EP0044922A1 - Membran-Schaltelement zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung - Google Patents

Membran-Schaltelement zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung Download PDF

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EP0044922A1
EP0044922A1 EP81104351A EP81104351A EP0044922A1 EP 0044922 A1 EP0044922 A1 EP 0044922A1 EP 81104351 A EP81104351 A EP 81104351A EP 81104351 A EP81104351 A EP 81104351A EP 0044922 A1 EP0044922 A1 EP 0044922A1
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membrane
diaphragm
pressure difference
chambers
pressure differential
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EP81104351A
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Hellmuth Dipl.-Ing. Gutjahr
Ditrich Dipl.-Ing. Lenzen
Berthold Pscheidt
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Knecht Filterwerk GmbH
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Knecht Filterwerk GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/02Air cleaners
    • F02M35/08Air cleaners with means for removing dust, particles or liquids from cleaners; with means for indicating clogging; with by-pass means; Regeneration of cleaners
    • F02M35/09Clogging indicators ; Diagnosis or testing of air cleaners

Definitions

  • the invention relates to a diaphragm switching element for actuating a differential pressure-controlled display device for excessive contamination of an intake air filter of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Such a display device is known for example from DE-AS 12 32 788.
  • the vacuum chamber and atmosphere are separated by a so-called inverted membrane, which is spring-loaded.
  • a kind of pin is articulated in the center of the membrane, which follows the deflection of the membrane center and triggers an optical display when the membrane is in a corresponding vacuum position.
  • the pen for the optical display of the vacuum is subject to slight vibrations. As long as it is a purely optical display, this is no longer a problem because of the low vibration deflection.
  • a vibration of the indicator pin is disadvantageous when the pin is not intended to give an optical indicator signal, but is used to actuate an electrical contact to trigger an indicator signal when a certain differential pressure is exceeded. This is because the vibrations in the switching area lead to undesirable contact fluctuations, which lead to premature wear of the contacts.
  • the essential feature of this device is the use of a plate-shaped membrane, taking advantage of its residual stresses present in certain positions to stabilize the contactor at the time of switching, ie when the predetermined differential pressure value triggering the display is exceeded.
  • This is achieved in that the plate membrane is installed in such a way that, in the absence of differential pressure, it is biased in its end position opposite the tension-free final resting position by the spring which loads it.
  • the membrane center moves towards the tension-free final resting position of the membrane.
  • the membrane passes through an unstable area in which its internal stresses cancel each other out in the axial direction.
  • the diaphragm is now adjusted via the springs that load it so that the pressure difference value, when exceeded, a display signal is triggered should come to lie in the so-called unstable area of the membrane.
  • Exceeding the pressure difference value means that the effect of the vacuum is still supported by the potential energy acting in the direction of the final resting position after the unstable position in the membrane has been exceeded. This results in a kind of snap effect, which leads to a vibration-free closing of the electrical contact for triggering the display signal as in the toggle switches known in electrical engineering.
  • the decreasing differential pressure in a transition area also counteracts the membrane force that is required to re-tension the membrane force.
  • An internal combustion engine 1 is connected to an intake air filter 5 via an intake duct 2, into which the membrane switching element 3 according to the invention protrudes, and a carburetor 4 with a throttle valve which can be actuated at will.
  • the intake air filter 5 is divided into a clean air space 7 and a raw air space 8 by a filter insert 6.
  • the membrane switching element 3 consists of a two-part housing consisting of upper housing part 9 and lower housing part 10, which are connected to one another by a snap connection.
  • a plate-shaped membrane 12 made of elastic material, e.g. Silicone rubber, sealingly clamped with its outer, annular peripheral bead 13 and divides the housing into two chambers 14, 15.
  • One chamber 14 communicates with the surrounding atmosphere and the other chamber 15 communicates with the intake duct 2 via an opening 16.
  • the truncated cone-shaped membrane 12 according to FIG. 3 in its relaxed state has, in addition to the outer circumferential bead 13, a lateral surface 17 which connects the outer circumferential bead 13 to an inner, annular circumferential bead 18.
  • a multiple offset, shouldered, partially hollow shift rod 19 is guided at its lower, perforated sleeve-shaped end 20 with the lower housing part 10.
  • a compression spring 22 rests on a shoulder 21, which is supported at its other end on the lower housing part 10.
  • Partition plane 11 clamped between the upper and lower parts of the housing and each have an angled part 30, 31 with which the contact disk 26 can be brought into contact for triggering a switching signal.
  • the membrane 12 is sealingly connected to the shift rod 19 with its inner, annular peripheral bead 18.
  • the membrane 12 When assembling the membrane switching element 3, the membrane 12 is inserted as shown in FIG. 3.
  • the inner circumferential bead 18, viewed axially, lies in a plane below the plane in which the outer circumferential bead 13 lies and rises in the direction of the chamber 15 acted upon by the negative pressure of the intake duct 2.
  • the compression spring 22 is designed so that when the membrane switching element 3 is assembled, the maximum vacuum in the intake duct of e.g. Compensates 35 millibars and the switching mechanism assumes a position as shown in Fig. 2.
  • the axial upward stroke of the shift rod 19 is limited by the contact disk 26 being placed on the shoulder 27 of the upper housing part 9.
  • the shift rod is moved upward, the membrane 12 is moved from its installed position according to FIG. 3 into a position according to FIG. 2, whereby in this way it is moved beyond the position of an unstable intermediate layer and tensioned.
  • the switching point is determined after the membrane switching element has been assembled in an adjustment process in which the vacuum 15 corresponding to the switching point, e.g. 50 mbar is applied at a certain ambient temperature by prestressing the compression spring 25.
  • the position of the membrane 12 in the housing 9, 10 is selected so that the negative pressure of 50 mbar, beyond which the electrical contact to trigger the display signal is to be closed, then on the membrane 12 pending when it is currently in its unstable intermediate position.
  • this target differential pressure is exceeded, not only the resulting force from the negative pressure and the force of the springs acting on the diaphragm, but also the potential energy of the residual stresses in the diaphragm itself, which wants to bring the diaphragm to rest, acts on the contact.
  • the additional diaphragm force can assume a value of approximately 3 mbar in the present case.
  • the electrical contact for triggering the display signal is brought about in that the contact disk 26 connects the contact brackets 28, 29 to one another.
  • the electrical switching signal can e.g. a visual display on the dashboard of the vehicle can be triggered.

