-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Klopfaufnehmer für ein Kraftfahrzeug.
Insbesondere dient ein solcher Aufnehmer zum Detektieren des Auftretens
einer Klopferscheinung im Betrieb einer Brennkraftmaschine.
-
Die
Klopferscheinung tritt auf, sobald die Verbrennung in einem der
Zylinder in nicht homogener Weise abläuft. Das Klopfen ist durch
hörbare
Schwingungen gekennzeichnet und verursacht Schäden an sich bewegenden mechanischen
Teilen, insbesondere am Kolben, aber auch an der Zylinderkammer.
Es ist somit wichtig, das Auftreten dieses Phänomens zu detektieren und ihm
entgegen zu wirken.
-
Die
heutzutage bekannten Klopfaufnehmer sind tatsächlich Beschleunigungsmesser,
die in unmittelbarer Beziehung zu dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
angeordnet sind und das Auftreten dieser Schwingungen detektieren.
-
Diese
Aufnehmer sind im allgemeinen in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
eingeschraubt und umfassen einen Grundkörper in enger Beziehung zu
der Brennkraftmaschine und einen Stapel, der von einem gegenüber Schwingungen
empfindlichen Element gebildet wird, das einer seismischen Masse
zugeordnet ist. Das Ganze wird von einer Mutter unter Druck am Zylinderkopf
der Brennkopfmaschine gehalten. Die auf diese Weise gebildete Einheit
wird im allgemeinen umgossen, um irgendwelche Dichtigkeitsprobleme
zu vermeiden. Zwei elektrische Kontakte, die beidseitig zu dem klopfempfindlichen
Element angeordnet sind, treten aus der Umgießung des Aufnehmers hervor,
um das Aufnehmersignal zu einer geeigneten Verarbeitungsvorrichtung
zu übertragen.
-
Ein
Beispiel einer derartigen Anordnung ist in der WO95/21384 dargestellt.
Dort wird ein Klopfaufnehmer beschrieben, der von einem Grundkörper gebildet
wird, der an der Brennkraftmaschine befestigt ist, um ein gegenüber Klopfen
empfindliches Element aufzunehmen. Der Aufnehmer wird gebildet:
- – von
dem Grundkörper,
der einen Stapel mit einer piezoelektrischen Scheibe aufnimmt, welche zwischen
zwei metallischen Scheiben angeordnet ist, an denen eine seismische
Masse und eine elastische Scheibe anliegen, und
- – von
einer Klemmmutter, die den Stapel gleichförmig gegen den Grundkörper zusammendrückt.
-
Dieser
Aufnehmer hat an der unteren Stirnseite seines Grundkörpers (die
mit dem zu messenden Bauteil in Kontakt ist) eine zentrale Ausnehmung,
so dass der mittlere Durchmesser der Verteilung der Beaufschlagung
der Kontaktfläche
gleich oder größer als
der mittlere Durchmesser der Schulter des Grundkörpers ist. Dies hat den Zweck,
die dem Aufnehmer eigene Resonanzfrequenz zu höheren Werten zu verschieben
und auf diese Weise einen größeren Detektionsbereich
bezüglich
der Klopffrequenz zu ermöglichen.
-
Der
auf diese Weise realisierte Klopfaufnehmer hat den Nachteil, dass
er eine nicht vernachlässigbare
Höhe hat
aufgrund der Stapelung des Grundkörpers, der elektrischen Kontakte,
des klopfempfindlichen Elementes, der seismischen Masse sowie der
Klemmmutter, die häufig
einer elastischen Vorspannscheibe zugeordnet ist.
-
Außerdem ist
die Montage derartiger Klopfaufnehmer relativ komplex aufgrund des
Erfordernisses, die Gesamtheit der oben erwähnten Elemente korrekt und
in der richtigen Reihenfolge zu stapeln.
-
Eine
andere Bauart von Klopfaufnehmern wird in der
US 4,399,705 vorgeschlagen. Es wird
dort ein Aufnehmer dargestellt, welcher einen Grundkörper aufweist,
der auf eine einfache Scheibe reduziert ist, auf der ein Stapel
angeordnet ist. Der Stapel wird gebildet von einer piezoelektrischen
Scheibe, die zwischen zwei metallischen Scheiben angeordnet ist. Auf
der piezoelektrischen Scheibe ist eine seismische Masse angeordnet.
