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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Meßfühler zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Meßgases,
insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoff- und/oder Schadstoffkonzentration
oder der Temperatur im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Meßfühler, insbesondere
einer Lambdasonde zur Bestimmung des Sauerstoff- und/oder Schadstoffgehalts
im Abgas von Brennkraftmaschinen (
DE 197 40 363 A1 ), ist das das Sensorelement
aufnehmende Gehäuse
von zwei hülsenförmigen Gehäuseteilen
gebildet, die miteinander verschweißt sind. Alternativ ist das
Gehäuse einteilig
ausgeführt.
Das im Querschnitt rechtwinklige Sensorelement weist einen meßgasseitigen
Endabschnitt und einen anschlußseitigen
Endabschnitt auf, der Kontaktflächen
trägt,
die ihrerseits mit Leitern einer in die Hülse eingeführten elektrischen Anschlußleitung
verbunden sind. Die Anschlußleitung ist
teilweise, zumindest im Einführbereich
in das Gehäuse,
von einem metallischen Mantelrohr umgeben, das mit der metallischen
Hülse des
Gehäuses
verschweißt
ist. Die Schweißung
ist als ringförmige,
laserstrahlgeschweißte Überlappnaht
ausgeführt.
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Aus
der
DE 101 51 291
A1 , der
DE
196 08 543 A1 und der
DE 196 11 572 A1 ist ein Gassensor bekannt,
der ein in einem Gehäuse
angeordnetes Sensorelement enthält.
Das Gehäuse
weist am anschlussseitigen Ende des Sensorelements eine das Sensorelement
umgebende, metallische Hülse
auf. In die metallische Hülse
taucht endseitig ein metallisches Mantelrohr ein, das mit der metallischen
Hülse durch
eine umlaufende, entlang der Mantelfläche gerade verlaufende Schweißnaht fest
verbunden ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Meßfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch
die Mäanderform
der umlaufenden Schweißnaht
nicht nur die Schweißfläche der
Schweißnaht vergrößert wird,
sondern auch der Kraftfluß wesentlich
günstiger
als bei der bekannten ringförmigen Überlappnaht
eingeleitet wird. Dadurch wird die Krafteinleitung in die Metallhülse des
Gehäuses
im Betrieb, die durch Schwingungen der Brennkraftmaschine hervorgerufen
wird, kraftgünstig
auf einen großen
Bereich verteilt, und die an den einzelnen Stellen auftretenden
maximalen Spannungen werden reduziert. Insgesamt wird durch die
erfindungsgemäße Geometrie
der Schweißnaht
die mechanische Beanspruchung von Schweißnaht und vor allem der Hülse des
Meßfühlers im
Betrieb gesenkt.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegeben Meßfühlers möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist die Schweißnaht
mit einer beliebigen Anzahl von Mäanderwindungen ausgeführt, z.B. drei
oder fünf
vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang
verteilt angeordnete Mäanderwindungen, wobei
die Mäanderwindungen
Sinusform, Trapezform, symmetrische Sägezahnform (Zick-Zack-Form) oder
asymmetrische Sägezahnform aufweisen
können.
Die maximale Auslenkung einer Mäanderwindung
beträgt
beispielsweise 1,5 bis 2 mm, was bei einer einer Sinusschwingung
folgenden Mäanderlinie der
doppelten Amplitude der Sinusschwingung entspricht. Die das Mantelrohr
und die Hülse
miteinander verbindende Breite der Schweißnaht ist beispielsweise bei
einem üblichen
Außendurchmesser von
7 bis 12 mm und einer üblichen
Wanddicke von 0,5–0,6
mm der Hülse
mit 0,4–0,8
mm gewählt.
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Gemäß vorteilhaften
Ausführungsformen
der Erfindung kann die mäanderförmige Schweißnaht mit einer
Ring-Schweißnaht
oder mit zwei im Parallelabstand voneinander verlaufenden Ring-Schweißnähten, die
jeweils als Überlappnaht
ausgeführt
sind, kombiniert werden. Vorzugsweise sind die Ring-Schweißnähte dabei
so gelegt, daß sie
die Umkehrbereiche, also die Bereiche maximaler Auslenkung der mäanderförmigen Schweißnaht, kreuzen oder überdecken.
