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QUERBEZUG ZU VERWANDTER ANMELDUNG
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Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part (CIP) einer Anmeldungsseriennummer 12/750,755, die am 31. März 2010 eingereicht wurde und deren Inhalte hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Funkenzündungsvorrichtungen, wie Zündkerzen für Brennkraftmaschinen, und im Speziellen Erdungselektroden, die an einem Metallgehäuse der Funkenzündungsvorrichtung angebracht sind, und ihr Verfahren der Anbringung an dem Metallgehäuse.
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2. Stand der Technik
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Es ist erfordert, dass moderne Kraftfahrzeuge Anforderungen hinsichtlich einer erhöhten Leistung, eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs und niedriger Abgasemissionen erfüllen, was zur Erhöhung einer Temperatur einer Verbrennungsatmosphäre in der Maschine führt. Deshalb werden Schweißverbindungen zwischen einem Metallgehäuse einer Funkenzündungsvorrichtung und einer Erdungselektrode erhöhten Temperaturen unterzogen und sind somit anfälliger für Risse geworden, was zu einer Trennung der Erdungselektrode von dem Metallgehäuse führt.
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Wenn die Erdungselektrode mit dem Metallgehäuse unter Verwendung typischer Laserschweißtechniken verbunden wird, ist eine Schweißnaht, die zwischen diesen ausgebildet ist, gewöhnlich klein, was zu einem Mangel der Festigkeit der Verbindung führen könnte. Darüber hinaus führt der Laserschweißverbindungsprozess typischer Weise dazu, dass das Material der Erdungselektrode und des Metallgehäuses radial nach innen in einen Hohlraum des Gehäuses und/oder radial nach außen von dem Gehäuse verdrängt wird. Daher sind sekundär ineffiziente und kostenintensive Fertigungsvorgänge nötig, um das verdrängte Material zu beseitigen. Des Weiteren kann, falls die Laserschweißverbindung mit einem Spalt oder Leerstellen ausgebildet wird, die zwischen der Erdungselektrode und dem Gehäuse vorhanden sind und verbleiben, die Laserschweißverbindung einem frühzeitigen Versagen unterzogen werden.
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Gemäß anderen bekannten Prozessen kann die Erdungselektrode an das Gehäuse widerstandsgeschweißt werden. Jedoch erfordert eine Schweißverbindung, die allein durch einen Widerstandsschweißprozess ausgebildet wird, im Allgemeinen, dass die Erdungselektrode gestaucht wird, d. h. in das Material des Gehäuses gedrückt wird, während ein hoher Strom fließt, wodurch bewirkt wird, dass ein Material der Erdungselektrode und des Metallgehäuses nach außen verdrängt wird, wie vorstehend beschrieben ist, was sekundär ineffiziente und kostenintensive Fertigungsvorgänge erfordert, um das verdrängte Material zu beseitigen. Des Weiteren wird eine Widerstandsschweißverbindung primär als eine „Schmiedeschweißung” ausgebildet, die ein begrenztes geschmolzenes Material in der Schweißverbindung erzeugt, was somit zu einer Schweißverbindung führt, die eine relativ niedrige Festigkeit hat.
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Zusätzlich zu den Problemen in Verbindung mit den bekannten Prozessen, die vorstehend beschrieben sind, bleiben ein genaues Positionieren der Erdungselektrode bezüglich des Metallgehäuses und ein Vorsehen eines verbesserten Wärmeübertragungswegs zwischen der Erdungselektrode und dem Gehäuse ein Bereich, wo Fortschritte zur Verbesserung gesucht werden.
