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Die Erfindung betrifft eine Gehäuseanbindung für Drucksensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Gehäuseanbindung, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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Integrierte Mechatroniken, das heißt insbesondere Steuerelektroniken, die direkt vor Ort beispielsweise in einem Getriebe oder in einem Motor eingesetzt werden, unterliegen einer Vielzahl von umgebungsabhängigen Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit der Steuerung stehen die erhöhten Betriebstemperaturen sowie die chemisch aggressive Umgebung des Motor- oder Getriebeöls im Vordergrund. Daher ist es unerlässlich, dass die empfindlichen Elektroniken und Sensoren soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden. Gerade die Konzeption der Steuerelektronik einerseits und der angebundenen peripheren Komponenten wie Sensoren oder Ventile andererseits stellen eine große Herausforderung dar. Es sind verschiedene Konzepte bekannt, die Anbindung der Peripherie-Komponenten wie beispielsweise der Drucksensoren an die zentrale Steuerelektronik herzustellen. Die
DE 101 16 796 A1 beschreibt in einer Weiterbildung eines Steuergeräts des deutschen Gebrauchsmusters
DE 295 13 950 U1 ein solches Konzept zur Integration und Abdichtung eines Drucksensors in einer Getriebesteuereinheit. Der Sensor wird hier unmittelbar in die Hydraulikplatte eingesetzt. Daher kann auf eine Dichtung zwischen einer Grundplatte des Elektronikraums und der Hydraulikplatte verzichtet werden. Zudem wird beschrieben, dass durch ein Verstemmen oder Einpressen des Sensors in die Hydraulikplatte ferner eine Dichtung zwischen der Wand der Öffnung in der Hydraulikplatte und dem Sensor eingespart werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass sich dieses Konzept nur mit relativ dicken Hydraulikplatten realisieren lässt, da der gesamte Sensoraufbau in der Hydraulikplatte aufgenommen sein muss. Darüber hinaus kann sich die Kontaktierung des Sensors mit der zentralen Steuerelektronik schwierig gestalten, da diese entweder vor Einsetzen des Sensors in die Hydraulikplatte vorgenommen werden muss oder nach dem Einsetzen des Sensors von oben durch die Öffnung der Hydraulikplatte stattfindet. Beide Alternativen sind als aufwendig und fehleranfällig zu bewerten. Zudem kann beim Einsetzen des Sensors oder bei den nachfolgenden Schritten der Kontaktierung und Verstemmung im dargestellten Konzept leicht eine Dekalibrierung oder gar eine Beschädigung der Sensierungskomponenten eintreten.
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Gemäß der
WO 02/06651 A2 wird vorgeschlagen, einen Aufnahmeraum zur Unterbringung eines Drucksensors oder eines Druckschalters in einer Wandung des Steuergerätegehäuses vorzusehen. Zur Abdichtung weist der Öffnungsbereich der Bodenplatte eine gestufte Querschnittsform auf. An der Unterseite der Bodenplatte wird die Öffnung durch einen integralen, in den Öffnungsbereich vorstehenden ringförmigen Haltevorsprung verengt. Der Haltevorsprung greift in eine Umfangsnut einer Formdichtung ein, welche in die Öffnung eingesetzt ist. Nachteilig an einer solchen Abdichtungskonstruktion ist neben der mangelnden Flexibilität in der Ausgestaltung des Sensors vor allem die Tatsache, dass eine speziell ausgestaltete Formdichtung eingesetzt werden muss. Auf diese Weise ist auch eine spezielle geometrische Ausgestaltung des Öffnungsbereichs in der Bodenplatte notwendig. Hinzu tritt der Nachteil, dass keine zusätzlichen mechanischen Kräfte erzeugt werden, um das untere Abdichtungselement stetig gegen die Formdichtung zu drücken und auf diese Weise eine dauerhaft sichere Abdichtung zu erzielen. Das trifft auch für die in den Druckschriften
DE 198 30 538 A1 und
DE 198 34 212 A1 beschriebenen Konzepte zu. Obwohl in der DE 198 34 212 A1 eine druckdichte und kraftschlüssige Verbindung des Drucksensorträgers mit der Bodenplatte durch Materialverdrängung erzielt wird, kann dies keine Verbesserung der Abdichtung der Öffnung in der Bodenplatte und der zugleich gezeigten Hydraulikplatte herbeiführen. Diese Abdichtung wird weiterhin nur durch die dargestellte axiale (Form-)Dichtung ohne weitere Sicherungsmechanismen vorgesehen. Zudem ist auch hier eine geometrisch abgestimmte Öffnung in der Bodenplatte der Elektronikeinheit notwendig.