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Abstract

Ein Membran-Schaltelement (3) zur Betätigung einer differenzdruckgesteuerten Anzeigevorrichtung für übermässige Verschmutzung eines Ansauglufttilters (5) eines Verbrennungsmotors (1) enthält eine tellerförmige federbelastete Membran (12). Vor dem Auslösen des Schaltimpulses ist die Membran (12) gespannt und so eingebaut, daß sie im Schaltpunkt in ihr gespeicherte potentielle Energie in kinetische, den Schaltvorgang unterstützende Energie umwandelt. Dadurch wirkt das Schaltelement (3) wie ein elektrischer Kippschalter, bei dem die elektrischen Kontakte durch schnelles Schließen und Öffnen vor übermäßigem Verschleiß geschützt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Membran-Schaltelement zur Betätigung einer differenzdruckgesteuerten Anzeigevorrichtung für übermäßige Verschmutzung eines Ansaugluftfilters eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Anzeigevorrichtung ist z.B. aus der DE-AS 12 32 788 bekannt. Bei dieser Vorrichtung erfolgt die Trennung zwischen Unterdruckkammer und Atmosphäre über eine sogenannte Stülpmembran, die federbelastet ist. Im Zentrum der Membran ist eine Art Stift angelenkt, der der Auslenkung des Membranzentrums folgt und bei einem bestimmten Unterdruck entsprechender Lage der Membran eine optische Anzeige auslöst. Durch die Verwendung einer Stülpmembran wird der Einfluß von Eigenspannungen im Membranmaterial im axialen Verschiebe-bereich der Membran weitgehendst ausgeschlossen. Dem Unterdruck wirkt somit die Kraft der auf die Membran einwirkenden Feder praktisch ungestört von Einflüssen der Membran entgegen. Da dem zu messenden Unterdruck systembedingt gewisse Pulsationen überlagert sind und andererseits die gesamte Anzeigevorrichtung mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist, unterliegt der Stift für die optische Anzeige des Unterdruckes geringfügigen Schwingungen. Dies ist, so lange es sich um eine rein optische Anzeige handelt wegen des geringen Schwingungsausschlages nicht weiter störend. Nachteilig ist eine solche Schwingung des Anzeigestiftes jedoch dann, wenn der Stift nicht ein optisches Anzeigesignal geben soll, sondern dazu verwendet wird, bei Überschreiten eines bestimmten Differenzdruckes einen elektrischen Kontakt zur Auslösung eines Anzeigesignals zu betätigen. Hierbei führen die Schingungen nämlich im Schaltbereich zu unerwünschten Kontaktschwankungen, die zu einem frühzeitigen Verschleiß der Kontakte führen.
  • Hier Abhilfe zu schaffen, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
  • Gelöst wird sie durch einen Aufbau des Membran-Schaltelements nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
  • Das wesentliche Merkmal dieser Einrichtung ist die Verwendung einer tellerförmigen Membran unter Ausnützung von deren in bestimmten Lagen vorhandenen Eigenspannungen zur Stabilisierung des Kontaktgebers im Schaltzeitpunkt, d.h. bei Überschreiten des die Anzeige auslösenden vorgegebenen Differenzdruckwertes. Dies wird dadurch erreicht, daß die Teller-Membran so eingebaut ist, daß sie bei fehlendem Differenzdruck in ihrer der spannungsfreien Endruhelage gegenüberliegenden Endlage durch die sie belastende Feder vorgespannt ist. Bei einsetzendem Unterdruck bewegt sich das Membranzentrum dann in Richtung auf die spannungsfreie Endruhelage der Membran hin. Dabei durchfährt die Membran einen labilen Bereich, in dem sich ihre