
ei nen großen Temperaturgang
und viele Temperaturwechsel hinweg einerseits und einer Möglichkeit
zur Schaffung eines mechanischen Ausgleichs andererseits, sehr unterschiedliche
Anforderungen. Zudem ist eine kostengünstige Lösung für Spalt-Abdichtungen anzustreben, wenngleich
eine Messgenauigkeit von Luftmassensensoren von der Zuverlässigkeit
der zugehörigen
Spalt-Abdichtungen ganz wesentlich abhängt.
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Aus
dem Stand der Technik sind Abdichtungen bekannt, die in der Ausnehmung
durch O-Ringe aus Elastomeren realisiert werden. Alternativ werden zur
Abdichtung in Form von aufwändigen
Profildichtungen verwendet, wobei diese Profildichtungen regelmäßig als
Spritzteile ausgeführt
sind. Bei den vorstehend genannten Lösungen ist für einen
ausreichenden Toleranzausgleich zur Herstellung einer entsprechend
guten Abdichtung eine sehr starke mechanische Vorspannung erforderlich,
der eine für
den hohen Temperaturgang und eine lange Lebensdauer des Dichtungsmaterials
erforderliche Materialhärte entgegensteht
sowie das brüchige
Material der Fügepartner.
Die zweigenannte Lösung
geht den Weg verhältnismäßig teuerer
Sonderteile.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum Abdichten eines Sensors mit gutem mechanischem Toleranzausgleich,
hoher Lebensdauer und gegenüber
bekannten Vorrichtungen gesenkten Kosten sowie ein entsprechendes
Sensorelement zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der jeweiligen unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich eine Vorrichtung zum Abdichten eines Sensors, der durch eine Ausnehmung
in einen Kanal eingreifend angeordnet und an dem Kanal lösbar fixiert
ist, dadurch aus, dass ein Dichtungsbereich mit mindestens einer
Dichtungseinrichtung außerhalb
der Ausnehmung vorgesehen ist, wobei die Dichtungseinrichtung um
die Ausnehmung zur Abdichtung ausgebildet ist. Da erfindungsgemäß im Gegensatz
zu bekannten Dichtungsmaßnahmen
in der Ausnehmung selber nun eine Abdichtung in einem Bereich außerhalb
der eigentlichen Ausnehmung hin verlagert wird, können Toleranzprobleme
leichter gelöst
werden. Zusätzlich werden
dabei Einflüsse
von hohen Temperaturschwankungen auf eine jeweilige Abdichtung gemildert.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen bilden den Gegenstand von Unteransprüchen. Demnach
ist die Dichtungseinrichtung zur Abdichtung zwischen einer Basisplatte
eines Sensorgehäuses
des Sensors und einer Außenfläche des
Kanals ausgebildet. In und an der Ausnehmung selber sind damit im
Gegensatz zu Vorrichtungen an lösbar
fixierten Sensorverbindungen also selber keine Dichtungsmaßnahmen
vorgesehen.
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Ferner
wird in einer Ausführungsform
der Erfindung die Erkenntnis aufgegriffen, dass sich eine Dichtung
besonders kostengünstig
als Flachdichtung ausführen
lässt.
Dabei wird ein schlauchförmiges Elastomer
scheibenweise zerteilt. Herstellungsbedingt lassen sich keine Shore-Härten unter
circa 60 Sh einstellen. Auch derartige Flachdichtungen erfordern
für einen
Toleranzausgleich im Krafthauptschluss oder Kraftnebenschluss eine
sehr starke mechanische Vorspannung. Eine derartige Vorspannung
ist bei Verwendung von Materialien im genannten Shore-Härtebereich
mittels regelmäßig für den Einbau
von Sensoren verwendeter selbstschneidender Metallschrauben in dem
für den
Ansaugkanal und das Sensor-Gehäuse
verwendeten glasfaserverstärkten
Kunststoff-Material, z.B. PBT-GF30, nicht realisierbar, oder es
lässt sich
eine ausreichende Dichtigkeit nicht über den im Betrieb eines kraftfahrzeugüblichen
Temperaturbereich bei häufigen
Temperaturwechseln über
die Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs aufrechterhalten. Statt einen
O-Ring oder eine Flachdichtung eben zwischen zwei Fügepartner
in Form einer Außenwandung
des Ansaugkanals und einer die Ausnehmung überdeckenden Basisplatte des
Sensors zu verpressen, wird gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung als Dichtungsanordnung eine Flachdichtung zwischen
zwei versetzt gegeneinander angeordneten Stegen platziert. An der
Dichtflä che
beider Fügepartner
ist jeweils ein um die Ausnehmung umlaufend angeordneter Steg derart
angebracht, dass die Dichtung beim Fügen der beiden Bauteile in
sich verformt wird.