Die Klemmmutter, die das Vorspannen des Stapels ermöglicht,
ist hier durch die Schraube ersetzt, durch die der Aufnehmer an
dem zu messenden Bauteil befestigt ist. Diese Ausbildung verringert
die allgemeine Höhe
des Aufnehmers nicht und schwächt
ihn. Tatsächlich
sind die Kräfte
zum Vorspannen des Stapels sehr viel kleiner als diejenigen zur
Befestigung des zu messenden Bauteils, und die Verwendung einer
einzigen Schraube für
die beiden Funktionen bringt die Gefahr einer Beschädigung der
piezoelektrischen Scheibe unter der Wirkung eines zu hohen Drucks
mit sich.
-
Hinsichtlich
einer Verringerung der Herstellungs- und Montagekosten ist es somit
wichtig, die Anzahl der den Stapel des Aufnehmers bildenden Bauteile
zu verringern. Auch sucht man die Höhe eines derartigen Aufnehmers
zu verringern.
-
Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Klopfaufnehmer
zu schaffen, der eine bis jetzt bekannten Aufnehmern verringerte
Höhe hat und
so wenig wie möglich
getrennte Bauteile benötigt.
-
Zu
diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung einen Aufnehmer,
der an einer Brennkraftmaschine anbringbar ist, um dort das Auftreten
einer Klopferscheinung zu detektieren, wobei der Aufnehmer von einer
Bauart ist, die einen Grundkörper
aufweist, der an der Brennkraftmaschine befestigbar ist, um ein
klopfempfindliches Element aufzunehmen, wobei der Aufnehmer gebildet
wird:
- – von
dem Grundkörper,
der einen Stapel mit einem Paar Kontaktelementen aufnimmt, welche beidseitig
zu dem klopfempfindlichen Element verteilt sind, und
- – von
einer Klemmmutter, die den Stapel gleichförmig gegen den Grundkörper komprimiert,
wobei
der Aufnehmer dadurch gekennzeichnet ist, dass die Klemmmutter eine
seismische Masse ersetzt.
-
Dank
dieser Anordnung lässt
man von dem Stapel die seismische Masse und die Vorspannscheibe
weg. Die diesen Elementen zugeordneten Funktionen werden in der
Tat vorteilhafterweise von der Schraube selbst übernommen.
-
Diese
Mutter hat zu diesem Zweck eine Außenabmessung entsprechend derjenigen
des klopfempfindlichen Elementes. Diese Mutter hat daher einen größeren Außendurchmesser
als die herkömmlicherweise
verwendeten Muttern. Hieraus resultiert ein gleichförmiges Angreifen
und eine homogene Übertragung
der Klemmkraft zwischen der Mutter und dem Stapel. Der auf diese
Weise gebildete Aufnehmer hat in vorteilhafter Weise eine verringerte Höhe, da die
seismische Masse und die Vorspannscheibe weggelassen wurden.
-
Um
die Anzahl der den Stapel bildenden Teil noch weiter zu verringern,
hat man ein einziges Element geschaffen, das gleichzeitig die Funktionen
des elektrischen Kontaktes und der isolierenden Scheibe erfüllt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
hat der Grundkörper
eine verringerte Dicke und aus diesem Grund ist die Höhe des auf
diese Weise gebildeten Aufnehmers deutlich vermindert.
-
Im
Gegensatz zu einem allgemein eingeräumten Vorurteil, das darin
besteht, eine Verringerung der Dicke des Grundkörpers unter dem Vorwand einer
schlechten Übertragung
der von der Brennkraftmaschine kommenden Schwingungen zu dem klopfempfindlichen
Element zu untersagen, hat man die Dicke des Grundkörpers verringert,
jedoch diesen Grundkörper
durch einen ringförmigen
Rand an seinem Außenumfang
verstärkt.
