WO2004109270A1 - Messfühler, mit einem einstückig an ein schutzrohr anformten flansch - Google Patents

Messfühler, mit einem einstückig an ein schutzrohr anformten flansch Download PDF

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WO2004109270A1
WO2004109270A1 PCT/DE2004/000798 DE2004000798W WO2004109270A1 WO 2004109270 A1 WO2004109270 A1 WO 2004109270A1 DE 2004000798 W DE2004000798 W DE 2004000798W WO 2004109270 A1 WO2004109270 A1 WO 2004109270A1
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WO
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flange
protective tube
sensor
protective
housing
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PCT/DE2004/000798
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Helmut Weyl
Juergen Wilde
Andreas Pesch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49007—Indicating transducer

Definitions

  • the invention is based on a measuring sensor for determining a physical property, such as the concentration of a gas component or the temperature, of a measuring gas, in particular the exhaust gas of internal combustion engines.
  • the housing receiving the sensor element is designed as a tubular metal housing with a longitudinal bore.
  • the metal housing On the outer circumference, the metal housing has a one-piece, circumferential flange, which is used to clamp the metal housing on a sealing seat formed on the gas line.
  • the sensor element is inserted with a central section centrally in the metal housing and is by means of a
  • Sealing arrangement which presses on the one hand against the sensor element and on the other hand against the bore wall of the longitudinal bore, and protrudes with a measuring gas end section and a connection end section on both housing sides from the housing.
  • a connector plug is attached to the connection-side end section, which connects the sensor element with connection cables.
  • the connection-side end section with connector is covered by a protective sleeve that opens the metal housing is pushed on and welded to it.
  • the end section of the sensor element on the measuring gas side is enclosed by a protective tube with gas passage openings, which carries at its end on the housing side an outwardly facing annular flange which is fastened on the inside in the metal housing.
  • the sensor element is accommodated in a tubular, metallic housing on which a sealing flange is formed by first compressing the tubular element, whereby a rounded one Bead forms, and then the bead is processed by kneading in such a way that two mutually inclined, axially circumferential sealing surfaces are formed.
  • the sensor element is fixed in the housing and sealed in a gas-tight manner by means of a sealing arrangement, consisting of a molded gas-side ceramic molded part, a connection-side ceramic molded part and a sealing element arranged in between, so that it protrudes from the housing with the measurement gas-side end section.
  • the ceramic molded parts consist of aluminum oxide (A1 2 0 3 ) and have central bushings for the sensor element.
  • the steatite sealing element which also has a bushing for the sensor element, is inserted in a pre-pressed state between the ceramic molded parts. Then, on the measuring gas side, a stamp is applied to the ceramic gas part on the measuring gas side with a contact pressure, which crushes the pre-pressed sealing element and presses it against the housing wall and sensor element. An indentation is then introduced into the housing in order to
  • connection-side molded ceramic part is supported on a radial shoulder present in the housing.
  • a double protective tube with gas through openings is placed over the end section on the sample gas side, pushed into the end of the housing and welded to it.
  • the sealing flange of the housing rests on a sealing seat formed in a connection piece of the exhaust pipe and is clamped by a union nut with an annular surface, which is screwed onto an external thread of the connection piece.
  • the connection piece surrounds gas-tight an insertion hole for the double protective tube arranged in the sample gas line or in the exhaust pipe.
  • the sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the casing of the
  • Sensor element which is also used to mount the sensor on the sample gas line, is composed of components that can be manufactured using fairly simple and inexpensive manufacturing processes and can be assembled in just a few assembly steps.
  • the protective sleeve and / or protective tube are produced as a deep-drawn part, the deep-drawn or trimming edge present after the deep-drawing, which is usually removed after the deep-drawing, being used as a clamping flange for clamping the sensor in the sealing seat of the sample gas line.
  • Stainless, heat-resistant steels or nickel alloys are used as the material for the deep-drawn parts. After deep drawing, the part of the trimming edge that is in the outside of the deep drawing die is held down Area lies, punched out or cut off, so that the flange has a defined radial dimension.
  • the two deep-drawn parts are assembled and welded to the housing made as a simple tube.
  • only the protective sleeve or only the protective tube can be provided with a flange. Providing only one sealing flange on one of the two components opens up the possibility of using a different manufacturing process for the other component than deep drawing.
  • the flange on the protective tube forms the clamping flange for the sealing seat of the
  • the banjo bolt has an annular stop face on one end face, which is able to bear against the protective sleeve on the underside of the flange facing the housing, and an annular clamping face on the other end face, which can be placed on the flange on the protective tube.
  • the housing is formed by an inner protective tube which surrounds the measuring gas end of the sensor element and which in turn is concentrically surrounded by the protective tube.
  • the inner protective tube has a one-piece flange on one of the tube ends facing the protective sleeve, which is joined to the two flanges on the protective tube and on the protective sleeve and is clamped onto the sealing seat.
  • the total of three components namely inner protective tube, protective tube and protective sleeve, are added to the sleeve of the sensor element, and are held in the flange area by tightening on the sealing seat. Additional welds to produce, for example, a laser-welded lap seam or axial I-seam or fillet weld between
  • Housing and protective sleeve on the one hand and housing and protective tube on the other are eliminated. This reduces both the investment and the manufacturing time for the manufacture of the sensor. At the same time, there is greater flexibility in the measurement gas-related lead dimension of the
  • FIG. 1 is a partial side view to 5 of an exhaust gas probe inserted into an exhaust pipe in five different embodiments, partially in section,
  • Fig. 6 shows a longitudinal section of an exhaust gas probe inserted in an exhaust pipe according to a fifth embodiment. Description of the embodiments
  • the exhaust probe shown in Fig. 1 in side view, partially in section and in its installation position in an exhaust pipe 10 of a motor vehicle
  • the exhaust gas probe has a sensor element 14 which is enclosed by a sheath, which is composed of a protective sleeve 11, a tubular housing 12 and a protective tube 13.