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Insbesondere
werden Innen- und Außenseite
der in der Regel kreisringförmig
ausgebildeten Dichtung zueinander gegenläufig ausgelenkt. Hierzu ist
eine Flachdichtung zwischen jeweils mindestens einer an einer Außenwandung
des Ansaugkanals und an einer die Ausnehmung überdeckenden Basisplatte des
Gehäuse
des Sensors gegeneinander versetzt angeordneten Stegen platziert
ist. Die Stege sind wallartig um die Ausnehmung in dem Ansaugrohr
ausgebildet. Es tritt dabei eine elastische Verformung auf, die
eine Vorspannung des Dichtungsmaterials zwischen den Fügepartner
schafft. Damit erfolgt eine dauerhafte Abdichtung zwischen den beiden Stegen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist in einem Bereich um die Ausnehmung herum als Dichtungsanordnung
eine berührungsfreie Dichtung
in Form eines Labyrinthes vorgesehen. Durch diese Maßnahme wird
ein Druckverlust durch Ausbildung eines möglichen Strömungsweges in Form eines Labyrinthes
so stark erhöht,
dass der Anteil der Luft, die das Labyrinth durchdringt, vernachlässigbar
gering wird. Da es sich bei den beteiligten Fügepartnern, der Außenwandung
des Ansaugkanals und/oder der die Ausnehmung überdeckenden Basisplatte des
Gehäuses
des Sensors, um mindesten ein glasfaserverstärktes Kunststoffteil handelt,
ist es auch vergleichsweise einfach möglich, aufwändigere Konturen im Bereich
um die Ausnehmung herum an der Außenwandung des Ansaugkanals
sowie an der die Ausnehmung überdeckenden
Basisplatte des Gehäuses
des Sensors vorzusehen. Diese aufwändigere Kontur besteht aus
mindestens eine Kombination, die aus einer Nut und in einem unter
Einsatzbedingungen in die Nut eingreifenden Steg gebildet wird.
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Vorzugsweise
werden die zur Abdichtung beitragenden konstruktiven Maßnahmen
in einem Schritt zusammen mit der gesamten Formgebung der jeweiligen
Kunststoffteile realisiert, vorzugsweise im Rahmen eines Kunststoff-Spritzguss-Prozess.
Da die Formen auch unter Einsatz einer Labyrinth-Dichtung weiterhin
nicht notwendigerweise Hinterschneidungen aufweisen, sind der Aufbau
einer entsprechenden Spritzguss-Form sowie ein Entformen der fertigen
Kunststoffteile relativ einfach möglich.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung ist als Dichtungsanordnung im Bereich um die Ausnehmung
herum mindestens ein geschlossener Steg vorgesehen, der an der Basisplatte
des Sensorgehäuses
hin zur Außenwandung des
Ansaugkanals und/oder an der Außenwandung des
Ansaugkanals in dem Bereich um die Ausnehmung herum hin zu der in
der Einbauposition des Sensors die Ausnehmung überdeckenden Basisplatte des
Sensorgehäuses
orientiert vorgesehen ist. Im Zuge der Verschraubung der Fügepartner,
also der Basisplatte des Gehäuses
des Sensors mit dem rohrförmigen
Ansaugkanals, wird der mindestens eine Steg durch eine Verpressung
zwischen den Fügepartnern,
also der Basisplatte des Sensorgehäuses einerseits und dem Bereich
der Außenwandung
des Ansaugkanals um die Ausnehmung herum andererseits, soweit deformiert,
dass eine ausreichende Dichtigkeit auch ohne Einsatz zusätzlichen
Dichtungsmaterials erreichbar ist.
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Das
ersts Ausführungsbeispiel
zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass mit Flachdichtungen großer Shore-Härte gearbeitet
und zudem große
Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden können. Die beiden letztgenannten
Ausführungsformen
der Erfindung erreichen durch eine berührungslose Abdichtung mit Labyrinthstruktur
sowie durch Verquetschung im Zuge der Fixierung des Sensors in der Ausnehmung
eine hohe dauerhafte Dichtigkeit. Bei diesen Ausführungsbeispielen
wird dazu auch der Fertigungsschritt für das Einsetzen einer Dichtung sowie
ein Dichtungsmaterial in Form eines separaten Bauteiles eingespart.
