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TECHNISCHES SACHGEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Aufbringen eines Edelmetalldrahts
auf das Ende einer Zündkerzenelektrode.
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HINTERGRUND
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Eine
Zündkerze
umfasst eine äußere Hülle und
einen Isolatorkern. Eine Erdungselektrode erstreckt sich von der äußeren Hülle aus
und eine Zündmittenelektrode
erstreckt sich von dem Isolatorkern aus. Die Elektroden definieren
zusammen einen Zündkerzenspalt.
Wenn die Zündkerze
in der Verbrennungskammer eines Motors installiert ist und betätigt wird,
wird ein Zündfunken
in dem Zündkerzenspalt
gebildet. Der Zündfunke
zündet
eine Mischung aus Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer.
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Die
Qualität
des Zündfunkens
beeinflusst die Zündung
der Mischung aus Kraftstoff und Luft. Die Qualität des Zündfunkens wird durch Faktoren,
wie beispielsweise dem Zustand des Zündkerzenspalts, der Spannung,
die über
den Zündkerzenspalt
angelegt ist, und der Materialzusammensetzung der Elektroden bestimmt.
Eine Zündkerzenelektrode,
die aus einem Edelmetall, wie beispielsweise Platin, gebildet ist,
besitzt einen Zündfunken
hoher Qualität.
Platin und andere Edelmetalle sind allerdings teuer, was deren Benutzung
in Zündkerzenelektroden
begrenzt oder den Preis der entsprechenden Zündkerze erhöht.
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Die
DE-A-4 422 733 ,
die dahingehend angesehen wird, dass sie den nächstkommenden Stand der Technik
darstellt, offenbart eine Zündkerze
mit Edelmetall, das an beiden Elektrodenflächen befestigt ist. Dieses
Design erfordert eine große
Menge an Edelmetall.
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Die
US 4,700,103 offenbart eine
Anordnung einer Erdungselektrode, die einen Edelmetallkörper besitzt,
der durch Widerstandsschweißen
innerhalb einer Vertiefung, die in einer Oberfläche der Erdungselektrode gebildet
ist, angeordnet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine
Zündkerze
nach Anspruch 14.
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Ein
Edelmetall wird an einer Elektrode befestigt, indem ein im Wesentlichen
zylindrischer Edelmetalldraht an einer Elektrodenfläche angeordnet
wird und der Draht an der Elektrodenfläche durch Widerstandsschweißen befestigt
wird. Der Draht umfasst eine Längsachse
und einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt. Der Draht wird mit einer Längskante (eine lange Kante),
im Gegensatz zu einem kreisförmigen
Ende, auf der Elektrodenfläche
positioniert.
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Ausführungen
können
ein Merkmal oder mehrere der nachfolgenden Merkmale umfassen. Zum
Beispiel kann eine Druckkraft auf den Draht aufgebracht werden,
um den Draht an der Elektrodenfläche
nach einem Verschweißen
aufzuprägen.
Der aufgeprägte
Draht kann an der Elektrodenfläche
aufgeschweißt
werden. Der Draht kann nach dem Widerstandsschweißen des
Drahts an der Elektrodenfläche,
nach Anordnen des Drahts auf der Elektrodenfläche, oder vor einem Anordnen
des Drahts auf der Elektrodenfläche,
geschnitten werden, um eine Säule
zu bilden. Wenn der Draht vor einem Anordnen davon auf der Elektrodenfläche geschnitten
wird, wird er auf der Oberfläche
in der Form einer Säule
oder eines kurzen Segments eines Drahts angeordnet.
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Der
Draht kann an der Elektrodenfläche
unter Verwendung eines durchschnittlichen, elektrischen Stroms von
860 Ampere mittels Widerstandsschweißen angebracht werden. Ein
Aufschweißen nach
einem Aufprägen
kann einen durchschnittlichen, elektrischen Strom von 1410 Ampere
einsetzen. Der Draht kann an der Elektrodenoberfläche unter
Verwendung einer Druckkraft von ungefähr 1780 N (400 Pound) aufgeprägt werden.
Das Edelmetall kann zum Beispiel Platin, Gold, Iridium, Osmium,
Palladium, Rhodium, Rhenium, Ruthenium oder Wolfram, oder eine Legierung
aus einem oder mehreren dieser Metalle, umfassen. Die Legierung
kann auch Nickel umfassen.
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Gemäß einem
anderen allgemeinen Aspekt umfasst eine Zündkerze, die eine Edelmetall-Elektrodenoberfläche besitzt,
eine äußere Hülle, einen
Isolator, eine Zündelektrode,
eine Erdungselektrode und ein Edelmetall, das an der Elektrodenfläche befestigt ist.