  • the sensor element 14 that can only be seen in FIG. 1 with an end section 141 on the measurement gas side through gas passage holes 15 machined into the protective tube 13 is shown completely in FIG. 6.
  • the sensor element 14 is electrically connected at its other, connection-side end section 142 via a connector 16 to connection cables 17.
  • the connecting cables 17 are enclosed by a jacket tube 18.
  • the protective sleeve 11 is produced as an extruded or deep-drawn part and has a tapering section 112, into the opening of which the casing tube 18 is inserted and fastened, for example, by welding.
  • the housing 12 is made from a tube and crimped at its upper end, which is inserted into the protective sleeve 11.
  • the flanged edge 121 serves to support a seal (not shown in FIG. 1) which encloses the sensor element 14 in a gas-tight manner and presses against the inner wall of the housing 12.
  • the protective tube 13 is produced as a deep-drawn part which, at its end pushed over the lower end of the housing 12, carries an annular flange 131 which is integral with it.
  • This flange 131 is from the so-called trimming edge existing after deep drawing formed, which is usually cut off in deep-drawn components.
  • the modulation edge remains on the protective tube 13.
  • the starting material for the production of the protective tube 13 is, for example, a 0.3-0.6 mm thick sheet of stainless, heat-resistant steel or a nickel alloy, the after deep-drawing held down area of the circumference outside the die . is punched out or cut, the cut running, for example, at a distance of approximately 1.5 mm from the outer contour of the protective tube 13.
  • the protective tube 13 and the protective sleeve 11 are pushed onto end regions of the housing 12 which face away from one another and are firmly connected to them, for example by laser beam welding.
  • the exhaust gas tube 10 has an insertion opening 19 in its tube wall 101, which is concentrically surrounded by a connecting piece 20.
  • the hollow cylindrical connecting piece 20 is welded to the tube wall 101 and is provided with a sealing seat 21 for supporting the flange 131 on the protective tube 13 and with an internal thread 22 for screwing in a clamping element 23 designed as a hollow screw 24.
  • the hollow screw 24 serves to fix the exhaust gas probe in the connector 20.
  • the exhaust gas probe with the protective tube 13 is passed through the end piece 20 and the insertion opening 19 in the tube wall 101 until the flange 131 rests on the protective tube 13 on the sealing seat 21.
  • the hollow screw 24 pushed over the protective sleeve 11 and the housing 12 is now screwed with its external thread 241 into the internal thread 22, its end-side annular surface being placed on the flange 131 on the protective tube 13 and braced against the sealing seat 21.
  • the banjo screw 24 carries a hexagon key 242.
  • the exhaust gas probe shown in FIG. 2 is constructed in the same way as described, but with the difference that instead of the protective tube 13, the protective sleeve 11, which is also manufactured as a deep-drawn part, now carries an annular flange 111 which is integral with it.
  • the flange 111 is of the one remaining after deep drawing
  • Protective sleeve 11, housing 12 and protective tube 13 are in turn firmly connected to one another, preferably welded, and enclose sensor element 14. At the
  • connection piece 20 ' here has an external thread 25
  • the clamping element 23 is designed as a union nut 26 with an internal thread 261, with which the union nut 26 can be screwed onto the connection piece 20'.
  • the union nut 26 has near its one end face a radial shoulder 262 which, after the union nut has been pushed on
  • the exhaust gas probe with the protective tube 13 is again passed through the insertion opening 19 in the tube wall 101 until the flange 111 rests on the protective sleeve 11 on the sealing seat 21. Then the union nut 26 surrounding the protective sleeve 11 is opened the connection piece 20 'is screwed on until its radial shoulder 262 fixes the flange 111 of the protective sleeve 11' on the sealing seat 21. Otherwise, the structure of the exhaust gas probe according to FIG. 2 corresponds to that in FIG. 1, so that the same components are provided with the same reference numerals.
  • the clamping element shown there as a union nut is designed here as a hollow screw 24 which, as in FIG. 1, can be screwed into the connecting piece 20.
  • the flue gas probe is placed with the flange 111 on the protective sleeve 11 on the sealing ring 21 formed in the connecting piece 20, and is clamped against the connecting piece 20 when the hollow screw 24 is screwed in via the end face of the hollow screw 24.
  • the use of the flange 111 obtained during deep drawing on the protective sleeve 11 as a clamping flange, as is the case in FIGS. 2 and 3, has advantages over the use of the flange 113 on the protective tube 14 as a clamping flange according to FIG. 1, since usually the Protective sleeve 11 is made with a greater wall thickness than the protective tube 13.
  • FIGS. 4 and 5 of an exhaust gas probe mounted on the exhaust pipe 10 correspond almost completely to the exemplary embodiment of the exhaust gas probe described in relation to FIG. 1, with the exception that the cutting edge present after the deep-drawing process also remains on the protective edge made after the deep-drawing and is punched out or cut to, for example, approximately 1.5 mm from the outer sleeve contour.
  • the flange 111 is used as a stop for the banjo bolt 24 and forms an anti-loss device for the banjo bolt 24.
  • the protective sleeve is joined together 11 and housing 12, the banjo bolt 24 is pushed onto the housing 12 which is firmly connected to the protective tube 13.
  • the protective sleeve 11 is then pushed over the end of the housing 12 and welded to the housing 12.
  • the protective sleeve 11 is now with axial play between the two
  • Banjo bolt 24 in the area of its hexagon socket 242 has an enlarged, clear diameter that is slightly larger than the outer diameter of the flange 111 on the protective sleeve 11.
  • a circumferential inclined shoulder 243 is formed, which, when the banjo screw 24 is axially displaced strikes on the housing 12 on the flange 111 of the protective sleeve 11.
