DE3934005A1 - Schwingungserfassungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingungserfassungsvorrich­ tung zur Feststellung von Klopfen durch die Erfassung von Schwingungen z. B. in einer Brennkraftmaschine.

Die Fig. 5a und 5b sind eine Draufsicht bzw. ein Quer­ schnitt II-II nach Fig. 5a und zeigen eine konventionelle Schwingungserfassungsvorrichtung. Die Figuren zeigen eine Buchse 1 aus Metall, die in der Mitte ein Bolzeneinfüh­ rungsloch 13 hat. Die Buchse 1 hat ferner einen Flansch und einen Zylinderabschnitt 1 c, um den herum Konstruktionsele­ mente angeordnet sind. Der Flansch der Buchse 1 hat eine Sitzfläche 1 a, die mit einer Brennkraftmaschine in Kontakt liegt, wenn die Schwingungserfassungsvorrichtung an dieser montiert ist, sowie eine Grundfläche 1 b, auf der die Kon­ struktionselemente in Vertikalrichtung aufeinandergestapelt sind. Ein Gehäuse 2 aus einem Harzstoff ist gemeinsam mit der Buchse 1 durch Spritzgießen hergestellt unter Bildung eines Aufnahmeabschnitts an der Außenseite des Zylinder­ abschnitts der Buchse 1. Das Gehäuse 2 dient ferner als Gehäuse der Schwingungserfassungsvorrichtung. Ein Verbinder 3 verläuft von einem Teil des Gehäuses 2 nach außen und hat einen Ausgangsanschluß 11 zur Ausgabe eines Erfassungssi­ gnals. Auf der Grundfläche 1 b des Flanschs der Buchse 1 ist eine Scheibe 4 angeordnet. Ein piezoelektrisches Element 5 wandelt Schwingungen in ein elektrisches Signal um. Die Bezugselektrode des piezoelektrischen Elements 5 ist mit der Scheibe 4 verbunden. Ein Anschlußkontakt 6 ist mit der Ausgangselektrode des piezoelektrischen Elements 5 elek­ trisch verbunden und liefert ein Erfassungssignal. Eine Isolierfolie 7 aus einem Polyethylenterephthalat- bzw. PET- Film oder einem Polyphenylensulfit- bzw. PPS-Film od. dgl. liegt auf der Seite des Anschlußkontakts 6, die der das piezoelektrische Element 5 kontaktierenden Seite abgewandt ist. Ein Gewicht 8 beaufschlagt das piezoelektrische Ele­ ment 5 mit einer Schwingbeanspruchung. Eine Mutter 9 ist auf einen am Außenumfang des Zylinderabschnitts 1 c der Buchse 1 geformten Gewindeabschnitt geschraubt, um die Konstruktionselemente der Schwingungserfassungsvorrichtung, d. h. die Scheibe 4, das piezoelektrische Element 5, den Anschlußkontakt 6, die Isolatorfolie 7 und das Gewicht 8, festzulegen. Ein Isolierschlauch 12, der aus Klebeband oder einem warmschrumpfbaren Schlauch besteht, liegt zwischen der Buchse 1 und den Konstruktionselementen. Das am piezo­ elektrischen Element 5 gebildete Erfassungssignal wird am Ausgangsanschluß 11 über den Anschlußkontakt 6 und den Ver­ binder 3 ausgegeben.

Die Fig. 6a und 6b sind Diagramme von Beispielen der Fre­ quenzverläufe, die mit der konventionellen Schwingungser­ fassungsvorrichtung nach Fig. 5 erhalten werden.

Fig. 7a ist ein Querschnitt in Längsrichtung einer weiteren konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung. Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 5 gleich bezeichnet. Bei der konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung ist zwi­ schen dem Außenumfang des Gewichts 8 und dem Innenumfang des Gehäuses 2 ein Dämpfungsmaterial 21 angeordnet, um die mechanische Verbindung zwischen beiden zu schwächen. Als Material für das Gehäuse wird im allgemeinen Polybutylen­ terephthalat bzw. PBT eingesetzt, da es relativ hart ist und Schwingungen in einem Schwingungserfassungssystem sehr gut überträgt.

Fig. 7b ist eine Draufsicht, die den Zustand des mit dem Dämpfungsmaterial 21 zusammengebauten Gewichts 8 zeigt. Dabei verläuft das Dämpfungsmaterial 21 nicht bis zu dem Kontaktabschnitt zwischen dem Ausgangsanschluß 11 und dem Anschlußkontakt 6.