Das Edel metall wird an der Elektrodenfläche durch Widerstandsschweißen eines
zylindrischen Edelmetalldrahts an der Elektrodenfläche, mit
einer Längskante
des Drahts auf der Elektrodenfläche,
befestigt.
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Ausführungsformen
der Zündkerze
können die
folgenden Merkmale umfassen. Zum Beispiel kann der Draht auf die
Elektrodenfläche
aufgeprägt werden
und durch Widerstandsschweißen
befestigt werden. Der Draht, der auf der Elektrodenfläche auf dessen
Längskante
angeordnet ist, kann in der Form einer Säule vorliegen. Der Durchmesser
der Säule kann
ungefähr
derselbe wie die Länge
der Säule sein.
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Das
Edelmetall kann zum Beispiel Platin, Gold, Iridium, Osmium, Palladium,
Rhodium, Rhenium, Ruthenium, oder Wolfram, oder eine Legierung aus
einem oder mehreren dieser Metalle, umfassen. Die Legierung kann
auch Nickel umfassen.
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Ein
Befestigen einer Schicht aus einem Edelmetall an einer Elektrode
in der Art und Weise, die beschrieben ist, liefert wesentliche Vorteile
einer Verringerung der Kosten für
die Herstellung der Säule oder
des Teils aus Edelmetall, das an der Elektrode befestigt wird. Dies
ermöglicht
eine Befestigung einer erhöhten
Menge an Edelmetall unter denselben Kosten, so wie dies dann auftreten
würde,
wenn weniger Edelmetall unter Verwendung von kostenaufwendigeren
Verfahren befestigt werden würde.
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Andere
Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung,
einschließlich
der Zeichnungen, und aus den Ansprüchen ersichtlich werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A zeigt
eine Vorderansicht einer Zündkerze.
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1B zeigt
eine Vorderansicht der Zündmittenelektrode
der Zündkerze
der 1A.
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1C zeigt
eine Vorderansicht der Erdungselektrode der Zündkerze der 1A.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, das das Verfahren eines Aufbringens eines Edelmetalls
auf eine Zündkerzenelektrode
darstellt.
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3A zeigt
eine Seitenansicht, die das Schneiden eines Drahts darstellt.
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3B zeigt
eine perspektivische Ansicht, die ein Anordnen eines Drahts auf
einer Elektrode darstellt.
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3C zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Aufschweißens eines Drahts auf eine
Elektrode.
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3D zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Aufprägens eines Drahts, der an einer
Elektrode verschweißt
ist.
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3E zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Aufschweißens eines Drahts, der auf
einer Elektrode aufgeprägt
ist.
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3F zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Säule auf einer Erdungselektrode.
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4A zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Drahtanordnung auf einer Elektrode.
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4B zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Widerstandsschweißvorgangs.
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4C zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Schneidvorgangs.
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BESCHREIBUNG
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Wie 1A zeigt,
umfasst eine Zündkerze 100 eine äußere Hülle 105,
einen Isolatorkern 110, eine Zündmittenelektrode 115,
die sich von einer Isolatorkernnase 120 aus erstreckt,
und eine Erdungselektrode 125, die sich von der äußeren Hülle aus
erstreckt. Die Zündmittenelektrode 115 und
die Erdungselektrode 125 definieren einen Zündspalt 130.
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Die
Zündmittenelektrode 115 besitzt,
wie die 1B und 1C zeigen,
eine äußere Edelmetallschicht 135,
die auf eine Elektrodenfläche 140 aufgebracht
ist. Ähnlich
besitzt die Erdungselektrode 125 eine äußere Edelmetallschicht 145,
die auf einer Elektrodenfläche 150 aufgebracht
ist. Der Zündspalt 130 ist
zwischen den Edelmetallschichten 135 und 145 definiert.
Dies erhöht
die Qualität
des Zündfunkens über die
Lebensdauer der Zündkerze,
da die Edelmetallflächen
sehr resistent gegen Funkenerosion sind. Die Edelmetallzusammensetzung
kann zum Beispiel Platin, Gold, Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium,
Rhenium, Ruthenium, oder Wolfram, oder eine Legierung aus einem
oder mehreren dieser Metalle, umfassen. Die Legierung kann auch
Nickel umfassen. Zum Beispiel kann die Legierung ungefähr 90% Platin
und 10% Nickel sein.
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Die äußere Schicht 135 des
Edelmetalls auf der Zündelektrode 115 wird,
wie 2 zeigt, durch ein Mehrstufenverfahren 200 gebildet.
