DE102013207914A1

DE102013207914A1 - Verfahren zur Signaleinstellung bei Klopfsensoren

Info

Publication number: DE102013207914A1
Application number: DE102013207914.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Keller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers (110), insbesondere zum Einsatz als Klopfsensor in einem Kraftfahrzeug wird vorgeschlagen. Der Schwingungsaufnehmer (110) weist mindestens eine seismische Masse (126) und mindestens eine piezokeramische Scheibe (124) auf. Weiterhin weist der Schwingungsaufnehmer (110) mindestens eine Druckhülse (112) zur Beaufschlagung der piezokeramischen Scheibe (124) mit einer Vorspannung auf. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Vorgabe mindestens einer Signalanforderung an den Schwingungsaufnehmer (158); b) Auswahl mindestens einer Beschaffenheit (160) der Druckhülse (112) entsprechend der Signalanforderung, wobei die Beschaffenheit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Material der Druckhülse (112), einer Vergütung der Druckhülse (112) und einer Geometrie der Druckhülse (112); c) Bereitstellung der Druckhülse (162) mit der in b) ausgewählten Beschaffenheit; d) Montage (166) des Schwingungsaufnehmers (110) mit der in c) bereitgestellten Druckhülse (112).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Schwingungsaufnehmer zur Erfassung von Körperschallschwingungen bekannt, beispielsweise zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Beispielsweise kann es sich um Körperschallschwingungen in Motoren im Kraftfahrzeugbereich handeln. Der Schwingungsaufnehmer kann beispielsweise als ein piezoelektrischer Klopfsensor ausgestaltet sein.
In Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Auflage 2012, S. 149, wird ein solcher piezoelektrischer Klopfsensor beschrieben. Eine seismische Masse übt im Rhythmus der anregenden Schwingung Druckkräfte auf eine Piezokeramik in dem Klopfsensor aus, so dass in der Piezokeramik eine Ladungsverschiebung stattfindet. Hierbei entsteht eine Spannung, die an ein Steuergerät zur Verarbeitung weitergeleitet wird. Üblicherweise werden Klopfsensoren verwendet, um Schwingungen in Verbrennungsmotoren zu messen, welche bei unkontrollierten Verbrennungen auftreten.
In DE 196 24 152 C1 wird eine Druckhülse für einen Schwingungsaufnehmer beschrieben, welcher als Detektionsmittel eine piezokeramische Scheibe aufweist, die radial außen an der Druckhülse unter einer axialen Vorspannung gehalten wird. Auf der piezokeramischen Scheibe ist eine seismische Masse aufgesetzt, die mit einer Tellerfeder in Richtung der piezokeramischen Scheibe gedrückt wird. Als Anschlag der Tellerfeder dienen Verwölbungen am äußeren Umfang der Druckhülse.
DE 199 60 325 A1 beschreibt einen Schwingungsaufnehmer mit einer Druckhülse, bei dem die Druckhülse mit einer Basisfläche auf einem Schwingungen verursachenden Bauteil unter Druck angebracht wird. Die Sensorelemente sind unter einer axialen Vorspannung, durch eine Feder, an einer der Basisfläche innen gegenüberliegenden Auflagefläche der Druckhülse gehalten.
Die bekannten Schwingungsaufnehmer sind nachteilig, da eine Anpassung des Schwingungsaufnehmers an eine Kundenanforderung nur über eine Änderung der Piezokeramik oder einer Änderung einer Geometrie der seismischen Masse erreicht werden kann. Allerdings ist durch eine solche Änderung nur eine eingeschränkte Signalanpassung möglich, da der zur Verfügung stehende Bauraum beschränkt ist.
Die Piezokeramik wird in der Regel in Massenproduktionsprozessen hergestellt. Bei einer geforderten speziellen Ausgestaltung der Piezokeramik kann eine Anfertigung in einer Massenproduktion nicht möglich sein, so dass hohe Kosten durch spezielle Anfertigung der Piezokeramik entstehen können.
Fertigungsrelevante Geometrieänderungen zur Herstellung von Bauteilvarianten können allgemein zu einem erhöhten logistischen Aufwand führen. Zudem kann ein erhöhter Rüstaufwand in Fertigungslinien für diese Bauteile eintreten und neue Zuführungseinheiten für unterschiedliche Bauteile könnten nötig werden. Weiter kann es durch die spezielle Anfertigung der Bauteile zu einem Verlust von Mengeneffekten bei Bauteilzulieferern kommen, wodurch erhöhte Kosten entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren und ein Baukasten zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Anpassung eines Signals des Schwingungsaufnehmers ermöglicht werden.