Auf überraschende Weise
hat man somit festgestellt, dass die von der Brennkraftmaschine
kommenden Schwingungen korrekt auf das klopfempfindliche Element
des Aufnehmers übertragen
werden, obwohl der Grundkörper
eine verringerte Dicke hat. Es sei darauf hingewiesen, dass der
verdünnte
Grundkörper
eine Dicke hat, die größer als
oder gleich wie diejenige des ringförmigen Randes ist.
-
Ein
Klopfaufnehmer gemäß der Erfindung hat
somit einen Grundkörper
verringerter Dicke, ein Paar Kontaktelemente, die eine elektrisch
leitende Fläche
und eine isolierende Fläche
haben und beidseitig zu dem klopfempfindlichen Element verteilt sind,
sowie eine Mutter, die das Festklemmen der Anordnung an dem Grundkörper ermöglicht.
-
Ein
isolierendes Zentrierstück
ist gegen den Innenrand des ringförmigen Elementes angeordnet und
ermöglicht
eine einfache Positionierung des Paares elektrischer Kontakte und
des klopfempfindlichen Elementes. Der auf diese Weise gebildete Klopfaufnehmer
hat somit eine deutlich verringerte Dicke und eine geringere Anzahl
von Bauteilen, wobei jedoch eine sehr gute Detektion der durch das Klopfen
erzeugten Schwingungen erhalten bleibt.
-
Weitere
Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im übrigen aus
der folgenden beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen hervor, in denen:
-
1 eine schematische Schnittansicht
ist, die auf einer Seite einen Klopfaufnehmer nach dem Stand der
Technik und auf der anderen Seite einen Klopfaufnehmer gemäß der Erfindung
zeigt,
-
2a eine schematische Schnittansicht
ist, die ein Paar elektrischer Kontakte und eine isolierende Scheibe
gemäß dem Stand
der Technik darstellt,
-
2b eine schematische Schnittansicht
ist, die einen elektrischen Kontakt gemäß der Erfindung darstellt,
-
3 eine schematische Schnittansicht
ist, die eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
Unter
Bezugnahme auf den rechten Teil der 1 wird
ein Klopfaufnehmer bekannter Bauart beschrieben. Ein Klopfaufnehmer 10' bekannter Bauart umfasst,
allgemein gesprochen, einen Grundkörper 11', der eine zentrale Gewindebohrung 19' und einen ringförmigen Abschnitt
hat, auf dem stapelförmig eine
isolierende Scheibe 13',
ein elektrischer Kontakt 12',
ein empfindliches Element 14',
ein zweiter elektrischer Kontakt 12' und seine isolierende Scheibe 13', eine seismische
Masse 15',
eine elastische Vorspannscheibe 16' und eine Klemmmutter 17' angeordnet
sind. Die Klemmmutter 17' ermöglicht die
Aufrechterhaltung einer gewissen Vorspannung zwischen den Elementen
des Stapels. Die auf diese Weise gebildete Anordnung wird allgemein
mit einem Kunstharz 18' umspritzt.
Diese Umspritzung hat geeignete Öffnungen
und Ansätze,
um den Durchgang von elektrischen Anschlussdrähten im Kontakt mit dem Paar
elektrischer Kontakte 12' zu
ermöglichen. Eine
nicht dargestellte Befestigungsschraube wird in die zentrale Gewindebohrung 19' eingeführt und
ermöglicht
die Befestigung des Aufnehmers an dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
(nicht gezeigt). Diese Befestigungsschraube ermöglicht die Aufrechterhaltung
eines engen Kontaktes zwischen dem Grundkörper 11' und dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine,
an dem der Klopfaufnehmer befestigt ist. Wie vorstehend dargelegt,
hat ein solcher Aufnehmer bekannter Bauart eine gewisse Anzahl von
Nachteilen, insbesondere die Zahl der getrennten Bauteile, die bei
seiner Montage „gestapelt" werden müssen, aber
auch eine nicht vernachlässigbare Höhe.
-
Der
Klopfaufnehmer 10 gemäß der Erfindung
(1, linker Teil) umfasst
einen Grundkörper 11,
der einen ringförmigen
Rand 11a und eine verdünnte
Kontaktfläche 11b hat.