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Eine Funkenzündungsvorrichtung, die gemäß dieser Erfindung aufgebaut ist, adressiert diese und andere Probleme, wie es für einen Fachmann ersichtlich werden wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Funkenzündungsvorrichtung vorgesehen. Die Funkenzündungsvorrichtung hat einen Isolator, der sich entlang einer Längsachse erstreckt, und ein Metallgehäuse, das wenigstens einen Abschnitt des keramischen Isolators bedeckt. Das Metallgehäuse erstreckt sich entlang der Längsachse zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende. Eine Mittelelektrode ist wenigstens teilweise in dem Isolator aufgenommen und erstreckt sich koaxial entlang der Längsmittelachse. Eine Erdungselektrode erstreckt sich zwischen einem Anbringungsende und einem freien Ende. Das freie Ende der Erdungselektrode und die Mittelelektrode sehen einen Funkenspalt zwischen sich vor. Das Anbringungsende der Erdungselektrode ist durch eine Schweißverbindung an dem distalen Ende des Gehäuses fixiert. Die Schweißverbindung umfasst eine Kondensatorpulsentladungsschweißverbindung und eine Laserschweißverbindung, die in Kombination eine Materialverdrängung hemmen; eine zuverlässige starke Anbringung der Erdungselektrode an dem Gehäuse vorsehen; einen verbesserten Wärmeübertragungsweg zwischen der Erdungselektrode und dem Gehäuse vorsehen, und eine wiederholbare und genaue Positionierung der Erdungselektrode an dem Gehäuse erleichtern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Metallgehäuse für eine Funkenzündungsvorrichtung vorgesehen. Das Metallgehäuse hat einen ringförmigen Körper, der sich entlang einer Längsachse zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende erstreckt. Eine Erdungselektrode erstreckt sich zwischen einem Anbringungsende und einem freien Ende. Das Anbringungsende der Erdungselektrode ist durch eine Schweißverbindung an dem distalen Ende des Gehäuses fixiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren des Herstellens einer Funkenzündungsvorrichtung vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen eines im Allgemeinen ringförmigen Isolators, der sich entlang einer Längsachse erstreckt, und ein Anordnen einer Mittelelektrode wenigstens teilweise in dem keramischen Isolator. Des Weiteren ein Anordnen eines Metallgehäuses um wenigstens einen Abschnitt des Isolators herum. Darüber hinaus ein Kondensatorpulsentladungsschweißen eines Anbringungsendes einer Erdungselektrode mit dem distalen Ende des Gehäuses und ein Laserschweißen des Anbringungsendes der Erdungselektrode mit dem distalen Ende des Gehäuses.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren des Herstellens eines Metallgehäuses für eine Funkenzündungsvorrichtung vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden eines ringförmigen Metallgehäuses, das sich zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende erstreckt. Des Weiteren ein Vorsehen einer Erdungselektrode mit einem Anbringungsende und einem Zündungsende. Dann ein Kondensatorpulsentladungsschweißen des Anbringungsendes der Erdungselektrode mit dem distalen Ende des Gehäuses, und ein Laserschweißen des Anbringungsendes der Erdungselektrode mit dem distalen Ende des Gehäuses.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlicher, wenn sie in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen und der besten Form, den angehängten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden.
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Zündungsvorrichtung mit einer Erdungselektrode, die an einem distalen Ende eines äußeren Metallgehäuses angebracht ist, gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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2A ist eine vergrößerte Teilansicht der Zündungsvorrichtung, die die Erdungselektrode zeigt, die von dem distalen Ende des Metallgehäuses abgenommen ist;
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2B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 2B-2B von 2A;
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2C ist eine Ansicht, die das Anbringungsende der Erdungselektrode zeigt, die auf dem distalen Ende des Metallgehäuses ruht;
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2D ist eine Ansicht ähnlich zu 2C und zeigt das Anbringungsende der Erdungselektrode, das an das distale Ende des Metallgehäuses kondensatorpulsentladungsgeschweißt ist;
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2E ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 2E-2E von 2D;
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3A ist eine Querschnittsansicht, die den Beginn einer Laserschweißverbindung des Anbringungsendes mit dem distalen Ende der Erdungselektrode zeigt; und
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3B ist eine Ansicht ähnlich zu 3A und zeigt die Fertigstellung der Laserschweißverbindung, die die Erdungselektrode an dem distalen Ende der Erdungselektrode fixiert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Mit detaillierterem Bezug auf die Zeichnungen stellt 1 eine Funkenzündungsvorrichtung 10 dar, die gemäß einem der derzeit bevorzugten Aspekte der Erfindung hergestellt ist, zur Verwendung beim Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in Brennkraftmaschinen. Die beispielhafte Funkenzündungsvorrichtung ist in der Form einer Zündkerze dargestellt, die, neben anderen Dingen, einen ringförmigen keramischen Isolator 12 umfasst, der aus Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten elektrisch isolierenden Material in einer bekannten Weise hergestellt ist. Der Isolator 12 hat einen mittleren Durchgang 14, der sich längs zwischen einem oberen Anschlussende 16 und einer unteren Nase oder einem unteren Kernende erstreckt, in der/dem eine Mittelelektrode 20 angeordnet ist. Die Mittelelektrode 20 hat ein Funkenfläche, auf die nachstehend als eine Funkenspitze 21 Bezug genommen wird, an einem freien Ende von sich. Ein elektrisch leitendes Metallgehäuse 22 ist in einer gedichteten Beziehung um den unteren und mittleren Abschnitt des Isolators 12 herum angeordnet und kann aus irgendeinem geeigneten Material, wie aus verschiedenartigen Stahllegierungen, hergestellt sein, und kann mit einer Zn- oder einer Ni-basierten Legierungsbeschichtung oder dergleichen in einer bekannten Weise beschichtet sein.