Das Edelmetall wird, wie auch 3A zeigt,
in der Form einer Spule 300 mit Draht 305 zugeführt. Der
Draht 305 wird von der Spule 300 abgespult und
in kurze Segmente oder Säulen 310 durch
eine Schneidvorrichtung 316 geschnitten (Schritt 205).
Die Säule
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie allgemein zylindrisch ist und
eine lange Kante 312 und ein Paar Enden 313 besitzt.
Die Länge
der Säule,
gemessen entlang der Länge
der Kante 312, ist ungefähr gleich zu dem Durchmesser
der Enden 313 der Säule.
Zum Beispiel kann der Durchmesser in dem Bereich von 0,635 mm (0,025
Inch) bis 0,762 mm (0,030 Inch) liegen, und die Länge kann
in dem Bereich von 0,762 mm (0,030 Inch) bis 1,27 mm (0,050 Inch)
liegen.
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Die
Säule 310 wird,
wie in 3B dargestellt ist, auf der
Elektrodenfläche 140 so
angeordnet (Schritt 210), dass die Säule auf der langen Kante 312 ruht,
im Gegensatz dazu, dass sie auf einem der Enden 313 ruht.
Die Säule
wird dann an der Elektrodenfläche 140 widerstandsverschweißt (Schritt 215). Die
Säule schmilzt
nicht vollständig,
wie dies in 3C dargestellt ist. Nur ein
Bereich 315 entlang der langen Kante 12 der Säule schmilzt
und befestigt sich an der Elektrodenfläche 140.
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Das
Widerstandsschweißen
befestigt die Säule
an der Elektrode mit einer Festigkeit, die ausreichend ist, um die
Säule 310 an
der Elektrode während
der zusätzlichen
Herstellungsschritte befestigt zu halten. Beim Widerstandsschweißen führt ein elektrischer
Strom, der an die Säule 310 angelegt
ist, durch die Säulenkante
zu der Elektrode über
die Flächen,
an denen die Elektrode und die Säule
in Kontakt stehen. Der elektrische Strom erwärmt den Kontaktbereich ausreichend,
um den Bereich 315 der Säule so zu schmelzen, um die
Säule an
der Elektrode anzubonden. Widerstandsschweißen ist dahingehend bekannt,
dass es eine Quetsch-Periode, in der eine Kraft aufgebracht wird,
um die Elemente zusammenzudrücken,
ohne dass dabei ein Schweißstrom angelegt
wird, eine Anlaufperiode, in der der Schweißstrom geleitet wird, eine
Schweißperiode,
in der der volle Schweißstrom
angelegt wird, eine Ausklingperiode, in der der Schweißstrom verringert
wird, und eine Halteperiode, in der die Kraft ohne Strom aufgebracht
wird, umfasst.
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Bestimmte
Verarbeitungsparameter müssen spezifiziert
werden, um zwei Objekte mittels Widerstandsschweißen zu verbinden.
Experimente haben gezeigt, dass die nachfolgenden Prozessparameter verwendet
werden können,
um erfolgreich die Säule 310 an
der Elektrodenfläche
mittels Widerstandsschweißen
zu befestigen. Zum Beispiel sollten 151 N (34 Pound einer Kraft)
in der Quetsch-Periode aufgebracht werden, die 50 ms dauert. Ein
Hochfrequenz-Gleichstrom (DC) mit 700 Ampere sollte in der Anlaufperiode
angelegt werden, die 8 ms dauert. Ein Hochfrequenz-DC-Strom mit
1100 Ampere sollte in der Schweißperiode angelegt werden, die
16 ms dauert. Ein Hochfrequenz-DC-Strom mit 700 Ampere sollte in
der Ausklingperiode angelegt werden, die 8 ms dauert. Kein Strom
wird während
der Halteperiode von 100 ms angelegt, während der die Kraft weiterhin
auf die verschweißte
Säule 310 aufgebracht wird.
Die Schweißvorrichtung
kann ein Rivet Load/Weld Modell mit einem EBA 1,5 Schweißkopf sein.
Eine solche Schweißvorrichtung
ist von der Taylor-Winfield Corporation, Brookefield, Ohio, erhältlich.