Unter einem Schwingungsaufnehmer ist ein Sensor zu verstehen, der Schwingungen, beispielsweise Körperschallschwingungen, erfassen kann. Insbesondere kann der Schwingungsaufnehmer für die Erfassung von Schwingungen, beispielsweise Körperschallschwingungen, eingerichtet sein. Beispielsweise können dies Körperschallschwingungen in einem Motor einer Brennkraftmaschine sein. Der Schwingungsaufnehmer kann somit insbesondere als Klopfsensor ausgestaltet sein und/oder kann Bestandteil eines Klopfsensors sein. Wie unten noch näher erläutert wird, sind neben Einsatzgebieten in Motoren und/oder Kraftfahrzeugen auch andere Einsatzgebiete des Schwingungsaufnehmers möglich. Der Schwingungsaufnehmer kann grundsätzlich zumindest weitgehend nach oben genanntem Stand der Technik ausgestaltet sein, aber auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich.
Der Schwingungsaufnehmer weist mindestens eine seismische Masse und mindestens eine piezokeramische Scheibe auf. Unter einer seismischen Masse ist grundsätzlich eine beliebige träge Masse, beispielsweise eine Testmasse, zu verstehen, welche in Schwingungen versetzt werden kann oder sich anderweitig bewegen kann. Beispielsweise kann die seismische Masse in Form einer Lochscheibe, insbesondere in Form eines Ringelementes, ausgestaltet sein.
Unter einer piezokeramischen Scheibe ist allgemein eine Scheibe aus einem keramischen Material zu verstehen, bei welcher bei einer Druckeinwirkung eine Ladungstrennung eintritt, sodass sich zwischen einer Ober- und einer Unterseite der piezokeramischen Scheibe eine elektrische Spannung einstellt. Beispielsweise kann die piezokeramische Scheibe in Form einer Lochscheibe, insbesondere in Form eines Ringelements ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Piezokeramik aus Blei-Zirkonat-Titanat (BZT) hergestellt sein. Die piezokeramische Scheibe kann als Detektionsmittel in dem Schwingungsaufnehmer verwendet werden.
Weiter weist der Schwingungsaufnehmer mindestens eine Druckhülse zur Beaufschlagung der piezokeramischen Scheibe mit einer Vorspannung auf. Unter einer Druckhülse ist grundsätzlich eine geformte Hülse zu verstehen, welche sich unter Einwirkung einer Kraft verformen kann. Die Druckhülse kann einen Hülsenabschnitt und einen Auflageabschnitt aufweisen. Die Druckhülse kann einen Druckhülsenhals aufweisen, beispielsweise kann der Hülsenabschnitt den Druckhülsenhals umfassen. Der Hülsenabschnitt kann als Hohlzylinder ausgestaltet sein. Der Druckhülsenhals kann an einer Außenseite ein oder mehrere Vorsprünge aufweisen. Weitere Bauteile der Schwingungsaufnehmer können auf dem Auflageabschnitt der Druckhülse aufliegen und den Druckhülsenhals ringförmig umschließen. Beispielsweise können die piezokeramische Scheibe und die seismische Masse auf dem Auflageabschnitt der Druckhülse aufliegen.
Der Schwingungsaufnehmer kann mindestens zwei elektrische Kontaktscheiben aufweisen. Unter einer Kontaktscheibe ist grundsätzlich eine Lochscheibe aus elektrisch leitendem Material zu verstehen. Beispielsweise können die Kontaktscheiben aus Metall sein, beispielsweise aus einer Kupferlegierung. Eine untere Kontaktscheibe kann unter einer Unterseite der piezokeramischen Scheibe angeordnet sein und eingerichtet sein, mit der Unterseite der Piezokeramik in Kontakt zu sein. Eine obere Kontaktscheibe kann auf der Oberseite der piezokeramischen Scheibe aufliegen und eingerichtet sein, mit der Oberseite der piezokeramischen Scheibe in Kontakt zu sein. Die Kontaktscheiben können eingerichtet sein, die an der piezokeramischen Scheibe stehende Spannung abzugreifen. Die abgegriffene Spannung liegt dabei typischerweise im mV-Bereich. Zwischen der oberen und der unteren Kontaktscheibe kann ein Widerstand angeordnet sein. Ein Spannungssignal kann von den Kontaktscheiben über jeweils einen elektrischen Anschluss, beispielsweise einen Flachstecker, an ein Steuergerät übergeben werden.