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Das Gehäuse 22 hat wenigstens eine Erdungselektrode 24, die an diesem über eine Schweißverbindung 26 fixiert ist, die gemäß der Erfindung hergestellt ist. Das Gehäuse 22 und die Erdungselektrode 24 sind jeweils aus einem Metallmaterial ausgebildet, und die Schweißverbindung 26 weist eine homogene Mischung aus dem Material des Gehäuses 22 und dem Material der Erdungselektrode 24 auf. Ein Fixieren der Erdungselektrode 14 an dem Gehäuse über die Schweißverbindung 26 gewährleistet, dass die Erdungselektrode 24 mit einer minimalen Stauchung und Verformung an dem Gehäuse 22 genau positioniert wird, was zu einem minimalen oder keinem sekundären Beseitigen von verdrängtem Material führt; dass ein verbesserter Wärmeübertragungsweg zwischen der Erdungselektrode 24 und dem Gehäuse 22 eingerichtet ist; und dass eine wiederholbare Lage und Ausrichtung der Anbringung der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 gewährleistet ist. Die Schweißverbindung 26 sieht eine zuverlässige starke Anbringung zwischen dem Gehäuse 22 und der Erdungselektrode 24 vor. Die Schweißverbindung 26 hat eine längere Lebensdauer als die anderen Komponenten der Funkenzündungsvorrichtung 10, so dass die Funkenzündungsvorrichtung 10 vor der Schweißverbindung 26 versagt.
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Ein elektrisch leitender Anschlussbolzen 28 ist in dem mittleren Durchgang 14 des Isolators 12 angeordnet, wobei ein freies unteres Ende 30 des Anschlussbolzens 28 benachbart zu einer Widerstandsschicht 32 angeordnet ist, die zwischen dem unteren Ende 30 und einem oberen Ende 34 der Mittelelektrode 20 angeordnet ist. Leitende Glasdichtungen 36, 38 trennen die Widerstandsschicht 32 von dem Bolzen 28 bzw. der Mittelelektrode 20. Diese Widerstandsschicht 32 kann aus irgendeiner geeigneten Zusammensetzung hergestellt sein, die in solchen Anwendungen verwendet wird, um eine elektromagnetische Interferenz (EMI) zu unterdrücken.
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Das elektrisch leitende Metallgehäuse 22 kann aus irgendeinem geeigneten Metall hergestellt sein, einschließlich verschiedener beschichteter und unbeschichteter Stahllegierungen. Das Gehäuse 22 hat einen im Allgemeinen ringförmigen, rohrförmigen Gehäusekörper 40 mit einer im Allgemeinen ringförmigen Außenfläche 42 und Innenfläche 43, die sich entlang einer Längsmittelachse 44 zwischen einem oberen Anschlussende 46, das auch als ein proximales Ende bezeichnet wird, und einem unteren Befestigungsende 48, das auch als ein distales Ende bezeichnet wird, erstrecken. Das Befestigungsende 48 hat typischerweise eine Außengewinderegion 50, die zur Gewindeanbringung in einer Brennkammeröffnung eines Maschinenblocks (nicht gezeigt) gestaltet ist. Das Gehäuse 12 kann mit einem Außensechskantwerkzeugaufnahmebauteil 52 oder einem anderen Merkmal versehen sein, um ein Entfernen und einen Einbau der Funkenzündungsvorrichtung 10 in der Brennkammeröffnung zu erleichtern. Die Merkmalsgröße entspricht bevorzugt einer Industriestandardwerkzeuggröße dieses Typs für die zugehörige Anwendung. Natürlich können einige Anwendungen eine Werkzeugaufnahmeschnittstelle erfordern, die anders als ein Sechskant ist, wie Schlitze, um einen Gabelschlüssel aufzunehmen, oder andere Merkmale, die bei Rennzündkerzen und anderen Anwendungen bekannt sind. Das Gehäuse 12 hat auch einen ringförmigen Flansch 54, der sich radial nach außen von der äußeren Fläche 42 erstreckt, um einen ringförmigen, im Allgemeinen ebenen Dichtungssitz 56 vorzusehen, von dem die Gewinderegion 50 abhängt. Der Dichtungssitz 56 kann mit einer Dichtung (nicht gezeigt) gepaart sein, um eine Heißgasdichtung des Raums zwischen der Außenfläche des Gehäuses 22 und der Gewindebohrung in der Brennkammeröffnung zu erleichtern. Alternativ kann der Dichtungssitz 56 als ein verjüngter Sitz gestaltet sein, der entlang des unteren Abschnitts des Gehäuses 22 gelegen ist, um eine enge Toleranz und einen selbstdichtenden Einbau in einem Zylinderkopf vorzusehen, der auch mit einer zusammenpassenden Verjüngung für diese Art von Zündkerzensitz gestaltet ist.
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In einer Ausführungsform hat, um ein Fixieren der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 zu erleichtern, das distale Ende 48 des Gehäuses 22 eine im Wesentlichen ebene Fläche 60, die sich quer zu der Mittelachse 44 erstreckt, mit einem Vorsprung 62, der sich von dieser axial nach außen erstreckt. Der Vorsprung 62 kann unter Verwendung verschiedener Prozesse ausgebildet werden, einschließlich, beispielhaft und ohne Beschränkung, einer Maschinenbearbeitung, eines Kaltverformens oder eines Gießens. Der Vorsprung 22 ist als eine ringförmige Rippe dargestellt, die sich um den gesamten Umfang des distalen Endes 48 herum erstreckt, wobei die Rippe beispielhaft mit einem im Allgemeinen trapezförmigen axialen Querschnitt dargestellt ist, mit einer Basis 64 und einem Plateaupeak 66. Es sollte erkannt werden, dass andere Geometrien bezüglich einer Ansicht im axialen Querschnitt hierin in Erwägung gezogen sind, wie beispielsweise dreieckig, rechteckig oder halbkreisförmig. Wie am Besten in 2B gezeigt ist, ist der Vorsprung 62 im Allgemeinen mit Mittelpunkt zwischen der radial äußeren Fläche 42 und der radial inneren Fläche 43 angeordnet, wobei die Basis 64 des Vorsprungs 62 dargestellt ist, um eine Breite W1 zu haben, die kleiner ist als eine Breite W2, die sich zwischen der äußeren und inneren Fläche 42, 43 erstreckt, unmittelbar benachbart zu der ebenen Fläche 60, um eine Verdrängung eines Grats des Materials des Vorsprungs 62 beim Fixieren der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 zu verhindern oder im Wesentlichen zu verhindern. Der Vorsprung 62 erstreckt sich axial von der Basis 64 zu dem Peak 66 über eine vorbestimmte Distanz D, wie beispielsweise zwischen ungefähr 0,005'' bis 0,015'', wobei D vorbestimmt ist, um eine Verdrängung des Materials des Vorsprungs 62 beim Fixieren der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 weiter zu verhindern oder im Wesentlichen zu verhindern. Jedoch ist der Vorsprung 62 nicht notwendig, um die Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 zu fixieren.
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Die Erdungselektrode 24 hat ein Anbringungsende 68, das durch die Schweißverbindung 26 an dem distalen Ende 48 des Gehäuses 22 fixiert ist, und ein freies Ende 70, das sich von dem Anbringungsende 68 erstreckt, wobei eine Funkenspitze 62 an diesem angebracht ist, um einen Funkenspalt 74 zwischen der Funkenspitze 21 der Mittelelektrode 20 und der Funkenspitze 72 der Erdungselektrode 24 vorzusehen. Die Erdungselektrode 24 kann beliebig hinsichtlich einer Anzahl von Formen, Größen und Gestaltungen sein, wie beispielsweise die Standardgestaltung mit einer einfachen L-Form, die in den Zeichnungen dargestellt ist, und zwar nur als Beispiel und ohne Beschränkung. Wie am Besten in 3B gezeigt ist, hat das Anbringungsende eine vorbestimmte Breite W3, die größer ist als die Breite W1 der Basis 64 des Vorsprungs 62, wobei die Breite W3 auch im Wesentlichen gleich wie oder geringfügig verringert ist von der Breite W2 der Gehäusewand unmittelbar benachbart zu der ebenen Fläche 60. Daher wird, wie weiter nachstehend beschrieben wird, beim Fixieren der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 verhindert oder im Wesentlichen unterdrückt, dass das Material des Vorsprungs 62 nach außen von unter dem Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 verdrängt wird.
