DE4024339C2 - Beschleunigungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der britischen Zeitschrift "Soviet Inventions Illustrated Week A05", SU-R1, S 25, ist ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser für Meteorologiezwecke bekannt. Der Beschleunigungsmesser umfaßt eine Basis mit einer Klammervorrichtung, auf der unter anderem ein piezoelektrisches Element, ein elastisches Element, ein Trägheitselement und ein Ausgangsanschluß befestigt sind. Das elastische Element beaufschlagt und hält das Trägheitselement an einem Teil seiner ihm zugewandten Stirnseite.

Nachteilig bei diesem Beschleunigungsmesser ist, daß er zum einen nicht ohne weiteres mittels einer sich durch das Gehäuse erstreckenden Befestigungseinrichtung auf einfache Art und Weise am Objekt montierbar ist. Zum anderen kann das das Trägheitselement beaufschlagende elastische Element ermüden, wodurch die Funktionsfähigkeit des Beschleunigungsmessers beeinträchtigt werden könnte.

In der DE 30 37 835 C2 ist ein Beschleunigungsaufnehmer beschrieben, bei dem ein Kabelabgang senkrecht zur Hauptschwingungsrichtung vorgesehen ist. Zum Zwecke des Massenausgleichs gegenüber dem Kabelabgang ist auf der gegenüberliegenden Seite ein Gegengewicht angeordnet. Weiter ist ein piezoelektrisches Element bei dem Aufnehmer zwischen einem Druckring und einer Reaktionsmasse vorgesehen. Die Reaktionsmasse, die auf einem stirnseitigen Flächenteil durch eine Schraube gehalten wird, ist von außen her zugänglich, so daß im ungünstigen Fall durch äußere Einflüsse die Beschleunigungserfassung verfälscht werden könnte. Darüber hinaus wird bei dem Beschleunigungsaufnehmer ein separater Druckring verwendet, so daß eine relativ große Anzahl von Teilen notwendig ist.

Aus der US 3 506 857 ist eine piezoelektrische Vorrichtung bekannt, die jedoch gegenüber dem eingangs genannten Beschleunigungsdetektor relativ kompliziert aufgebaut ist und nur kostenaufwendig hergestellt werden kann.

Ein Beschleunigungsdetektor der eingangs genannten Art wird in der DE 39 16 023 A1 aufgezeigt und im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. 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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungsdetektor der einangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß dessen Ausgangssignal den Wert der Beschleunigung korrekter als bisher angibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben. Hierbei zeigt

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 eine 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 zur Anbringung an einem Objekt, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, umfassend
ein Gehäuse mit einer elektrisch leitenden Buchse, die in Betrieb mit dem Objekt in Kontakt gebracht wird;
einen Beschleunigungsmeßwandler, der auf der Buchse angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element, ein Trägheitsgewicht, eine Ausgangselektrode und eine Referenzelektrode aufweist;
ein elatisches Füllmaterial, das um den Beschleunigungsmeßwandler herum angebracht ist und das ausreichend elastisch ist, um eine Bewegung des Trägheitsgewichtes relativ zum Gehäuse zu ermöglichen, wenn eine Beschleunigung auf das Trägheitsgewicht wirkt;
Ausgangsanschlüsse, die mit der Ausgangselektrode bzw. mit der Referenzelektrode des Meßwandlers verbunden sind und sich durch das Gehäuse für eine externe Verbindung erstrecken;
eine Befestigungseinrichtung, die sich zur Anbringung des Beschleunigungsdetektors am Objekt durch das Gehäuse hindurch erstreckt, wobei
die Buchse an ihrem einen Ende zur Anlage an dem Objekt einen Flansch und über dem Flansch einen Hohlraum zur Aufnahme des Beschleunigungsmeßwandlers aufweist,
auf dem Flansch eine scheibenförmige Anschlußplatte sitzt, die integral mit einer Leitung ausgebildet und über einen steckbaren Masseanschluß permanent an Masse anschließbar ist,
die Anschlußplatte das piezoelektrische Element trägt und mit seiner Referenzelektrode in elektrischem Kontakt steht,
auf dem piezoelektrischen Element in elektrischem Kontakt mit seiner Ausgangselektrode ein scheibenförmiges Anschlußteil mit einer Leitung liegt, die mit einem steckbaren Signalanschluß verbunden ist,
darüber, unter isolierter Einfügung des Trägheitsgewichtes einer Anschlagmutter angeordnet ist, die auf ein Außengewinde der Buchse aufgeschraubt ist und für die gesamte Anordnung innerhalb des Hohlraumes zugleich eine mechanische und elektrische Verbindung der Komponenten aufrechterhält und auf der Innenseite des Beschleunigungsmeßwandlers ein isolierendes Rohr auf der Buchse sitzt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagmutter (18) mit einer Kontaktfläche (24) versehen ist, die derart klein ausgebildet ist, daß ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal über den zu messenden Schwingungsfrequenzbereich der Beschleunigung verfügbar ist.

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.