Die Dicke des Grundkörpers
ist somit deutlich verringert in demjenigen Teil, an dem der Stapel
anliegt, wodurch somit eine geringförmige Vertiefung gebildet wird,
die von einem Rand 11a nach außen begrenzt wird. Dies hat
den Zweck, das (von einem piezoelektrischen Material gebildete)
empfindliche Element dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zu
nähern,
an dem der Aufnehmer angebracht ist. Der Verstärkungsrand 11a dient
dazu, die Steifigkeit des Grundkörpers
trotz der Verringerung seiner Dicke aufrechtzuerhalten. Dieser Rand
hat eine Dicke, die kleiner oder gleich derjenigen des verdünnten Grundkörpers ist.
Dies trifft sich mit der allgemein anerkannten Idee, wonach die
Linearität
des von dem Aufnehmer übertragenen
Signals proportional zur Steifigkeit des Grundkörpers ist. Außerdem dient
der ringförmige Rand
gleichzeitig als Vorzentrierteil für den Stapel, der auf dem Grundkörper angeordnet
wird.
-
In 1 sieht man insbesondere,
dass der Stapel gebildet wird von einer isolierenden Scheibe 13,
einem Paar elektrischer Kontakte 12, die beidseitig zu
einem empfindlichen Element 14 verteilt sind, einer seismischen
Masse 15, einer elastischen Vorspannscheibe 16 und
einer Mutter 17. Ein Zentrierstück 20 ist außerdem am
Innenumfang des ringförmigen
Randes angeordnet und erlaubt die Zentrierung der verschiedenen
Elemente des Stapels, während
dieser Stapel gleichzeitig gegenüber
dem ringförmigen
Rand des Stapels elektrisch isoliert wird. Das Zentrierstück 20 ermöglicht somit
die Zentrierung und Aufrechterhaltung des empfindlichen Elementes
in seiner Position auf dem Grundkörper. Die Verdünnung der
Kontaktfläche 11b erlaubt
eine entsprechende Verringerung der Höhe des Stapels und in gleicher
Weise des Klopfaufnehmers. Die auf diese Weise erhaltene Reduzierung
ist in 1 durch den mit
R bezeichneten Doppelpfeil schematisch dargestellt.
-
Der
auf diese Weise erhaltene Klopfaufnehmer hat eine kleinere Höhe als die
vorbekannten Klopfaufnehmer und stellt eine gute Linearität des Ansprechverhaltens
dieses Aufnehmers sicher.
-
Die 2a zeigt einen elektrischen
Kontakt 12 bekannter Bauart, der von einer einfachen elektrisch
leitenden Scheibe, die mit einem elektrischen Draht (nicht gezeigt)
verbindbar ist, und einer isolierenden Scheibe 13 gebildet
wird. Dieser elektrische Kontakt, der mit seiner isolierenden Scheibe
versehen ist, ist beidseitig zu dem empfindlichen Element anzuordnen.
Der elektrische Kontakt 12 ist in Berührung mit dem empfindlichen
Element, und die isolierende Scheibe 13 ermöglicht eine
elektrische Isolierung des empfindlichen Elementes gegenüber dem Grundkörper oder
der seismischen Masse. Es dürfte vorteilhaft
sein, diese Art von elektrischem Kontakt in einstückiger Form
auszubilden (2b). Wie
dies in dieser Figur zu sehen ist, ist der elektrische Kontakt 32 mit
einer elektrisch leitenden Fläche 32a und
einer isolierenden Fläche 32b versehen.
Der elektrische Kontakt 32 kann beispielsweise durch Druckkleben eines
isolierenden Materials wie Papier oder ein Kunststofffilm auf einer
Kupfer- oder Messingplatte und
gleichzeitiges Tiefziehen zwecks Formgebung des elektrischen Kontaktes
hergestellt werden. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, dass
die isolierenden und leitenden Elemente eng miteinander verbunden
werden und auf diese Weise eine Zwischenfläche zwischen zwei getrennten
Teilen bei der Montage vermieden wird, die der Linearität des Aufnehmers
abträglich
wäre. Das
auf diese Weise gebildete Element ist einstückig, was zweifellos einen
besseren Kontakt zwischen dem elektrischen Kontakt und der isolierenden
Scheibe ermöglicht
und die Anzahl der den Stapel des Aufnehmers bildenden Teile verringert.