Eigenspannungen in Axialrichtung gegenseitig aufheben. Über die sie belastenden Federn wird die Membran nun so justiert, daß der Druckdifferenzwert, bei dessen Überschreitung ein Anzeigesignal ausgelöst werden soll, in den sogenannten labilen Bereich der Membran zu liegen kommt. Ein überschreiten des Druckdifferenzwertes führt dazu, daß die Wirkung des Unterdrucks noch durch die nach Überschreiten der labilen Lage in der Membran frei wer de in Richtung der Endruhelage wirkende potentielle Energie unterstützt wird. Dadurch kommt es zu einer Art Schnappeffekt, der zu einem schwingungsfreien Schließen des elektrischen Kontaktes zur Auslösung des Anzeigesignals wie bei den in der Elektrotechnik bekannten Kippschaltern führt. Für ein öffnen des elektrischen Kontaktes wirkt dem abnehmenden Differenzdruck in einem übergangsbereich zunächst zusätzlich noch die Membrankraft entgegen, die zum erneuten Spannen der Membrankraft erforderlich ist. Auf diese Weise kommen bei der erfindungsgemäßen Lösung im Schaltbereich Pulsationen des Unterdrucks und mechanische Schwingungen zumindest in einem begrenzten Rahmen nicht zum Tragen. Dies ist der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung, bei der eine lange Lebensdauer der elektrischen Kontakte durch deren Betätigung nach Art des bekannten elektrischen Kippschalters gewährleistet ist.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung gibt Anspruch 2 wieder.
  • Anhand der Zeichnung sollen Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert werden.
  • Es zeigen
    • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines an den Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors angeschlossenen Ansaugluftfilters mit der Anordnung des erfindungsgemäßen Membran-Schaltelements
    • Fig. 2 das erfindungsgemäße Membran-Schaltelement in Seitenansicht geschnitten in wiederum schematischer Darstellung
    • Fig. 3 die erfindungsgemäße Membran in Seitenansicht im Schnitt
  • Ein Verbrennungsmotor 1 ist über einen Ansaugkanal 2, in welchen das erfindungsgemäße Membran-Schaltelement 3 hineinragt, und einen Vergaser 4 mit willkürlich betätigbarer Drosselklappe mit einem Ansaugluftfilter 5 verbunden. Der Ansaugluftfilter 5 wird durch einen Filtereinsatz 6 in einen Reinluftraum 7 und einen Rohluftraum 8 aufgeteilt.
  • Das Membran-Schaltelement 3 besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse aus Gehäuseoberteil 9 und Gehäuseunterteil 10, die durch eine Schnappverbindung miteinander verbunden sind. In der Trennebene 11 zwischen den Gehäuseteilen 9,10 ist eine tellerförmige Membran 12 aus elastischem Werkstoff, z.B. Silikonkautschuk, mit ihrem äußeren, kreisringförmigen Umfangswulst 13 dichtend eingespannt und teilt das Gehäuse in zwei Kammern 14, 15 auf. Die eine Kammer 14 steht mit der umgebenden Atmosphäre und die andere Kammer 15 über eine öffnung 16 mit dem Ansaugkanal 2 in Verbindung.
  • Die in ihrem entspannten Zustand kegelstumpfförmige Membran 12 gemäß Figur 3 weist außer dem äußeren Umfangswulst 13 eine Mantelfläche 17 auf, die den äußeren Umfangswulst 13 mit einem inneren, kreisringförmigen Umfangswulst 18 verbindet. Eine mehrfach abgesetzte, mit Schultern versehene, teilweise innen hohle Schaltstange 19 wird an ihrem unteren, mit Durchbrüchen versehenen hülsenförmigen Ende 20 mit Gehäuseunterteil 10 geführt. Im Inneren dieses hülsenförmigen Teils liegt an einer Schulter 21 eine Druckfeder 22 an, die an ihrem anderen Ende am Gehäuseunterteil 10 sich abstützt.
