Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von einem Verbund aus einem hohlen äußeren
Körper und einem darin einliegenden inneren Körper
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The
Invention is based on a composite of a hollow outer
Body and an internal body embedded in it
according to the preamble of claim 1.
Bei
einem bekannten, als Lambdasonde konzipierten Gassensor ( DE 197 40 363 A1 )
besteht ein solcher Verbund aus einem rohrförmigen Gehäuseteil
und einem darin radial formschlüssig eingesetzten, zylindrischen
Zentrierkörper zur Positionierung eines Sensorelements
im Gehäuseteil und zur Abdichtung des Gehäuseteils
gegenüber dem Abgas. Der auf das Sensorelement aufgeschobene Zentrierkörper
besteht aus zwei Keramik-Formstücken und einer zwischen
diesen angeordneten Dichtungspackung. Der Zentrierkörper
ist zwischen zwei am Gehäuseteil ausgebildeten Anschlägen
mit axialer Vorspannung eingeklemmt, so dass die Dichtungspackung
jeweils an Sensorelement und Innenwand des Gehäuseteils
angedrückt ist. Der eine Anschlag wird von einer am Gehäuseteil
umlaufenden Ringschulter gebildet, an der sich das eine Keramik-Formstück
abstützt, während der andere Anschlag durch Materialverformung
am Gehäuseteil realisiert ist. Beispielhaft wird der Gehäuseteil
unter Aufbringen einer axialen Vorspannkraft auf den mit dem einen
Keramik-Formstück sich am ersten Anschlag abstützenden
Zentrierkörper unmittelbar hinter dem zweiten Keramik-Formstück
gequetscht.In a known, designed as lambda probe gas sensor ( DE 197 40 363 A1 ) is such a composite of a tubular housing part and a radially centering inserted therein, cylindrical centering for positioning a sensor element in the housing part and for sealing the housing part relative to the exhaust gas. The pushed onto the sensor element centering body consists of two ceramic fittings and a seal between them arranged packing. The centering is clamped between two formed on the housing part stops with axial bias, so that the seal packing is pressed in each case to the sensor element and the inner wall of the housing part. The one stop is formed by a circumferential on the housing part annular shoulder on which the one ceramic fitting is supported, while the other stop is realized by material deformation on the housing part. By way of example, the housing part is crimped with the application of an axial prestressing force on the centering body which is supported on the first abutment with the one ceramic fitting directly behind the second ceramic fitting.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der
erfindungsgemäße Verbund aus den ineinanderliegenden
Körpern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass durch das Vorsehen des mindestens einen Federbereichs im äußeren
Körper eine höhere axiale Vorspannung auf den inneren
Körper aufgebracht und damit eine deutlich verbesserte
Halterung des inneren Körpers erzielt wird. Diese verbesserte
Halterung bleibt auch bei relativ großen thermischen Schwankungen
trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien
der beiden Körper aufrechterhalten. Darüber hinaus
sind Toleranzanforderungen an die Passgenauigkeit beider Körper
deutlich geringer, da bei einer hohen axialen Vorspannung auf eine
vollständige passgenaue radiale Unterstützung
des inneren Körpers bei der Halterung verzichtet werden kann.Of the
inventive composite of the nested
Bodies with the features of claim 1 has the advantage
that by providing the at least one spring portion in the outer
Body has a higher axial preload on the inner
Applied body and thus a significantly improved
Holder of the inner body is achieved. This improved
Bracket also stays with relatively large thermal fluctuations
despite different thermal expansion coefficients of the materials
the two bodies maintained. Furthermore
are tolerance requirements for the accuracy of fit of both bodies
significantly lower, because at a high axial preload on a
complete, accurate radial support
the inner body can be dispensed with in the holder.
Durch
die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 4 aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Anspruch 1 angegebenen Körperverbunds möglich.By
those listed in the further claims 2 to 4
Measures are advantageous developments and improvements
of the body composite specified in claim 1 possible.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens
eine Federbereich durch eine radiale Ausbauchung der Wand des äußeren
Körpers gebildet, die eine radial nach außen gerichtete
Federrückstellkraft besitzt. Nach Einschieben des inneren
Körpers wird der zweite Anschlag unter Aufbringen einer
der Federrückstellkraft der Ausbauchung entgegenwirkenden,
radial nach innen gerichteten Vorspannkraft auf die Ausbauchung
unmittelbar hinter dem an dem ersten Anschlag anliegenden inneren
Körper, z. B. durch Materialverformung des Körpers,
hergestellt. Nach Wegfall der radialen Vorspannkraft stellt sich
die Ausbauchung wieder zurück und verkürzt dadurch
den Abstand zwischen den Anschlägen, so dass eine deutlich
erhöhte axiale Vorspannkraft auf den inneren Körper
wirkt.According to one
preferred embodiment of the invention is the at least
a spring area by a radial bulge of the wall of the outer
Body formed, which is a radially outward
Spring restoring force has. After inserting the inner
Body becomes the second stop while applying a
the spring restoring force of the bulge counteracting,
radially inward biasing force on the bulge
immediately behind the adjacent to the first stop inner
Body, z. B. by material deformation of the body,
produced. After elimination of the radial biasing force arises
the bulge back and shortened by it
the distance between the stops, making a clear
increased axial preload force on the inner body
acts.
Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 5 hat den Vorteil, dass eine sehr gute radiale Unterstützung
bei der Halterung des inneren Körpers im äußeren
Körper erreicht wird, die nur geringe Anforderungen an
Herstellungstoleranzen von innerem und äußerem
Körper stellt. Insbesondere dann, wenn als innerer Körper
ein Keramikformteil zum Einsatz kommt, ist die so herbeigeführte
radiale Unterstützung bei der Halterung des inneren Körpers
von wesentlichem Vorteil, da ansonsten eine teure Hartbearbeitung
des Keramikformteils erforderlich wäre.Of the
Gas sensor according to the invention with the features of
Claim 5 has the advantage that a very good radial support
in the holder of the inner body in the outer
Body is reached, which only low requirements
Manufacturing tolerances of internal and external
Body poses. Especially if as an inner body
a ceramic molding is used, is the thus brought about
radial support for holding the inner body
Of significant advantage, otherwise an expensive hard machining
the ceramic molding would be required.
Durch
die in den weiteren Ansprüchen 6 bis 8 aufgeführten
Maßnahnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Anspruch 5 angegebenen Körperverbunds möglich.By
those listed in the further claims 6 to 8
Measures are advantageous developments and improvements
of the body composite specified in claim 5 possible.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Innendurchmesser
des äußeren Körpers größer
als der Außendurchmesser des inneren Körpers,
so dass zwischen beiden Körpern ein Luftspalt verbleibt.
Der mindestens eine Federbereich ist durch eine nach innen ausgedrückte,
Sicke gebildet, die in der Körperwand des äußeren
Körpers umläuft oder sich axial erstreckt und
sich mit radialer Vorspannung an den inneren Körper andrückt.According to one
preferred embodiment of the invention is the inner diameter
the outer body bigger
as the outer diameter of the inner body,
so that an air gap remains between the two bodies.
The at least one feathered area is characterized by an inwardly expressed,
Beading formed in the body wall of the outer
Body revolves or extends axially and
presses against the inner body with radial prestress.
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird in dem
zwischen dem ersten und zweiten Anschlag sich erstreckenden Körperabschnitt
des äußeren Körpers zusätzlich
zu dem mindestens einen eine radiale Vorspannung auf den inneren
Körper aufbringenden Federbereich noch mindestens ein eine
axiale Vorspannung auf den inneren Körper erhöhender
weiterer Federbereich vorgesehen, der vorzugsweise wiederum als
radiale Ausbauchung der Körperwand des äußeren
Körpers realisiert ist.According to one
advantageous embodiment of the invention is in the
between the first and second stop extending body portion
the outer body in addition
to the at least one a radial bias on the inner
Body applying feather area still at least one
increasing axial preload on the inner body
further spring area provided, which in turn preferably as
radial bulge of the body wall of the outer
Body is realized.
Der
erfindungsgemäße Körperverbund mit den
Merkmalen des Anspruchs 9 hat den Vorteil, dass durch das Vorsehen
eines zusätzlichen Bauelements aus einem Material mit einem
sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Einspannbereich des
inneren Körpers bei Materialien der Körper mit extrem
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eine weitgehend
konstante, die spielfreie Halterung des inneren Körpers
im äußeren Körper gewährleistende,
axiale Vorspannung über einen großen Temperaturbereich
aufrechterhalten wird.The composite body according to the invention with the features of claim 9 has the advantage that by providing an additional component of a material with a very high heat mE stretch coefficients in the clamping area of the inner body in materials of the body with extremely different thermal expansion coefficients a largely constant, the backlash-free support of the inner body in the outer body ensuring axial preload is maintained over a wide temperature range.
Durch
die in weiteren Ansprüchen 10 bis 14 aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Anspruch 9 angegebenen Körperverbunds möglich.By
those listed in further claims 10 to 14
Measures are advantageous developments and improvements
of the body composite specified in claim 9 possible.
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens
eine Bauelement ein zwischen dem inneren Körper und einem
der Anschläge angeordneter Ring aus einem Material, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist
als der des Materials des äußeren Körpers,
der wiederum einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als
der innere Körper aufweist. Besitzt der Ring eine genügend große
axiale Dicke, so ergibt sich ein gemittelter Wärmeausdehnungskoeffizient
der geklemmten Baugruppe aus innerem Körper und Ring, der
an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des äußeren
Körpers angepasst werden kann. Dadurch ist eine Lockerung
der geklemmten Baueinheit bei großen Temperaturschwankungen
ausgeschlossen.According to one
advantageous embodiment of the invention is the at least
a component one between the inner body and one
the attacks arranged ring of a material whose
Thermal expansion coefficient is greater
as that of the material of the outer body,
which in turn has a higher expansion coefficient than
the inner body has. Does the ring have a big enough one
axial thickness, this results in an averaged coefficient of thermal expansion
the clamped assembly of inner body and ring, the
at the thermal expansion coefficient of the outer
Body can be adjusted. This is a relaxation
the clamped unit with large temperature fluctuations
locked out.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens
eine Bauelement ein auf das eine Ende des inneren Körpers
aufgeschobener Topf, dessen am inneren Körper anliegender
Topfboden sich an dem einen Anschlag am äußeren
Körper und dessen Topfmantel sich mit seiner ringförmigen
Stirnfläche an einem am inneren Körper ausgebildeten,
radial abstehenden Kragen abstützt. Diese Ausbildung des
mindestens einen Bauelements hat den Vorteil einer kurzen, axialen