Das Diagramm von Fig. 8 zeigt ein Beispiel des Frequenz­ verlaufs der konventionellen Schwingungserfassungsvorrich­ tung von Fig. 7.

Nachstehend wird das Prinzip der Schwingungserfassung erläutert. Die Schwingungserfassungsvorrichtung ist an einer Brennkraftmaschine mit einem Bolzen (nicht gezeigt) befestigt, der durch das Bolzeneinführungsloch 13 der Buchse 1 geführt ist, so daß die Sitzfläche 1 a einen Teil der Brennkraftmaschine kontaktiert. Schwingungen treten je nach dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf und werden auf die Schwingungserfassungsvorrichtung über die Sitzfläche 1 a übertragen. Da das piezoelektrische Element 5 und das Gewicht 8 auf der Buchse 1 einander überlappend montiert sind, wird eine Trägheitsbeanspruchung im Gewicht 8 auf das Element 5 in Abhängigkeit von den Schwingungen übertragen. Wenn das piezoelektrische Element 5 die Träg­ heitsbeanspruchung empfängt, wird ein der Größe der Träg­ heitsbeanspruchung proportionales Erfassungssignal erzeugt, so daß dem Ausgangsanschluß der Elektrode ein Erfassungs­ signal zugeführt wird. Die Stärke des Erfassungssignals basiert auf einem Potential an der scheibenseitigen Elek­ trode des piezoelektrischen Elements 5. Da die Scheibe 4 aus Metall besteht, entspricht das Potential an der Bezugs­ elektrode des piezoelektrischen Elements 5 demjenigen der Buchse 1. Andererseits ist das Potential am Gewicht 8 gleich demjenigen der Bezugselektrode des piezoelektrischen Elements 5, weil die Mutter 9 und das Gewicht 8 aus Metall bestehen. Daher ist der Anschlußkontakt 6 von dem Gewicht 8 durch die zwischengefügte Isolatorfolie getrennt. Somit wird das Erfassungssignal vom piezoelektrischen Element 5 über den Anschlußkontakt 6 am Ausgangsanschluß 11 abgenom­ men. Da der Isolierschlauch 12 den Zylinderabschnitt 1 c der Buchse 1 umgibt, besteht keine Kurzschlußgefahr zwischen dem Anschlußkontakt 6 und dem Zylinderabschnitt 1 c der Buchse, und zwar auch dann nicht, wenn der Anschlußkontakt 6 bei der Montage etwas verbogen wird. Das Vorsehen des Isolierschlauchs 12 ist daher sehr wichtig, um ein rich­ tiges Erfassungssignal zu gewinnen.

Da die Schwingungserfassungsvorrichtung nach Fig. 5 eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Gewicht 8 aufweist, werden unerwünschte Schwingungen vom Gehäuse 2, das aus einem Harzstoff besteht, auf das Gewicht 8 übertragen, wodurch eine Verzerrung der Trägheitsbean­ spruchung resultiert. Dies führt wiederum zu einer Verzer­ rung der Ausgangsspannung der Schwingungserfassungsvorrich­ tung, obwohl Schwingungen mit konstanter Amplitude die Sitzfläche 1 a beaufschlagen. Wenn die Ausgangsspannung ein derartige Verzerrung aufweist, wird hochfrequenzseitig eine hohes Ausgangssignal erzeugt, und selbst in einem Niedrig­ frequenzbereich kann kein flacher Frequenzgang erhalten werden, wie die Fig. 6a und 6b zeigen.

Um das genannte Problem zu beseitigen, wurde bereits vor­ geschlagen, das Dämpfungsmaterial 21 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Gewicht 8 entsprechend Fig. 7 zu verwenden. Das Dämpfungsmaterial 21 verringert die Übertragung unerwünsch­ ter Schwingungen vom Gehäuse 2 auf das Gewicht 8 und ver­ hindert, daß das Gewicht 8 eine Trägheitsbeanspruchung überträgt, die zu einer ungleichmäßigen Ausgangs-Charak­ teristik führt. Eine Trägheitsbeanspruchung, die den die Vorrichtung beaufschlagenden Schwingungen korrekt folgt, wirkt auf das piezoelektrische Element 5, so daß eine Aus­ gangsspannung mit flachem Frequenzverlauf entsprechend Fig. 8 erhalten werden kann. Als Dämpfungsmaterial 21 wird bevorzugt ein Harzmaterial mit einer Eindruckhärte von höchstens A-50 verwendet. Es kann aber auch in Abhängigkeit von einem verlangten Frequenzverlaufpegel ein Harzmaterial mit einer Eindruckhärte von mehr als A-50 verwendet werden.