Weiterhin kann der Schwingungsaufnehmer mindestens zwei Isolierscheiben aufweisen. Eine untere Isolierscheibe kann zwischen der unteren Kontaktscheibe und dem Auflageabschnitt der Druckhülse angeordnet werden und eine obere Isolierscheibe kann auf der oberen Kontaktscheibe aufliegen. Unter einer Isolierscheibe ist eine Scheibe aus elektrisch nicht-leitendem Material zu verstehen. Beispielsweise können die Isolierscheiben als Lackschicht der Kontaktscheiben ausgestaltet werden. Auch eine andere Ausgestaltung ist möglich.
Der Schwingungsaufnehmer kann ein Gehäuse aufweisen. Beispielsweise kann das Gehäuse in einem Spritzgießverfahren aus Kunststoff hergestellt werden, beispielsweise aus Acrylnitrel-Butadien-Styrol (ABS).
Die Druckhülse kann eingerichtet sein, die Körperschallschwingungen, beispielsweise von unkontrollierten Verbrennungen in einem Motor, aufzunehmen und auf andere Bauteile zu übertragen. Die Druckhülse kann zur Aufnahme der Körperschallschwingungen direkt mit dem Schwingungen verursachenden Bauteil, beispielsweise dem Motorblock, durch eine Auflagefläche der Druckhülse verbunden werden, beispielsweise durch eine Schraubverbindung. Grundsätzlich kann eine Druckhülse aus einem harten Material hergestellt werden, um eine Schwingungserfassung auch bei hohen Drücken und hohen Temperaturen zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine Druckhülse aus Messing oder Stahl hergestellt werden.
Der Schwingungsaufnehmer kann ein Federelement aufweisen, welches eingerichtet ist, die auf dem Auflageabschnitt der Druckhülse aufliegenden Bauteile zwischen dem Auflageabschnitt und einem Vorsprung des Druckhülsenhalses in einer Axialrichtung vorzuspannen. Das Federelement kann insbesondere als eine Tellerfeder ausgestaltet sein, aber auch Ausgestaltungen als Schraubenfeder, Elastomerfeder oder auch eine andere Ausgestaltung ist grundsätzlich möglich. Das Federelement kann die seismische Masse und die piezokeramische Scheibe einspannen und die piezokeramische Scheibe so mit einem Druck beaufschlagen.
Die Druckhülse kann sich durch die aufgenommenen Körperschallschwingungen verformen, sodass eine Kraft auf die auf dem Auflageabschnitt der Druckhülse aufliegenden Bauteile wirkt. Die seismische Masse kann Druckkräfte in einer Frequenz der Körperschallschwinungen auf die piezokeramische Scheibe ausüben. An der Oberseite und an der Unterseite der piezokeramischen Scheibe entsteht eine Spannung, welche mit den Kontaktscheiben abgegriffen werden kann.
Der Schwingungsaufnehmer kann insbesondere als Klopfsensor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Klopfsensor, wie in Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Auflage 2012, Seite 149, gezeigt, folgendermaßen aufgebaut sein: Der Klopfsensor weist eine Druckhülse auf, auf deren Auflageabschnitt folgende Bauteile aufliegen: eine untere Isolierscheibe, eine untere Kontaktscheibe, als Detektionsmittel eine Piezokeramik, eine Oberkontaktscheibe, eine obere Isolierscheibe, eine seismische Masse und ein Federelement. Die Bauteile können in der beschriebenen Reihenfolge angeordnet sein, aber auch eine andere Anordnung ist grundsätzlich möglich. Die Bauteile sind beispielsweise von einem Gehäuse umgeben.
Der Schwingungsaufnehmer kann als ein solcher Klopfsensor ausgestaltet sein. Andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

a) Vorgabe mindestens einer Signalanforderung an den Schwingungsaufnehmer,
b) Auswahl mindestens einer Beschaffenheit der Druckhülse entsprechend der Signalanforderung,
c) Bereitstellung der Druckhülse mit der in b) ausgewählten Beschaffenheit,
d) Montage des Schwingungsaufnehmers mit der in c) bereitgestellten Druckhülse.

Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, jedoch auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können zwei oder mehr der Verfahrensschritte auch gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin kann das Verfahren zusätzliche, hier nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Zudem können einzelne oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden.
Eine Vorgabe der Signalanforderung kann beispielsweise durch eine Kundenanforderung erfolgen. Unter einer Signalanforderung ist beispielsweise eine benötigte Höhe und/oder ein Frequenzgang eines Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers, insbesondere ein Spannungssignal der piezokeramischen Scheibe oder auch ein verstärktes Spannungssignal der piezokeramischen Scheibe, zu verstehen. Bei Brennkraftmaschinen kann beispielsweise eine unterschiedliche Geräuschentwicklung des Motors zu verschiedenen Anforderungen an das Ausgangssignal führen, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit starker Geräuschentwicklung im Vergleich zu Brennkraftmaschinen mit kaum Hintergrundgeräuschen. Die Signalanforderung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einer Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmers, einem Frequenzgang des Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers und der Höhe des Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers.