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Die
Säule 310 wird
auch, wie 3D zeigt, so aufgeprägt (Schritt 220),
um eine aufgeprägte Säule 320 zu
bilden. Ein Aufprägen
umfasst ein Aufbringen einer Druckkraft, die die Säule gegen
die Elektrode abflacht. Die Kraft kann ungefähr 1780 N (400 Pound) betragen
und kann unter Verwendung einer Center Post Welder, erhältlich von
Taylor-Winfield Corporation, Brookefield, Ohio, erzeugt werden. Obwohl
ein Großteil 325 des
Umfangs der aufgeprägten
Säule 320 fest
befestigt werden kann, kann ein Bereich 330 des Umfangs
nicht fest befestigt sein.
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Die
geprägte
Säule 325 wird,
wie auch 3E zeigt, unter Verwendung eines
Widerstandsschweißens
erneut verschweißt,
um fest jeden Bereich 330 der geprägten Säule 325 zu befestigen,
der sich während
des Aufprägeschritts
lösen kann
oder niemals fest befestigt war (Schritt 225). Während des Aufschweißens werden
die Prozessparameter gegenüber
solchen, die während
des anfänglichen
Widerstandsschweißens
angewandt sind, variiert (Schritt 215). Experimente haben
gezeigt, dass die folgenden Parameter verwendet werden können, um erfolgreich
die aufgeprägte
Säule 325 an
der Elektrodenfläche 140 aufzuschweißen. Zum
Beispiel sollten 178 N (40 Pound einer Kraft) in der Druckperiode
aufgebracht werden, die 30 Zyklen dauert (ein Zyklus = 16,67 ms).
Während
der Anlaufphasen- und Schweißperiode
wird ein Abgriff 4 an der Center Post Welder verwendet. Der Abgriff
4 bezieht sich auf die Anzahl von Windungen in dem Transformator.
Während der
Anlaufperiode, die 3 Zyklen dauert, werden 40 Prozent des maximalen
Abgriffs 4 verwendet. Während
der Schweißperiode,
die 2 Zyklen dauert, werden 85 Prozent des maximalen Abgriffs verwendet,
was zu einem durchschnittlichen Strom von 1410 Volt führt. Bei
dem Nachschweißen
(Schritt 225) ist keine Ausklingperiode vorhanden. Die
Halteperiode folgt der Schweißperiode
und dauert 30 Zyklen.
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Die
Nachschweißvorrichtung
kann ein Center Post Welder sein, hergestellt von der Taylor-Winfield Corporation,
Brookefield, Ohio. Sie kann mit einem EBA 1,5 Kopf ausgestattet
sein.
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Dem
Nachschweißen
folgend wird die Elektrode 115 in dem Isolator 110 der
Zündkerze 100 installiert
(Schritt 230).
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Obwohl
die vorstehende Beschreibung auf eine Zündmittenelektrode 115 gerichtet
worden ist, ist das Verfahren eines Aufbringens der Edelmetallschicht
auf der Erdungselektrode 125 ähnlich. Der einzige Unterschied
liegt in der Orientierung der Elektrode in Bezug auf die Säule 310.
Die Säule
wird, wie 3F zeigt, im Gegensatz dazu,
dass die Säule 310 auf
der Elektrodenfläche
an dem Ende der Elektrode platziert wird, auf der flachen Elektrodenfläche 150 auf
der Seite der Elektrode 125 angeordnet.
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Wie
die 4a-4C zeigen, werden, in einer
anderen Ausführung,
die ersten drei Verfahrensschritte (d. h. 205-215)
kombiniert. Der Draht 305 wird von der Spule 300 abgespult,
mit seiner langen Kante 312 auf der Elektrodenfläche 140 angeordnet und
widerstandsverschweißt.
Einem Befestigen des Drahts folgend wird dieser so geschnitten,
um die Säule 310 an
der Elektrodenfläche 140 befestigt
zu belassen. Die Säule
und die Elektrode werden ansonsten in einer Art und Weise, die identisch
zu der Ausführung
ist, die vorstehend beschrieben ist, verarbeitet. Die Säule 310 wird
nämlich
aufgeprägt
und nachgeschweißt.
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In
einer anderen Ausführung
wird die Säule 310 von
einem Draht 305 abgeschnitten, mit deren langen Kante 312 auf
der Elektrodenfläche 140 angeordnet
und widerstandsverschweißt,
um die Säule
an der Elektrodenfläche
zu befestigen. Der Befestigung folgend wird die Elektrode 115 in
die Zündkerze 100, ohne
zusätzliche
Verfahrensschritte eines Prägens und
eines Nachschweißens,
eingebaut. In einer weiteren Abwandlung kann der Draht von der Spule
abgespult werden, mit seiner langen Kante auf der Elektrodenfläche angeordnet
werden, widerstandsverschweißt
werden und geschnitten werden.
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Andere
Ausführungen
liegen innerhalb des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche.