DE4024339A1 - Beschleunigungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsdetektor, insbesondere einen Beschleunigungsdetektor, um das Klopfen einer Brennkraftmaschine festzustellen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Beschleunigungsdetektors. Dieser weist ein Gehäuse 1 auf, das einen ringförmigen Hohlraum 2 bildet und in diesem Hohlraum 2 eine ringförmige Beschleunigungs- Wandleranordnung 3 aufnimmt. Das Gehäuse 1 besitzt eine rohrförmige, elektrisch leitende Metallbuchse 4 mit einem Durchgangsloch 5 und einem Flansch 6. Ferner ist das Gehäuse 1 mit einem ringförmigen Außengehäuse 7 aus Harz versehen, das mit einem Kleber 7a mit dem Flansch 6 der Buchse 4 verbunden ist, so daß der Hohlraum 2 darin ausgebildet ist.

Das Außengehäuse 7 hat ferner einen Verbinder 8, der sich von dem Außengehäuse 7 radial nach außen erstreckt, so daß ein externer Anschluß als Ausgang 9 sich durch den Verbinder 8 nach außen erstrecken kann, um ein Ausgangssignal von der Beschleunigungs-Wandleranordnung 3 in dem Hohlraum 2 abzu­ greifen.

Die Beschleunigungs-Wandleranordnung 3 umfaßt ferner folgende Komponenten: ein ringförmiges piezoelektrisches Element 11, das auf einer Anschlußplatte 10 angeordnet ist; ein scheiben­ förmiges Anschlußteil 12 mit einer Leitung 12a, die mit dem externen Anschluß 9 verbunden ist; eine elektrisch isolie­ rende Beilagscheibe 13, die auf dem Anschlußteil 12 angeord­ net ist; ein ringförmiges Trägheitsgewicht 14, das auf der isolierenden Beilagscheibe 13 angeordnet ist; und eine ring­ förmige Anschlagmutter 15, die mit einem Außengewinde 4a auf der rohrförmigen Buchse 4 in Gewindeeingriff steht.

Ein elektrisch isolierendes Band oder Rohr 16 ist auf der rohrförmigen Buchse 4 angeordnet, so daß die Beschleunigungs- Wandleranordnung 3 gegenüber der Buchse 4 auch dann isoliert ist, wenn das Anschlußteil 12 sowie das piezoelektrische Element 11 exzentrisch zusammengebaut sind.

Um die Beschleunigungs-Wandleranordnung 3 innerhalb des Hohlraumes 2 elastisch zu lagern und gegenüber unerwünschten Umgebungsbedingungen zu schützen, ist der übrige Raum des Hohlraumes 2 im Gehäuse 1, der nicht von der Beschleunigungs- Wandleranordnung 3 eingenommen wird, im wesentlichen mit einem elastischen Füllmaterial 17 aus einem härtbaren oder duroplastischen Harz gefüllt.

Das Füllmaterial 17 muß nach dem Aushärten ausreichend elastisch sein, um eine Bewegung des Trägheitsgewichtes 14 relativ zum Gehäuse 1 zu ermöglichen, wenn eine Beschleuni­ gung auf das Trägheitsgewicht 14 wirkt, so daß das piezoelek­ trische Element 11 ein Spannungssignal proportional zu dem Druck erzeugt, der durch die Relativbewegung des Trägheitsge­ wichtes 14 gegen das piezoelektrische Element 11 ausgeübt wird.

Für den Betrieb ist der Beschleunigungsdetektor mit einer nicht dargestellten Schraube, die durch das zentrale Durch­ gangsloch 5 des Gehäuses 1 hindurchgeht, fest an einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine montiert. Die Beschleunigung oder Vibration der Brennkraftmaschine erzeugt eine Bewegung des Trägheitsgewichtes 14 relativ zum Gehäuse 1, was dazu führt, daß das piezoelektrische Element 11 durch das Träg­ heitsgewicht 14 belastet wird, so daß dadurch ein elektri­ sches Signal von dem piezoelektrischen Element 11 erzeugt wird, welches die Bewegung des Trägheitsgewichtes 14 relativ zur Brennkraftmaschine angibt.

Das elektrische Signal wird von dem externen Anschluß 9 abgegriffen und analysiert, um festzustellen, ob es sich um ein Klopfsignal handelt, welches dann auftritt, wenn ein Klopfen der Brennkraftmaschine vorliegt. Ein Beispiel des Ausgangssignals von dem externen Anschluß 9 ist in Fig. 3 mit einer Kurve A dargestellt. Wenn festgestellt wird, daß das elektrische Signal ein Klopfsignal enthält, können die Betriebsparameter für die Brennkraftmaschine eingestellt werden, um die Ausgangsleistung zu erhöhen bzw. den Kraft­ stoffverbrauch zu verringern.