Unter der Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmers ist allgemein eine Änderung des Spannungssignals bezogen auf eine Anregung, beispielsweise durch Schwingungen in einem Motor einer Brennkraftmaschine, zu verstehen und wird den Einheiten von [mV/g] angegeben, wobei [g] die Einheit der Erdbeschleunigung ist mit 1 g = 9.81[m/s²]. Die Empfindlichkeit liegt vorzugsweise im Bereich von 10–100 mV/g, besonders bevorzugt im Bereich von 20–60 mV/g, wobei die Empfindlichkeit frequenzabhängig sein kann. Unter einem Frequenzgang ist grundsätzlich ein Verlauf einer physikalischen Größe, beispielsweise der Empfindlichkeit, als Funktion der Frequenz zu verstehen. Der Frequenzgang des Schwingungsaufnehmers umfasst bevorzugt einen Frequenzbereich von 3–25 kHz.
Unter der Höhe des Ausgangssignals ist grundsätzlich eine Amplitude des Spannungssignals der piezokeramischen Scheibe zu verstehen. Ein geforderter unterer Grenzwert des Ausgsangssignals richtet sich beispielsweise danach, ab wann eine Trennung des Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers von möglichen Hintergrundgeräuschen des Motors der Brennkraftmaschine möglich ist, beispielsweise kann ein unterer Grenzwert zwischen 15 und 30 mV/g liegen, besonders bevorzugt zwischen 18 und 25 mV/g bei niedrigen und mittleren Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen kleiner 17 kHz, wobei der untere Grenzwert zu höheren Frequenzen ansteigen kann. Ein geforderter oberer Grenzwert des Ausgangssignals kann beispielsweise bei niedrigen und mittleren Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen kleiner 17 kHz, zwischen 32 und 50 mV/g, besonders bevorzugt zwischen 35 und 48 mV/g, liegen. Beispielsweise kann ein Grenzwert durch einen Kundenwunsch vorgegeben werden, insbesondere um eine Austauschbarkeit des Schwingungsaufnehmers zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Grenzwert beispielsweise durch Auswertealgorithmen und/oder Motoreigenschaften vorgegeben werden.
Unter der Beschaffenheit der Druckhülse entsprechend der Signalanforderung ist grundsätzlich eine Beschaffenheit aus der Gruppe bestehend aus: einem Material der Druckhülse, einer Vergütung der Druckhülse und einer Geometrie der Druckhülse zu verstehen. Durch eine entsprechende Wahl der Beschaffenheit der Druckhülse kann eine Federkonstante der Druckhülse beeinflusst werden, wodurch eine Signalanforderung des Schwingungsaufnehmers eingestellt werden kann.
Die Federkonstante der Druckhülse ergibt sich durch c_Druckhülse = F / ∆L, wobei F eine Kraft ist, die auf die Druckhülse wirkt, beispielsweise durch eine Anregung einer Motorschwingung, und ∆ eine Längenänderung der Druckhülse ist. Unter einer Längenänderung ist allgemein eine beliebige Änderung einer Länge des Auflageabschnittes und des Druckhülsenhalses in der Axialrichtung zu verstehen. Weiter ist

sodass
ist, wobei E das Elastizitätsmodul, A eine Querschnittsfläche der Druckhülse und eine Anfangslänge der Druckhülse bezeichnet. Unter einer Querschnittsfläche A der Druckhülse ist die Querschnittsfläche des Druckhülsenhalses zu verstehen. Mit der Definition der mechanischen Spannung als σ = F / A, der Definition der Dehnung
und dem Hookeschen Gesetz E = σ / ε ergibt sich für die Federkonstante der Druckhülse
Der Zusammenhang zwischen einer dielektrischen Verschiebung D_i in der piezokeramischen Scheibe und der mechanischen Spannung ist durch Di = d_ijk·σ_jk, wobei der piezoelektrische Koeffizient ist und die Indizes i, j, k Richtungsindizes sind.
Das Material der Druckhülse kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Stahl und Messing. Die Druckhülse kann grundsätzlich auch aus Kunststoffen und Nichteisenmetallen hergestellt werden, insbesondere für Anwendungen mit geringen Temperaturanforderungen und/oder geringen mechanischen Belastungen. Insbesondere kann die Druckhülse also ganz oder teilweise aus mindestens einem Material hergestellt sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem metallischen Material, insbesondere einem metallischen Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stahl, Messing, einem Nichteisenmetall; einem nichtmetallischen Material, insbesondere einem Kunststoff und/oder einem keramischen Material.