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Vorteilhafterweise
können
alle drei genannten Ausführungsbeispiele
paarweise oder alle zusammen in jeder möglichen Reihenfolge miteinander kombiniert
gemeinsam zur Abdichtung eines Sensorbauteiles in einem Bereich
um eine Ausnehmung eines Kanals vorgesehen werden.
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Weitere
Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie eines entsprechend ausgebildeten Sensorbauteiles werden nachfolgend
unter Bezug auf Darstellungen von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1a eine
Schnittdarstellung einer Flachdichtung in einem Normalzustand;
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1b eine Schnittdarstellung der Flachdichtung
gemäß 1a in
einem erfindungsgemäß eingebauten
Zustand unter Andeutung der an der Flachdichtung zur Verformung
zweier tangential voneinander beabstandeter Bereiche angreifenden
Kräfte;
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2 eine
Schnittdarstellung einer Ausnehmung an einem rohrförmigen Körper mit
einem darin montierten Sensor mit einer Steganordnung an beiden
Fügepartnern
und zwischenliegender Flachdichtung als eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 Schnittdarstellung
der Rohrausnehmung gemäß 2 mit
darin montiertem Sensorelement unter Abdichtung durch eine berührungslose Labyrinthstruktur
als zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Schnittdarstellung der Rohrausnehmung gemäß 2 und 3 mit
darin montiertem Sensorelement unter Verwendung einer Dichtungsanordnung
mit Materialverpressung als dritte Ausführungsform;
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5a eine
ausschnittsweise Darstellung eines Verpressungsbereiches gemäß der Ausführungsform
der 4 vor einem Zusammenbau der Fügepartner und
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5b der
Ausschnitt von 5a nach Zusammenbau der Fügepartner
mit Fixierung des Sensorelements an dem Rohr.
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Über die
verschiedenen Ausführungsformen hinweg
werden nachfolgend gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet
werden. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele
werden für
kreisrunde oder ellipsenförmig
ausgebildete Dichtungsbereiche dargestellt, die wegen ihrer besseren
Eigenschaften hinsichtlich eines Ausgleiches von Toleranzen bevorzugt
werden. Angesichts der Tatsache, dass eine Ausrichtung von Sensorelementen
gegenüber
einer Hauptströmungsrichtung
eines Luftstroms mit einer Genauigkeit von +/– 1° für einen optimalen Betrieb des
Sensorelementes erfolgen muss, werden jedoch auch viereckige Ausnehmungen
in Rohren oder Kanälen
realisiert. Hierbei können
die nachfolgend im Detail beschriebenen Dichtungsanordnungen in
angepasster Art und Weise und insbesondere auch in viereckiger Ausführungsform
realisiert werden.
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1a zeigt
eine bekannte Flachdichtung 1 in einem Normalzustand. Derartige
Flachdichtungen 1 werden aufgrund ihrer kostengünstigen
Herstellung bevorzugt als Dichtungen in einem weiten Bereich der
Technik eingesetzt. Zur Herstellung wird ein schlauchförmiges Elastomer
in Scheiben vorgegebener Höhe
zerteilt. Herstellungsbedingt lassen sich jedoch keine Shore-Härten von unter 60 Sh einstellen. Derartige
Flachdichtungen 1 erfordern für einen ausreichenden Toleranzausgleich
eine sehr starke Vorspannung, und zwar unabhängig von ihrem Einsatz in einem
Krafthauptschluss oder Kraftnebenschluss. Bei einem Einsatz zwischen
einem Gehäuseteil
eines Sensorelementes und einer Außenwandung eines Ansaugkanals
sind die erforderlichen Kräfte
nicht realisierbar und/oder sie lassen sich nicht über den großen Einsatztemperaturbereich
bei häufigen Temperaturwechseln über die
gesamte Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs aufrechterhalten. Ein wesentlicher
Grund hierfür
liegt darin, dass die beiden Fügepartner
aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoffmaterial hergestellt werden, die durch selbstschneidende
Metallschrauben miteinander verbunden werden.