Eine hinreichende Wirkung kann erzielt werden, wenn Gummi oder ein Epoxidharz, das weicher als das Polybutylen­ terephthalat des Gehäuses 2 ist, verwendet wird. Durch geeignete Änderung der Form des Ausgangsanschlusses 11 und des metallischen Anschlußkontakts 6 sowie durch geeignete Anordnung des Dämpfungsmaterials 21 um den Gesamtumfangs­ abschnitt des Gewichts 8 kann beispielsweise ein sehr guter weiterer Effekt erzielt werden (gegenüber dem Ausführungs­ beispiel von Fig. 7b, bei dem das Dämpfungsmaterial 21 diesen Abschnitt zwar umgibt, jedoch unter Aussparung des Verbindungsabschnitts zwischen dem Ausgangsanschluß 11 und dem Anschlußkontakt 6). Um eine weitere Wirkung zu erzie­ len, wird das Dämpfungsmaterial 21 bis zum Bereich der Mutter 9 ausgedehnt, um die Schwingungen vom Gehäuse 2 zu trennen, so daß die unerwünschten Schwingungen nicht auf das Gewicht 8 übertragen werden.

Mit der konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung nach Fig. 7 kann der Frequenzgang in gewissem Umfang ver­ bessert werden. Es genügt jedoch nicht, unerwünschte Schwingungen dadurch zu isolieren, daß das Dämpfungsmate­ rial um das Gewicht herum angeordnet wird, weil die mecha­ nische Verbindung zwischen dem Gewicht und dem Gehäuse immer noch stark ist. Bei der konventionellen Schwingungs­ erfassungsvorrichtung stellt sich ein ungleichmäßiger Fre­ quenzgang entsprechend Fig. 8 ein, und die Ausgangsspannung schwankt in Abhängigkeit von den Frequenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schwingungserfassungsvorrichtung, die ungeachtet der Frequenzen eine gleichbleibende Ausgangs-Erfassungsspannung erzeugen kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schwingungserfassungsvorrichtung mit einer Metallbuchse, die in ihrer Mitte einen Zylinderabschnitt hat, mit einem Gehäuse aus einem Harzmaterial, das durch Spritzgießen zusammen mit der Buchse geformt ist unter Bildung eines Aufnahmeabschnitts an der Außenseite des Zylinderab­ schnitts, mit einem piezoelektrischen Element, einem An­ schlußkontakt und einem Gewicht, die entlang dem Außenum­ fang des Zylinderabschnitts der Buchse im Aufnahmeabschnitt angeordnet sind, mit einer auf dem Zylinderabschnitt be­ festigten Mutter zur Festlegung des piezoelektrischen Ele­ ments, des Anschlußkontakts und des Gewichts, und mit einem Füllstoff zum dichten Einschließen der Mutter und der übri­ gen im Aufnahmeabschnitt aufgenommenen Elemente, wobei eine Seite des Aufnahmeabschnitts in bezug auf die Schwingungs­ erfassungsrichtung offen ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel der Schwingungserfassungsvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das den Frequenzgang der Schwin­ gungserfassungsvorrichtung von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel der Schwingungserfassungsvor­ richtung nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5a eine Vorderansicht einer konventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung;

Fig. 5b einen Querschnitt II-II nach Fig. 5a;

Fig. 6a und 6b Diagramme, die die Frequenzverläufe der kon­ ventionellen Schwingungserfassungsvorrichtung zeigen;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere konven­ tionelle Schwingungserfassungsvorrichtung; und

Fig. 8 ein Diagramm, das den Frequenzgang der kon­ ventionellen Vorrichtung nach Fig. 7 zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein typisches Aus­ führungsbeispiel der Schwingungserfassungsvorrichtung. Dabei ist ein Füllstoff 15 vorgesehen, der einen zwischen der Buchse 1 und dem Gehäuse 2 ausgebildeten Aufnahmeab­ schnitt dicht abschließt. Fig. 2 zeigt den Frequenzgang der Schwingungserfassungsvorrichtung nach Fig. 1.