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Die
DE 103 03 078 A1 beschreibt eine Anordnung zum Messen eines Druckes mit einer Bodenplatte, in der ein Drucksensor angeordnet ist, wobei die Bodenplatte mit dem Drucksensor auf einer Gegenplatte montierbar ist, und die Platten Bohrungen aufweisen, über die der Drucksensor mit Druck beaufschlagbar ist. Der Drucksensor weist einen Stutzen auf, der im montierten Zustand in eine der Bohrungen der Gegenplatte ragt, wobei an dem Stutzen in dem Bereich, der sich nach der Montage in der Bohrung der Gegenplatte befindet, ein Dichtelement vorgesehen ist.
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Die
DE 199 17 941 A1 beschreibt eine Gehäuseanbindung eines Drucksensors zum Einbau in eine Bodenplatte, mit einer Nut, einem umlaufenden Vorsprung und einer axialen Dichtung, wobei der Drucksensor in der Bodenplatte verstemmt ist.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Konzept zur Gehäuseanbindung eines Drucksensors für Mechatroniken bereit zu stellen, das eine weniger aufwendige Montage gerade hinsichtlich einer einfacheren Gestaltung der Öffnungen in der Bodenplatte erlaubt bei gleichzeitig verbesserter Abdichtung.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 6 erreicht. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Gehäuseanbindung eines Drucksensors zum Einbau in eine Bodenplatte einer Steuerelektronik zur Verfügung zu stellen, die eine umlaufende Nut und mindestens einen umlaufenden Vorsprung mit axialer Dichtung aufweist, wobei die Gehäuseanbindung in ihrem Durchmesser so dimensioniert ist, dass sie bewegungsfrei in die Montageöffnung der Bodenplatte einpassbar ist, und wobei die Bodenplatte um die Montageöffnung mindestens teilweise derart eindrückbar ist, dass eine Materialverdrängung in die umlaufende Nut hinein stattfindet.
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Unter bewegungsfreiem Einpassen wird verstanden, dass die Gehäuseanbindung möglichst passgenau in die Montageöffnung der Bodenplatte eingesetzt werden kann. Als obere Grenze des Toleranzspiels für die Abstimmung der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Gehäuseanbindung kann der Zustand gesehen werden, in dem eine gerade noch ausreichende Materialverdrängung in die umlaufende Nut der Gehäuseanbindung hinein erzielt wird. Die Gehäuseanbindung kann bevorzugt aus Stahl oder einem anderen relativ harten Werkstoff wie beispielsweise Messing, Keramik oder verstärkter Kunststoff gefertigt sein. Im Inneren der Gehäuseanbindung kann sich bevorzugt eine Drucksensorkomponente befinden, die in einem dem Fachmann geläufigen Medium eingegossen beziehungsweise gelagert ist. Besonders bevorzugt weist die Gehäuseanbindung oben eine Öffnung auf, aus der die Sensorelektronik mit den Kontaktierungsstellen herausragen kann. Im unteren Bereich weist die Gehäuseanbindung erfindungsgemäß einen umlaufenden Vorsprung auf. Der Vorsprung ist mindestens so dimensioniert, dass er größer als die Montageöffnung ist. Auf diesem Vorsprung ist eine axiale Dichtung angeordnet, die insbesondere als O-Ringdichtung ausgeführt sein kann.