  • the exhaust gas probe is again guided with the protective tube 13 through the insertion opening 19 in the tube wall 101 of the exhaust gas tube 10 until the external thread 241 of the banjo bolt 24 engages in the internal thread 22 of the connecting piece 20. Then, by turning the hollow screw 24, the exhaust gas probe is displaced axially downward until the flange 131 rests on the protective tube 13 on the sealing seat 21 of the connecting piece 20. A further rotation of the hollow screw 24 leads to the non-positive clamping of the flange 131 on the sealing seat 21.
  • the housing 12 in which the sensor element 14 is fixed is an inner protective pipe 27 is formed, which surrounds the measuring gas-side end section 141 of the sensor element 14 and is in turn enclosed by the protective tube 13.
  • the inner protective tube 27 is provided with gas passage holes 32.
  • the inner protective tube 27, like the protective tube 13 and the protective sleeve 11, is produced as a deep-drawn part, the trimming edge present after the deep-drawing being left in all three deep-drawn parts and trimmed to a specific distance from the sleeve wall or protective tube wall.
  • the outer region of the flange 131 on the protective tube 13 is used as a flanged edge 132.
  • the middle section 143 of the sensor element 14 is fixed in the upper region of the inner protective tube 27 which takes over the function of the housing 10 and which has a slightly larger, clear diameter than the lower region of the inner protective tube 27, so that an annular one is formed at the transition between the two tubular regions Shoulder 272 results.
  • a ceramic disk 28 is supported on this shoulder 272 and has a central through hole 29 for the sensor element 14.
  • This seal 30 consists of melting glass or temperature-resistant putty or a foaming
  • the ceramic disk 29 which consists, for example, of fosterite, prevents the melting glass from escaping or the putty from running out. If a foaming ceramic mass is used, then above the. Seal 30 fixed a second ceramic disc, which prevents the foam from being expelled during the baking process.
  • the assembly comprising the inner protective tube 27 and the sensor element 14 fastened therein is inserted into the protective tube 13 such that the flange 271 of the inner protective tube 27 hangs on the flange 131 of the protective tube 13.
  • the protective sleeve 11 is then placed over the connection-side end section 142 of the sensor element 14 received in the connector 16 and its flange 111 is placed on the flange 271 of the inner protective tube 27.
  • the flanged edge 132 present on the flange 131 of the protective tube 13 is flanged onto the flange 111 of the protective sleeve 11.
  • the tapered, end-side section of the protective sleeve 11 is pressed onto an elastic, plug-like molded part 31 which surrounds the connecting cable 17 to the connecting plug 16.
  • the exhaust gas probe assembled in this way is mounted on the exhaust pipe 10 in the manner described in relation to FIG. 1, in that the protective tube 13 is in turn inserted into the exhaust pipe 10 through the insertion opening 19 in the connection piece 20 fastened to the pipe wall of the exhaust pipe 10 until the flange
  • the exhaust gas probe to be prefabricated as a structural unit, which can then be inserted into the exhaust pipe 10 of the internal combustion engine on site.
  • a welded connection between the deep-drawn parts is unnecessary both in the flanging and in the simple clamping, as a result of which the capital expenditure 'in production reduced and shorter cycle times are achieved in manufacturing.
  • the invention is not limited to the described sensor, which is designed as an exhaust gas probe. It can be used in the same way with the same ' advantages for the manufacture of the installation sleeves of sensor elements in temperature sensors, pressure sensors and similar sensors.
  • a temperature sensor is described for example in DE 37 33 192 Cl.
  • a differently designed clamping element 23 can also be used instead of the hollow screw 24 or the union nut 26.
  • the flange on the protective tube 14 or protective sleeve 11 does not itself have to rest on the sealing seat 21 of the connecting piece 20.
  • the housing 12 can also lie on the sealing seat 21 with an inclined shoulder and bring about a gas-tight seal
  • Clamping element 23 continues to engage the flange on protective sleeve 11 or protective tube 14 and creates a tension to connecting piece 20.

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Abstract

Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, wie die Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur, eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Gehäuse (12) festgesetztes Sensorelement (14), dessen messgasseitiger Endabschnitt (141) von einem Schutzrohr (13) und dessen anschlussseitigen Endabschnitt von einer Schutzhülse (11) umschlossen ist, und einen radial abstehenden Flansch zum Festspannen des Messfühlers auf einem an einer Messgasleitung (10) ausgebildeten Dichtsitz (21). Zur Reduktion der Fertigungskosten durch Heranziehen einfacher Fertigungsverfahren ist der Flansch (131) einstückig an dem Schutzrohr (13) angeformt. Vorzugsweise ist das Schutzrohr (13) als Tiefziehteil hergestellt und ein nach dem Tiefziehen verbleibender, endseitiger Beschneidungsrand wird als Festspannflansch (131) verwendet.

Description

MESSFUHLER, MIT EINEM EINSTUC IG AN EIN SCHUTZROHR ANFORMTEN FLANSCH
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, wie die Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur, eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen.
Bei einem bekannten Messfühler zur Detektion von in einer Gasleitung strömenden Gasen (DE 43 18 107 AI) ist das das Sensorelement aufnehmende Gehäuse als rohrförmiges Metallgehäuse mit einer Längsbohrung ausgebildet. Am äußern Umfang besitzt das Metallgehäuse einen einstückigen, umlaufenden Flansch, der zum Festspannen des Metallgehäuses auf einem an der Gasleitung ausgebildeten Dichtsitz dient. Das Sensorelement ist mit einem mittleren Abschnitt zentral in das Metallgehäuse eingesetzt und wird mittels einer
Dichtungsanordnung, die sich einerseits an das Sensorelement und andererseits an die Bohrungswand der Längsbohrung anpresst, festgelegt, und steht mit einem messgasseitigen Endabschnitt und einem anschlussseitigen Endabschnitt an beiden Gehäuseseiten aus dem Gehäuse vor. Auf dem anschlussseitigen Endabschnitt ist ein Anschlussstecker aufgesetzt, der das Sensorelement mit Anschlusskabeln verbindet. Der anschlussseitige Endabschnitt mit Anschlussstecker ist von einer Schutzhülse überdeckt, die auf das Metallgehäuse aufgeschoben und mit dieser verschweißt ist. Der messgasseitige Endabschnitt des Sensorelements ist von einem Schutzrohr mit Gasdurchtrittsöffnungen umschlossen, das an seinem gehäuseseitigen Ende einen nach außen weisenden Ringflansch trägt, der innen im Metallgehäuse befestigt ist.
