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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Messen einer Drehzahl sowie einen Turbolader mit einer derartigen Messanordnung.
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Stand der Technik
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Bestimmte Hochfrequenz-Drehzahlsensoren können mittels des RADAR-Prinzips die Drehzahl rotierender Bauteile bestimmen. Beispielsweise kann elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich auf das sich drehende Bauteil gelenkt werden, die dann abhängig von einer Winkelstellung des Bauteils unterschiedlich stark zurückreflektiert wird. Die Stärke der reflektierten Strahlung kann als Messsignal ausgewertet und aus einer Periodizität des Messsignals auf eine Drehzahl zurückgeschlossen werden.
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In der
DE 10 2010 003347 A1 wird beispielsweise die Messung der Drehzahl eines Verdichterrads eines Abgasturboladers basierend auf diesem Prinzip beschrieben. Der Sensor kann dabei außerhalb eines Luftschlauchs montiert sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, Stückkosten bei einer auf dem RADAR-Prinzip basierenden Messanordnung zu reduzieren und/oder dabei Material einzusparen. Weiter können Montagekosten reduziert werden.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Messanordnung bzw. einen Messsensor zum Messen einer Drehzahl eines rotierenden Bauteils basierend auf dem RADAR-Prinzip. Die Messanordnung kann in einem Fahrzeug (in etwa Pkw, Lkw oder Bus) eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Messanordnung eine elektrische Baugruppe, die dazu ausgeführt ist, über eine Antenne elektromagnetische Strahlung zu erzeugen und auf ein sich drehendes (bzw. drehbares) Bauteil zu strahlen, sowie von dem Bauteil reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und in ein Messsignal umzuwandeln; ein für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässiges Kunststoffrohr, das mit einem Bauraum verbindbar ist, in dem das drehbare Bauteil angeordnet ist. Die elektrische Baugruppe ist außerhalb des Kunststoffrohrs derart angeordnet, dass die elektromagnetische Strahlung durch eine Wandung des Kunststoffrohrs in das Innere des Kunststoffrohrs strahlbar ist.
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Die elektrische Baugruppe kann als Sensor bzw. RADAR-Sensor aufgefasst werden. Sie kann auch elektronische Bauelemente umfassen, die die elektromagnetische Strahlung erzeugen und/oder die empfangene elektromagnetische Strahlung in ein Messsignal umformen und/oder dieses auswerten.
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Die elektrische Baugruppe kann außerhalb eines zumindest teilweise radartransparenten Kunststoffrohrs angeordnet sein. Das Kunststoffrohr ist beispielsweise mit einem Gehäuse verbunden, in dem das drehbare Bauteil (wie etwa ein Rotor) angeordnet ist. Die elektromagnetische Strahlung wird durch die Wandung des Kunststoffrohrs in das Innere des Kunststoffrohrs gestrahlt und kann von diesem sogar als Wellenleiter auf das drehbare Bauteil gelenkt werden.
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Das Kunststoffrohr kann im Wesentlichen starr sein oder aus einem flexiblen Material hergestellt sein. Beispielsweise kann das Kunststoffrohr ein Kunststoffschlauch sein.
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Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Mikrowellen-Strahlung (im Bereich von 1 GHz bis 300 GHz) sein.
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Das drehbare Bauteil kann so geformt sein, dass es bezüglich der Messanordnung eine sich mit dem Drehwinkel ändernde Reflektivität für die elektromagnetische Strahlung aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messanordnung eine Gehäuseschale auf, in der eine Leiterplatte angebracht ist, die die elektrische Baugruppe mit der Antenne trägt, und die Antenne derart angeordnet ist, dass die elektromagnetische Strahlung in Richtung einer Öffnung der Gehäuseschale strahlbar ist. Die Gehäuseschale ist mit einem Rand auf dem Kunststoffrohr abgesetzt und an dem Rand befestigt, so dass die Öffnung der Gehäuseschale von der Wandung des Kunststoffrohrs bedeckt ist.
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Der Messsensor, der auf dem Kunststoffrohr beispielsweise mittels Schweißen und/oder Kleben befestigt sein kann, kann ein einteiliges Gehäuse in der Form einer Gehäuseschale aufweisen, in dem die Leiterplatte befestigt ist. Insbesondere weist das Gehäuse keinen eigenständigen Deckel auf. Der Gehäusedeckel wird durch einen Abschnitt der Wandung des Kunststoffrohrs gebildet.
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Beispielsweise kann die Gehäuseschale aus einem Schalboden mit umlaufender Schalenwandung aufgebaut sein, die mit ihrem Rand an dem Kunststoffrohr befestigt ist. Da das Gehäuse bzw. die Gehäuseschale des Messsensors nicht indirekt über einen Deckel, sondern direkt am Kunststoffrohr befestigt ist, ist die Messanordnung nicht anfällig gegenüber Vibrationen, die beispielsweise durch einen Motor hervorgerufen werden können.