Es versteht sich, dass ein solcher einstückiger elektrischer Kontakt
für jeden
der beiden Kontakte 12 beidseitig zu dem empfindlichen
Element verwendet wird. 3 zeigt
einen derartigen Stapel, in dem zwei elektrische Kontakte 32 beidseitig
zu einem empfindlichen Element 34 angeordnet sind.
-
In
dieser 3 ist ferner
eine Mutter 37 dargestellt, die einen Außendurchmesser
hat, der identisch zu demjenigen des empfindlichen Elementes und
des Paares elektrischer Kontakte ist und das Festklemmen des Paares
elektrischer Kontakte 32 und des empfindlichen Elementes 34 an
der verdünnten
Basis 31b des Grundkörpers 31 erlaubt.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform des Aufnehmers gemäß der Erfindung
die elastische Vorspannscheibe 16 sowie die seismische Masse 15 weggelassen
und unmittelbar durch die Klemmmutter 37 ersetzt wurden.
-
Zu
diesem Zweck ist diese Klemmmutter ausreichend groß (mindestens
identisch zu derjenigen des Stapels 32, 34), um über den
größeren Teil ihrer
Kontaktfläche 32 anzuliegen
und somit eine gleichförmige
und homogene Klemmspannung auf das empfindliche Element auszuüben. Auf
diese Weise werden durch eine Wahl geeigneter Abmessungen der Mutter 37 die
seismische Masse 15 und die Vorspannscheibe 16 weggelassen.
Die Mutter 37 übt somit
außer
ihrer herkömmlichen
Klemmfunktion die Funktion einer seismischen Masse und elastischen Vorspannung
des empfindlichen Elementes aus.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform ein Zentrierstück 40 dieselbe
Funktion wie im Rahmen der 1 erfüllt; es
erlaubt somit eine Trennung des empfindlichen Elementes 34 von dem
ringförmigen
Rand 31a in elektrischer Hinsicht und andererseits eine
einfache Stapelung der beiden elektrischen Kontakte und des empfindlichen
Elementes.
-
Ein
solcher elektrischer Aufnehmer hat eine bezüglich einem herkömmlichen
Aufnehmer verringerter Dicke und eine geringere Anzahl von Bauteilen.
Außerdem
ermöglicht
der ringförmige
Rand 31a eine Versteifung des Grundkörpers 32 in solcher Weise,
dass die Empfindlichkeit und Linearität des Ausgangssignals eines
solchen Aufnehmers deutlich verbessert sind, und dies trotz der
Verringerung der Dicke dieses Grundkörpers. Ein solcher Aufnehmer hat
ferner den Vorteil der Wirtschaftlichkeit. Tatsächlich ermöglicht die verringerte Anzahl
von Teilen eine proportionale Verringerung der Herstellungskosten.
-
Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das oben
beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist und sämtliche
im Zugriffsbereich des Fachmannes liegende Abwandlungen umfasst.
So ist der ringförmige
Rand 11a oder 31a mit geeigneten Nuten versehen,
um den Durchgang elektrischer Verbindungen mit den elektrischen
Kontaktelementen 12 oder 32 zuzulassen. In der
gleichen Weise ist es möglich,
dass der ringförmige
Rand 11a oder 31a nicht über dem gesamten Umfang des Grundkörpers gleichförmig ist
und mindestens eine reduzierte Zone über einen Teil seines Umfangs
aufweist, um elektrische Verbindungsdrähte nach außen treten zu lassen, oder
durch Einsparung von Material in dem Maße, in dem die für die verdünnte Kontaktfläche geforderte
Festigkeit erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass das Zentrierstück 20, 40 mit mindestens
einer Nut für
den Durchgang elektrischer Verbindungsdrähte versehen ist.