Bei einem ebenfalls bekannten Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmotoren (DE 197 39 435 AI) ist das Sensorelement in einem rohrförmigen, metallischen Gehäuse aufgenommen, an dem ein Dichtflansch dadurch ausgebildet ist, dass das Rohrelement zunächst gestaucht wird, wobei sich ein gerundeter Wulst ausbildet, und danach der Wulst durch Rundkneten derart bearbeitet wird, dass zwei gegeneinander geneigte, axial um das Gehäuse umlaufende Dichtflächen entstehen. Das Sensorelement ist mittels einer Dichtungsanordnung, bestehend aus einem messgasseitigen Keramikformteil, einem anschlussseitigen Keramikformteil und einem dazwischen angeordneten Dichtelement, im Gehäuse so festgelegt und gasdicht abgedichtet, dass es mit dem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse herausragt. Die Keramikformteile bestehen aus Aluminiumoxid (A1203) und weisen zentrale Durchführungen für das Sensorelement auf. Das ebenfalls eine Durchführung für das Sensorelement aufweisende Dichtelement aus Steatit wird in einem vorgepressten Zustand zwischen die Keramikformteile eingesetzt. Anschließend wird messgasseitig mit einem Stempel auf das messgasseitige Keramik ormteil mit einer Anpresskraft eingewirkt, die das vorgepresste Dichtelement zerquetscht und an Gehäusewand und Sensorelement anpresst. Anschließend wird in das Gehäuse eine Einformung eingebracht, um die
Druckposition bezüglich des Dichtelements zu halten. Das anschlussseitige Keramikformteil stützt sich dabei an einer im Gehäuse vorhandenen Radialschulter ab. Ein Doppelschutzrohr mit Gasdurchtrittsöffnungen wird über den messgasseitigen Endabschnitt gestülpt, endseitig in das Gehäuse eingeschoben und mit diesem verschweißt. In Einbaulage liegt der Dichtflansch des Gehäuses auf einem in einem Anschlussstück des Abgasrohrs ausgebildeten Dichtsitz auf und wird von einer sich mit einer Ringfläche auf den Dichtflansch aufsetzenden Überwurfmutter, die auf einem Außengewinde des Anschlussstücks verschraubt ist, festgespannt. Das Anschlussstück umgibt gasdicht ein in der Messgasleitung bzw. in dem Abgasrohr angeordnetes Einführloch für das Doppelschutzrohr.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Umhüllung des
Sensorelements, die zugleich der Montage des Messfühlers an der Messgasleitung dient, aus Baukomponenten zusammengesetzt ist, die mit recht einfachen und kostengünstigen Fertigungsverfahren hergestellt und in nur wenigen Montageschritten gefügt werden können.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Schutzhülse und/oder Schutzrohr als Tiefziehteil hergestellt, wobei der nach dem Tiefziehen vorhandene Tiefzieh- oder Beschneidungsrand, der üblicherweise nach dem Tiefziehen entfernt wird, als Spannflansch zum Festspannen des Messfühlers im Dichtsitz der Messgasleitung verwendet wird. Als Material für die Tiefziehteile werden nicht rostende, hitzebeständige Stähle oder Nickellegierungen verwendet. Nach dem Tiefziehen wird der Teil des Beschneidungsrands, der in dem außerhalb der Tiefziehmatrize liegenden, niedergehaltenen Bereich liegt, ausgestanzt oder abgeschnitten, so dass der Flansch ein definiertes Radialmaß besitzt. Die beiden Tiefziehteile werden mit dem als einfaches Rohr gefertigten Gehäuse zusammengesetzt und mit diesem verschweißt.
Alternativ kann nur die Schutzhülse oder nur das Schutzrohr mit einem Flansch versehen sein. Das Vorhalten nur eines Dichtungsflansches an einem der beiden Baukomponenten eröffnet die Möglichkeit, für die jeweils andere Baukomponente ein, anderes Fertigungsverfahren als das Tiefziehen einzusetzen.
Werden beide Beschneidungsränder an den Tiefziehteilen als Flansche genutzt, so bildet der am Schutzrohr vorhandene Flansch den Spannflansch für den Dichtsitz der
Messgasleitung, während der Flansch an der Schutzhülse die Funktion einer Verliersicherung für eine auf das Gehäuse aufgeschobene Hohlschraube übernimmt. Die Hohlschraube wird dabei vor dem Zusammenfügen von Schutzhülse und Gehäuse auf das. Gehäuse aufgeschoben. Die Hohlschraube besitzt an der einen Stirnseite eine ringförmige Anschlagfläche, die sich an die zum Gehäuse weisenden Unterseite des Flansches an der Schutzhülse anzulegen vermag, und an der anderen Stirnseite eine ringförmige Spannfläche, die sich auf den Flansch an dem Schutzrohr aufzusetzen vermag.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse von einem das messgasseitige Ende des Sensorelements umschließenden Innenschutzrohr gebildet, das seinerseits von dem Schutzrohr konzentrisch umgeben ist. Das Innenschutzrohr trägt an einem der Schutzhülse zugekehrten Rohrende einen einstückigen Flansch, der mit den beiden Flanschen am Schutzrohr und an der Schutzhülse zusammengefügt und auf dem Dichtsitz festgespannt ist. Durch diese konstruktive Maßnahme übernimmt ' das bei Abgassensoren häufig eingesetzte. Doppelschutzrohr für den messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements zugleich die Funktion des Gehäuses, wobei mit dem Wegfallen des Gehäuses ein Bauteil eingespart wird. Die insgesamt drei Komponenten, nämlich Innenschutzrohr, Schutzrohr und Schutzhülse, werden zu der Hülle des Sensorelements gefügt, und im Flanschbereich durch Festspannen auf dem Dichtsitz gefügt gehalten. Zusätzliche Schweißungen zur Herstellung einer z.B. lasergeschweißten Überlappnaht oder axialen I-Naht oder Kehlnaht zwischen
Gehäuse und Schutzhülse einerseits und Gehäuse und Schutzrohr andererseits entfallen. Dadurch vermindert sich sowohl der Investitionsaufwand als auch die Fertigungszeit für die Herstellung des Messfühlers. Gleichzeitig werden eine größere Flexibilität in dem messgasseitigen Vorstehmaß des
Sensorelements und eine sich ebenfalls kostengünstig auswirkenden Verkürzung des Sensorelements ermöglicht.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 jeweils auszugsweise eine Seitenansicht bis 5 einer in ein Abgasrohr eingesetzten Abgassonde in fünf verschiedenen Ausführungsbeispielen, teilweise geschnitten,
Fig. 6 einen Längsschnitt einer in ein Abgasrohr eingesetzten Abgassonde gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel . Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise geschnitten und in ihrer Einbauposition in einem Abgasrohr 10 eines Kraftfahrzeugs dargestellte Abgassonde als
Ausführungsbeispiel für einen allgemeinen Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, dient als sog. Lambdasonde zum Bestimmen der
Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren. Die Abgassonde weist ein Sensorelement 14 auf, das von einer Hülle umschlossen ist, die sich aus einer Schutzhülse 11, einem rohrförmigen Gehäuse 12 und einem Schutzrohr 13 zusammensetzt. Das in Fig. 1 nur mit einem messgasseitigen Endabschnitt 141 durch in das Schutzrohr 13 eingearbeitete Gasdurchtrittslöcher 15 zu sehende Sensorelement 14 ist in Fig. 6 vollständig dargestellt. Wie dort zu sehen ist, ist das Sensorelement 14 an seinem anderen, anschlussseitigen Endabschnitt 142 über einen Anschlussstecker 16 mit Anschlusskabeln 17 elektrisch verbunden. In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 - 5 sind die Anschlusskabel 17 von einem Mantelrohr 18 umschlossen. Die Schutzhülse 11 ist als Fliesspress- oder Tiefziehteil hergestellt und hat einen sich verjüngenden Abschnitt 112, in dessen Öffnung das Mantelrohr 18 eingeführt und beispielsweise durch Schweißen befestigt ist. Das Gehäuse 12 ist aus einem Rohr hergestellt und an seinem oberen, in die Schutzhülse 11 eingeschobenen Ende eingebördelt. Der Bördelrand 121 dient zum Abstützen einer in Fig. 1 nicht zu sehenden Dichtung, die das Sensorelement 14 gasdicht umschließt und sich an die Innenwand des Gehäuses 12 anpresst. Das Schutzrohr 13 ist als Tiefziehteil hergestellt, das an seinem über das untere Ende des Gehäuses 12 geschobenen Ende einen mit ihm einstückigen, ringförmigen Flansch 131 trägt. Dieser Flansch 131 ist von dem nach dem Tiefziehen vorhandenen, sog. Beschneidungsrand gebildet, der üblicherweise bei tiefgezogenen Bauteilen abgeschnitten wird. Im vorliegenden Fall des Schutzrohrs 13 verbleibt jedoch der Bescheidungsrand an dem Schutzrohr 13. Ausgangsmaterial für die Herstellung des Schutzrohrs 13 ist beispielsweise ein 0,3 - 0,6 mm dickes Blech aus nicht rostendem, hitzebeständigem Stahl oder einer Nickellegierung, wobei nach dem Tiefziehen der außerhalb der Matrize liegende, niedergehaltene Bereich des Beschneidungsrands . ausgestanzt oder geschnitten wird, wobei der Schnitt beispielsweise in einem Abstand von ca. 1,5 mm von der Außenkontur des Schutzrohrs 13 verläuft. Das Schutzrohr 13 und die Schutzhülse 11 sind auf voneinander abgekehrten Endbereichen des Gehäuses 12 aufgeschoben und mit diesen z.B. durch Laserstrahlschweißen fest verbunden.
Zur Aufnahme der Abgassonde weist das Abgasrohr 10 in seiner Rohrwand 101 eine Einführöffnung 19 auf, die konzentrisch von einem Anschlussstück 20 umschlossen ist. Das hohlzylindrische Anschlussstück 20 ist an der Rohrwand 101 angeschweißt und mit einem Dichtsitz 21 zur Auflage des Flansches 131 am Schutzrohr 13 sowie mit einem Innengewinde 22 zum Einschrauben eines als Hohlschraube 24 ausgebildeten Aufspannelements 23 versehen. Die Hohlschraube 24 dient zum Festsetzen der Abgassonde im Anschlussstück 20.
Zum Einbau der Abgassonde in das Abgasrohr 10 wird die Abgassonde mit dem Schutzrohr 13 durch das Abschlussstück 20 und die Einführöffnung 19 in der Rohrwand 101 so weit hindurchgeführt, bis der Flansch 131 am Schutzrohr 13 auf dem Dichtsitz 21 aufliegt. Die über Schutzhülse 11 und Gehäuse 12 geschobene Hohlschraube 24 wird nunmehr mit ihrem Außengewinde 241 in das Innengewinde 22 eingeschraubt, wobei ihr stirnseitige Ringfläche auf den Flansch 131 am Schutzrohr 13 aufsetzt und diesen gegen den Dichtsitz 21 verspannt. Zum Einschrauben in das Anschlussstück 20 trägt die Hohlschraube 24 einen Schlüsselsechskant 242.
Die in Fig. 2 dargestellte Abgassonde ist in gleicher Weise, wie beschrieben, aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, dass .anstelle des Schutzrohrs 13 jetzt die ebenfalls als Tiefziehteil gefertigte Schutzhülse 11 einen mit ihr einstückigen, ringförmigen Flansch 111 trägt. Auch hier ist wiederum, wie zu dem Schutzrohr in Fig. 1 beschrieben, der Flansch 111 von dem nach Tiefziehen verbleibenden
Beschneidungsrand gebildet. Dagegen wird von dem Schutzrohr 13 nach dem Tiefziehen der Beschneidungsrand wie üblich entfernt. Schutzhülse 11, Gehäuse 12 und Schutzrohr 13 sind wiederum fest miteinander verbunden, vorzugsweise verschweißt, und schließen das Sensorelement 14 ein. Beim
Einbau der Abgassonde in das Abgasrohr 10 wird die Abgassonde mit dem Schutzrohr 13 durch die Einführöffnung 19 hindurchgeführt, bis der Flansch 111 an der Schutzhülse 11 auf den am Anschlussstück 20' ausgebildeten Dichtsitz 21 aufliegt. Das Anschlussstück 20' trägt hier ein Außengewinde 25, und das Aufspannelement 23 ist als Überwurfmutter 26 mit einem Innengewinde 261 ausgeführt, mit dem die Überwurfmutter 26 auf dem Anschlussstück 20' verschraubbar ist. Die Überwurfmutter 26 besitzt nahe ihrer einen Stirnseite eine Radialschulter 262, die nach Aufschieben der Überwurfmutter
26 auf die Schutzhülse 11 und Verschrauben der Überwurfmutter 26 auf dem Anschlussstück 2Q' auf dem Flansch 111 der Schutzhülse 11 aufliegt.
Zum Einbau der Abgassonde in das Abgasrohr 10 wird wiederum die Abgassonde mit dem Schutzrohr 13 durch die Einführöffnüng 19 in der Rohrwand 101 hindurchgeführt, bis der Flansch 111 an der Schutzhülse 11 auf dem Dichtsitz 21 aufliegt. Dann wird die die Schutzhülse 11 umgebende Überwurfmutter 26 auf das Anschlussstück 20' aufgeschraubt, bis deren Radialschulter 262 den Flansch 111 der Schutzhülse 11' auf dem Dichtsitz 21 festsetzt. Im übrigen stimmt der Aufbau der Abgassonde gemäß Fig. 2 mit der in Fig. 1 überein, so dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abgassonde ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 das dort als Überwurfmutter abgebildete Aufspannelement hier als Hohlschraube 24 ausgebildet, die - wie in Fig. 1 - in dem Anschlussstück 20 verschraubbar ist. Die Abgassonde ist mit dem Flansch 111 an der Schutzhülse 11 auf dem im Anschlussstück 20 ausgebildeten Dichtring 21 aufgelegt, und wird beim Einschrauben der Hohlschraube 24 über die stirnseitige Ringfläche der Hohlschraube 24 gegen das Anschlussstück 20 verspannt. Das Heranziehen des bei Tiefziehen an der Schutzhülse 11 gewonnenen Flansches 111 als Spannflansch, wie dies in Fig. 2 und 3 der Fall ist, bringt gegenüber der Verwendung des Flansches 113 am Schutzrohr 14 als Spannflansch gemäß Fig. 1 Vorteile mit sich, da üblicherweise die Schutzhülse 11 mit einer größeren Wandstärke als das Schutzrohr 13 hergestellt wird.
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele einer am Abgasrohr 10 montierten Abgassonde stimmen mit dem zu Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Abgassonde nahezu vollständig überein, mit der Ausnahme, dass auch an der als Tiefziehteil gefertigten Schutzhülse 11 der nach dem Tiefziehen vorhandene Beschneidungsrand belassen und auf beispielsweise ca. 1,5 mm von der Hülsenaußenkontur ausgestanzt oder geschnitten wird. Der Flansch 111 wird als Anschlag für die Hohlschraube 24 eingesetzt und bildet eine Verliersicherung für die Hohlschraube 24. In beiden Fällen gemäß Fig. 4 und 5 wird vor dem Zusammenfügen von Schutzhülse 11 und Gehäuse 12 die Hohlschraube 24 auf das mit dem Schutzrohr 13 fest verbundene Gehäuse 12 aufgeschoben. Danach wird die Schutzhülse 11 über das Ende des Gehäuses 12 geschoben und mit dem Gehäuse 12 verschweißt. Die Schutzhülse 11 ist nunmehr mit axialem Spiel zwischen den beiden
Flanschen 111 und 131 an Schutzhülse 11 und Schutzrohr 13 gefangen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 stützt sich das vom Schutzrohr 13 abgekehrte, freie Stirnende der Hohlschraube 24 an dem Flansch 111 der Schutzhülse 11 ab, während in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 die
Hohlschraube 24 im Bereich ihres Schlüsselsechskants 242 einen vergrößerten, lichten Durchmesser aufweist, der wenig größer ist als der Außendurchmesser des Flansches 111 an der Schutzhülse 11. Im Übergangsbereich vom Schlüsselsechskant 242 zu dem Gewindebereich ist eine umlaufende Schrägschulter 243 ausgebildet, die bei Axialverschiebung der Hohlschraube 24 auf dem Gehäuse 12 an den Flansch 111 der Schutzhülse 11 anschlägt .
Zur Montage der Abgassonde gemäß Fig. 4 und Fig. 5 wird die Abgassonde wiederum mit dem Schutzrohr 13 durch die • Einführöffnung 19 in der Rohrwand 101 des Abgasrohrs 10 hindurchgeführt, bis das Außengewinde 241 der Hohlschraube 24 in das Innengewinde 22 des Anschlussstücks 20 eingreift. Dann wird durch Drehen der Hohlschraube 24 die Abgassonde axial nach unten verschoben, bis der Flansch 131 am Schutzrohr 13 auf dem Dichtsitz 21 des Anschlussstücks 20 aufliegt. Eine weitere Drehung der Hohlschraube 24 führt zur kraftschlüssigen Verspannung des Flansches 131 auf dem .Dichtsitz 21.
Bei der in Fig. 6 im Längsschnitt in ihrer Einbauposition im Abgasrohr 10 zu sehenden Abgassonde ist das Gehäuse 12, in dem das Sensorelement 14 festgesetzt ist, als Innenschutzrohr 27 ausgebildet, das den messgasseitigen Endabschnitt 141 des Sensorelements 14 umgibt und seinerseits vom Schutzrohr 13 umschlossen ist. Im Umschließungsbereich ist das Innenschutzrohr 27 mit Gasdurchtrittslöchern 32 versehen. Das Innenschutzrohr 27 ist ebenso wie das Schutzrohr 13 und die Schutzhüls.e 11 als Tiefziehteil hergestellt, wobei bei allen drei Tiefziehteilen der nach dem Tiefziehen vorhandene Beschneidungsrand belassen und auf ein bestimmtes Abstandmaß zur Hülsenwand bzw. Schutzrohrwand beschnitten wird. Der äußere Bereich des Flansches 131 am Schutzrohr 13 wird als Bördelrand 132 genutzt.
Das Sensorelement 14 ist mit seinem mittleren Abschnitt 143 in dem die Funktion des Gehäuses 10 übernehmenden, oberen Bereich des Innenschutzrohrs 27 festgelegt, der einen etwas größeren, lichten Durchmesser als der untere Bereich des Innenschutzrohrs 27 aufweist, so dass sich am Übergang beider Rohrbereiche eine ringförmige Schulter 272 ergibt. An dieser Schulter 272 stützt sich eine Keramikscheibe 28 ab, die ein zentrales Durchführloch 29 für das Sensorelement 14 aufweist. Auf der Keramikscheibe 28 liegt eine Dichtung 30 auf, die einerseits das Sensorelement 14 dicht umschließt und sich andererseits an die Innenwand des Innenschutzrohrs 27 anpresst. Diese Dichtung 30 besteht aus Einschmelzglas oder temperaturbeständigem Kitt oder aus einer schäumenden
Keramikmasse. Bei der Herstellung der Dichtung 30 verhindert die Keramikscheibe 29, die z.B. aus Fosterit besteht, das Austreten des Schmelzglases oder das Auslaufen des Kittes. Wird eine schäumende Keramikmasse verwendet, so wird oberhalb der. Dichtung 30 eine zweite Keramikscheibe fixiert, die das Austreiben des Schaums während des Ausheizvorgangs verhindert. Die Baueinheit aus Innenschutzrohr 27 und darin befestigtem Sensorelement 14 wird in das Schutzrohr 13 so eingesetzt, dass sich der Flansch 271 des Innenschutzrohrs 27 auf den Flansch 131 des Schutzrohrs 13 auflegt. Dann wird die Schutzhülse 11 über den im Anschlussstecker 16 aufgenommenen anschlussseitigen Endabschnitt 142 des Sensorelements 14 gestülpt und mit ihrem Flansch 111 auf den Flansch 271 des Innenschutzrohrs 27 aufgelegt. Danach wird der am Flansch 131 des Schutzrohrs 13 vorhandene Bördelrand 132 auf den Flansch 111 der Schutzhülse 11 aufgebördelt . Der verjüngte, endseitige Abschnitt der Schutzhülse 11 wird auf ein die Anschlusskabel 17 zum Anschlussstecker 16 umschließendes, elastisches, stopfenartiges Formteil 31 aufgepresst.
Die- so zusammengesetzte Abgassonde wird in der zu Fig. 1 beschriebenen Weise am Abgasrohr 10 montiert, indem das Schutzrohr 13 wiederum durch die Einführöffnung 19 in dem an der Rohrwand des Abgasrohrs 10 befestigten Anschlussstück 20 hindurch in das Abgasrohr 10 eingeführt wird, bis der Flansch
131 am Schutzrohr 13 auf dem im Anschlussstück 20 ausgebildeten Dichtsitz 21 aufliegt. Dann wird die Hohlschraube 24 in das Anschlussstück 20 eingeschraubt. Die Hohlschraube 24 presst sich mit ihrer stirnseitigen
Ringfläche auf den Bördelrand 132 des Schutzrohrs 13 auf, so dass die Abgassonde im Anschlussstück 20 kraftschlüssig festgespannt ist.
Der am Flansch 131 des Schutzrohrs 13 ausgebildete Bördelrand
132 ermöglicht die Vorfertigung der Abgassonde als Baueinheit, die dann vor Ort in das Abgasrohr 10 der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, auf den Bördelrand 132 zu verzichten und die drei Tiefziehteile, die das Sensorelement 14 umhüllen, mit ihren Flanschen 131, 271 und 111 aufeinanderzulegen und mittels der Hohlschraube 24 zusammenzuspannen. Sowohl bei der Umbördelung als auch beim einfachen Klemmen erübrigt sich eine Schweißverbindung zwischen den Tiefziehteilen, wodurch sich der Investitionsaufwand' in der Fertigung verringert und kürzere Taktzeiten bei der Fertigung erreicht werden. Der Ersatz des teueren, häufig als Drehteil hergestellten Gehäuses durch das als Fließpress- oder Tiefziehteil hergestellte Innenschutzrohr führt insbesondere bei Abgassonden, bei denen ein sog. Doppelschutzrohr für den messgasseitigen Endabschnitt 141 des • Sensorelements 24 gefordert wird, zu einer Bauteilereduzierung und einer Fertigungskosteneinsparung.
Die Erfindung ist nicht auf den beschriebenen, als Abgassonde ausgebildeten Messfühler beschränkt. Sie kann in gleicher Weise mit gleichen' Vorteilen auch zur Herstellung der Einbauhüllen von Sensorelementen in Temperaturfühlern, Druckfühlern und ähnlichen Sensoren eingesetzt werden. Ein Temperaturfühler ist beispielsweise in der DE 37 33 192 Cl beschrieben.
Weiterhin kann anstelle der Hohlschraube 24 oder der Überwurfmutter 26 auch ein anders gestaltetes Aufspannelement 23 verwendet werden. Dabei muss der Flansch an Schutzrohr 14 oder Schutzhülse 11 auch nicht selbst auf dem Dichtsitz 21 des Anschlussstücks 20 aufliegen. Beispielsweise kann auch das Gehäuse 12 mit einer Schrägschulter auf dem Dichtsitz 21 aufliegen und eine gasdichte Abdichtung bewirken, wobei das
Aufspannelement 23 nach wie vor an dem Flansch an Schutzhülse 11 oder Schutzrohr 14 angreift und eine Verspannung zum Anschlussstück 20 herstellt.

Claims

Ansprüche
1. Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, wie die Konzentration einer Gaskomponente oder die Temperatur, eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, mit einem Sensorelement (14), das in einem Gehäuse (12) festgesetzt und an einem messgasseitigen Endabschnitt (141) von einem Schutzrohr (13) und an einem anschlussseitigen Endabschnitt (142) von einer Schutzhülse (11) umschlossen ist, und mit einem radial abstehenden Flansch zum Festspannen des Messfühlers auf einem an einer Messgasleitung ausgebildeten Dichtsitz (21), dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (111; 131) einstückig an der
Schutzhülse (11) und/oder an dem Schutzrohr (13) angeformt ist.
2. Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülse (11) und/oder das Schutzrohr (13) als
Tiefziehteil hergestellt ist und ein nach dem Tiefziehen verbleibender, endseitiger Beschneidungsrand den Flansch (111; 131) bildet.
3. Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einerseits mit der Schutzhülse (11) und andererseits mit dem Schutzrohr (13), vorzugsweise durch Schweißen, fest verbunden ist.
4. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch ein am Flansch (111; 131) angreifendes Aufspannelement (23), das vorzugsweise als Hohlschraube (24) oder Überwurfmutter (26) ausgebildet is .
5. Messfühler nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (131) am Schutzrohr
(13) mittels einer auf das Gehäuse (12) aufgeschobenen Hohlschraube (24), die sich mit einer ringförmigen
Stirnfläche auf dem Flansch (131) aufzusetzen vermag, aufspannbar ist und dass der Flansch (111) an der Schutzhülse (11) einen dass Abnehmen der Hohlschraube (24) vom Gehäuse (12) verhindernden Anschlag bildet.
6. Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) von einem den messgasseitigen Endabschnitt (141) des Sensorelements
(14) umschließenden Innenschutzrohr (27) gebildet ist, das seinerseits von dem Schutzrohr (13) umgeben ist und an einem der Schutzhülse (11) zugekehrten Rohrende einen einstückigen Flansch (271) trägt und dass die Flansche (131, 271, 111) am Schutzrohr (13), am Innenschutzrohr (27) und an der Schutzhülse (11) aufeinandergelegt und auf dem Dichtsitz (21) festspannbar sind.
7. Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (131) am Schutzrohr (13) einen einstückigen Bördelrand (132) aufweist, der auf den Flansch (111) an der Schutzhülse (11) aufgebördelt ist, und dass der Flansch (271) am Innenschutzrohr (27) zwischen den Flanschen (131, 111) am Schutzrohr (13) und an der Schutzhülse (11) eingespannt ist.
8. Messfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (131) am Schutzrohr (13) von einem auf den Bördelrand (132) sich aufsetzenden, die Schutzhülse (11) konzentrisch umgebenden Aufspannelement (23) auf den Dichtsitz (21) festspannbar ist.
9. Messfühler nach einem der Ansprüche 6 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) gegenüber der Innenwand des Innenschutzrohrs (27) durch Einschmelzglas, temperaturbeständigen Kitt oder einer schäumenden Keramikmasse gasdicht abgedichtet ist.
10. Messfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenschutzrohr (27) einen im Durchmesser reduzierten Rohrabschnitt aufweist und dass in dem durchmessergrößeren ' Rohrabschnitt' eine Keramikscheibe (28) mit einem zentralen Durchführloch (29) für das Sensorelement (14) einliegt, die sich an einer zwischen den Rohrabschnitten gebildeten Schulter (272) abstützt.
11. Messfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flanschseitige Öffnung des Innenschutzrohrs (27) mit einer ein zentrales Durchführloch für das Sensorelement (14) aufweisenden weiteren Keramikscheibe abgedeckt ist und dass der Zwischenraum zwischen den beiden Keramikscheiben (28) mit aufgeschäumter Keramikmasse gefüllt ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Messfühlers für die Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft, wie die Konzentration einer Gaskomponente oder die Temperatur, eines Messgases, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, bei dem ein Sensorelement (14) in einem Gehäuse (12) mit zwei Endabschnitten (141, 142) axial aus dem Gehäuse (14) vorstehend festgesetzt wird, über den einen Endabschnitt (141) ein Schutzrohr (13) und über den anderen Endabschnitt (142) eine Schutzhülse (11) gestülpt wird und Schutzrohr (13) und Schutzhülse (11) mit dem Gehäuse (12) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (13) und/oder die Schutzhülse (11) tiefgezogen und ein nach dem Tiefziehen am Tiefziehteil verbleibender, endseitiger Beschneidungsrand als Montageflansch für den Messfühlereinbau belassen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschneidungsrand auf ein vorgegebenes Radialmaß beschnitten oder gestanzt wird.
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