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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet betrifft Gehäuseteile wie z. B. Gehäusedeckel, insbesondere Kurbelgehäusedeckel oder Nockenwellendeckel oder Zylinderkopfdeckel oder Ventildeckel von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Motoren für Kraftfahrzeuge für die Straße oder auch andere Fahrzeuge, z. B. Wasser- oder Luftfahrzeuge. Betroffen sind Gehäuseteile bzw. -deckel, an denen wenigstens ein Sensor montierbar/montiert ist. Ferner sind Befestigungsverfahren für Sensoren in oder an solchen Gehäuseteilen betroffen.
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HINTERGRUND
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An Gehäusedeckeln muss in vielen Fällen wenigstens ein Sensor angeordnet und dauerhaft befestigt werden, insbesondere um mittels des Sensors Motor-Funktionen überprüfen zu können. Die Sensoren müssen dabei in vielen Fällen Messwerte im Inneren des Gehäuses oder im Inneren einer Brennkammer oder in Bezug auf Maschinenelemente erfassen, z. B. im Bereich einer Nockenwelle, so dass häufig eine Montage durch die Gehäusewandung hindurch unumgänglich ist. Die Dichtheit des Gehäuses darf dadurch nicht beeinträchtigt werden.
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Sensoren an Nockenwellendeckeln, Kurbelgehäusedeckeln oder sonstigen Gehäuseteilen von Motoren sind erforderlich, um z. B. die Arbeitsweise einer Nockenwelle, deren Position oder den Nockenwinkel oder den Umkehrpunkt eines Kolbens zu erfassen. Die Sensoren werden jeweils in einer Montageöffnung in der Gehäusewandung montiert, wobei die Montageschnittstelle entsprechend abgedichtet werden muss. Dazu dienen z. B. ein oder mehrere O-Ringe. Eine übliche Art der Befestigung sind Bolzen oder Schrauben, insbesondere auch selbstschneidende Schrauben, welche in einer neben der jeweiligen Montageöffnung vorgesehenen (Gewinde-)Bohrung fixiert werden. Dabei weist der Sensor einen Befestigungskragen auf, welcher sowohl die Montageöffnung als auch die Befestigungsbohrung überdeckt bzw. überlappt.
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Die Veröffentlichungs-Schrift
JP 2010 261 361 A beschreibt einen Zylinderkopfdeckel mit einer Montageöffnung für einen Sensor. Die Montageöffnung wird mittels eines O-Rings abgedichtet, wobei der Sensor einen seitlich auskragenden Flansch aufweist, an welchem die Befestigung am Deckel erfolgen kann. Hierzu weist der Deckel eine Befestigungsbohrung auf, die in radialem Abstand zur Montageöffnung angeordnet ist und sich parallel zur Montageöffnung erstreckt, und in welche ein Befestigungs-Bolzen eingeführt wird, der mit dem seitlich auskragenden Flansch zusammenwirkt.
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Aufgabe ist, ein Gehäuseteil bereitzustellen, welches für eine besonders vorteilhafte Art und Weise einer Befestigung wenigstens eines Sensors eingerichtet ist. Auch ist es Aufgabe, einen Gehäusedeckel für Brennkraftmaschinen derart auszuführen, dass wenigstens ein Sensor auf besonders zuverlässige Weise daran befestigt werden kann. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, ein Gehäuseteil bzw. einen daran zu befestigenden Sensor so auszubilden, dass eine vormontierbare Baugruppe bestehend aus dem Gehäuseteil und wenigstens einem Sensor auf kostengünstige Weise bereitgestellt werden kann, insbesondere unter Berücksichtigung von im Motorenbau üblichen Vorgaben, z. B. Vorgaben für Toleranzen, Dichtheit, Gewicht, Materialverbrauch, Kosten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch eine Gehäuseeinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen erläutert. Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar, sofern dies nicht explizit verneint ist.
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Es wird eine Gehäuseeinrichtung bereitgestellt, insbesondere eine (Kurbel-)Gehäusedeckeleinrichtung, für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Motor eines Kraftfahrzeugs, mit einer Gehäusewandung eingerichtet zum Umschließen und wahlweise auch Abdichten wenigstens einer Kavität der Brennkraftmaschine; und mit wenigstens einer sich durch die Gehäusewandung erstreckenden Durchführung zur Anordnung bzw. Montage einer Sensoreinrichtung an der Gehäuseeinrichtung; und mit wenigstens einem an der Gehäusewandung vorgesehenen Befestigungsabschnitt zum Fixieren der Sensoreinrichtung; wobei der (jeweilige) Befestigungsabschnitt bzw. zumindest ein Befestigungsabschnitt des wenigstens einen Befestigungsabschnitts an bzw. im Bereich der Durchführung angeordnet ist und wenigstens eine Stoffschluss-Kontaktfläche bzw. eine Kontaktfläche eingerichtet für Stoffschluss aufweist und dadurch zum stoffschlüssigen Fixieren bzw. Halten der Sensoreinrichtung eingerichtet ist, insbesondere zum Anschweißen bzw. mittels einer Schweißverbindung. Anders ausgedrückt: Das Fixieren erfolgt nicht durch Form- oder Kraftschluss, sondern mittels Stoffschluss, insbesondere ausschließlich. Damit wird ein komplett eigenständiges Montagekonzept vorgeschlagen, bei welche eine Verwendung separater Elemente wie Schrauben nicht erforderlich ist.
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Es hat sich gezeigt, dass mit einer Stoffschluss-Verbindung auf Bolzen oder Schrauben verzichtet werden kann. Stoffschluss allein kann einen ausreichenden Halt der Sensoreinrichtung sicherstellen. Damit besteht auch kein Risiko, dass sich Bolzen oder Schrauben lösen. Dank Stoffschluss kann die Anzahl von (Befestigungs-)Teilen reduziert werden. Sollen an der Gehäuseeinrichtung z. B. drei oder mehr Sensoreinrichtungen fixiert werden, wirkt sich dieser Vorteil bereits deutlich spürbar bei der Logistik und Montage aus.
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Dank Stoffschluss ist es ausreichend, wenn die Gehäuseeinrichtung bzw. der Gehäusedeckel je Sensoreinrichtung nur eine einzige Durchführung aufweist. Zusätzliche Montageöffnungen oder Befestigungsbohrungen bzw. Sacklochbohrungen sind nicht erforderlich. Im Vergleich zu einer Befestigung mittels Bolzen kann die Anzahl von Bohrungen also um die Hälfte reduziert werden. Hierdurch kann der Gehäusedeckel weniger komplex sein, wobei auch Material oder Kosten bei der Fertigung eingespart werden können.
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Dabei hat sich gezeigt, dass die Anforderungen an das Einhalten von Toleranzen im Vergleich zu herkömmlich montierten Sensoren gesenkt werden können. Es müssen weniger Toleranzen beachtet werden. Insbesondere kann auch eine exakte Position der Sensoreinrichtung auf einfache Weise sichergestellt werden, z. B. in Bezug auf ein Nockenwellenrad. So ist es gemäß einer Variante z. B. möglich, die Gehäuseeinrichtung direkt nach der Formgebung mit der Sensoreinrichtung zu verbinden. Die Gehäuseeinrichtung kann ohne Nachbearbeitung eine Kontaktfläche für die stoffschlüssige Verbindung bereitstellen.
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Der Befestigungsabschnitt kann zum stoffschlüssigen Fixieren der Sensoreinrichtung in der Durchführung eingerichtet sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann in der Durchführung hergestellt werden. Wahlweise kann Stoffschluss direkt neben der Durchführung an einer an die Durchführung angrenzenden Kontaktfläche hergestellt werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann auch durch eine Kombination hiervon hergestellt werden, also an Kontaktflächen sowohl in als auch neben der Durchführung bzw. angrenzend zur Durchführung.
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Die Gehäusewandung kann wie erwähnt mehrere Durchführungen und Befestigungsabschnitte aufweisen, sei es für eine oder mehrere Sensoreinrichtungen. Die (jeweilige) Sensoreinrichtung kann z. B. so montiert sein, dass sie in Kommunikation mit der umschlossenen Kavität ist. Das Fixieren kann ein Positionieren in einer vordefinierten Position umfassen.
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Die (jeweilige) Kontaktfläche kann eben bzw. plan sein, insbesondere auch rotationssymmetrisch. Dies ermöglicht großflächigen Kontakt oder auch eine Relativbewegung korrespondierender Kontaktflächen. Eine ebene Fläche weist keine Hervorhebungen oder Absätze auf. Eine ebene Fläche kann eine geometrisch korrespondierende ebene Fläche auf dem gesamten Flächeninhalt kontaktieren, insbesondere auch während einer Relativbewegung der Flächen zueinander. Für Reibschweißen kann die (jeweilige) Kontaktfläche auf vorteilhafte Weise eben und rotationssymmetrisch sein.
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Die (jeweilige) Kontaktfläche eingerichtet für Stoffschluss kann auch als Stoffschluss-Kontaktfläche bezeichnet werden. Zu einer (jeweiligen) Stoffschluss-Kontaktfläche an der Gehäuseeinrichtung kann eine geometrisch korrespondierende Kontaktfläche an der zu fixierenden Sensoreinrichtung vorgesehen sein, oder umgekehrt.
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Ein Hauptvorteil von Stoffschluss besteht auch darin, dass Dichtelemente nicht mehr notwendigerweise erforderlich sind. Die bei der Verwendung von Dichtmitteln üblicherweise bestehenden Abdicht-Probleme können auf elegante Weise gelöst werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann für sich bereits ausreichend leckdicht sein. Es gibt z. B. kein Risiko, dass ein O-Ring mit der Zeit altert und undicht wird.
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Als Gehäuseeinrichtung ist dabei ein Gehäuseteil oder Gehäusebestandteil oder Gehäuseabschnitt zu verstehen, welcher eine die Brennkraftmaschine begrenzende Wandung bereitstellt, insbesondere eine außenliegende Wandung. Die Gehäuseeinrichtung kann als Teil eines Gehäuses ausgeführt sein. Eine solches/solcher Gehäuseteil muss nicht notwendigerweise ein separates Gehäuseteil sein, sondern kann auch einem Gehäuseteil entsprechen, welcher integraler Bestandteil eines Gehäuses ist. Beispielhaft können als Gehäuseteile genannt werden: Gehäusedeckel, Kurbelgehäusedeckel, Nockenwellendeckel, Zylinderkopfdeckel, Ventildeckel. Falls die Gehäuseeinrichtung auch eine Abdicht-Funktion übernehmen soll, kann an der Gehäuseeinrichtung wenigstens eine Aufnahme für eine Dichtung vorgesehen sein, z. B. eine Nut. Die Dichtung kann auch in die Gehäuseeinrichtung integriert sein.
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Als Befestigungsabschnitt ist dabei ein Abschnitt zu verstehen, welcher ermöglicht, die Sensoreinrichtung in einer vordefinierten Position zu halten und so zu fixieren, dass die Position unveränderlich ist. Der Befestigungsabschnitt kann wahlweise ganz ohne Formschluss-Geometrien oder -Elemente ausgebildet sein. Kraftschluss ist nicht notwendigerweise erforderlich. Das Fixieren kann ausschließlich durch eine oder mehrere stoffschlüssige Verbindungen sichergestellt werden.
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Als Stoffschluss ist dabei eine irreversible, unlösbare Verbindung zu verstehen, welche durch atomare oder molekulare Kräfte zustande kommt. Anders ausgedrückt: eine stoffschlüssig fixierte Sensoreinrichtung ist nicht demontierbar bzw. auch nicht relativ zur Gehäuseeinrichtung verlagerbar. Es hat sich gezeigt, dass vorrangig Schweißen Vorteile beim Fixieren der Sensoreinrichtung liefert, jedoch können alternativ oder zusätzlich auch Kleben oder Löten genannt werden.
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In Bezug auf die zuvor erwähnte Druckschrift
JP 2010 261 361 A ist eine Anordnung des Befestigungsabschnitts „in radialem Abstand” zur Durchführung als eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der Befestigungsabschnitt der Durchführung zwar zugeordnet ist, aber mit lateralem Abstand neben der Durchführung in kleiner radialer Entfernung vorgesehen ist.
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Als einen Anordnung des Befestigungsabschnitts „an” oder „im Bereich” der Durchführung ist im Gegensatz dazu eine Anordnung direkt an der Durchführung zu verstehen, also z. B. eine Anordnung an einer Mantelfläche der Durchführung oder an einer Stirnseite der Durchführung oder einer entsprechenden die Durchführung zumindest abschnittsweise umgrenzenden Fläche zu verstehen, welche jeweils zur Fixierung der Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Wahlweise kann zusätzlich auch eine weitere Kontaktfläche in radialem Abstand zur Durchführung vorgesehen sein. Jedoch ist zumindest eine Kontaktfläche an der Durchführung vorgesehen, insbesondere als Bestandteil der Durchführung. Dies ermöglicht auch ein Abdichten direkt an der Durchführung.
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Anstelle von Kontaktflächen können auch jeweils Kontaktpunkte vorgesehen sein, also vordefinierte punktförmige Bereiche, z. B. Schweißpunkte. Sofern nicht anders beschrieben, umfasst der Begriff Kontaktfläche jeweils auch einen oder mehrere Kontaktpunkte.
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In weiterer Ausgestaltung ist der Befestigungsabschnitt bzw. wenigstens eine der wenigstens einen Kontaktfläche zum stoffschlüssigen Fixieren durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen ausgebildet, z. B. Rotations- oder Orbitalreibschweißen. Auch Laserschweißen oder Thermoschweißen kann zur Anwendung kommen. Reibschweißen liefert dabei auch den Vorteil, dass nur wenig Wärme in die Gehäuseeinrichtung oder die Sensoreinrichtung eingetragen wird. Wärme wird zudem nur sehr lokal eingetragen. Dies verbessert die Genauigkeit beim Positionieren oder Abdichten.
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Geringer Wärmeeintrag kann auch dadurch sichergestellt werden, dass wenigstens eine der Kontaktflächen aus einem Material mit vergleichsweise niedriger Schmelztemperatur gebildet ist, z. B. im Bereich von 250 bis 450 Grad, insbesondere 275 bis 350 Grad.
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Im Folgenden werden Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel bildet/bilden zumindest ein Abschnitt der Durchführung und/oder ein an die Durchführung angrenzender Abschnitt zumindest einen Teilbereich des Befestigungsabschnitts bzw. der Kontaktfläche, insbesondere wenigstens ein kreisförmiges Segment und/oder wenigstens ein ringförmiges Segment und/oder wenigstens ein Mantelflächen-Segment und/oder eine umlaufende Mantelfläche des Befestigungsabschnitts.
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Anders ausgedrückt: Das Fixieren kann unmittelbar an der Durchführung erfolgen. Dies liefert eine ganze Reihe von Vorteilen: Abdichtung direkt an der Durchführung, geringe Platzanforderungen, wenig Material, Verzicht auf seitlich/lateral in radialer Richtung auskragende Flansche. Hierbei braucht auch die Gehäuseeinrichtung keine sich lateral neben der Durchführung erstreckende vergleichsweise große ebene, eingearbeitete Anlagefläche für einen seitlichen Flansch bereitzustellen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich wenigstens ein Befestigungsabschnitt bzw. wenigstens eine der wenigstens einen Kontaktfläche stirnseitig an der Gehäusewandung und seitlich der Durchführung bzw. angrenzend zur Durchführung und/oder lateral entlang einer Mantelfläche der Durchführung, insbesondere eben bzw. plan und/oder rotationssymmetrisch. Der Befestigungsabschnitt kann wenigstens eine erste stirnseitige Kontaktfläche und wahlweise auch wenigstens eine zweite Kontaktfläche an einer Mantelfläche der Durchführung aufweisen. Als „stirnseitig” ist dabei eine Fläche zu verstehen, die sich in radialer Richtung erstreckt, z. B. zumindest annähernd orthogonal zur Längsachse der Durchführung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Bereich wenigstens eines Befestigungsabschnitts bzw. wenigstens eine der wenigstens einen Kontaktfläche zur Aufnahme von Kräften in lateraler bzw. radialer Richtung und/oder in axialer Richtung abgestützt. Dies ermöglicht das Übertragen von Kontaktkräften beim Verbinden. Dadurch kann auch eine Abdichtung mit guter Dichtheit erfolgen.
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In vorteilhafter Weise ist zumindest ein Bereich des Befestigungsabschnitts an einem lateral bzw. seitlich hervorstehenden Kranz, Kragen und/oder einem Absatz vorgesehen und dadurch struktursteif abgestützt und eingerichtet, einem lateralen und/oder axialen Anpress-Druck vordefinierten Betrags und/oder einer lateralen/axialen Kraft vordefinierten Betrags und/oder einem Drehmoment vordefinierten Betrags standzuhalten.
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Die laterale Abstützung kann dabei z. B. auch dadurch sichergestellt werden, dass der Befestigungsabschnitt eine Mindest-Materialstärke von einigen Millimetern aufweist, und/oder aus Material mit einem Zug-E-Modul im Bereich von 11.000 bis 13.000 [MPa] oder einem Biegemodul im Bereich von 9.000 bis 12.000 [MPa] besteht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist wenigstens ein Befestigungsabschnitt eine Zentrierung zur Aufnahme und zum Positionieren der Sensoreinrichtung auf, insbesondere gegenüberliegende Zentrierkanten oder eine umlaufende Zentrierfläche. Eine Zentrierung erleichtert nicht nur die Montage, sondern kann auch möglichst großflächigen, vollständigen Kontakt korrespondierender Kontaktflächen sicherstellen. Die Zentrierfläche kann wenigstens eine der wenigstens einen Stoffschluss-Kontaktfläche bilden, zumindest teilweise. Indem die Sensoreinrichtung an der Durchführung zentriert werden kann, ohne dass eine Befestigung in einer sich insbesondere parallel dazu erstreckenden weiteren Bohrung erfolgen muss, kann auch statische Überbestimmung vermieden werden.
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Eine Zentrierung kann das exakte Positionieren der Sensoreinrichtung erleichtern oder auch die stoffschlüssige Verbindung verbessern, z. B. eine rotationssymmetrische Zentrierung beim Reibschweißen. Jedoch ist eine Zentrierung nicht notwendigerweise erforderlich. Das Zentrieren kann wahlweise auch bereits allein durch ein die Sensoreinrichtung oder die Gehäuseeinrichtung haltendes Werkzeug sichergestellt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Gehäuseeinrichtung ferner die wenigstens eine daran fixierte Sensoreinrichtung, wobei der Befestigungsabschnitt und die wenigstens eine Sensoreinrichtung bzw. deren Befestigungsteil zusammen eine stoffschlüssige Verbindung und dadurch eine einstückige, integrale Gehäusevorrichtung bilden. Die Gehäuseeinrichtung mit integrierter Sensoreinrichtung kann die Kavität von der Umgebung dabei mittels wenigstens einer stoffschlüssigen Verbindung abdichten, insbesondere ohne zusätzliche Dichtelemente wie z. B. O-Ringe.
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In vorteilhafter Weise ist die einstückige Gehäusevorrichtung mittels der stoffschlüssigen Verbindung leckdicht, insbesondere mit einer Leckrate kleiner 10exp-5 oder sogar kleiner 10exp-6 [mbar l/s].
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Die Sensoreinrichtung kann einen Kranz oder Kragen oder einen scheibenförmigen umlaufenden Flansch aufweisen, welcher eine erste Kontaktfläche, insbesondere stirnseitige Fläche für Stoffschluss bereitstellt, insbesondere an dessen Unterseite.
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Die Gehäuseeinrichtung kann zusammen mit der Sensoreinrichtung wenigstens ein Paar von geometrisch miteinander korrespondierenden Stoffschluss-Kontaktflächen aufweisen. Jedes Paar kann dabei eine stoffschlüssige Verbindung bereitstellen.
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Dabei kann die stoffschlüssige Verbindung nicht nur zum Fixieren der Sensoreinrichtung eingerichtet sein, sondern auch zum Abdichten gegenüber der Kavität. Anders ausgedrückt: Die stoffschlüssige Verbindung erfüllt dann zwei Funktionen: Fixieren und Abdichten. Die stoffschlüssige Verbindung kann besonders leckdicht ausgeführt werden und unterliegt im Gegensatz zu Abdichtmitteln wie z. B. einem O-Ring keiner Alterung. Dadurch kann eine lange Lebensdauer sichergestellt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht zumindest der Befestigungsabschnitt aus Spritzgussmaterial, insbesondere auf der Basis von Copolyamiden und/oder teilaromatischen Polyamiden. Dieses Material liefert z. B. den Vorteil eines niedrigen Schmelzpunktes, oder z. B. auch den Vorteil guten Gleitreibeverhaltens. Das Material kann unverstärkt oder verstärkt sein, z. B. mit Glasfasern oder Mineralien. Wahlweise kann die Gehäuseeinrichtung komplett oder zumindest deren Hauptbestandteile aus Spritzgussmaterial ausgeführt sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht zumindest ein mit dem Befestigungsabschnitt geometrisch korrespondierender Befestigungsteil der Sensoreinrichtung aus Spritzgussmaterial, insbesondere auf der Basis von Copolyamiden und/oder teilaromatischen Polyamiden. Jedoch müssen nicht notwendigerweise bestimmte Materialpaarungen gewählt werden. Vielmehr kann Stoffschluss auch mit anderen Materialpaarungen realisiert werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass Reibschweißen auch an Gehäuseeinrichtungen eine hohe Flexibilität/Varianz bei der Materialauswahl ermöglicht.
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Die Materialwahl kann je nach Anwendungsfall unabhängig von den weiteren Merkmalen der Ausführungsbeispiele erfolgen. Insbesondere können auch Materialkombinationen mit metallischen Materialien zum Einsatz kommen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Baugruppe bestehend aus einer Gehäuseeinrichtung gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen und wenigstens einer Sensoreinrichtung mit wenigstens einer korrespondierend zum Befestigungsabschnitt der Gehäuseeinrichtung ausgebildeten Kontaktfläche für Stoffschluss. Die Kontaktfläche der Sensoreinrichtung kann an einem struktursteif hinsichtlich Druckkräften und Drehmomenten abgestützten Befestigungsteil der Sensoreinrichtung angeordnet sein. Diese Baugruppe kann für die Endmontage derart bereitgestellt werden, dass ein Roboter die Sensoreinrichtung ergreifen und an/in der Gehäuseeinrichtung stoffschlüssig fixieren kann.
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Die Sensoreinrichtung kann einen für Stoffschluss eingerichteten Befestigungsteil mit wenigstens einer für Stoffschluss eingerichteten Kontaktfläche aufweisen, welche geometrisch korrespondierend zur für Stoffschluss eingerichteten Kontaktfläche des Befestigungsabschnitts der Gehäuseeinrichtung ausgebildet ist. Der Befestigungsteil kann unelastisch sein und struktursteif abgestützt sein, insbesondere sowohl hinsichtlich Druckkräften als auch hinsichtlich Drehmomenten. Die Baugruppe kann durch eine Anzahl von Teilen gebildet sein, welche der Anzahl von Sensoreinrichtungen plus eins entspricht. Anders ausgedrückt: Eine Baugruppe für eine Gehäuseeinrichtung für zwei Sensoreinrichtungen umfasst nur drei Teile, nämlich die Gehäuseeinrichtung und die beiden Sensoreinrichtungen. Weitere Befestigungselemente oder Dichtmittel oder dergleichen sind nicht notwendigerweise erforderlich.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Gehäuseeinrichtung, insbesondere Kurbelgehäusedeckeleinrichtung, mit wenigstens einer in Verbindung mit einer von der Gehäuseeinrichtung umschlossenen Kavität stehenden, insbesondere dort hineinragenden Sensoreinrichtung, die an bzw. in einer Durchführung der Gehäuseeinrichtung fixiert ist, erhalten bzw. hergestellt durch Stoffschluss zwischen der Sensoreinrichtung und der Durchführung, insbesondere durch Reibschweißen, wobei die Durchführung durch Stoffschluss bzw. mittels wenigstens einer stoffschlüssigen Verbindung auch abgedichtet werden kann. Stoffschluss kann eine irreversible, dauerhafte Verbindung sicherstellen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird auch gelöst durch Verwendung einer stoffschlüssig an einer Gehäuseeinrichtung, insbesondere einer Gehäuseeinrichtung gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, fixierten Sensoreinrichtung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere an einem Motor bzw. Motorblock eines Kraftfahrzeugs, wobei die Sensoreinrichtung mit einer Kavität der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, insbesondere in die Kavität hineinragt, und durch Stoffschluss bzw. durch wenigstens eine stoffschlüssige Verbindung an einer Durchführung einer Gehäusewandung der Gehäuseeinrichtung fixiert ist und mit der Gehäusewandung eine einstückige Gehäusevorrichtung bildet. In vorteilhafter Weise ist die Gehäuseeinrichtung bzw. deren Kavität mittels der stoffschlüssigen Verbindung auch gegenüber der Umgebung abgedichtet.
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Ferner wird ein Verfahren zum Montieren bzw. Befestigen einer Sensoreinrichtung an einer solchen Gehäuseeinrichtung offenbart, bei welchem die Sensoreinrichtung stoffschlüssig am Befestigungsabschnitt fixiert wird, insbesondere durch Schweißen. Dabei werden die Sensoreinrichtung und die Gehäuseeinrichtung zunächst miteinander an korrespondierenden Kontaktpunkten oder -flächen kontaktiert, sei es stirnseitig und/oder an wenigstens einer Mantelfläche, und daraufhin erfolgt ein Fügen bzw. stoffschlüssiges Verbinden. Währenddessen können einzelne Verfahrensparameter wie z. B. Druck, Temperatur überwacht oder auch eingestellt bzw. geregelt werden.
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Das stoffschlüssige Verbinden/Fixieren hat den Vorteil, dass keine Dichtmittel oder Dichtelemente wie z. B. O-Ringe erforderlich sind. Ferner ergeben sich bereits zuvor erwähnte Vorteile, z. B. eine geringere Teileanzahl, Materialeinsparung, Gewichtseinsparung, Kosteneinsparung, Verringerung der Komplexität, Erhöhung der Dichtheit. Dabei wird die Sensoreinrichtung beispielsweise durch Reibschweißen fixiert. Reibschweißen liefert auch den Vorteil großer Zuverlässigkeit oder Sicherheit. Hierdurch kann die Montage bzw. das Fixieren auf reproduzierbare Weise erfolgen, wahlweise vollautomatisiert. Eine Qualitätskontrolle kann wahlweise auf schlanke, kostengünstige Weise erfolgen, insbesondere mit geringer Stichprobenanzahl. Ein Sicherheitsfaktor kann verringert werden.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Montieren bzw. Befestigen einer Sensoreinrichtung an einer solchen Gehäuseeinrichtung offenbart, welche umfasst: Mittel zum stoffschlüssigen Fixieren der Sensoreinrichtung am Befestigungsabschnitt, insbesondere durch Schweißen; Mittel zum Kontaktieren der Sensoreinrichtung und der Gehäuseeinrichtung miteinander an korrespondierenden Kontaktpunkten oder -flächen; Mittel zum Fügen bzw. stoffschlüssigen Verbinden.
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Die Sensoreinrichtung kann derart relativ zur Gehäuseeinrichtung bewegt werden, dass sich an den Kontaktflächen aufgrund von Gleitreibung eine Temperatur einstellt, welche im Bereich von oder über der Schmelztemperatur des Materials der (jeweiligen) Kontaktfläche liegt, z. B. im Bereich von 300 Grad.
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Die stoffschlüssige Verbindung kann dabei in sehr kurzer Zeit realisiert werden, insbesondere im Bereich von wenigen Sekunden. Hierdurch können kurze Taktzeiten realisiert werden. Die Montage bzw. das Befestigen kann mehr oder weniger mit einem einzigen Werkzeug in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Im Vergleich zur herkömmlichen Montage können mehrere Schritte eingespart werden, insbesondere vier Schritte zum Handhaben von Dichtung/O-Ring und Befestigungsmitteln sowie zum Setzen einer (Gewinde-)Bohrung.
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Beim stoffschlüssigen Fixieren können dabei einer oder mehrere der folgenden Verfahrensparameter erfasst, überwacht und/oder geregelt werden, jeweils mit entsprechenden Mitteln, insbesondere den beschriebenen Sensoren:
- – Relativbewegung zwischen der Gehäuseeinrichtung und der Sensoreinrichtung;
- – an den Kontaktflächen übertragene Kontaktkraft;
- – Zeit; und/oder
- – Temperatur im Bereich der Kontaktflächen.
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Speziell beim Reibschweißen können auch die folgenden Verfahrensparameter erfasst, überwacht und/oder geregelt werden:
- – Drehzahl und/oder Drehmoment;
- – Anreibdruck und/oder Reibdruck und/oder Nachpressdruck;
- – Reibweg;
- – Reibzeit; und/oder
- – Stauchdruck und/oder Stauchzeit.
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Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinrichtung in der Durchführung ohne weitere Maschinenelemente oder Befestigungselemente fixiert werden kann, nämlich durch Stoffschluss unmittelbar zwischen der Gehäuseeinrichtung und der Sensoreinrichtung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In den nachfolgenden Figuren werden Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
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1 in geschnittener Seitenansicht einen Gehäusedeckel gemäß einer üblichen Befestigungsart;
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2A in geschnittener Seitenansicht in schematischer Darstellung eine Gehäuseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Sensoreinrichtung in Explosionsdarstellung;
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2B die Gehäuseeinrichtung gemäß 2A mit daran fixierter Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 in geschnittener Seitenansicht eine Gehäuseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4A in geschnittener Seitenansicht in schematischer Darstellung eine Baugruppe umfassend eine Sensoreinrichtung und eine Gehäuseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4B in geschnittener Seitenansicht in schematischer Darstellung eine Gehäusevorrichtung mit Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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5 Verfahrensschritte zum Herstellen einer Gehäuseeinrichtung mit wenigstens einer Sensoreinrichtung gemäß einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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In 1 ist ein üblicher Gehäusedeckel 1 mit einer Montageöffnung 3 und einer Befestigungsbohrung 5 gezeigt. Ein Sensor (nicht gezeigt) wird in die Montageöffnung 3 eingesetzt und mittels eines Bolzens oder einer Schraube an der Befestigungsbohrung 5 befestigt, also form- oder kraftschlüssig. Der Schaft des Sensors wird dann meist mittels eines Abdichtmittels 7, insbesondere O-Rings abgedichtet. Ferner ist eine Längsachse L der Durchführung angedeutet, entlang welcher sich die Durchführung axial erstreckt. Im montierten Zustand eines Sensors entspricht die Längsachse L auch einer Längsachse eines Schafts des Sensors. Zwischen der Montageöffnung 3 und der Befestigungsbohrung 5 ist eine ebene Anlagefläche 5.1 vorgesehen, an welcher ein Befestigungsflansch des Sensors zur Anlage kommen soll.
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2A zeigt eine Gehäuseeinrichtung 10 mit einer Gehäusewandung 12, welche eine Kavität 14 umgrenzt. Eine Durchführung 16 verbindet die Kavität 14 mit der Umgebung. An der Durchführung 16 ist ein Befestigungsabschnitt 18 vorgesehen, welcher eine (erste) Kontaktfläche 18.1 in Form einer stirnseitigen Fläche, eine weitere (zweite) Kontaktfläche 18.2 in Form einer Innen-Mantelfläche sowie einen Absatz oder eine Fase 18.3 an aneinandergrenzenden Kontaktflächen aufweist. Die erste Kontaktfläche 18.1 entspricht dabei einer Fläche 16.1, welche angrenzend zur Durchführung 16 angeordnet ist.
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Dabei kann der Befestigungsabschnitt 18 auch eine Zentrierung 18.4 bereitstellen, insbesondere eine Zentrierkante 18.4a oder eine Zentrierfläche 18.4b. Die Zentrierung ist z. B. direkt an einer Kontaktfläche vorgesehen oder dadurch gebildet.
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Eine Sensoreinrichtung 20 weist einen Befestigungsteil 22 mit dazu korrespondierend ausgebildeten Flächen auf, nämlich eine (erste) stirnseitige Kontaktfläche 22.1, eine weitere (zweite) Kontaktfläche 22.2, die als Außen-Mantelfläche ausgebildet ist, sowie einen Absatz 22.3 mit den aneinandergrenzenden Kontaktflächen. Die Sensoreinrichtung 20 weist einen Kranz oder Kragen 24 auf, an welchem die stirnseitige Kontaktfläche 22.1 ausgebildet ist. Der Befestigungsteil 22 kann dabei z. B. ausschließlich an einem Schaft 21 und/oder am Kragen 24 ausgebildet sein.
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2B zeigt einen stirnseitigen Flächenabschnitt FS mit Stoffschluss und einen lateralen Flächenabschnitt FL mit Stoffschluss. Stoffschluss kann wahlweise in einem oder in beiden Flächenabschnitten FS, FL sichergestellt werden. Die Gehäuseeinrichtung 10 und die Sensoreinrichtung 20 bilden zusammen eine stoffschlüssige Verbindung 19, insbesondere eine oder mehrere Reibschweißnähte.
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Aus den 2A, 2B sind die Vorteile einer stoffschlüssigen Verbindung ersichtlich, insbesondere einer durch Reibschweißen hergestellten stoffschlüssigen Verbindung. Die zu handhabende Baugruppe kann eine minimale Anzahl von Teilen aufweisen, z. B. nur zwei Teile: die Gehäuseeinrichtung sowie eine Sensoreinrichtung. Dabei kann eine große Kontaktfläche für Stoffschluss genutzt werden.
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3 zeigt bereits zuvor beschriebenen Elemente oder Abschnitte an einer Gehäuseeinrichtung 10, die geometrisch vergleichbar zum in 1 gezeigten Gehäusedeckel aufgebaut ist. Eine lateral auskragende Anlagefläche ist nicht erforderlich. Insbesondere kann die stirnseitige Fläche 18.1 unbearbeitet bzw. roh bleiben, z. B. bei einem Spritzgussteil.
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In 4A sind die bereits zuvor beschriebenen Elemente oder Abschnitte schematisch gezeigt. Die Gehäuseeinrichtung 10 und die Sensoreinrichtung 20 bilden eine Baugruppe 70, welche auf einfache Weise durch Stoffschluss zu einer leckdichten Gehäusevorrichtung montiert werden kann, insbesondere vollautomatisiert.
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In 4B ist eine Gehäusevorrichtung 80 gezeigt, welche wenigstens eine Sensoreinrichtung 20 sowie wenigstens eine stoffschlüssige Verbindung 19 umfasst. Es ist erkennbar, dass die Sensoreinrichtung 20 auch sehr nahe an Rippen oder sonstigen Abschnitten der Gehäuseeinrichtung montiert werden kann. Eine sich lateral neben der Durchführung erstreckende ebene Anlagefläche für einen seitlichen Flansch ist nicht erforderlich.
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5 beschreibt ein Verfahren zum Befestigen einer Sensoreinrichtung an einer zuvor beschriebenen Gehäuseeinrichtung durch stoffschlüssiges Fixieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Verfahren chronologisch in mehrere aufeinanderfolgende Schritte gegliedert, insbesondere in die folgenden Schritte: In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Positionieren und Kontaktieren von korrespondierenden Kontaktflächen der Gehäuseeinrichtung und der Sensoreinrichtung. Dabei kann zunächst ein Kontaktieren von Mantelflächen erfolgen, oder ein Kontaktieren von Stirnflächen. Alternativ können Mantel- und Stirnflächen auch mehr oder weniger gleichzeitig kontaktiert werden. Das Kontaktieren kann dabei mittels eines Roboterarms oder einer Anlage erfolgen, welche eingerichtet ist, ein vordefinierbares Gegenmoment oder eine vordefinierbare Gegenkraft aufzubauen. In vorteilhafter Weise ist die Gehäuseeinrichtung dabei ortsfest positioniert bzw. wird festgehalten.
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In einem zweiten Schritt S2 können die Kontaktflächen gemäß vorgegebenen Druck- oder Kraftparametern aneinander gepresst werden, insbesondere auch gemäß einem vordefinierten oder geregelten Druckverlauf. Der Schritt S2 umfasst also einen Druckaufbau oder das Einstellen eines vordefinierten oder geregelten Druckes. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass auf die Sensoreinrichtung eine Kraft oder ein Drehmoment ausgeübt wird, wobei die Gehäuseeinrichtung nach wie vor festgehalten werden kann und nur ein entsprechendes Gegenmoment oder eine Reaktionskraft weiterleiten muss.
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In einem dritten Schritt S3 kann eine Relativbewegung zwischen den Teilen hervorgerufen werden, bei zumindest abschnittsweiser rotationssymmetrischer Geometrie der Sensoreinrichtung insbesondere eine Rotation. Dabei kann eine Rotation der Sensoreinrichtung um deren Längsachse bzw. um eine Mittenachse der Durchführung erfolgen, während die Gehäuseeinrichtung beispielsweise ortsfest gehalten wird.
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Die Reihenfolge der Schritte S2 und S3 ist nicht strikt vorgegeben. Insbesondere können die Schritte S2 und S3 sich wiederholen und unabhängig voneinander ausgeführt bzw. eingestellt werden. Während des Schrittes S3 kann eine Temperaturüberwachung erfolgen. Die Relativbewegung und/oder der Druck kann in Abhängigkeit von erfassten Temperaturwerten geregelt werden.
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In einem letzten, insbesondere vierten Schritt S4 zum Herstellen von Stoffschluss zwischen der Gehäuseeinrichtung und der Sensoreinrichtung erfolgt dann ein Fügen bzw. stoffschlüssiges Verbinden, insbesondere Verschweißen. In vorteilhafter Weise erfolgt Reibschweißen, und zwar ohne Zugabe von Schweißdraht oder sonstigem Schweißmaterial. Der Schritt S4 kann dabei auch ein Halten der beiden Teile in einer festen Relativposition zueinander umfassen, insbesondere um Zeit für Stoffschluss zu lassen und die stoffschlüssige Verbindung robust auszuführen. Die Zeit für Stoffschluss kann dabei z. B. einer Abkühlzeit bis unter den Schmelzpunkt entsprechen. Das stoffschlüssige Verbinden kann die vorausgehenden Schritte ab dem zweiten Schritt zeitlich überlappen.
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Der Schritt S4 kann dabei ein Positionieren beinhalten, insbesondere ein Positionieren der Sensoreinrichtung in einer Drehposition relativ zur Gehäuseeinrichtung. Dabei kann das Positionieren während bzw. am Ende vom Druckaufbau erfolgen. Ebenso kann der vierte Schritt S4 auch einen geregelten Druckabbau bzw. einen Druckabbau nach vorgegebenem Druckverlauf umfassen. Ebenso kann der vierte Schritt S4 auch eine geregelte Verringerung der Relativgeschwindigkeit bzw. eine Verringerung nach vorgegebenem Geschwindigkeitsverlauf umfassen.
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Der erste und letzte (hier: vierte) Schritt bilden den Rahmen des Verfahrens. Die zeitlich dazwischen angeordneten Schritte (z. B. S2, S3) können optional sein. Beispielsweise kann der Schritt S2 oder S3 dann ausgeführt werden, wenn das Fügen durch Reibschweißen erfolgen soll.
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Das Verfahren kann dadurch beendet werden, dass ein Werkzeug, welches die Gehäuseeinrichtung und/oder Sensoreinrichtung erfasst hat, von der Gehäuseeinrichtung und/oder Sensoreinrichtung entkoppelt wird und verlagert wird. Dabei kann ein Entlasten unter vordefinierten oder geregelten Bedingungen erfolgen, z. B. gemäß einem Zeit- oder Kraftverlauf. Das Entlasten kann auch erst nach einer Mindest-Abkühlzeit erfolgen, die nach bereits erfolgtem Stoffschluss noch eingehalten wird.
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Zwischen dem ersten Schritt S1 und dem zweiten Schritt S2 kann ein erster Regelpunkt R1 vorgesehen sein, insbesondere zur Positionsregelung. Hierbei kann ein Lage- bzw. Positionssensor 30 die Ist-Position erfassen und mit einer Soll-Position vergleichen. Bei einer Abweichung kann die Sensoreinrichtung neu positioniert werden.
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Zwischen dem zweiten Schritt S2 und dem dritten Schritt S3 kann ein zweiter Regelpunkt R2 vorgesehen sein, insbesondere zur Druckregelung. Hierbei kann ein Drucksensor 40 den Ist-Druck erfassen und mit einem Soll-Druck vergleichen. Bei einer Abweichung kann der Druck nachjustiert, also erhöht oder verringert werden.
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Zwischen dem dritten Schritt S3 und dem vierten Schritt S4 kann ein dritter Regelpunkt R3 vorgesehen sein, insbesondere zur Bewegungsregelung. Hierbei kann ein Bewegungssensor 50 z. B. die Richtung und Geschwindigkeit der aktuellen Bewegung erfassen und mit vorgegebenen Bewegungs-Parametern vergleichen. Bei einer Abweichung kann die relative Verlagerung der Sensoreinrichtung angepasst werden. Hierzu kann ein an die Sensoreinrichtung gekoppelter Antriebsmotor in Kommunikation mit dem Bewegungssensor stehen bzw. von einer Steuerungseinrichtung zum Verlagern der Sensoreinrichtung angesteuert werden.
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Eine Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung steht in Verbindung mit wenigstens einem der Sensoren 30, 40, 50. An den genannten Regelpunkten können weitere Sensoren vorgesehen sein bzw. deren Messwerte berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein Drehzahl- oder Drehmomentsensor eine Rotationsbewegung der Sensoreinrichtung bzw. eines Drehantriebs zum Drehen der Sensoreinrichtung erfassen. Die Sensoren 30, 40, 50 können auch an den jeweils anderen Regelpunkten positioniert sein.
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Wie angedeutet, können die einzelnen Regelungspunkte auch mit den jeweils anderen Verfahrensschritten in Verbindung gebracht werden bzw. interagieren.
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Obwohl wenigstens ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Das wenigstens eine beschriebene Ausführungsbeispiel ist lediglich exemplarisch beschrieben und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan oder eine technische Lehre zur Umsetzung wenigstens eines beispielhaften Ausführungsbeispiels zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von beispielhaft beschriebenen Elementen oder Merkmalen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der aufgeführten Ansprüche oder rechtlicher Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäusedeckel
- 3
- Montageöffnung
- 5
- Befestigungsbohrung
- 5.1
- Anlagefläche
- 7
- Abdichtmittel, insbesondere O-Ring
- 10
- Gehäuseeinrichtung
- 12
- Gehäusewandung
- 14
- Kavität
- 16
- Durchführung
- 16.1
- an die Durchführung angrenzender Abschnitt
- 18
- Befestigungsabschnitt
- 18.1
- (erste) Kontaktfläche, insbesondere stirnseitige Fläche
- 18.2
- weitere (zweite) Kontaktfläche, insbesondere Mantelfläche
- 18.3
- Absatz oder Fase, insbesondere an aneinandergrenzenden Kontaktflächen
- 18.4
- Zentrierung
- 18.4a
- Zentrierkante
- 18.4b
- Zentrierfläche
- 19
- stoffschlüssige Verbindung, insbesondere mit wenigstens einer Reibschweißung
- 20
- Sensoreinrichtung
- 21
- Schaft
- 22
- Befestigungsteil
- 22.1
- (erste) Kontaktfläche für Stoffschluss, insbesondere stirnseitige Fläche
- 22.2
- weitere (zweite) Kontaktfläche für Stoffschluss, insbesondere Mantelfläche
- 22.3
- Absatz, insbesondere an aneinandergrenzenden Kontaktflächen
- 24
- Kranz oder Kragen oder Scheibe
- 30
- Lage- bzw. Positionssensor
- 40
- Drucksensor
- 50
- Bewegungssensor
- 60
- Steuerungseinrichtung
- 70
- Baugruppe aus Gehäuseeinrichtung und wenigstens einer Sensoreinrichtung
- 80
- Gehäusevorrichtung mit wenigstens einer Sensoreinrichtung
- FS
- stirnseitiger Flächenabschnitt mit Stoffschluss
- FL
- lateraler Flächenabschnitt mit Stoffschluss
- L
- Längsachse der Durchführung bzw. eines Schafts der Sensoreinrichtung
- R1
- erster Regelpunkt, insbesondere Positionsregelung
- R2
- zweiter Regelpunkt, insbesondere Druckregelung
- R3
- dritter Regelpunkt, insbesondere Bewegungsregelung
- S1
- erster Schritt eines Befestigungsverfahrens, insbesondere Kontaktieren
- S2
- zweiter Schritt, insbesondere Druckaufbau
- S3
- dritter Schritt, insbesondere Relativbewegung
- S4
- vierter Schritt, insbesondere stoffschlüssiges Verbinden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010261361 A [0004, 0019]