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Insgesamt kann mit der Messanordnung Material eingespart werden, da kein gesonderter Deckel gefertigt werden muss. Durch das direkte Befestigen am Kunststoffrohr kann eine Ausrichtung an Rastnasen, Stiften oder eine Montage mit Klipsen entfallen, was zu einer Reduktion von Produktionsschritten führen kann. Weiter kann der Messsensor durch starke Vibrationen am Kunststoffrohr nicht verrutschen.
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Durch die Befestigung des Messsensors über seinen Rand am Kunststoffrohr wird auch berücksichtigt, dass das Kunststoffrohr mittels Blasformen geformt sein kann. Dabei kann beispielsweise ein warmer Rohrrohling in sich radial öffnenden Werkzeugformhälften in Form geblasen werden. Hierbei können leicht Flächen, nicht jedoch ohne zusätzlichen Aufwand Rastnasen oder Positionierstifte geformt werden. Mit anderen Worten kann die Gehäuseschale an einem flachen Wandungsabschnitt des Kunststoffrohrs angebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Rand der Gehäuseschale eine zumindest teilweise umlaufende Krempe auf, die mit dem Kunststoffrohr verbunden ist. Die Krempe kann beispielsweise im Wesentlichen parallel zu der Wandung des Kunststoffrohrs ausgerichtet sein. Die Krempe kann an einem unteren Rand einer Schalenwandung von der Schalenwandung abstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rand der Gehäuseschale mittels Laserschweißen mit dem Kunststoffrohr verbunden. Insbesondere kann die Krempe mittels Laserschweißen mit der Wandung des Kunststoffrohrs verbunden werden. Dabei kann das Material der Gehäuseschale bzw. zumindest der Krempe zumindest teilweise transparent für das Laserlicht sein. Das Laserlicht kann auf diese Weise beim Laserschweißen durch die Krempe auf die darunterliegende Wandung des Kunststoffrohrs gerichtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Gehäuseschale und das Kunststoffrohr aus dem gleichen (beispielsweise laserschweißbaren) Kunststoffmaterial geformt. Das Kunststoffmaterial der Gehäuseschale und/oder des Kunststoffrohrs kann ein Polyamid sein und/oder kann faserverstärkt sein, wie etwa PA6GF.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verläuft die Leiterplatte entlang einer Oberfläche des Kunststoffrohrs. Die Leiterplatte kann in die Gehäuseschale eingelegt sein und beispielsweise im Wesentlichen parallel zu einem Schalenboden angeordnet sein, der auch im Wesentlichen parallel zu einem Wandungsabschnitt des Kunststoffrohrs verlaufen kann, an dem die Gehäuseschale befestigt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Kunststoffrohr in der Wandung, die die Öffnung der Gehäuseschale bedeckt, ein Fenster auf, in dem eine Wandungsstärke geringer ist als außerhalb des Fensters. Das für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise transparente Fenster kann bei der Fertigung des Kunststoffrohrs ausgeprägt werden. Beispielsweise kann beim Blasformen ein Rohling verwendet werden, der bereits ein Fenster aufweist. Dies kann beispielsweise mittels Wanddickensteuerung bei der Extrusion des Rohlings bewerkstelligt werden.
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Das Fenster kann eine größere Fläche aufweisen als die Antenne, um größere Fertigungstoleranzen beim Kunststoffschweißen zu erlauben.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung entspricht die Wandungsstärke 1/4 der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Material des Kunststoffrohrs. Beispielsweise kann die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz im Bereich zwischen 21 und 27 GHz aufweisen. Bei 24 GHz ist 1/4 der Wellenlänge etwa 3 mm im Vakuum, was zu einer Wandungsstärke von in etwa 2,5 mm bis 2,7 mm im Kunststoffmaterial führt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Schalenboden der Gehäuseschale dicker als eine Schalenwandung, die den Schalenboden mit dem Kunststoffrohr verbindet. Der Schalenboden kann so die elektromagnetische Strahlung nach außen abschirmen bzw. in Richtung der Öffnung reflektieren. Die Schalenwandung kann den Rand bereitstellen, mit dem die Gehäuseschale mit dem Kunststoffrohr verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte an einer Seite von einem von der Gehäuseschale bereitgestellten Stift gehalten. Die Leiterplatte kann beispielsweise an einer Seite an Auflagen in der Gehäuseschale befestigt und durch Stifte verstemmt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leiterplatte an einer weiteren Seite mit elektrischen Kontakten eines elektrischen Steckers an der Gehäuseschale befestigt. Auf der anderen Seite kann die Leiterplatte lediglich von den Kontakten des Steckers gehalten werden.
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Der elektrische Stecker, mit dem die elektrische Baugruppe mit weiteren Komponenten verbunden werden kann, kann radial oder axial an der Gehäuseschale montiert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ragt ein elektrischer Stecker, mit dem die Leiterplatte verbunden ist und der an der Gehäuseschale befestigt ist, von dem Kunststoffrohr weg. Bei einem runden Rohr kann der elektrische Stecker beispielsweise in radialer Richtung nach außen ragen. Es ist möglich, dass der Stecker (in etwa im Wesentlichen orthogonal) von dem Schalenboden abragt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verläuft ein elektrischer Stecker, mit dem die Leiterplatte verbunden ist und der an der Gehäuseschale befestigt ist, entlang dem Kunststoffrohr. Der Stecker kann in eine axiale Richtung des Kunststoffrohrs verlaufen. Es ist möglich, dass der Stecker (in etwa im Wesentlichen orthogonal) von der Schalenwandung abragt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Messanordnung, wie sie obenstehend und untenstehend beschrieben ist. Das Kunststoffrohr kann ein Ansaugrohr für den Turbolader sein. Das drehbare Bauteil kann ein Verdichterrad eines Turboladers sein und/oder beispielsweise Luftschaufeln aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt schematisch einen Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2A zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2B zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Messanordnung aus der 2A.
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3A zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Messanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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3B zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Messanordnung aus der 3A.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Turbolader 10, in dessen Gehäuse 12 ein drehbares Bauteil 14 in der Form eines Verdichterrads mit Schaufeln angeordnet ist. Mit dem Gehäuse 12 ist ein Kunststoffrohr 16 verbunden, das als Ansaugrohr für den Turbolader 10 dient und durch das das Förderrad 14 Luft ansaugen kann.
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Auf dem Kunststoffrohr 16 ist ein Messsensor 18 befestigt, der zusammen mit dem Kunststoffrohr 16 eine Messanordnung 20 bildet, mit der die Drehzahl des Förderrads 14 ermittelt werden kann. Der Messsensor 18 kann, wie weiter unten ausgeführt wird, elektromagnetische Strahlung erzeugen, auf das drehbare Bauteil strahlen, reflektierte Strahlung empfangen und daraus ein Messsignal erzeugen, aus dem die Drehzahl des drehbaren Bauteils 14 abgeleitet werden kann.
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Die 2 zeigt einen Messsensor 18 zusammen mit einem Teil des Kunststoffrohrs 16 im Querschnitt. Der Messsensor 18 umfasst eine Gehäuseschale 22, in der eine Leiterplatte 24 angeordnet ist.
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Die Gehäuseschale 22 umfasst einen Schalenboden 26, der im Wesentlichen parallel zu einer Wandung 28 des Kunststoffrohrs 16 verläuft, an der die Gehäuseschale 22 befestigt ist. Weiter umfasst die Gehäuseschale 22 eine Schalenwandung 30, die im Wesentlichen orthogonal von dem Schalenboden 26 absteht bzw. orthogonal zu der Wandung 28 verläuft.
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Die Gehäuseschale 22 ist mit ihrem Rand 32 direkt an dem Kunststoffrohr 16 bzw. dessen Wandung 28 befestigt. Dazu weist die Gehäuseschale 22 eine Krempe 34 auf, d.h. einen Überstand, der im Wesentlichen orthogonal von der Schalenwandung 30 absteht. Die Krempe verläuft dabei entlang der Wandung 28 des Kunststoffrohrs 16. Beispielsweise kann die Gehäuseschale 22 mit der Krempe 34 auf die Wandung 28 des Kunststoffrohrs 16 geklebt sein.
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Weiter ist möglich, dass die Gehäuseschale 22 mit der Krempe 34 mit der Wandung 28 des Kunststoffrohrs 16 verschweißt ist. Die Gehäuseschale 22 oder zumindest die Krempe 34 können (zumindest teilweise) transparent für Laserlicht sein, das zum Verschweißen der Krempe 34 mit der Wandung 28 verwendet wird. Dazu kann das Laserlicht durch die Krempe 34 auf die darunterliegende Wandung gestrahlt werden, so dass die Krempe 34 und die Wandung sich in diesem Bereich verflüssigen und miteinander verbinden.
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Die Gehäuseschale 22 kann aus einem laserschweißbaren Kunststoffmaterial hergestellt sein, wie etwa Polyamid, das auch mit Glasfaser faserverstärkt sein kann. Auch ist es möglich, dass die Gehäuseschale 22 aus dem gleichen Kunststoffmaterial wie das Kunststoffrohr 16 hergestellt ist.
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Die Gehäuseschale 22 kann aus dem Kunststoffmaterial einstückig spritzgegossen oder tiefgezogen sein. Das Kunststoffrohr 16 kann blasgeformt sein.