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Während des Anbringungsprozesses des Fixierens der Erdungselektrode 24 an dem distalen Ende 48 des Gehäuses 22 wird, wie in 2C gezeigt ist, das Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 in Anlage mit dem Peak 66 des Vorsprungs 62 gebracht, derart dass der Peak 66 im Wesentlichen zwischen der Breite W3 des Anbringungsendes 68 gelegen ist. Dann folgt ein Kondensatorpulsentladungsschweißprozess, woraufhin das Anbringungsende 68 in den Vorsprung 62 sinkt, bis das Anbringungsende 68 mit der ebenen Fläche 60 des distalen Endes 48 des Gehäuses bündig wird oder im Wesentlichen bündig wird, wie am Besten in 2D gezeigt ist. Bei Durchführung des Kondensatorpulsentladungsschweißprozesses wird eine Kondensatorpulsentladungsschweißverbindung 76 zwischen dem Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 und dem distalen Ende 48 des Gehäuses 22 ausgebildet, wobei infolge der geometrischen Beziehungen zwischen den jeweiligen Breiten W1, W2 und W3 die Widerstandsschweißverbindung 76 eine spaltfreie Schnittstelle zwischen dem Anbringungsende 68 und der ebenen Fläche 60 vorsieht, während gleichzeitig die Kondensatorpulsentladungsschweißverbindung 76 unterhalb der Breite W3 des Erdungselektrodenanbringungsendes 78 begrenzt oder im Wesentlichen begrenzt bleibt, wodurch eine Verdrängung des Materials des distalen Endes 48 des Gehäuses nach außen von dem Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 verhindert oder gehemmt wird.
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Dann folgt, wie in 3A und 3B gezeigt ist, beim Formen der Widerstandskondensatorpulsentladungsschweißverbindung 76, um die Erdungselektrode 24 in ihrer bevorzugten Position bezüglich des Gehäuses 22 anzuordnen, ein weiteres Sichern der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 mittels eines Laserschweißprozesses, wobei eine Laserschweißverbindung 78 im Wesentlichen um das Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 herum ausgebildet wird. Die Laserschweißverbindung 78 wird ohne Ändern oder wesentliches Ändern der Lage der Erdungselektrode 24 bezüglich des Gehäuses 22 ausgebildet, und somit bleibt das Anbringungsende 68 der Erdungselektrode 24 bündig oder im Wesentlichen bündig mit der ebenen Fläche 60 des Gehäuses 22. Daher verursacht die Laserschweißverbindung 78, die aus einer Mischung der Materialien des Gehäuses 22, einschließlich des Materials von dem Vorsprung 62, und der Erdungselektrode 24 ausgebildet ist, nicht, dass ein Material signifikant bis zu dem Grad verdrängt wird, der einen sekundären Beseitigungsvorgang erfordert. Deshalb ist der Laserschweißprozess wirtschaftlich in der Herstellung und sieht des Weiteren, in Verbindung mit der Widerstandsschweißverbindung 76, eine zusätzliche Gewährleistung vor, dass die Erdungselektrode 24 und ihre Funkenspitze 72 bei Verwendung korrekt positioniert bleiben, während er des Weiteren zu der Fähigkeit beiträgt, eine zuverlässige starke Anbringung der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 zu bilden; eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen der Erdungselektrode 24 und dem Gehäuse 22 vorzusehen; und eine wiederholbare Lage und Ausrichtung der Anbringung der Erdungselektrode 24 an dem Gehäuse 22 über den Herstellungsprozess hinweg vorzusehen.
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Offensichtlich sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung in Anbetracht der vorstehenden Lehre möglich. Es ist deshalb zu verstehen, dass, innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche, die Erfindung anderweitig realisiert werden kann als spezifisch beschrieben ist. Demzufolge ist die Erfindung letztlich durch den Umfang von gewährten Ansprüchen und nicht nur durch die beispielhaften Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind, definiert.