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Statt
einen O-Ring oder eine Flachdichtung gemäß 1a zwischen
den zwei Fügepartnern
zu verpressen, wird die Flachdichtung 1 in einer ersten Ausführungsform
der Erfindung zwischen zwei gegeneinander versetzt angeordneten
und einander zugewandten, an den Fügepartnern vorgesehenen Stegen
platziert. Die Größe der Stege
wird dabei so gewählt,
dass einer der Stege den anderen vollständig umschließt, ohne
dass es zu Schnittpunkten zwischen den Stegen kommt.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
verfügt damit
jede der Dichtflächen
der beiden Fügepartner jeweils über einen
um die Ausnehmung 2 umlaufenden, geschlossenen Steg. Die
Flachdichtung 1 wird dabei beim Fügen der beiden Fügepartner
in sich in der in 1b dargestellten
Art und Weise verformt. Dazu werden ein Innen- und ein Außenbereich
der ringförmigen
Flachdichtung 1 in der in 1 b
dargestellten Art und Weise zueinander gegenläufig ausgelenkt. Dabei tritt
eine elastische Verformung auf, die eine Vorspannung des Gummirings
bzw. der Flachdichtung 1 zwischen den beiden Fügepartnern schafft.
Die Flachdichtung 1 erzeugt somit eine zwischen den beiden
Stegen wirkende Dichtung. Diese Dichtung zeichnet sich gegenüber einer
normal üblichen
Verpressung einer Flachdichtung 1 dadurch aus, dass für eine Auslenkung
eines Innenbereiches gegenüber
einem Außenbereich
eine wesentlich geringere Kraft benötigt wird. Hierdurch ist auch
im Fall eines Ausgleiches größerer Bauteiltoleranzen
eine stets ausreichende Dichtwirkung konstruktiv einstellbar.
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2 zeigt
die Flachdichtung 1 von 1a und 1b in einer Schnittdarstellung einer neuen
Einbausituation. Die An ordnung von 2 ist zu
einer Mittelachse M symmetrisch, so dass auf die Darstellung der
zweiten Hälfte
der Anordnung verzichtet wird. Ein Sensor 3 ist durch eine
Ausnehmung 4 eines rohrförmig ausgebildeten Ansaugkanals 5 hindurch
eingesetzt und durch eine Verschraubung 6 einer Basisplatte 7 eines
Sensorkörpers 8 an
einer Außenfläche 9 des
Ansaugkanals 5 fixiert. Im Unterschied zu aus dem Stand
der Technik bekannten Lösungen
ist zwischen der Verschraubung 6 und der Ausnehmung 4 ein
Dichtungsbereich 10 angeordnet. In diesem Dichtungsbereich 10 ist
die Flachdichtung 1 angeordnet, deren Ausnehmung 2 größer als
die oder im Wesentlichen gleich des Durchmessers der Ausnehmung 4 im
Ansaugkanal 5 ist.
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In
der Ausführungsform
von 2 wird ein Außenbereich
der Flachdichtung 1 durch einen Steg 11 im Dichtungsbereich 10 ausgelenkt,
wobei Steg 11 an der Basisplatte 7 des Sensorkörpers 8 des
Sensors 3 angeformt ist. Der Innenbereich der Flachdichtung 1 wird
durch einen Steg 12, der der Ausnehmung 4 benachbart
im Dichtungsbereich 10 am Ansaugkanal 5 ausgebildet
ist, der durch Steg 11 bewirkten Verformung der Flachdichtung 1 gegenläufig ausgelenkt.
Zwischen den Stegen 11, 12 wird damit durch die
Verformung der Flachdichtung 1 eine gute Dichtwirkung erzeugt,
die auch einen Toleranzgrad gegenüber Maßabweichungen der Fügepartner,
also hier der Basisplatte 7 und des Ansaugkanals 5 im Dichtungsbereich 10 nahe
der Ausnehmung 4, aufweist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird gemäß der Abbildung
von 3 in einem Gesamtaufbau analog der Abbildung von 2 der Dichtungsbereich 10 durch
eine berührungsfreie Dichtung
in Form eines Labyrinthes 13 gebildet. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind drei aufeinander folgende Paare von aus je einer Nut 14 und einem
Steg 15 vorgesehen, die im Dichtungsbereich 10 abwechselnd
einen Steg 15 an der Basisplatte 7 und der Außenwand 9 aufweisen.