Ein durch Spritzgießen geformtes Gehäuse 16 hat im wesent­ lichen Ringform, und sein unterer Teil ist mit dem Außen­ umfang des Flanschs der aus Metall bestehenden Buchse 1 fest verbunden. Am oberen Teil ist eine ringförmige Öffnung 19 gebildet, und ein ringförmiger Raum ist als Aufnahme­ abschnitt zwischen dem Außenumfang des Zylinderabschnitts 1 c der Buchse 1 und dem Innenumfang des Gehäuses 16 ausge­ bildet. Im Aufnahmeabschnitt sind Konstruktionselemente wie das piezoelektrische Element 5, das Gewicht 8 etc. aufge­ nommen. Ebenso wie bei der konventionellen Schwingungser­ fassungsvorrichtung nach den Fig. 5 und 7 sind die Scheibe 4, das piezoelektrische Element 5, der Anschlußkontakt 6, das Gewicht 8 und die Mutter 9 in dieser Reihenfolge auf der Buchse 1 angeordnet, und der Füllstoff 15 ist in den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Außenseiten der Konstruktionselemente und dem Innenumfang des Gehäuses und in die ringförmige Öffnung 19 gefüllt, so daß die Konstruk­ tionselemente einschließlich der Mutter 9 vollständig dicht eingeschlossen sind. Als Füllstoff 15 kann ein Harzmaterial wie Epoxidharz mit einer Eindruckhärte von ca. A-40 bis ca. A-5, bevorzugt von A-30 bis A-5, verwendet werden. Dabei kann z. B. XN10119N oder XN1124 (Handelsnamen des Herstel­ lers Nagase-Ciba Kabushiki Kaisha) oder TSE-30 (Handelsname des Herstellers Toshiba Silicone Kabushiki Kaisha) einge­ setzt werden.

Der Füllstoff 15 reduziert die mechanische Verbindung zwi­ schen dem Gewicht 8 und dem Gehäuse 16 in ausreichender Weise, so daß unerwünschte Schwingungen nicht vom Gehäuse auf das Gewicht übertragen werden können und im wesentli­ chen flache Frequenzgänge entsprechend Fig. 2 erhalten werden.

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungs­ beispiel der Schwingungserfassungsvorrichtung. Dabei sind gleiche oder entsprechende Teile wie vorher mit den glei­ chen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. Ein elektrischer Schwingungsaufnehmerabschnitt A, der durch die Scheibe 4, das piezoelektrische Element 5, die Isolatorfolie 7 und das Gewicht 8 gebildet ist, ist im Aufnahmeabschnitt zwischen dem Zylinderabschnitt 1 c der Buchse 1 und dem Gehäuse 16 angeordnet. Ein erster Füll­ stoff 18 eines gelartigen Silikonharzes ist in einen Raum zwischen der Außenseite des Schwingungsaufnehmerabschnitts A und dem Innenumfang des Gehäuses 16 gefüllt. Ein zweiter Füllstoff 17 größerer Härte als der erste Füllstoff 18 ist auf den ersten Füllstoff gefüllt und reicht bis zu der ringförmigen Öffnung 19. Die Eindruckhärte des zweiten Füllstoffs ist bevorzugt höher als A-45. Als zweiter Füll­ stoff kann XN1133 oder XN1213 (Handelsnamen des Herstellers Nagase-Ciba Kabushiki Kaisha) verwendet werden, während als erster Füllstoff 18 KE104 (Handelsname des Herstellers Shin-ethu Kagaku Kabushiki Kaisha) eingesetzt werden kann.

Durch Einfüllen des gelartigen ersten Füllstoffs 18 in den Raum zwischen der Außenseite des elektrischen Schwingungs­ aufnehmerabschnitts A und dem Innenumfang des Gehäuses 16 wird die mechanische Verbindung zwischen dem Gewicht und dem Gehäuse geschwächt, wodurch der Grundfrequenzgang bei Raumtemperatur flach wird und der Frequenzgang auch bei einer Temperaturänderung flach ist.