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Die Bodenplatte der Steuerelektronik ist bevorzugt aus einem verformbaren Metall wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Magnesium gefertigt. Dabei ist Aluminium als Werkstoff für die Bodenplatte besonders bevorzugt. Wird die Bodenplatte im Bereich der Montageöffnung derart eingedrückt, dass Material in die umlaufende Nut der Gehäuseanbindung verdrängt wird, so folgt dadurch eine aufwärts gerichtete Kraft, die auf die gesamte Gehäuseanbindung wirkt. Diese aufwärts gerichtete Kraft ist umso größer, je mehr Material aus der Bodenplatte von oben in die Nut hineingedrängt wird. Dies kann mit jedem, dem Fachmann geläufigen Verfahren geschehen. Bevorzugt wird dieser Vorgang mittels Verstemmen vorgenommen. Die so erzeugte Kraft bewirkt, dass die Gehäuseanbindung als ganzes an die Bodenplatte gepresst wird und die axiale Dichtung über den umlaufenden Vorsprung von unten gegen die Bodenplatte gedrückt wird. Damit wird auf einfache Weise eine permanent verbesserte Abdichtung erzielt gegenüber solchen Konzepten, bei denen keine weiteren Kräfte auf die vorgesehenen Abdichtungen, insbesondere auf axiale Dichtungen, wirken können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Gehäuseanbindung eine Druckerfassungsöffnung zur Beaufschlagung des Drucksensors auf.
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Die Gehäuseanbindung eines Drucksensors der vorliegenden Erfindung weist gegenüber den bisher bekannten Konzepten den entscheidenden Vorteil auf, dass sie keine aufwendige Geometrie der Montageöffnung in der Bodenplatte der Steuerungselektronik benötigt, aber dennoch eine direkte Kontaktierung eines Drucksensors an die flexible Leiterplatte ermöglicht. Zusätzlich wird eine verbesserte Abdichtung aufgrund der permanent vorhandenen mechanischen Zugkräfte erreicht. Der modulare Aufbau aus der Gehäuseanbindung einerseits und die darin angeordnete Sensoreinheit andererseits erlauben zudem eine kostengünstige und flexible Anpassung des Bauteils an unterschiedliche Vorgaben. Gerade im Hinblick auf solche Gehäuseanbindungen, die aggressiven Medien ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise in Getrieben und in Motoren vorherrschen, wird zudem eine generell einfache Möglichkeit zur Montage der Sensorkomponenten gewährleistet. Weiterhin ist es mit einer erfindungsgemäßen Gehäuseanbindung möglich, eine sehr kompakte Bauweise der Drucksensoreinheit zu realisieren.
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Eine erfindungsgemäße Gehäuseanbindung zwischen einem Elektronikbauteil und einem Drucksensor kann hergestellt werden, indem die Gehäuseanbindung in eine Montageöffnung der Elektronikbodenplatte eingesetzt wird, mindestens einige Segmente der Bodenplatte um die Montageöffnung derart verstemmt werden, dass eine Materialverdrängung in die umlaufende Nut der Gehäuseanbindung stattfindet, und eine elektrische Verbindung zwischen der zentralen Elektronik und der Sensorkomponente der Gehäuseanbindung hergestellt wird.
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Eine Kontaktierung zwischen einem mechatronischen Elektronikbauteil und einer Sensorkomponente in der erfindungsgemäßen Gehäuseanbindung kann hergestellt werden, in dem die Kontaktierungsstellen mit der Steuerungselektronik verbunden werden. Dies geschieht bevorzugt durch Bonden, Schweißen, insbesondere Laserschweißen, oder Crimpen.
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Ein erfindungsgemäßer Aufbau einer Gehäuseanbindung eines Drucksensors für Steuerelektroniken kann besonders bevorzugt als Bestandteil einer integrierten Mechatronik, insbesondere in Getrieben und/oder in Motoren in der Automobilindustrie verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer Ausführungsvariante in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
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In dieser zeigt:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drucksensoraufbau,
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2 eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus aus 1,
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3 eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus aus 1, eingesetzt in eine Bodenplatte, vor der Verstemmung,
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4 eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus aus 1, eingesetzt in eine Bodenplatte, nach der Verstemmung,
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5 eine schematische Darstellung der 3 und