Bei einem herkömmlichen Beschleunigungsdetektor mit dem oben beschriebenen Aufbau ändert sich das Ausgangssignal, welches von dem Beschleunigungsdetektor abgegeben wird und die Beschleunigung angibt, relativ stark in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz, wie es in Kurve A in Fig. 3 dargestellt ist, in der die Ausgangsspannung gegenüber der Schwingungs­ frequenz mit konstanter Amplitude der Schwingung aufgetragen ist.

Wie aus der Kurve A ersichtlich, nimmt die Ausgangsspannung allmählich zu, wenn die Schwingungsfrequenz über einen breiten Schwingungsfrequenzbereich der Beschleunigung zunimmt, während die Steigung der Kurve A in einem höheren Frequenzbereich von mehr als etwa 10 kHz besonders steil ist.

Außerdem gibt es eine abrupte Änderung in dem Ausgangssignal mit einem steilen, hohen Peak (Maximum) und einem steilen Abfall (Minimum) bei einer Schwingungsfrequenz in dem Frequenzbereich um etwa 10 kHz. Dies ist unerwünscht, da die Meßeigenschaften der Beschleunigungs-Wandleranordnung 3 erheblich gestört und verzerrt werden und das Ausgangssignal des Beschleunigungsdetektors den Wert der Beschleunigung nicht korrekt angibt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Beschleunigungsde­ tektor anzugeben, bei dem das als Spannung vom Beschleuni­ gungsdetektor gelieferte Ausgangssignal über den zu messenden Schwingungsfrequenzbereich der Beschleunigung im wesentlichen konstant ist, wobei die Ausgangsspannungscharakteristik des Beschleunigungsdetektors möglichst flach und konstant sein soll.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der erfindungsgemäße Beschleunigungsdetektor eine genaue Messung ermöglicht und dennoch einen einfachen Aufbau besitzt. Außerdem hat der erfindungsgemäße Beschleunigungsde­ tektor ein relativ geringes Gewicht und zeigt eine glatte Schwingungsfrequenzcharakteristik.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsdetektor weist folgende Komponenten auf: ein Gehäuse, das in seinem Inneren einen Hohlraum bildet und eine im wesentlichen zylindrische Gewindebuchse aufweist; eine im wesentlichen hohle zylindrische Beschleunigungs-Wandleranordnung, die auf der Buchse in dem Hohlraum montiert ist und ein piezoelektrisches Element, ein Trägheitsgewicht und einen Ausgangsanschluß aufweist; und eine Anschlagmutter, die mit der Gewindebuchse in Gewindeeingriff steht. Die Anschlagmutter besitzt eine Kontaktfläche, mit der die Anschlagmutter mit dem Trägheits­ gewicht der Wandleranordnung in Kontakt steht und diese trägt, um die Wandleranordnung an der Buchse zu befestigen, wobei die Kontaktfläche klein genug ist, um ein im wesentli­ chen konstantes Ausgangssignal über den zu messenden Schwingungsfrequenzbereich der Beschleunigung zu erhalten.

Die Anschlagmutter hat zweckmäßigerweise einen im wesentli­ chen rechteckigen Querschnitt, wobei die Kontaktfläche im wesentlichen ringförmig ist und die radiale Breitenabmessung der Kontaktfläche etwa 70% der radialen Breitenabmessung des Trägheitsgewichtes beträgt.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt zur Erläuterung eines herkömmlichen Beschleunigungsdetektors;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Beschleunigungsdetektor gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Ausgangscharakteristik des Beschleunigungsdetektors gemäß herkömmlicher Bauart und gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine Seitenansicht im Schnitt zur Erläuterung des Beschleunigungsdetektors gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Anschlagmutter gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Seitenansicht im Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5; und in

Fig. 7 eine Vorderansicht der Anschlagmutter gemäß Fig. 5.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Beschleunigungsdetek­ tors 20 gemäß der Erfindung. Dieser ist in seinem Grundaufbau ähnlich der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Insbesondere umfaßt der Beschleunigungsdetektor 20 gemäß Fig. 4 ein Gehäuse 1, das in seinem Inneren einen ringförmigen Hohlraum 2 bildet, in welchem eine ringförmige Beschleunigungs-Wandleranordnung 3a untergebracht ist. Das Gehäuse 1 hat ferner einer elektrisch leitende metallische rohrförmige Buchse 4 mit einem Durchgangsloch 5 und einem Flansch 6.