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In der Gehäuseschale 22 ist die Leiterplatte 24 an einer Seite auf einer Auflage 36 abgesetzt, die von dem Schalenboden 26 bereitgestellt ist. Weiter kann die Leiterplatte auf einen Stift 38 gesteckt sein, der auch von dem Schalenboden 26 bereitgestellt sein kann.
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An der anderen Seite ist die Leiterplatte 24 lediglich über elektrische Kontakte 46 eines Steckers 48 an der Gehäuseschale 22 befestigt. Der Stecker 48 kann an dem Schalenboden 26 der Gehäuseschale 22 befestigt sein und/oder in radialer Richtung (bezüglich des Kunststoffrohrs 16) von der Gehäuseschale 22 abstehen. Die Orientierungsrichtung des Steckers 48 kann sich dabei aus der Steckrichtung des Steckers 48 ergeben.
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Auf der Leiterplatte befindet sich eine elektrische Baugruppe 40 mit einer Antenne 42, die dazu ausgeführt ist, elektromagnetische Strahlung (beispielsweise im Mikrowellenbereich) zu erzeugen und mit der Antenne 42 abzustrahlen. Die Antenne 42 ist so ausgerichtet, dass die elektromagnetische Strahlung in Richtung einer Öffnung 44 der Gehäuseschale 22 gerichtet ist, die dem Schalenboden 26 gegenüberliegt.
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Die Öffnung 44 wird von dem Rand 32 bzw. der Krempe 34 umlaufen und/oder ist auf der Wandung 28 des Kunststoffrohrs 16 abgesetzt, so dass die elektromagnetische Strahlung durch die Wandung 28 in das Innere des Kunststoffrohrs 16 gestrahlt wird.
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Die elektromagnetische Strahlung kann dann durch das Kunststoffrohr 16 hindurch auf das drehbare Bauteil 14 treffen und von dort reflektiert werden. Die reflektierte Strahlung kann wieder die Wandung 28 durchdringen und anschließend von der Antenne 42 aufgefangen werden. Die elektrische Baugruppe 40 kann dann aus der empfangenen Strahlung ein Messsignal erzeugen, das beispielsweise über den Stecker 48 an weitere Komponenten zur Auswertung geschickt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass das Messsignal direkt von der elektrischen Baugruppe 40 in eine Drehzahl umgewandelt wird.
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Damit die elektromagnetische Strahlung möglichst ungehindert in das Innere des Kunststoffrohrs 16 gelangen kann, weist die Wandung 18 des Kunststoffrohrs 16 ein Fenster 50 auf, das aus einem Bereich der Wandung 18 gebildet ist, der eine geringere Wandstärke aufweist als ein Bereich der Wandung, die das Fenster 50 umgibt und/oder mit dem die Gehäuseschale 22 verbunden sein kann.
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Das Fenster 50 kann eine größere Fläche aufweisen als die Antenne 42 und/oder kann eine Wandungsstärke aufweisen, die 1/4 der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Kunststoffmaterial des Kunststoffrohrs 16 entspricht. Das Fenster 50 kann bei Formen des Kunststoffrohrs 16 geformt werden, beispielsweise durch Blasformen eines Rohlings, in dem bereits ein Bereich mit reduzierter Wandungsstärke vorhanden ist.
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Insgesamt bilden somit das Fenster 50 und der es umgebende Bereich des Kunststoffrohrs 16 einen Gehäusedeckel für den Messsensor 18. Auf einen gesonderten Deckel kann verzichtet werden.
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Die 2B zeigt die Messanordnung 20 aus der 1 in Draufsicht. Es ist zu erkennen, dass die Gehäuseschale 22 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein kann. Weiter ist zu erkennen, dass die Krempe 22 die Gehäuseschale 22 komplett umläuft.
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Die 3A zeigt eine weitere Messanordnung 20, die genauso wie die in der 1A gezeigte Messanordnung 20 aufgebaut sein kann. Lediglich der Stecker 48 und die elektrischen Kontakte 46 sind anders angeordnet. Der Stecker 48 ragt in axialer Richtung (bezüglich des Kunststoffrohrs 16) von der Gehäuseschale 22 ab und/oder kann seitlich an der Gehäuseschale 22 befestigt sein.
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Die 3B zeigt die Messanordnung 20 aus der 3A analog der 2B. Es ist zu erkennen, dass die Krempe 34 nicht wie die der 2B immer die gleiche Breite aufweisen muss, sondern in einem Bereich 52 unterhalb des Steckers 48 breiter sein kann als an den anderen Seiten der Gehäuseschale 22. Auf diese Weise kann mit der Krempe 34 das Kunststoffrohr 16 beim Einstecken einer Leitung in den Stecker 48 geschützt werden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“ etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003347 A1 [0003]