Baulänge des Körperverbunds. Die Vorspannung wird über
den Topf und den Kragen am inneren Körper auf den inneren
Körper eingeleitet. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Materials des Topfes kann in diesem Fall nur wenig größer
sein als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials
des äußeren Körpers. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der äußere
Körper ein Sensorgehäuse eines Gassensors zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, auf
dessen einem Gehäuseende ein Schutzrohr mit einem im Durchmesser
erweiterten Rohrabschnitt angesetzt und festgelegt ist. Der innere
Körper ist ein ein Sensorelement im Sensorgehäuse
positionierendes Keramikformteil, das sich mit einem Ende am Schutzrohr,
und zwar an dessen Übergangsschulter zum durchmessergrößeren
Rohrabschnitt, abstützt. Das Sensorgehäuse ist
mit seinem von dem Schutzrohr abgekehrten, unmittelbar vom Formteilende
sich fortsetzenden Gehäuseendabschnitt unter Reduzierung seines
Durchmessers auf ein in das Keramikformteil hineingeführtes
und mit dem Sensorelement kontaktiertes, elektrisches Anschlusskabel
aufgecrimpt, wodurch das Keramikformteil an die sich dadurch bildende Übergangsschulter
im Schutzrohr angepresst wird und damit zwischen zwei Anschlägen
axial geklemmt ist.According to one
preferred embodiment of the invention is the at least
a component one on the one end of the inner body
deferred pot, whose adjacent to the inner body
Pot bottom is at the one stop on the outside
Body and its cup coat itself with its annular
Face on a trained on the inner body,
supported radially projecting collar. This training of
At least one component has the advantage of a short, axial
Length of the body composite. The bias is over
the pot and the collar on the inner body on the inner
Body initiated. The thermal expansion coefficient of
Material of the pot can only slightly larger in this case
its than the thermal expansion coefficient of the material
of the outer body. According to one
preferred embodiment of the invention is the outer
Body a sensor housing a gas sensor to
Determination of a physical property of a sample gas
a housing end of a protective tube with a diameter
extended pipe section is set and fixed. The inner one
Body is a sensor element in the sensor housing
Positioning ceramic molding, with one end on the protective tube,
at the transition shoulder to the larger diameter
Pipe section, supports. The sensor housing is
with his turned away from the protective tube, directly from the molding end
continuing housing end portion while reducing its
Diameter on a guided into the ceramic molding
and with the sensor element contacted, electrical connection cable
crimped, whereby the ceramic molding to the thereby forming transition shoulder
is pressed in the protective tube and thus between two attacks
is clamped axially.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:The
The invention is based on embodiments shown in the drawings
explained in more detail in the following description.
Show it:
1 eine
perspektivische Ansicht eines Gassensors, 1 a perspective view of a gas sensor,
2 einen
Längsschnitt des Gassensors in 1, 2 a longitudinal section of the gas sensor in 1 .
3 bis 5 jeweils
einen Längsschnitt eines Gassensors gemäß dreier
weiterer Ausführungsbeispiele, 3 to 5 each a longitudinal section of a gas sensor according to three further embodiments,
6 eine
perspektivische Ansicht eines Gassensors gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel, 6 a perspective view of a gas sensor according to a fifth embodiment,
7 einen
Längsschnitt des Gassensors in 6, 7 a longitudinal section of the gas sensor in 6 .
8 und 9 jeweils
einen Längsschnitt eines Gassensors gemäß einem
sechsten und siebten Ausführungsbeispiel, 8th and 9 each a longitudinal section of a gas sensor according to a sixth and seventh embodiment,
10 bis 12 jeweils
ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gassensors gemäß einem achten,
neunten und zehnten Ausführungsbeispiel. 10 to 12 each partially a longitudinal section of a gas sensor according to an eighth, ninth and tenth embodiment.
Der
in 1 perspektivisch und in 2 im Längsschnitt
dargestellte Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft
eines Messgases, insbesondere der Konzentration mindestens einer
Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas ist beispielsweise
eine Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine. Alternativ kann der Gassensor auch zur
Messung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas konzipiert sein.The in 1 in perspective and in 2 in longitudinal section shown gas sensor for determining a physical property of a measuring gas, in particular the concentration of at least one gas component or the temperature in the measuring gas is for example a lambda probe for measuring the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. Alternatively, the gas sensor may also be designed to measure the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas.
Der
Gassensor weist ein metallisches Sensorgehäuse 11,
ein Sensorelement 12 und ein als Metallmantelleitung ausgebildetes
Anschlusskabel 13 mit mehren, isoliert geführten,
elektrischen Leitern 131 auf. Das Sensorgehäuse 11 ist
aus einem Metallrohr, vorzugsweise aus einem Edelstahlrohr, gefertigt.
Das Sensorelement 12 ist mittels eines Keramikformteils 14 im
Sensorgehäuse 11 positioniert. Das Keramikformteil 14 besteht
aus einem Keramiktopf 15 mit einer im Topfboden 151 angeordneten,
zentralen Öffnung 16 für den Durchtritt
des Sensorelements 12 und einer die Topföffnung
verschließenden Keramikbuchse 17, durch die die
elektrischen Leiter 131 des Anschlusskabels 13 hindurchgeführt
und auf Kontaktflächen am Sensorelement 12 kontaktiert sind.
Die Kontaktierung ist durch Stoffschluss, z. B. durch Laser- oder
Widerstandsschweißen oder Hartlöten, hergestellt
und die Kontaktierungsstelle ist in eine Glaseinschmelzung 18 eingeschlossen,
die das Innere des Keramiktopfs 15 weitgehend bis vollständig
ausfüllt. Der Keramiktopf 15 besitzt einen vom Topfmantel
sich einstückig über den Topfboden 151 hinaus
erstreckenden Ringbund 152, der bei in das Sensorgehäuse 11 eingesetztem
Keramikformteil 14 aus dem Sensorgehäuse 11 herausragt.
Der aus dem Sensorgehäuse 11 vorstehende, messgasseitige
Endabschnitt des Sensorelements 12 ist mit einem Doppelschutzrohr
abgedeckt. Hierzu besitzt ein mit Gasdurchtrittslöchern 19 versehenes,
als Tiefziehteil ausgebildetes, topfförmiges, inneres Schutzrohr 20 einen
im Durchmesser erweiterten Endabschnitt 201, und einen
am Ende des Endabschnitt 201 radial nach außen
abgebogenen Ringflansch 21. Der Übergang vom durchmesserkleineren
Rohrabschnitt 203 in den durchmessergrößeren
Endabschnitt 201 bildet eine schräge Ringschulter 202. An
dem dem inneren Schutzrohr 20 zugekehrten Ende des Sensorgehäuses 11 ist
einstückig ein Ringflansch 22 nach außen
abgebogen, der die gleichen Abmessungen aufweist, wie der Ringflansch 21 am inneren
Schutzrohr 20. Ein äußeres Schutzrohr 24, das
ebenfalls als topfförmiges Tiefziehteil ausgebildet und
mit Gasdurchtrittslöchern 19 versehen ist, ist über
das innere Schutzrohr 20 geschoben, wobei es formschlüssig
den durchmessergrößeren Endabschnitt 201 des
inneren Schnitzrohrs 20 übergreift. Das Ende des äußeren
Schutzrohrs 24 ist um die beiden aneinanderliegende Ringflansche 21, 22 von
Schutzrohr 20 und Sensorgehäuse 11 umgebördelt,
so dass eine feste Verbindung zwischen dem Doppelschutzrohr und
dem Sensorgehäuse 11 hergestellt ist. Die Umbördelung
der Ringflansche 21, 22 dient zugleich als Montage-
und Dichtungsflansch 25 beim Einbau des Gassensors in den
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.The gas sensor has a metallic sensor housing 11 , a sensor element 12 and a trained as metal sheathed cable connection cable 13 with several insulated electrical conductors 131 on. The sensor housing 11 is made of a metal tube, preferably made of a stainless steel tube. The sensor element 12 is by means of a ceramic molding 14 in the sensor housing 11 positioned. The ceramic molding 14 consists of a ceramic pot 15 with one in the bottom of the pot 151 arranged, centra len opening 16 for the passage of the sensor element 12 and a ceramic cup closing the pot opening 17 through which the electrical conductors 131 of the connection cable 13 passed through and on contact surfaces on the sensor element 12 are contacted. The contact is by material connection, z. B. by laser or resistance welding or brazing, and the contact point is in a Glaseinschmelzung 18 enclosed, the inside of the ceramic pot 15 largely to complete. The ceramic pot 15 has one of the pot shell in one piece over the bottom of the pot 151 also extending annular collar 152 in the sensor housing 11 inserted ceramic molding 14 from the sensor housing 11 protrudes. The out of the sensor housing 11 protruding, measuring gas side end portion of the sensor element 12 is covered with a double protection tube. For this purpose has one with gas passage holes 19 provided, designed as a deep-drawn, cup-shaped, inner protective tube 20 an enlarged diameter end portion 201 , and one at the end of the end section 201 radially outwardly bent ring flange 21 , The transition from the smaller diameter pipe section 203 in the larger diameter end portion 201 forms an oblique ring shoulder 202 , At the inner protective tube 20 facing end of the sensor housing 11 is a one-piece ring flange 22 bent outwards, which has the same dimensions as the annular flange 21 on the inner protective tube 20 , An outer protective tube 24 , which is also designed as a cup-shaped deep-drawn part and with gas passage holes 19 is provided over the inner protection tube 20 pushed, where it form-fitting the larger diameter end portion 201 of the inner carving tube 20 overlaps. The end of the outer protective tube 24 is around the two contiguous ring flanges 21 . 22 of protective tube 20 and sensor housing 11 flanged so that a firm connection between the double protection tube and the sensor housing 11 is made. The flanging of the ring flanges 21 . 22 at the same time serves as a mounting and sealing flange 25 when installing the gas sensor in the exhaust system of an internal combustion engine.
Das
Keramikformteil 14 liegt mit dem am Keramiktopf 15 ausgebildeten,
axial vorstehenden Ringbund 152 an der schrägen
Ringschulter 202 des inneren Schutzrohrs 20 an,
die einen ersten Anschlag 23 für die axiale Abstützung
des Keramikformteils 14 im Sensorgehäuse 11 bildet.
Unmittelbar hinter der Keramikbuchse 17 ist das rohrförmige
Sensorgehäuse 11 auf das Anschlusskabel 13 sternförmig
vercrimpt, wie dies in 1 besonders anschaulich zu sehen
ist. Die unmittelbar an der Keramikbuchse 17 ansetzende
Stelle der Vercrimpung im Übergang zu dem im Durchmesser
reduzierten, vercrimpten Gehäusebereich 26 bildet
einen zweiten Anschlag 27, durch den das an dem ersten
Anschlag 23 sich abstützende Keramikformteil 14 im
Sensorgehäuse 11 axial verspannt ist. Der vercrimpte
Gehäusebereich 26 erstreckt sich über
einen Abschnitt des Anschlusskabels 13 und dient zur Stabilisierung des
Anschlusskabels 13 gegen Abknicken und Ausziehen aus dem
Sensorgehäuse 11.The ceramic molding 14 lies with the ceramic pot 15 trained, axially projecting annular collar 152 on the oblique ring shoulder 202 of the inner protective tube 20 that's a first stop 23 for the axial support of the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 forms. Immediately behind the ceramic bush 17 is the tubular sensor housing 11 on the connection cable 13 crimped star-shaped, as in 1 is particularly vivid to see. The directly on the ceramic bush 17 Ansetzende point of the crimping in the transition to the reduced diameter, crimped housing area 26 forms a second stop 27 through which the first stop 23 supporting ceramic molding 14 in the sensor housing 11 axially braced. The crimped housing area 26 extends over a section of the connection cable 13 and serves to stabilize the connection cable 13 against kinking and pulling out of the sensor housing 11 ,
Das
metallische Sensorgehäuse 11 stellt einen äußeren
Körper 31 und das Keramikformteil 14 einen
inneren Körper 32 eines Körperverbunds
dar, bei dem der im äußeren Körper 31 einliegende
innere Körper 32 zwischen dem ersten und zweiten
Anschlag 23, 27 axial verspannt ist. Die beiden
Körper 31, 32 bestehen jeweils aus einem
Material (Metall, Keramik) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Um eine hohe Standzeit dieses Körperverbunds auch bei der
rauhen Betriebsweise, die der Gassensor im Kraftfahrzeug ausgesetzt
ist, zu gewährleisten, muss eine spielfreie Halterung des Keramikformteils 14 im
Sensorgehäuse 11 sowohl in axialer als auch in
radialer Richtung bei allen Betriebsbedingungen, also auch in einem
großen Temperaturbereich gewährleistet sein. Aufgrund
der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Materialen des metallischen Sensorgehäuses 11 als
dem äußeren Körper 31 und dem
Keramikformteil 14 als dem inneren Körper 32 muss
dieser spielfreien Halterung besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Im folgenden sind Mittel beschrieben, die eine solche spielfreie
Halterung gewährleisten, also eine solche spielfreie Halterung
herstellen und über einen großen Temperaturbereich
aufrechterhalten. Dabei sind in allen Fig. diejenigen Bauteilen,
die einander entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The metallic sensor housing 11 represents an outer body 31 and the ceramic molding 14 an inner body 32 of a body composite in which the in the outer body 31 insides inner body 32 between the first and second stop 23 . 27 axially braced. The two bodies 31 . 32 each consist of a material (metal, ceramic) with different thermal expansion coefficients. In order to ensure a long service life of this body composite even in the harsh operating mode, which is exposed to the gas sensor in the vehicle, a backlash-free mounting of the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 be ensured both in the axial and in the radial direction under all operating conditions, including in a wide temperature range. Due to the different thermal expansion coefficients of the materials of the metallic sensor housing 11 as the outer body 31 and the ceramic molding 14 as the inner body 32 Special attention must be paid to this backlash-free mount. In the following means are described which ensure such a play-free holder, so produce such a play-free holder and maintain over a wide temperature range. In this case, those components which correspond to each other are identified by the same reference numerals in all figures.
Da
durch die beschriebene Vercrimpung des Gehäuseendabschnitts
des Sensorgehäuses 11 eine nur begrenzte Vorspannkraft
für die axiale Verspannung des Keramikformteils 14 zwischen
den beiden Anschlägen 23, 27 erreicht
wird, ist in den Ausführungsbeispielen des Gassensors gemäß 1 und 2 und 3 in
dem zwischen dem ersten und zweiten Anschlag 23, 27 am
Sensorgehäuse 11 sich erstreckenden Gehäuseabschnitt
des Sensorgehäuses 11 mindestens ein die axiale
Vorspannung auf das Keramikformteil 14 erhöhender
Federbereich ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist
dieser Federbereich durch eine radiale Ausbauchung 33 der
Gehäusewand des Sensorgehäuses 11 gebildet,
die eine radial nach außen gerichtete Federrückstellkraft
besitzt. Während der Vercrimpung des hinteren Endabschnitts
des Sensorgehäuses 11 wird auf die Ausbauchung 33 eine
deren Federrückstellkraft entgegenwirkende, radial nach
innen gerichtete Druckkraft aufgebracht. Dadurch längt sich
das Metallrohr etwas, so dass die Vercrimpung etwas weiter zum ersten
Anschlag 23 hin verschoben am Metallrohr ansetzt. Nach
dem Vercrimpen entfällt die radiale Druckkraft und durch
die Federwirkung der Ausbauchung 33, die sich wieder nach
außen wölbt und die in 2 dargestellte
Form annimmt, wird eine zusätzliche axiale Vorspannung
auf das Keramikformteil 14 aufgebracht. Die Form der Ausbauchung 33 definiert
die Steifigkeit des Federbereichs, und die radiale Vorspannung während
der Vercrimpung legt die axiale Kraft fest, die nach der Montage auf
das Keramikformteil 14 wirkt.As described by the described crimping of the housing end portion of the sensor housing 11 an only limited biasing force for the axial strain of the ceramic molding 14 between the two attacks 23 . 27 is reached is in the embodiments of the gas sensor according to 1 and 2 and 3 in between the first and second stop 23 . 27 on the sensor housing 11 extending housing portion of the sensor housing 11 at least one of the axial prestress on the ceramic molding 14 formed increasing spring area. In the embodiment of the 1 and 2 is this spring area by a radial bulge 33 the housing wall of the sensor housing 11 formed, which has a radially outward spring restoring force. During crimping of the rear end portion of the sensor housing 11 gets on the bulge 33 applied a spring restoring force counteracting, radially inwardly directed pressure force. As a result, the metal tube lengthens slightly, so that the crimping slightly further to the first stop 23 shifted towards the metal pipe attaches. After crimping eliminates the radial compressive force and by the spring action the bulge 33 , which bulges outward again and the in 2 assumes an additional axial bias on the ceramic molding 14 applied. The shape of the bulge 33 defines the stiffness of the spring portion, and the radial preload during crimping determines the axial force that after mounting on the ceramic molding 14 acts.
In
dem in 3 im Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel
eines Gassensors weist das Keramikformteil 14 zwei voneinander
axial beabstandete Bunde 34, 35 mit gegenüber
dem Außendurchmesser des Keramikformteils 14 vergrößertem
Außendurchmesser auf. Der eine Bund 34 ist ein
am Keramiktopf 15 nahe dem Topfboden 151 umlaufender
Flansch, und der andere Bund 35 wird von der im Außendurchmesser
vergrößerten Keramikbuchse 17 gebildet.
Durch diese beiden Bunde 34, 35, mit denen sich
das Keramikformteil 14 an dem Sensorgehäuse 11 abstützt,
entsteht ein Luftspalt zwischen dem Sensorgehäuse 11 und
dem Keramikformteil 14. Der Federbereich im Sensorgehäuse 11 zur
zusätzlichen Aufbringung der axialen Vorspannung ist im Ausführungsbeispiel
der 3 durch eine plastische Reduzierung des Durchmessers
des zwischen den beiden Bunden 34, 35 liegenden
Gehäuseabschnitts des Sensorgehäuses 11 hergestellt.
Diese Reduzierung wird erst nach der vorstehend beschriebenen Vercrimpung
des Gehäuseendabschnitts zum vercrimpten Gehäusebereich 26 durchgeführt.In the in 3 in longitudinal section illustrated embodiment of a gas sensor, the ceramic molding 14 two axially spaced coils 34 . 35 with respect to the outer diameter of the ceramic molding 14 enlarged outer diameter. The one bunch 34 is one on the ceramic pot 15 near the pot bottom 151 circumferential flange, and the other collar 35 is made from the enlarged outer diameter ceramic bushing 17 educated. Through these two leagues 34 . 35 with which the ceramic molding 14 on the sensor housing 11 supported, creates an air gap between the sensor housing 11 and the ceramic molding 14 , The spring area in the sensor housing 11 for additional application of the axial bias is in the embodiment of 3 by a plastic reduction of the diameter of the between the two bonds 34 . 35 lying housing portion of the sensor housing 11 produced. This reduction is only after the above-described crimping of the housing end portion to the crimped housing portion 26 carried out.
In
den in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen
des Gassensors ist im Sensorgehäuse 11 mindestens
ein eine radiale Vorspannung auf das Keramikformteil 14 aufbringender
Federbereich vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel der 4 sind
zwei solche Federbereiche dadurch realisiert, dass der Innendurchmesser
des Sensorgehäuses 11 größer
gemacht ist als der Außendurchmesser des Keramikformteils 14 und
im Bereich zwischen den beiden Anschlägen 23, 27 im
Sensorgehäuse 11 zwei nach innen ausgedrückte,
umlaufende Sicken 36, 37 erzeugt sind. Diese Sicken 36, 37 pressen
sich beim Einschieben des Keramikformteils 14 in das Sensorgehäuses 11 auf
das Keramikformteil 14 mit radialer Vorspannung auf, und
die Aufpresskraft wird unter allen Betriebsbedingungen des Gassensors aufrechterhalten.In the in 4 and 5 illustrated embodiments of the gas sensor is in the sensor housing 11 at least one a radial bias on the ceramic molding 14 applying spring area provided. In the embodiment of 4 are two such spring portions realized by the fact that the inner diameter of the sensor housing 11 made larger than the outer diameter of the ceramic molding 14 and in the area between the two attacks 23 . 27 in the sensor housing 11 two inwardly expressed, circumferential beads 36 . 37 are generated. These beads 36 . 37 press in when inserting the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 on the ceramic molding 14 with radial preload, and the pressing force is maintained under all operating conditions of the gas sensor.
Das
in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel des
Gassensors unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten
Gassensor nur dadurch, dass die Federbereiche im Sensorgehäuse 11 zur
Aufbringung einer radialen Vorspannung auf das Keramikformteil 14 nicht
durch umlaufende Sicken 36, 37, wie im 4,
sondern durch mehrere Sicken 38, die sich axial erstrecken,
realisiert sind.This in 5 illustrated embodiment of the gas sensor differs from the in 4 shown gas sensor only in that the spring portions in the sensor housing 11 for applying a radial bias to the ceramic molding 14 not by circumferential beads 36 . 37 , like in 4 but by several beads 38 , which extend axially, are realized.
Selbstverständlich
ist es möglich, im Sensorgehäuse 11 sowohl
einen die axiale Vorspannung des Keramikformteils 14 erhöhenden
Federbereich, als auch einen eine radiale Vorspannung auf das Keramikformteil 14 aufbringenden
Federbereich vorzusehen. Beispielsweise kann zwischen der oberen
Sicke 36 und der unteren Sicke 37 im Sensorgehäuse 11 gemäß 4 noch
eine radiale Ausbauchung 33, wie sie in 2 dargestellt
ist, vorgesehen werden.Of course it is possible in the sensor housing 11 both the axial bias of the ceramic molding 14 increasing spring range, as well as a radial bias on the ceramic molding 14 Provide applicable spring range. For example, between the upper bead 36 and the lower bead 37 in the sensor housing 11 according to 4 another radial bulge 33 as they are in 2 is shown provided.
Bei
Verwendung von Keramiken für das Keramikformteil 14,
die einen deutlich kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen als das Metall des Sensorgehäuses 11 reichen
mitunter die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur spielfreien
Halterung des Keramikformteils 14 im Sensorgehäuse 11 über
einen großen Temperaturbereich nicht aus, da sich das metallische
Sensorgehäuse 11 im oberen Temperaturbereich sehr
viel stärker längt als das Keramikformteil 14.
Um auch hier eine Vorspannung des Keramikformteils 14 über
den gesamten Temperaturbereich sicherzustellen, ist in den Ausführungsbeispielen
des Gassensors gemäß 6 bis 11 im
Einspannbereich des Keramikformteils 14 mindestens ein
zusätzliches Bauelement angeordnet, das zusammen mit dem
Keramikformteil 14 zwischen den beiden Anschlägen 23 und 27 eingespannt
ist. Das Bauelement ist aus einem Material gefertigt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Sensorgehäusematerials.When using ceramics for the ceramic molding 14 , which have a much smaller thermal expansion coefficient than the metal of the sensor housing 11 sometimes the measures described above for play-free mounting of the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 over a wide temperature range is not enough, because the metallic sensor housing 11 Longer in the upper temperature range much stronger than the ceramic molding 14 , Again, a bias of the ceramic molding 14 over the entire temperature range, is in the embodiments of the gas sensor according to 6 to 11 in the clamping area of the ceramic molding 14 arranged at least one additional component, which together with the ceramic molding 14 between the two attacks 23 and 27 is clamped. The device is made of a material whose thermal expansion coefficient is greater than the thermal expansion coefficient of the sensor housing material.
In
den Ausführungsbeispielen des Gassensors gemäß 7 und 8 ist
ein solches Bauelement als Ring 39 ausgeführt
und an dem einen Ende des Keramikformteils 14 angeordnet.
In beiden Ausführungsbeispielen der 7 und 8 ist
der Ringbund 152 am Keramiktopf 15 entfallen und
dafür der Ring 39 eingelegt, der sich einerseits
am Topfboden 151 und andererseits am ersten Anschlag 23 abstützt.
Im Ausführungsbeispiel der 8 stützt
sich zusätzlich ein zweiter Ring 40 zwischen der
Keramikbuchse 17 und dem zweiten Anschlag 27 ab.
Hat der Ring 39 bzw. haben die Ringe 39 und 40 eine
ausreichende axiale Ausdehnung und ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Rings 39 bzw. der Ringe 39, 40 groß genug,
d. h. wesentlich größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Sensorgehäusemetalls, so ergibt sich ein gemittelter
Wärmeausdehnungskoeffizient der geklemmten Baugruppe aus
Keramikformteil 14 und Ring 39 bzw. Keramikformteil 14 und
Ringen 39, 40, der an den Wärmeausdehnungskoeffizient
des Sensorgehäuses 11 angepasst ist. Dadurch ist
eine Lockerung der geklemmten Baugruppe bei großen Temperaturschwankungen
ausgeschlossen und das Keramikformteil 14 im Sensorgehäuse 11 stets
spielfrei gehalten.In the embodiments of the gas sensor according to 7 and 8th is such a device as a ring 39 executed and at one end of the ceramic molding 14 arranged. In both embodiments of the 7 and 8th is the ring collar 152 at the ceramic pot 15 omitted and for the ring 39 inserted, on the one hand on the bottom of the pot 151 and on the other hand at the first stop 23 supported. In the embodiment of 8th In addition, a second ring is supported 40 between the ceramic bush 17 and the second stop 27 from. Has the ring 39 or have the rings 39 and 40 a sufficient axial extent and is the thermal expansion coefficient of the ring 39 or the rings 39 . 40 big enough, ie much larger than the coefficient of thermal expansion of the sensor housing metal, this results in an averaged coefficient of thermal expansion of the clamped ceramic molded part assembly 14 and ring 39 or ceramic molding 14 and wrestling 39 . 40 , which corresponds to the thermal expansion coefficient of the sensor housing 11 is adjusted. As a result, a relaxation of the clamped assembly is excluded in large temperature fluctuations and the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 always kept free of play.
In
dem Ausführungsbeispiel der 9 ist das
zusätzliche Bauelement im Einspannbereich des Keramikformteils 14 als
Tellerfeder 41 aus Bimetall ausgeführt. Die Tellerfeder 41 stützt
sich mittig an der Keramikbuchse 17 und randseitig an dem
zweiten Anschlag 27 ab.In the embodiment of 9 is the additional component in the clamping area of the ceramic molding 14 as a plate spring 41 made of bimetal executed. The plate spring 41 rests in the middle of the ceramic bush 17 and at the edge of the second stop 27 from.
Bei
dem in 10 ausschnittweise dargestellten
Gassensor ist das zusätzliche Bauelement im Einspannbereich
des Keramikformteils 14 durch einen auf den Keramiktopf 15 aufgeschobenen
Topf 42 realisiert. Der Topf 42 stützt
sich mit seinem am Stirnende des axial vorstehenden Ringbunds 152 anliegenden
Topfboden 421 an dem ersten Anschlag 23 und mit
der ringförmigen Stirnfläche seines Topfmantels 422 an
einem am Keramikformteil 14 ausgebildeten, radial abstehenden
Kragen 43 ab. Im Ausführungsbeispiel der 10 ist
der Kragen 43 durch die modifizierte Ausbildung der Keramikbuchse 17 realisiert,
die nicht bündig mit dem Keramiktopf 15 radial abschließt,
sondern über dessen Umfang mit dem Kragen 43 vorsteht.
Dieser Kragen 43 ist im Vergleich zu der Axiallänge
des Keramikformteils 14 relativ klein, so dass nahezu ausschließlich
der Wärmeausdehnungskoeffizient des langen Topfes 42 für
den mittleren Wärmeausdehnungskoeffizient der geklemmten
Baugruppe aus Keramikformteil 14 und Topf 42 entscheidend
ist. Damit kann für den Topf 42 ein Material gewählt
werden, das deutlich kleiner ist als das Material der Ringe 39, 40 in 7 und 8 und
nur wenig oberhalb des Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Metalls des Sensorgehäuses 11 liegen muss. Außerdem
ist die Baulänge des Gassensors gegenüber dem
in 7 und 8 dargestellten Gassensor deutlich
kleiner.At the in 10 Partial gas sensor shown is the additional component in the clamping of the ceramic molding 14 through one on the ceramic pot 15 deferred pot 42 realized. The pot 42 rests with his at the front end of the axially projecting annular collar 152 adjoining pot bottom 421 at the first stop 23 and with the annular end face of his pot shell 422 at one on the ceramic molding 14 trained, radially projecting collar 43 from. In the embodiment of 10 is the collar 43 by the modified design of the ceramic bushing 17 realized that not flush with the ceramic pot 15 radially terminates, but over its circumference with the collar 43 protrudes. This collar 43 is compared to the axial length of the ceramic molding 14 relatively small, so that almost exclusively the thermal expansion coefficient of the long pot 42 for the mean thermal expansion coefficient of the clamped ceramic molding assembly 14 and pot 42 is crucial. This can for the pot 42 a material is chosen that is significantly smaller than the material of the rings 39 . 40 in 7 and 8th and only slightly above the thermal expansion coefficient of the metal of the sensor housing 11 must lie. In addition, the length of the gas sensor compared to in 7 and 8th shown gas sensor significantly smaller.
Im
Ausführungsbeispiel des Gassensors gemäß 11 sind
anstelle des einen Topfes 42 zwei kürzere Töpfe 44, 45 von
jedem Ende des Keramikformteils 14 her auf dieses aufgeschoben.
Etwa mittig des Keramikformteils 14 ist am Keramiktopf 15 ein umlaufender
Kragen 46 angeformt, auf dessen voneinander abgekehrten,
ringförmigen Stirnflächen sich die Stirnflächen
der Topfmäntel 442 und 452 der beiden
Töpfe 44, 45 abstützen, während
die Topfböden 441 und 451 am ersten Anschlag 23 bzw.
am zweiten Anschlag 27 anliegen.In the embodiment of the gas sensor according to 11 are in place of a pot 42 two shorter pots 44 . 45 from each end of the ceramic molding 14 postponed to this. Approximately in the middle of the ceramic molding 14 is at the ceramic pot 15 a circumferential collar 46 formed on the mutually remote, annular end faces, the end faces of the pot coats 442 and 452 the two pots 44 . 45 support while the pot bottoms 441 and 451 at the first stop 23 or at the second stop 27 issue.
Bei
dem Ausführungsbeispiel des in 12 ausschnittweise
dargestellten Gassensors ist eine Maßnahme getroffen, um
auch die radiale Vorspannung zwischen dem Sensorgehäuse 11 und
dem Keramikformteil 14 über einen großen
Temperaturbereich weitgehend unverändert aufrechtzuerhalten. Auf
den Keramiktopf 15 des Keramikformteils 14 ist eine
Hülse 47 formschlüssig aufgeschoben,
und die Keramikbuchse 17 ist so modifiziert, dass ihr Außendurchmesser
bündig mit dem Außendurchmesser der Hülse 47 ist.
Diese Baueinheit ist formschlüssig im Sensorgehäuse 11 aufgenommen
und das Keramikformteil 14 ist wiederum zwischen den beiden
Anschlägen 23, 27 axial eingespannt.
Die Hülse 47 füllt den gesamten Bereich
zwischen dem Keramiktopf 15 und der Innenwand des Sensorgehäuses 11 aus. Das
Material der Hülse 47 hat wiederum einen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der deutlich größer ist als der des Sensorgehäusemetalls.
Die Hülse 47 kann auch in zwei Halbschalen unterteilt
sein.In the embodiment of the in 12 Exhaust gas sensor is a measure taken to also the radial bias between the sensor housing 11 and the ceramic molding 14 Maintain largely unchanged over a wide temperature range. On the ceramic pot 15 of the ceramic molding 14 is a sleeve 47 positively pushed, and the ceramic sleeve 17 is modified so that its outer diameter is flush with the outer diameter of the sleeve 47 is. This unit is positively in the sensor housing 11 taken and the ceramic molding 14 is again between the two attacks 23 . 27 axially clamped. The sleeve 47 fills the entire area between the ceramic pot 15 and the inner wall of the sensor housing 11 out. The material of the sleeve 47 in turn has a thermal expansion coefficient that is significantly greater than that of the sensor housing metal. The sleeve 47 can also be divided into two half-shells.
Selbstverständlich
kann bei dem Gassensor gemäß 12 noch
zusätzlich das zu 6 bis 11 beschriebene
Bauelement zur Aufrechterhaltung der axialen Vorspannung des Keramikformteils 14 im
Sensorgehäuse 11 vorgesehen werden. Alle Ausführungsbeispiele
des Gassensors gemäß 7 bis 12 weisen
eine äußere Gestalt auf, wie sie in 6 dargestellt
ist.Of course, in the gas sensor according to 12 in addition to that too 6 to 11 described device for maintaining the axial bias of the ceramic molding 14 in the sensor housing 11 be provided. All embodiments of the gas sensor according to 7 to 12 have an outer shape, as in 6 is shown.
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- DE 19740363
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