  • An dem gegenüberliegenden Ende 23 der Schaltstange 19 liegt auf einer weiteren Schulter 24 eine durch eine Druckfeder 25 beaufschlagte Kontaktscheibe 26 lose auf, die den Hub der Schaltstange 19 durch Anlegen an eine Schulter 27 des Gehäuseoberteils 9 begrenzt. Zwei Kontaktbügel 28, 29 sind in der
  • Trennebene 11 zwischen Gehäuseober- und -unterteil eingespannt und weisen jeweils einen abgewinkelten Teil 30, 31 auf, mit dem die Kontaktscheibe 26 zum Auslösen eines Schaltsignals in Berührung bringbar ist. Zwischen dem oberen Ende 23 und dem unteren Ende 20 der Schaltstange ist die Membran 12 mit ihrem inneren, ringförmigen Umfangswulst 18 mit der Schaltstange 19 dichtend verbunden.
  • Beim Zusammenbau des Membran-Schaltelements 3 wird die Membran 12 so wie in Fig. 3 dargestellt eingelegt. Dabei liegt der inneie Umfangswulst 18, axial gesehen, in einer Ebene unterhalb der Ebene, in der der äußere Umfangswulst 13 liegt und steigt in Richtung der mit dem Unterdruck des Ansaugkanals 2 beaufschlagten Kammer 15.
  • Die Druckfeder 22 ist so ausgelegt, daß sie bei zusammengesetztem Membran-Schaltelement 3 den bei unverschmutztem Filtereinsatz maximal anstehenden Unterdruck im Ansaugkanal von z.B. 35 Millibar ausgleicht und der Schaltmechanismus eine Lage einnimmt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der axiale Hub der Schaltstange 19 nach oben wird dabei durch das Anlegen der Kontaktscheibe 26 an die Schulter 27 des Gehäuseoberteils 9 begrenzt. Bei diesem Verschieben der Schaltstange nach oben wird die Membran 12 aus ihrer Einbaulage gemäß Fig. 3 in eine Lage gemäß Fig. 2 bewegt, wobei sie auf diesem Weg über die Stellung einer labilen Zwischenlage hinaus weiterbewegt und gespannt wird.
  • Die Festlegung des Schaltpunktes erfolgt nach dem Zusammenbau des Membran-Schaltelements in einem Justiervorgang, bei dem an die Kammer 15 der dem Schaltpunkt entsprechende Unterdruck von z.B. 50 mbar bei einer bestimmten Umgebungstemperatur angelegt wird, durch Vorspannen der Druckfeder 25.
  • Die Lage der Membran 12 in dem Gehäuse 9, 10 wird dabei so gewählt, daß der Unterdruck von 50 mbar, bei dessen Überschreitung der elektrische Kontakt zur Auslösung des Anzeigesignals geschlossen werden soll, dann an der Membran 12 ansteht, wenn sich diese gerade in ihrer labilen Zwischenlage befindet. Dadurch wirkt bei Überschreiten dieses Soll-Differenzdruckes auf den Kontakt nicht nur die resultierende Kraft aus Unterdruck und Kraft der auf die Membran einwirkenden Federn, sondern zusätzlich auch noch die die Membran in Ruhelage bringen wollende potentielle Energie der Eigenspannungen in der Membran selbst. Die zusätzliche Membrankraft kann im vorliegenden Fall einen Wert von etwa 3 mbar annehmen. Dadurch werden bei einmal ausgelöstem elektrischen Kontakt um bis zu 3 mbar auftretende Unterdruckerniedrigungen, wie sie leicht durch Pulsationen auftreten können, nicht wirksam, d.h. sie führen nicht zu einem öffnen des Kontaktes. Der Kontakt kann vielmehr erst wieder geöffnet werden, wenn die Druckerniedrigung den Wert von hier z.B. 3 mbar überschreitet.
  • Konkret wird der elektrische Kontakt zur Auslösung des Anzeigesignals dadurch bewirkt, daß die Kontaktscheibe 26 die Kontaktbügel 28, 29 miteinander verbindet. Durch das elektrische Schaltsignal kann z.B. eine optische Anzeige am Armaturenbrett des Fahrzeuges ausgelöst werden.