Das Gehäuse 1 hat ferner ein ringförmiges, aus Harz bestehendes Außengehäuse 7, das mit einem Kleber 7a mit dem Flansch 6 der Buchse 4 verbunden ist, so daß darin der Hohlraum 2 ausgebildet ist. Die Buchse 4 hat an ihrer unteren Oberfläche eine ringförmige Lagerfläche 4d, mit der das Gehäuse 1 mit einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in Eingriff gebracht wird, wenn der Beschleunigungsdetektor mit einer nicht dargestellten Befestigungsschraube montiert wird.

Das Außengehäuse 7 hat ferner einen Verbinder 8, der sich von dem Außengehäuse 7 radial nach außen erstreckt, so daß ein externer Anschluß als Ausgang 9 sich durch den Verbinder 8 erstrecken kann, um ein Ausgangssignal von der Beschleuni­ gungs-Wandleranordnung 3a abzugreifen, die innerhalb des Hohlraumes 2 angeordnet ist.

Die Beschleunigungs-Wandleranordnung 3a hat ferner ein ringförmiges piezoelektrisches Element 11, das auf einer Anschlußplatte 10 sitzt, ein scheibenförmiges Anschlußteil 12 mit einer Leitung 12a, die mit dem externen Anschluß als Ausgang 9 verbunden ist, eine elektrisch isolierende Beilag­ scheibe 13, die auf dem Anschlußteil 12 angeordnet ist, ein ringförmiges Trägheitsgewicht 14, das auf der isolierenden Beilagscheibe 13 angeordnet ist, und eine ringförmige Anschlagmutter 18, die mit einem Außengewinde 4a auf der rohrförmigen Buchse 4 in Gewindeeingriff steht.

Ein elektrisch isolierendes Band oder Rohr 16 ist auf der rohrförmigen Buchse 4 angeordnet, so daß die Beschleunigungs- Wandleranordnung 3a gegenüber der Buchse 4 auch dann isoliert ist, wenn das Anschlußteil 12 sowie das piezoelektrische Element 11 exzentrisch zusammengebaut sind.

Um die Beschleunigungs-Wandleranordnung 3a innerhalb des Hohlraumes 2 elastisch zu lagern und gegenüber unerwünschten Umgebungsbedingungen zu schützen, ist der übrige Raum des Hohlraumes 2 im Gehäuse 1, der nicht von der Beschleunigungs- Wandleranordnung 3a eingenommen wird, im wesentlichen mit einem elastischen Füllmaterial 17 gefüllt, der aus einem härtbaren oder duroplastischen Harz besteht.

Das Füllmaterial 17 muß nach dem Aushärten ausreichend elastisch sein, um eine Bewegung des Trägheitsgewichtes 14 relativ zum Gehäuse 1 zu ermöglichen, wenn eine Beschleuni­ gung auf das Trägheitsgewicht 14 wirkt, so daß das piezoelek­ trische Element 11 ein Spannungssignal proportional zu dem Druck erzeugt, der ausgeübt wird durch die Relativbewegung des Trägheitsgewichtes 14 gegen das piezoelektrische Element 11.

Gemäß der Erfindung steht die ringförmige Anschlagmutter 18 mit dem Außengewinde 4a der Buchse 4 in Gewindeeingriff, wobei die Anschlagmutter 18 wesentlich kleiner ist als die Anschlagmutter 15 bei dem herkömmlichen Beschleunigungsdetek­ tor gemäß Fig. 1 und 2. Die allgemeine Konfiguration der Anschlagmutter 18 gemäß der Erfindung ist in den Fig. 5 bis 7 dargestellt, aus denen ersichtlich ist, daß die Anschlagmutter 18 ein im allgemeinen ringförmiges Teil mit rechteckigem Querschnitt ist.

Die Anschlagmutter 18 ist in ihrer äußeren Zylinderoberfläche 19 mit einem Paar von diametral gegenüberliegenden axialen Nuten 21 für den Eingriff eines geeigneten, nicht dargestellten Werkzeugs versehen, um die Anschlagmutter 18 auf der Buchse 4 anzuziehen bzw. zu lösen. Die Anschlagmutter 18 ist außerdem auf ihrer inneren Zylinderoberfläche mit einem Innengewinde 22 zum Gewindeeingriff mit dem Außenge­ winde 4a der Buchse 4 versehen. Wenn die Anschlagmutter 18 mit der Buchse 4 in Gewindeeingriff steht, so steht eine der ringförmigen Stirnflächen 23 mit der oberen Oberfläche des Trägheitsgewichtes 14 der Wandleranordnung 3a in Eingriff und bildet an dieser Stelle eine Kontaktfläche 24, um sie auf der Buchse 4 zu halten.

Vergleicht man die Anschlagmutter 15 gemäß Fig. 1 mit der Anschlagmutter 18 gemäß der Erfindung, so erkennt man, daß die Kontaktfläche 24 der Anschlagmutter 18 wesentlich kleiner ist als die entsprechende Kontaktfläche der Anschlagmutter 15 herkömmlicher Bauart gemäß Fig. 1; dabei ist diese Kontakt­ fläche klein genug, um ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal über einen zu messenden Schwingungsfrequenzbe­ reich der Beschleunigung zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die radiale Breitenabmessung der Kontaktfläche 24 der Anschlagmutter 18 so gewählt, daß sie etwa 70% der radialen Breitenabmessung des Trägheitsge­ wichtes 14 ausmacht.

Bei einer speziellen Ausführungsform, bei der der Außendurch­ messer der Lagerfläche 4d der Buchse 4 einen Wert von 20 mm hat, hat die Anschlagmutter 18 einen Außendurchmesser von 20 mm, einen Innendurchmesser von 16 mm und eine Höhe von 2 mm, während das Trägheitsgewicht 14 einen Außendurchmesser von 24 mm und einen Innendurchmesser von 18 mm hat.

Die Ausgangsspannung vom Beschleunigungsdetektor der obigen Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in einer Kurve B in Fig. 3 gegenüber der Schwingungsfrequenz aufgetragen und zeigt einen im wesentlichen konstanten Pegel. Daraus ergibt sich, daß die Ausgangsspannungscharakteristik des Beschleuni­ gungsdetektors gemäß der Erfindung im wesentlichen flach ist über einen breiten Schwingungsfrequenzbereich und daß die Neigung bzw. der Anstieg der Kurve B nur sehr geringfügig ist in einem Frequenzbereich, der 10 kHz überschreitet.

Außerdem ist keine abrupte Änderung im Frequenzgang zu verzeichnen, d. h. es fehlen der steile, hohe Peak und der steile Pegelabfall gemäß Kurve A; vielmehr ist nur eine geringfügige Welligkeit in der Kurve B erkennbar, so daß gewährleistet ist, daß das Ausgangssignal des Beschleuni­ gungsdetektors den Wert der Beschleunigung korrekt angibt. Somit liefert der Beschleunigungsdetektor gemäß der Erfindung eine genaue Messung, bietet den Vorteil einer einfachen Bauform, besitzt ein geringes Gewicht und ist in der Lage, eine glatte Schwingungsfrequenzcharakteristik zu liefern.

Claims (4)

1. Beschleunigungsdetektor, umfassend

• - ein Gehäuse (1), das in seinem Inneren einen Hohlraum (2) bildet und das eine im wesentlichen zylindrische mit Gewinde versehene Buchse (4) aufweist,
• - eine im wesentlichen hohle zylindrische Beschleunigungs- Wandleranordnung (3a), die in dem Hohlraum (2) auf der Buchse (4) montiert ist und ein piezoelektrisches Element (11), ein Trägheitsgewicht (14) und einen Ausgangsanschluß (10) in einer gestapelten Anordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet,
  daß eine Anschlagmutter (18) in Gewindeeingriff auf der Buchse (4) sitzt und eine Kontaktfläche (24) besitzt, mit der die Anschlagmutter (18) mit dem Trägheitsgewicht (14) der Wandleranordnung (3a) in Kontakt steht und diese haltert, um die Wandleranordnung (3a) an der Buchse (4) zu befestigen,
  und daß die Kontaktfläche (24) klein genug ist, um ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal über den zu messenden Schwingungsfrequenzbereich der Beschleunigung zu erhalten.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagmutter (18) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt und daß die Kontaktfläche (24) im wesentlichen ringförmig ist, wobei die radiale Breitenabmessung der Kontaktfläche (24) etwa 70% der radialen Breitenabmessung des Trägheitsgewichtes (14) ausmacht.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagmutter (18) einen Außendurchmesser von 20 mm, einen Innendurchmesser von 16 mm und eine Höhe von 2 mm aufweist, während das Trägheitsgewicht (14) einen Außendurchmesser von 24 mm und einen Innendurchmesser von 18 mm hat.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (4) eine Lagerfläche (4d) hat, mit der die Buchse (4) des Gehäuses (1) mit einem Körper in Eingriff steht, dessen Beschleunigung zu messen ist.