Im vorliegenden Fall werden also zwei Nuten und ein Steg im Ansaugkanal 5 sowie
zwei Stege und eine Nut in der Basisplatte 7 ausgebildet,
wobei die jeweiligen Schnittflächen
in keiner dieser Querschnittsformen Hinterschneidungen auftreten.
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Zur
Bildung des Labyrinthes werden zur Mittelachse M konzentrisch angeordnete
Paare aus Nuten 14 und Stegen 15 ausgebildet,
zwischen denen im zusammengebauten Zustand der Fügepartner, Ansaugkanal 5 und
Basisplatte 7 im Dichtungsbereich 10 ein in der
Abbildung von 3 erkennbarer, sehr schmaler
Durchlasskanal mit zahlreichen Biegungen und Windungen des sich
so ergebenden Labyrinths erzeugt wird. Die erreichbare hohe Dichtigkeit
ohne jeden Verschleiß an
den beiden Fügepartnern
beim Zusammensetzen oder im Betrieb kann vorteilhafterweise mit
vergleichsweise einfachen Spritzgusswerkzeugen zur Verarbeitung
von glasfaserverstärktem
Kunststoff, wie beispielsweise PBT-GF30, sehr rationell realisiert
werden.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
wird in 4 wiederum unter Rückgriff
auf die generelle Struktur gemäß 2 und 3 offenbart.
Hierin wird der Dichtungsbereich 10 unter Nutzung einer
gezielten Verpressung ebenfalls ohne zusätzliches Dichtmaterial ausgeführt. Hierzu
weist die Basisplatte 7 einen auf die Außenwand 9 des
Ansaugkanals 5 hin ausgerichteten Steg auf, der in einem
Abstand von der Ausnehmung 5 herum geschlossen ist und
generell in freier Formgebung von der Basisplatte 7 hervorragt.
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Im
Zuge des Zusammenbaus mit dem Fixieren des Sensors 3 über eine
Verschraubung 6 an der Basisplatte 7 des Sensorkörpers 8 über der
Ausnehmung 4 wird der Steg 16 in das Material
des Ansaugkanals 5 hineingedrückt. Hierdurch wird der im
Querschnitt vor der Verpressung gemäß der Abbildung von 5a ungefähr dreieckförmige Steg 16 hin
im Wesentlichen im Querschnitt zu einer Art von Trapez verformt.
Dabei bildet sich unter dem Steg 16 in der Außenwand 9 des
Ansaugkanals 5 eine Mulde 17 aus. Auf Grund der
Elastizität
der auf Seiten des Ansaugkanals 5 und der Basisplatte 7 vorgesehenen Kunststoffmaterials
besteht ein sehr enger Kontakt zwischen dem Steg 16 und
der Mulde 17, was eine gute Abdichtung bewirkt, die wiederum
einen Einsatz zusätzlichen
Dichtmaterials nicht erforderlich macht.
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Schon
eine Zusammenschau der Abbildungen der 3 und 4 macht
deutlich, dass die vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 dargestellten
Dichtungsmaßnahmen
miteinander auf geringem zusätzlich
erforderlichem Bauraum für
einen Dichtungsbereich 10 um die Ausnehmung 4 herum
miteinander kombiniert realisiert werden können. Hierbei ergänzen sich
die Vorzüge
der jeweiligen Dichtungsarten vorteilhaft. Im Ergebnis wird eine über die
Lebensdauer eines Kraftfahrzeuges hin dauerhaft zuverlässig abdichtende
Vorrichtung geschaffen, wobei insbesondere unter Bezugnahme auf
die dritte Ausführungsform
gemäß 4 ein
Sensorelement 3 ohne konstruktive Änderung eines Dichtbereiches 10 um
eine Ausnehmung 4 an einem Ansaugrohr 5 herum
direkt einsetzbar ist.
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- 1
- Flachdichtung
- 2
- Ausnehmung
in 1
- 3
- Sensorelement
- 4
- Ausnehmung
in 5
- 5
- Ansaugkanal
- 6
- Verschraubung
- 7
- Basisplatte
- 8
- Sensorkörper/Gehäuse
- 9
- Außenfläche des
Ansaugkanals 5
- 10
- Dichtungsbereich
- 11
- Steg
an 7
- 12
- Steg
von 5
- 13
- Labyrinthes
- 14
- Nut
- 15
- Steg
- 16
- Steg
- 17
- Mulde