Die Härte des zweiten Füllstoffs 17 ist größer als dieje­ nige des ersten Füllstoffs 18. Somit kann eine sehr gute Beständigkeit gegenüber der Umgebung und eine ausgezeich­ nete Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten aufrechterhalten werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das bei der Schwingungserfassungsvorrichtung gemäß dem JP-GM Nr. 23 720/1985 verwendet wird. Dabei ist ein elektrischer Schwingungsaufnehmerabschnitt B mit piezoelektrischen Ele­ menten 25, einem Gewicht 28 etc. an einem Gehäuse 23 durch einen Bolzen 29 festgelegt. Das Gehäuse 23 hat an seiner Unterseite eine nach unten ragende Paßschraube 23 a.

Der erste Füllstoff 18 aus gelartigem Silikonharz ist in den Raum zwischen dem Innenumfang des Gehäuses 23 und dem Außenumfang des Schwingungsaufnehmerabschnitts B gefüllt, und der zweite Füllstoff 17 ist zum dichten Abschluß des ersten Füllstoffs 18 in die Öffnung gefüllt. Die Härte des zweiten Füllstoffs 17 ist größer als diejenige des ersten Füllstoffs 18. Der erste und der zweite Füllstoff 18, 17 entsprechen den Füllstoffen des Ausführungsbeispiels von Fig. 3.

Wenn der Füllstoff 15 entsprechend Fig. 3 verwendet und unter Hochtemperaturbedingungen gehalten wird, kann die Beständigkeit gegenüber der Umgebung und gegenüber Flüssig­ keiten schlechter werden, weil der Füllstoff 15 durch Mischen eines Hauptbestandteils mit einem Härter, gefolgt von Erwärmung zum Aushärten, hergestellt wird. Wenn der Füllstoff 15 nach dem Aushärten weich ist, ergeben sich sehr gute Schwingungserfassungs-Charakteristiken. Wenn er jedoch unter Hochtemperaturbedingungen gehalten wird, wird er härter und spröde. In diesem Fall kann der flache Fre­ quenzgang nicht erzielt werden.

Durch das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird eine Verbes­ serung gegenüber dem vorgenannten Problem erzielt.

Wie vorstehend beschrieben, nimmt gemäß der Erfindung das piezoelektrische Element eine durch Schwingungen bedingte Trägheitsbeanspruchung vom Gewicht korrekt weg , so daß eine Ausgangsspannung mit flachem Frequenzgang erhalten werden kann.

Claims (6)

1. Schwingungserfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine Metallbuchse (1) mit einem mittigen Zylinderab­ schnitt (1 c);
ein Gehäuse (16) aus Harzmaterial, das durch Spritzgießen zusammen mit der Buchse (1) geformt ist unter Bildung eines Aufnahmeabschnitts an der Außenseite des Zylinderabschnitts (1 c);
ein piezoelektrisches Element (5), einen Anschlußkontakt (6) und ein Gewicht (8), die längs dem Außenumfang des Zylinderabschnitts (1 c) der Buchse (1) in dem Aufnahmeab­ schnitt angeordnet sind;
eine auf dem Zylinderabschnitt (1 c) befestigte Mutter (9) zur Festlegung des piezoelektrischen Elements (5), des An­ schlußkontakts (6) und des Gewichts (8); und
einen Füllstoff (15) zum dichten Einschließen der Mutter (9) und der übrigen im Aufnahmeabschnitt aufgenommenen Elemente, wobei eine Seite des Aufnahmeabschnitts in bezug auf die Schwingungserfassungsrichtung offen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Teil (19) an der von einem Flansch der Buch­ se (1) fernen Seite gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) aus Harzmaterial ein im wesentlichen ringförmiger Körper ist, der die Außenseiten des piezo­ elektrischen Elements (5), des Anschlußkontakts (6) und des Gewichts (8) mit Spielraum umgibt, und daß der Endabschnitt des Gehäuses in bezug auf den offenen Teil in innigem Kon­ takt mit dem Außenumfang eines Flanschs der Buchse (1) liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (15) eine Eindruckhärte im Bereich von A-40 bis A-5 hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff einen ersten Füllstoff (18) aus gelarti­ gem Silikonharz, der die Außenseiten des piezoelektrischen Elements (5), des Anschlußkontakts (6) und des Gewichts (8) umgibt, und einen zweiten Füllstoff (17) umfaßt, der in den offenen Teil (19) unter Abdeckung des ersten Füllstoffs (18) gefüllt ist, wobei der zweite Füllstoff (17) härter als der erste Füllstoff (18) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Füllstoff eine Eindruckhärte von A-40 bis A-5 und der zweite Füllstoff eine Eindruckhärte von mehr als A-45 hat.