Grundsätzlich kann der Schwingungsaufnehmer, wie oben ausgeführt, beispielsweise in einer Brennkraftmaschine verwendet werden, beispielsweise als Klopfsensor und/oder als Bestandteil eines Klopfsensors. Aber auch eine Verwendung in anderen Anwendungsgebieten, beispielsweise bei einer Kavitationskennung bei Pumpen, bei einer Fremdkörpererkennung im Mähwerk von Mähdreschern oder bei einer Überwachung und Verlängerung von Inspektionsintervallen in Großgetrieben, ist generell möglich.
Üblicherweise wird eine Druckhülse, beispielsweise bei einer Verwendung in einer Brennkraftmaschine, aus Messing hergestellt. Besonders vorteilhaft ist eine Fertigung der Druckhülse aus Stahl, einem kostengünstigeren Material als Messing, da beispielsweise Materialkosten und/oder Materialeinsatz über kaltverformende Herstellungsverfahren eingespart werden können. Stahl und Messing haben verschiedene Elastizitätsmodule; Stahl hat im Allgemeinen ein Elastizitätsmodul von 210 kN/mm², während das Elastizitätsmodul von Messing im Bereich von 90–120 kN/mm² liegt. Durch die Auswahl einer Materialbeschaffenheit kann die Höhe des Ausgangssignals der piezoelektrischen Scheibe beeinflusst werden. Eine Druckhülse aus Stahl ist steifer als eine Druckhülse aus Messing, da Stahl ein größeres Elastizitätsmodul aufweist. Ein Spannungssignal der piezokeramischen Scheibe bei einer Druckhülse aus Stahl kann bei gleicher Krafteinwirkung im Vergleich zu einem Spannungssignal bei einer Druckhülse aus Messing kleiner sein, da sich die Länge der Druckhülse aus Stahl weniger ändert.
Zusätzlich zu einer Auswahl einer Beschaffenheit des Materials der Druckhülse kann bei einer Vergütung des Stahls zusätzlich die Materialeigenschaft des Stahls, beispielsweise der Härtegrad, beeinflusst werden. Unter einer Vergütung ist allgemein eine Wärmebehandlung des Stahls zu verstehen.
Weiter kann durch eine Änderung einer Geometrie der Druckhülse die Beschaffenheit der Druckhülse entsprechend den Signalanforderungen ausgewählt werden. Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt b) als Beschaffenheit ein Querschnitt des Druckhülsenhalses ausgewählt werden. Unter einer Geometrieänderung ist insbesondere eine Änderung der Querschnittsfläche A des Druckhülsenhalses zu verstehen.
Insbesondere kann im Verfahrensschritt c) eine Tiefe eines Einschnitts in den Druckhülsenhals eingestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, um den Querschnitt einzustellen. Durch diese Einstellung des Querschnitts kann beispielsweise die Federkonstante der Druckhülse eingestellt werden. Beispielsweise kann mindestens ein Einstich in den Druckhülsenhals erfolgen, wobei die Änderung der Querschnittsfläche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer Tiefe des Einstichs, einer Geometrie des Einstichs. Beispielsweise kann ein solcher Einstich durch Laserschneiden hergestellt werden. Durch eine solche Änderung der Geometrie kann die Querschnittsfläche verringert werden, was ein größeres Spannungssignal der piezokeramischen Scheibe zur Folge hat. Insbesondere kann eine Signalanpassung durch gezielte Änderungen der Querschnittsfläche A an Kundenanforderungen möglich sein. Beispielsweise kann ein tiefer Einstich die Querschnittsfläche A stark verringern, und das Spannungssignal stark vergrößern. Während bei einem kleinen Einstich die Querschnittsfläche A wenig verringert wird und das Spannungssignal nur leicht vergrößert wird. Insbesondere kann es so bei einer Herstellung der Druckhülse aus Stahl möglich sein, dass das Spannungssignal der piezokeramischen Scheibe gleich hoch ist, wie das Spannungssignal bei einer Verwendung einer Druckhülse aus Messing.
Die Bereitstellung in Verfahrensschritt c) der Druckhülse, mit der in dem Verfahrensschritt b) ausgewählten Beschaffenheit, kann beispielsweise eine Bereitstellung einer bereits vollständig oder teilweise vorgefertigten Druckhülse und/oder auch eine vollständige oder teilweise Fertigung der Druckhülse umfassen und/oder auch eine Auswahl der Druckhülse mit einer gewünschten Eigenschaft. Beispielsweise kann die Geometrieänderung bei einem Fertigungsprozess der Druckhülse durch mindestens einen Einstich in den Druckhülsenhals erfolgen. Bei einem solchen Fertigungsprozess können eine Vielzahl von Druckhülsen beispielsweise in Clustern hergestellt werden, sodass Herstellungskosten durch Mengeneffekte reduziert werden können.