Die Ringnähte
können
dabei durchgehend oder mit Unterbrechungen im Kreuzungs- bzw. Überdeckungsbereich
mit der mäanderförmigen Schweißnaht ausgeführt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Ring-Schweißnaht oder sind die beiden
Ring-Schweißnähte durchgehend,
also unterbrechungslos, ausgeführt
und die mäanderformige Schweißnaht in
Schweißnahtabschnitten
wiederholt ausgespart. So kann z.B. die mäanderförmige Scheißnaht zwischen zwei im Parallelabstand
verlaufende Ring-Schweißnähten mit
asymmetrischer Sägezahnform
der Mäanderwindungen
ausgeführt
werden, wobei die steilen Zahnflanken ausgespart bleiben und nur
die schräg
verlaufenden Zahnrücken
der Sägezahnform
ausgeführt
werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines
Meßfühler, perspektivisch
dargestellt,
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2 ausschnittweise einen
Längsschnitt des
Meßfühlers in 1,
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3 eine vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts III in 1,
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4 jeweils eine gleiche Darstellung
wie in 2 bis 10 mit unterschiedlicher
Schweißnahtgeometrie.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 in perspektivischer Seitenansicht dargestellte
Meßfühler zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Meßgases,
z.B. eine Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoff- und/oder Schadstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine oder z.B. eine Temperatursonde zur
Bestimmung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine, weist ein
in einem Gehäuse 10 aufgenommenes
Sensorelement 11 auf, das an einem Ende Kontaktflächen trägt, über die
das Sensorelement 11 mit elektrischen Leitern 121 (2)
einer Anschlußleitung 12 verbunden
ist. Die hier abgebrochen dargestellte Anschlußleitung 12 trägt an ihrem meßfühlerfernen
Ende einen Stecker zum Anschließen
an ein Steuer- oder Auswertegerät.
Die Anschlußleitung 12 weist
einen meßfühlerseitigen
Leitungsabschnitt 13 und einen steckerseitigen Leitungsabschnitt 14 auf,
die in einer Schnittstelle 15 miteinander elektrisch leitend,
z.B. über
Crimpverbindungen, verbunden sind. Der Bereich der Crimpverbindungen
ist von einem Kuststoffmantel 16 umschlossen. Der meßfühlerseitige
Abschnitt 13 der Anschlußleitung 12 ist mit
einem biegbaren, metallischen Mantelrohr 17 umschlossen,
das einerseits in das Gehäuse 10 eintaucht
und andererseits von dem Kuststoffmantel 16 übergriffen
ist.
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Das
Gehäuse 10 weist
im Bereich des anschlußseitigen
Endes des Sensorelements 11 eine dieses mit Abstand umgebende
metallische Hülse 18 und
im Bereich des meßgasseitigen
Endes 111 des Sensorelements 11 eine dieses mit
Abstand umgebende und mit Gasdurchtritsslöchern 20 versehene Schutzhaube 19 auf.
Wie in der Schnittdarstellung in 2 zu sehen
ist, sind die Hülse 18 und
das Mantelrohr 17 miteinander durch eine laserstrahlgeschweißte Schweißnaht 21,
die als Überlappnaht ausgeführt ist,
fest miteinander verbunden. Um eine vorteilhafte Einleitung des
Kraftflusses in das Gehäuse 10 sicherzustellen,
der infolge von Schwingbewegungen der Anschlußleitung 12 zwischen
Mantelrohr 17 und Hülse 18 auftritt,
und damit die mechanische Belastung der Hülse 18 sowie der Schweißnaht 21 zu reduzieren
bzw. ihre Schwingfestigkeit zu erhöhen, ist die Schweißnaht 21 mäanderförmig mit
mehreren Mäanderwindungen 211 (1)
ausgeführt.
Im Ausführungsbeispiel
der 1, das im Bereich der Schweißnaht 21 in 3 vergrößert dargestellt
ist, weisen alle Mäanderwindungen 211 eine
gleiche Sinusform auf wobei sich die Schweißnaht 21 mit insgesamt
fünf Mäanderwindungen 211,
also mit fünf vollen
Sinusschwingungen, über
den Umfang der Hülse 18 erstreckt.
Die doppelte Amplitude der Sinusschwingung bzw. die maximale Auslenkung
einer Mäanderwindung 211 liegt
zwischen 1,5 und 2 mm. Bei einer Ausführung der Hülse 18 mit einer Wanddicke
von 0,5–0,6
mm und einem Außendurchmesser zwischen
7 bis 12 mm wird die in der Schnittdarstellung in 2 zu
sehende Breite b der Schweißnaht 21 im
Verbindungsbereich zwischen Hülse 18 und Mantelrohr 17 zwischen
0,4 und 0,8 mm festgelegt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 4 ist die Schweißnaht 21 Zick-Zack-förmig ausgeführt und weist
eine Anzahl von z.B. fünf
Mäanderwindungen 211 mit
symmetrischer Sägezahnform
auf. Die Sägezahnform
kann aber auch asymmetrisch mit steiler Zahnflanke und flachem Zahnrücken ausgeführt werden.
Die Höhe
des Sägezahns,
also die maximale Auslenkung der Mäanderwindung 211,
liegt wiederum zwischen 1,5 und 2 mm.
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Im Äusführungsbeispiel
der 5 sind die Mäanderwindungen 211 der
Schweißnaht 21 trapezförmig ausgeführt. Die
Anzahl der Mäanderwindungen 211 beträgt wie in
den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 wiederum
fünf, sie
kann aber ebenso wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 davon
abweichend gewählt
werden und z.B. nur drei Mäanderwindungen 211 oder
mehr als fünf
Mäanderwindungen 211 umfassen.
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In
den Ausführungsbeispielen
der Schweißnahtgeometrie
zwischen Hülse 18 und
Mantelrohr 17 gemäß 6–10 ist
die mäanderförmge Schweißnaht 21 mit
einer bzw. zwei Ring- Schweißnähten 22 kombiniert,
die ebenfalls als Überlappnähte ausgeführt sind.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 6 ist nur eine Ring-Schweißnaht 22 vorhanden,
die ringförmig um
das Mantelrohr 17 so gelegt ist, daß sie die Schweißnaht 21 in
deren unteren Umkehrpunkten (bei der Sinusform der Mäanderwindung 211 in
deren Minima) kreuzt bzw. überdeckt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 7 sind zusätzlich
zur Schweißnaht 21 noch
zwei parallele Ring-Schweißnähte 22 vorhanden,
die im Parallelabstand um den Umfang der Hülse 18 herum so gelegt sind,
daß sie
die mäanderförmige Schweißnaht 21 in deren
Umkehrpunkten 23 kreuzen.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 8 ist die mäanderförmige Schweißnaht 21 mit
symmetrischer Sägezahnform
der Mäanderwindung 211 ausgeführt. Die
beiden im Parallelabstand voneinander verlaufenden Ring-Schweißnähte 22 sind
wiederum so gelegt, daß sie
die Umkehrbereiche der Mäanderwindungen 211 kreuzen,
sind aber im Kreuzungsbereich ausgespart, so daß sie nur den Bereich der "V-Öffnung" der Mäanderwindungen 211 abdecken.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 9 ist die mäanderförmige Schweißnaht 21 mit
trapezförmigen Mäanderwindungen 211 ausgeführt. Die
beiden im Parallelabstand verlaufenden Ring-Schweißnähte 22 sind wie in 8 ausgeführt, also
im Überdeckungsbereich
mit der kleineren Grundlinie des Trapezes ausgespart, so daß sie letztlich
die größere Grundlinie
der Trapeze bilden.
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In 10 sind
die beiden im Parallelabstand verlaufenden Ring-Schweißnähte 22 durchgehend ausgeführt. Dagegen
ist die zwischen den beiden Ring-Schweißnähten 22 eingeschlossene
mäanderförmige Schweißnaht 21 in
Abschnitten ausgespart. In dem Ausführungsbeispiel der 10 haben
die Mäanderwindungen
der Schweißnaht 21 eine
asymmetrische Sägezahnform
mit einer steilen, etwa parallel zur Gehäuseachse verlaufender Zahnflanke
und einem unter einem Neigungswinkel dazu verlaufenden Zahnrücken, wobei
bei der Ausführung
der Schweißnaht 21 die
Zahnflanken ausgespart und lediglich die Zahnrücken ausgeführt sind. Dadurch ergibt sich
eine Schweißnaht 21,
die lediglich unter einem Schrägungswinkel
verlaufende, zueinander parallele Schweißnahtabschnitt 211' aufweist, die
zwischen den beiden Ring-Schweißnähten 22 angeordnet
sind. Die Schweißabschnitte
können
dabei – wie in 10 dargestellt
ist – im
Abstand vor den beiden Ring-Schweißnähten 22 enden, können aber
auch an die Ring-Schweißnähte 22 anstoßen.
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In
weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Schweißnahtgeometrie
können
zwischen den beiden wie in
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10 im
Parallelabstand durchgehenden Ring-Schweißnähten 22 verschiedene
Ausführungsformen
der mäanderförmigen Schweißnaht 21 verlaufen.
Auch ist es möglich,
die mäanderförmige Schweißnaht 21 ohne
Anbindung an die beiden Ring-Schweißnähte 22 mit Mäanderwindungen 211 in
Zick-Zack-Form (symmetrische
Sägezahnform) oder
in Sinusform auszuführen.