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6 eine schematische Darstellung der 4.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Drucksensoraufbau für die erfindungsgemäße Gehäuseanbindung 1. Der Drucksensor 2 kann ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 3, ein darin eingelassenes Kunststoffgehäuse 4 mit Kontaktierungsstellen 5 und einen axialen Dichtring 6 umfassen. Im Kunststoffgehäuse 4 kann die Sensorelektronik integriert sein. Das Gehäuse 3 weist an seiner Oberseite eine Öffnung 7 auf, aus der das Kunststoffgehäuse 4 turmartig herausragt. Die Öffnung 7 ist in der gezeigten Ausgestaltung rund. Sie ist derart ausgebildet, dass das Gehäuse 3 einen Halterand 8 aufweist, der das Kunststoffgehäuse 4 mit der Sensorelektronik vorteilhafterweise gegen ein Herausrutschen nach oben sichert. Am Umfang des Gehäuses 3, das erfindungsgemäß passgenau zur Montageöffnung der Bodenplatte der Elektronikeinheit dimensioniert ist, kann weiterhin eine Nut 9 vorgesehen sein. Durch die Nut 9 kann eine sichere Verstemmung des Drucksensoraufbaus 2 in einer Bodenplatte ermöglicht werden. Unterhalb der Nut 9 kann das Gehäuse 3 zusätzlich einen Dichtvorsprung 10 aufweisen, der den axialen Dichtring 6 trägt und diesen vorteilhafterweise gegen ein Abrutschen nach unten sichert sowie die durch die Verstemmung auftretenden Zugkräfte auf den Dichtring überträgt.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus 2 aus 1 mit dem Gehäuse 3, dem Kunststoffgehäuse 4 mit der Sensorelektronik und den Kontaktierungsstellen 5, den so genannten Kontakt-Pads. Unterhalb der Nut 9 für die Verstemmung in der Bodenplatte 12 ist ein axialer Dichtring 6 auf dem Dichtvorsprung 10 des Gehäuses 3 angeordnet. Der Gehäuseboden 15 weist eine Druckerfassungsöffnung 11 auf. Der im Druckbereich herrschende Druck kann über diese Druckerfassungsöffnung 11 zum physikalischen Druckdetektor des Sensorelements (nicht gezeigt) gelangen.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus aus 1, eingesetzt in eine Bodenplatte 12 vor der Verstemmung. Die Abmessungen des Gehäuses 3 sind so bemessen, dass der Drucksensoraufbau 2 bewegungsfrei in die Montageöffnung der Bodenplatte 12 eingepasst ist. Der axiale Dichtring 6 und der Dichtvorsprung 10 sind unterhalb der Bodenplatte 12 angeordnet. Die Nut 9 ist vor dem Verstemmen noch frei von Material der Bodenplatte 12.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung des Drucksensoraufbaus aus 1, eingesetzt in eine Bodenplatte 12 nach der Verstemmung. In dieser Endposition kann vorteilhafterweise Material der Bodenplatte 12 in die umlaufende Nut 9 des Gehäuses 3 hineingedrängt sein. Das Gehäuse 3 kann hierdurch als Ganzes an die Bodenplatte 12 gepresst und gleichzeitig die axiale Ringdichtung 6 über den umlaufenden Dichtvorsprung 10 von unten gegen die Bodenplatte 12 gedrückt werden. Vorteilhafterweise wird so eine kraftschlüssige und dauerhaft dichte Verbindung des Drucksensors mit der Bodenplatte 12 bewirkt.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Gehäuseanbindung in der Montagestellung. Diese Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Zusätzlich ist der Verstemmstempel 13 gezeigt, der oberhalb der Bodenplatte angeordnet ist. Auch in dieser Darstellung wird deutlich, dass vor dem Verstemmvorgang kein Material der Bodenplatte 12 in die Nut 9 eingedrungen ist.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Gehäuseanbindung in einer Endposition. Diese Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 4. Zusätzlich ist der Verstemmstempel 13 gezeigt, der in die Bodenplatte 12 gedrückt wird und hierdurch Material der Bodenplatte 12 in die Nut 9 verdrängt.
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Zusammenfassend wird aufgrund der Gehäuseanbindung 1 für Mechatroniken die Anbringung von Sensorelementen, insbesondere von Drucksensoren, erleichtert. Die erfindungsgemäße Anordnung der Gehäuseanbindung gegenüber der Grundplatte des Elektronikbauteils 6 ist aufgrund der permanenten aufwärtsgerichteten Kräfte durch das Zusammenwirken der Verstemmung mit der axialen Dichtung besonders bevorzugt. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache Geometrie der Montageöffnung in der Grundplatte beispielsweise durch Ausstanzen eingehalten werden kann.
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Durch einen standardisierten Aufbau kann weiterhin eine erleichterte Qualitätskontrolle und damit eine erhebliche Fehlerreduktion solcher Bauteile erzielt werden. Elektronikgeräte mit den erfindungsgemäßen Gehäuseanbindungen für Drucksensoren können vorteilhafter Weise in einem Temperaturbereich von –40°C bis +180°C verwendet werden.