Claims (2)

1. Membran-Schaltelement zur Betätigung einer differenzdruckgesteuerten Anzeigevorrichtung für übermäßige Verschmutzung eines Ansaugluftfilters (5) eines Verbrennungsmotors (1) mit einer Membran (12) aus elastischem Werkstoff, die mit ihrem Umfangswulst (13) in einem Gehäuse (9,10) eingespannt dieses in zwei Kammern (14,15) trennt und im Zentrum an eine senkrecht zur Einspannebene betätigbare , federbelastete Schaltstange (19) angelenkt ist, die bei Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern (14,15) der daraus resultierenden Verschiebung des Zentrums der Membran (12) mit der inneren Umfangswulst (18) folgt und bei überschreiten einer vorbestimmten Druckdifferenz eine Anzeige bewirkt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale
(a) die Membran (12) ist tellerförmig ausgebildet und derart eingebaut, daß sie sich bei fehlender Druckdifferenz zwischen den Kammern (14,15) in der ihrer entspannten Endruhelage (12 in Fig. 3) entgegengesetzten Endruhelage (12 in Fig.2) befindet und sich bei steigender Druckdifferenz unter Verschieben ihres Zentrums mit der inneren Umfangswulst (18) durch die Einspannebene ihres äußeren Umfangswulstes (13) hindurch und unter Durchlaufen einer sich dabei einstellenden labilen Zwischenlage auf ihre entspannte Endruhelage (12 in Fig.3) zu bewegt,
(b) die an die Membran (12) angelegte Federkraft (22,25) ist so ausgelegt, daß die Membran (12) sich bei der Druckdifferenz, bei deren Überschreiten die Schaltstange (19) eine Anzeige auslösen soll, in der labilen Zwischenlage befindet, aus der sie bei weiter ansteigender Druckdifferenz durch Unterstützung der dann frei werdenden in ihr gespeicherten potentiellen Energie ihrer entspannten Endruhelage (12 in Fig.3) zustrebt,
(c) die an der Membran (12) angelenkte Schaltstange (19) betätigt zur Anzeige der überschrittenen vorgegebenen Druckdifferenz einen elektrischen Kontakt (26,31).
2. Membran-Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei der labilen Zwischenlage der Membran (12) der innere Umfangswulst (18) und der äußere Umfangswulst (13) etwa in einer Ebene (11) liegen.
EP81104351A 1980-07-30 1981-06-05 Membran-Schaltelement zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung Expired EP0044922B1 (de)

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EP0044922A1 true EP0044922A1 (de) 1982-02-03
EP0044922B1 EP0044922B1 (de) 1984-01-18

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EP0044922B1 (de) 1984-01-18
DE3028858A1 (de) 1982-02-18
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