Der Verfahrensschritt d) umfasst ein kraftschlüssiges Zusammenfügen des Schwingungsaufnehmers, insbesondere ein Verstemmen. Unter einem Verstemmen ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen des Schwingungsaufnehmers zu verstehen.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Baukasten zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen. Unter einem Baukasten ist allgemein eine Sammlung verschiedener Bauteile zu verstehen. Der Baukasten weist mindestens eine seismische Masse, mindestens eine piezokeramische Scheibe und eine Mehrzahl von Druckhülsen auf. Die Druckhülsen weisen jeweils unterschiedliche Beschaffenheit auf, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Material der Druckhülse, einer Vergütung der Druckhülse und einer Geometrie der Druckhülse. In dem Verfahrensschritt c) kann die Druckhülse mit der Beschaffenheit ausgewählt werden aus dem Baukasten mit einer Vielzahl von Druckhülsen mit jeweils unterschiedlicher Beschaffenheit. Eine solche Auswahlmöglichkeit aus einem Baukasten ist besonders vorteilhaft, da so eine Kundenanforderung schnell und gezielt erfüllt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers und der erfindungsgemäße Baukasten, insbesondere durch die Möglichkeit einer Signaleinstellung beispielsweise durch eine Veränderung einer Geometrie der Druckhülse, sind vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik. Insbesondere durch den erfindungsgemäßen Baukasten kann es möglich sein, unterschiedliche Kundenanforderungen schnell zu erfüllen. Weiter kann es durch das Verfahren möglich sein, auch ältere Klopfsensormodelle auf kostengünstigere Typen umzustellen, sodass Kosten eingespart werden können. Für die Fertigung des Schwingungsaufnehmers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf aufwändige Rüstprozesse für die Fertigung unterschiedlicher Typen und auf typ-spezifische Zuführeinheiten verzichtet werden. Durch die Verwendung kostengünstiger Materialien, wie beispielsweise Stahl anstatt Messing und der dadurch möglichen kaltumformenden Herstellungsprozesse, durch die Vereinfachung im Fertigungsablauf sowie die Nutzung von Mengenvorteilen kann weiteres Einsparungspotential möglich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Schwingungsaufnehmer;
2 Querschnitt einer Druckhülse mit Federelement, seismischer Masse und einer piezokeramischen Scheibe des Schwingungsaufnehmers;
3 Frequenzabhängigkeit der Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmers; und
4 ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einzelne Bauteile einer Ausführungsform eines Schwingungsaufnehmers 110, welcher beispielsweise in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Der Schwingungsaufnehmer 110 kann insbesondere zum Einsatz als Klopfsensor in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Der Schwingungsaufnehmer 110 weist eine Druckhülse 112 auf. Die Druckhülse 112 kann einen Hülsenabschnitt 114 aufweisen. Der Hülsenabschnitt 114 kann in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet sein. Der Hülsenabschnitt 114 kann insbesondere einen Druckhülsenhals 116 aufweisen.
Weiter kann die Druckhülse 112 einen Auflageabschnitt 118 umfassen, welcher eingerichtet ist, dass weitere Bauteile des Schwingungsaufnehmers 110 auf dem Auflageabschnitt 118 aufliegen können. Beispielsweise kann eine untere Isolierscheibe 120 auf dem Auflageabschnitt 118 aufliegen. Die Isolierscheibe 120 kann als eine Lochscheibe aus nicht leitendem Material ausgestaltet sein. Auf der Isolierscheibe 120 kann eine untere Kontaktscheibe 122 aufliegen. Weiter umfasst der Schwingungsaufnehmer 110 mindestens eine piezokeramische Scheibe 124 als Detektionsmittel und eine seismische Masse 126. Die piezokeramische Scheibe 124 und die seismische Masse 126 können jeweils als Lochscheibe ausgestaltet sein. Zwischen der piezokeramischen Scheibe 124 und der seismischen Masse 126 können eine obere Kontaktscheibe 128 und eine obere Isolierscheibe 130 angeordnet sein. Die untere Isolierscheibe 120 und die obere Isolierscheibe 130 können beispielsweise als Lackschicht der unteren Kontaktscheibe 122 beziehungsweise der oberen Kontaktscheibe 128 ausgestaltet sein.
Die seismische Masse 126 drückt aufgrund ihrer Trägheit auf die piezokeramische Scheibe 124, insbesondere im Rhythmus einer anregenden Schwingung, beispielsweise einer Schwingung eines Motorblocks eines Kraftfahrzeugs. Die an der piezokeramischen Scheibe 124 entstehende Spannung kann von der unteren Kontaktscheibe 122 und der oberen Kontaktscheibe 128 abgegriffen werden und über jeweils einen elektrischen Anschluss 132, beispielsweise ausgestaltet als Flachstecker, an ein nicht dargestelltes Steuergerät übergeben werden. Zwischen der unteren Kontaktscheibe 122 und der oberen Kontaktscheibe 128 kann ein Widerstand 134 angeordnet sein. Der Schwingungsaufnehmer 110 kann weiterhin ein Federelement 136 aufweisen. Insbesondere kann das Federelement 136 als eine Tellerfeder ausgestaltet sein. Nach einer Montage der aufgezählten Bauteile, beispielsweise durch ein Verstemmen, können die montierten Bauteile von einem Gehäuse 138, insbesondere einem Gehäuse 138 aus Kunststoff, beispielsweise aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), umgeben werden, beispielsweise in einem Spritzgießverfahren.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Schwingungsaufnehmer 110. Der Aufbau des Schwingungsaufnehmers 110 kann symmetrisch um eine Achse 139 sein. In 2 ist eine Symmetriehälfte dargestellt. Der Hülsenabschnitt 114 der Druckhülse 112 kann mindestens einen Vorsprung 140 aufweisen. Das Federelement 136 kann die seismische Masse 126 und die piezokeramische Scheibe 124 zwischen dem Auflageabschnitt 118 und dem mindestens einen Vorsprung 140 in eine Axialrichtung 142 vorspannen.
Eine Signalanforderung an den Schwingungsabnehmer 110 kann durch eine Wahl einer Beschaffenheit der Druckhülse 112 erfüllt werden. Beispielsweise kann die Signalanforderung durch die Wahl eines Materials erfüllt werden. Insbesondere kann die Druckhülse 112 aus Messing oder aus Stahl hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist eine Fertigung der Druckhülse 112 aus Stahl, da Stahl kostengünstiger als Messing ist. Weiter ist es möglich, die Signalanforderung durch die Wahl einer Vergütung der Druckhülse 112 und einer Geometrie der Druckhülse 112 zu erfüllen. Beispielsweise kann unter der Beschaffenheit der Geometrie der Druckhülse 112, die Beschaffenheit eines Querschnitts 144 des Druckhülsenhalses 114 verstanden werden. Die Signalanforderung kann durch eine Änderung des Querschnitts 144 des Druckhülsenhalses 114 erfüllt werden. Vorzugsweise kann die Änderung des Querschnitts 144 durch einen Einstich 146 erfolgen. Das Signal des Schwingungsaufnehmers 110 kann von einer Tiefe des Einstichs 146 abhängig sein. In 2 sind symbolisch vier verschiedene Tiefen des Einstichs 146 dargestellt.
Die Empfindlichkeit E in [mV/g] in Abhängigkeit von der Frequenz f in [kHz] für verschiedene ausgewählte Beschaffenheiten der Druckhülse 112 wird in 3 gezeigt. Das Histogramm zeigt einen oberen Grenzwert 148 und einen unteren Grenzwert 150. Der obere Grenzwert 148 und der untere Grenzwert 150 können durch Kundenanforderungen an ein Signal des Schwingungsaufnehmers 110 festgelegt sein. Die Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmers 110 kann in einem Empfindlichkeitsbereich gekennzeichnet durch den oberen Grenzwert 148 und den unteren Grenzwert 150 liegen. Die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Frequenz für die Druckhülse 112 aus Messing (Kurvenschar 152) liegt deutlich oberhalb der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Frequenz für die Druckhülse 112 aus Stahl (Kurve 154), wobei die Druckhülse 112 aus Stahl ansonsten die gleiche Beschaffenheit, insbesondere geometrische Abmessungen, wie die Druckhülse 112 aus Messing aufweist. Durch die Wahl einer Druckhülse 112 aus Stahl, mit einer anderen Beschaffenheit, beispielsweise einer Geometrie der Druckhülse 112, insbesondere einer Änderung des Querschnitts 144 des Druckhülsenhalses 116, beispielsweise durch mindestens einen Einstich 146, kann die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Frequenz für die Druckhülse 112 aus Stahl 154 erhöht werden. Die Kurvenschar 156 stellt Beispiele für diese Erhöhung der Empfindlichkeit durch eine Änderung des Querschnitts 144 des Druckhülsenhalses 116 dar.
4 zeigt schematisch das erfindungsemäße Verfahren mit den Verfahrensschritten a)–d). In einem ersten Verfahrensschritt, insbesondere Verfahrensschritt a), kann eine Vorgabe einer Signalanforderung 158 einen Schwingungsaufnehmer 110 erfolgen, insbesondere durch eine Signalanforderung vorgegeben durch Kunden. In einem nächsten Verfahrensschritt, insbesondere Verfahrenschritt b), kann eine Auswahl mindestens einer Beschaffenheit 160 der Druckhülse 112 entsprechend der Signalanforderung erfolgen. Insbesondere kann das Material der Druckhülse 112, die Vergütung der Druckhülse 112 und die Geometrie der Druckhülse 112 gewählt werden. Eine Bereitstellung der Druckhülse 162 mit der in dem Verfahrensschritt, Auswahl mindestens einer Beschaffenheit 160, ausgewählten Beschaffenheit, erfolgt in einem anschließenden Verfahrensschritt, insbesondere in dem Verfahrensschritt c). Die Bereitstellung der Druckhülse 162 kann bevorzugt durch eine Auswahl einer Druckhülse 112 mit der gewählten Beschaffenheit aus einem Baukasten 164 erfolgen. Der Baukasten 164 weist mindestens eine seismische Masse 126, mindestens eine piezokeramische Scheibe 124 und eine Mehrzahl von Druckhülsen 112 auf. Die Druckhülsen 112 des Baukastens 164 weisen jeweils unterschiedliche Beschaffenheiten auf. Insbesondere kann zwischen Druckhülsen 112 aus verschiedenen Materialien und/oder verschiedener Vergütung und/oder verschiedener Geometrie, insbesondere verschiedenen Einstichen 146 in den Querschnitt 144 des Druckhülsenhalses 116, ausgewählt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt, insbesondere Verfahrensschritt d), kann eine Montage 166 des Schwingungsaufnehmers 110 mit der bereitgestellten Druckhülse 112 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19624152 C1 [0003]
DE 19960325 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 149 [0002]
Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, Seite 149 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers (110), wobei der Schwingungsaufnehmer (110) mindestens eine seismische Masse (126) und mindestens eine piezokeramische Scheibe (124) aufweist, wobei der Schwingungsaufnehmer (110) weiterhin mindestens eine Druckhülse (112) zur Beaufschlagung der piezokeramischen Scheibe (124) mit einer Vorspannung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Vorgabe mindestens einer Signalanforderung an den Schwingungsaufnehmer (158); b) Auswahl mindestens einer Beschaffenheit (160) der Druckhülse (112) entsprechend der Signalanforderung, wobei die Beschaffenheit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Material der Druckhülse (112), einer Vergütung der Druckhülse (112) und einer Geometrie der Druckhülse (112); c) Bereitstellung der Druckhülse (162) mit der in b) ausgewählten Beschaffenheit; d) Montage (166) des Schwingungsaufnehmers (110) mit der in c) bereitgestellten Druckhülse (112).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Signalanforderung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Empfindlichkeit des Schwingungsaufnehmer (110), einem Frequenzgang eines Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers (110) und einer Höhe eines Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers (110).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verfahrensschritt d) ein kraftschlüssiges Zusammenfügen des Schwingungsaufnehmers (110) umfasst, insbesondere ein Verstemmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckhülse (112) einen Druckhülsenhals (116) aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Verfahrensschritt b) als Beschaffenheit ein Querschnitt (144) des Druckhülsenhalses (116) ausgewählt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in Verfahrensschritt c) eine Tiefe eines Einstichs (146) in dem Druckhülsenhals (112) eingestellt wird, um den Querschnitt (144) einzustellen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei durch die Einstellung des Querschnitts (144) eine Federkonstante der Druckhülse (112) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Verfahrensschritt b) das Material der Druckhülse (112) ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Stahl und Messing.
Verfahren nach einem der vohergehenden Ansprüche, wobei in Verfahrensschritt c) die Druckhülse (112) mit der Beschaffenheit ausgewählt wird aus einem Baukasten (164) mit einer Vielzahl von Druckhülsen (112) mit jeweils unterschiedlichen Beschaffenheiten.
Baukasten (164) zur Herstellung eines Schwingungsaufnehmers (110) unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Baukasten (164) mindestens eine seismische Masse (126), mindestens eine piezokeramische Scheibe (124) und eine Mehrzahl von Druckhülsen (112) aufweist, wobei die Druckhülsen (112) jeweils unterschiedliche Beschaffenheiten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Material der Druckhülse (112), einer Vergütung der Druckhülse (112) und einer Geometrie der Druckhülse (112), aufweisen.