DE19547313A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen der im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 bzw. 6 und 8 genannten Art.

Maschinenteile müssen in vielen Fällen über eine Dichtung abge­ dichtet miteinander verbunden werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Verbindung zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, zwischen denen eine Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Die Dichtung muß hierbei beispielsweise das Kühlwasser, das Schmieröl und die Gase im Brennraum abdichten. Hierbei muß die Dichtung trotz der starken thermischen Beanspruchungen vertikale und horizontale Bewegungen des Zylinderkopfes gegenüber dem Motorblock ausgleichen und eine Anpassung an Bearbeitungsungenauigkeiten der gegeneinander abge­ dichteten Flächen ergeben. Die erzielte Dicht- und Anpassungs­ wirkung wird in großem Ausmaß von den Eigenschaften der Dichtung in Verbindung mit der auf die Dichtung von den Maschinenteilen ausgeübten Anpreßkraft bestimmt.

Die Messung der von den beiden Maschinenteilen auf die Dichtung ausgeübten Vorspannkraft, der Verformung der Dichtung und der im laufenden Betrieb der Maschinenteile auftretenden Bewegungen ist sehr schwierig, da die Vorspannkräfte sehr groß sind.

Es wurde bereits versucht, die im Betrieb der Maschinenteile auftretenden Bewegungen mit Hilfe von Lichtleitern, Lasertechnik und Ultraschall zu messen, die senkrecht zu den Dichtstellen eingebracht werden müssen. Bei Verwendung dieser Meßtechniken sind aufwendige Änderungen beispielsweise im Zylinderkopf oder dem Motorblock erforderlich, wobei diese Meßstellen die Dicht­ wirkung beeinträchtigen können. Aufgrund der geringen Bauhöhe der Dichtung ist auch die Verwendung von den Meßstreifen nicht möglich. Die Verwendung von Piezoquarzen führt aufgrund der hohen Vorspannkräfte und der vergleichsweise kleinen Bewegungen zu geringen Nutzsignalen mit ungünstigen Signal-Rausch- Abständen. Auch induktive Meßverfahren können aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Raumes nicht verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die eine einfache Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zweier durch eine Dichtung getrennter Maschinenteile mit geringem Aufwand und hoher Nutzsignalstärke mit gutem Signal- Rausch-Abstand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 6 und 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung wird die Dichtwirkung der Dichtung zwischen den Maschinenteilen in keiner Weise beeinträchtigt, und die hohen Vorspannkräfte beeinträchtigen den Signal-Rausch-Abstand des Nutzsignals nicht.

Da die kapazitive Messung des Abstandes bzw. der Bewegung lediglich in die Dichtung eingebettete Kondensatorbeläge und/oder Flachspulen erfordert, kann eine Vielzahl derartiger Meßpunkte über die Dichtung verteilt angeordnet sein, ohne daß die Dichtwirkung beeinträchtigt wird. Dies ermöglicht eine Kontrolle der Arbeitsbedingungen an einer Vielzahl von über die Fläche der Dichtung verteilten Stellen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kondensatorbeläge jeweils innerhalb oder außerhalb der Dichtung durch eine Spule zu einem Schwingkreis ergänzt, bzw. die Flach­ spulen außerhalb der Dichtung zu einem Schwingkreis ergänzt, so daß die Messung des Abstandes bzw. der Bewegungen auf der Grund­ lage einer Resonanzfrequenzmessung der so gebildeten Schwing­ kreise erfolgen kann. Hierdurch ergibt sich eine besonders große Unempfindlichkeit gegenüber elektrischen Störsignalen.

Weiterhin sind die Kondensatorbeläge und/oder die Flachspulen Spulen in sehr einfacher Weise unter Verwendung üblicher Fertigungstechniken herstellbar, da in derartige Dichtungen ohnehin bei der Fertigung an vielen Bereichen Metalleinlagen eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Zylinderkopf- Motorblock-Kombination mit einer zwischen diesen Teilen ange­ ordneten Dichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Dichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Dichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Dichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Dichtung gemäß der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung beispielsweise in Fig. 1 unter spezieller Betrachtung einer Zylinderkopfdichtung eines Verbrennungsmotors betrachtet, obwohl die Dichtung in keiner Weise auf die Verwendung als Zylinderkopfdichtung beschränkt ist sondern beliebige Dichtungen umfassen kann.

In Fig. 1 ist eine Dichtung 3 zwischen dem nur schematisch dargestellten Zylinderkopf 1 und dem Motorblock 4 eines Ver­ brennungsmotors angeordnet, wobei der hier dargestellte Ab­ schnitt der Dichtung lediglich zur Abdichtung des Brennraums dient und sich in der Praxis selbstverständlich auch beispiels­ weise über Wasser- und Ölkanäle erstrecken kann und diese ab­ dichtet.

Die Dichtung 3 besteht aus einem Grundkörper 5, beispielsweise in Form einer Weichstoffdichtung mit Elastomerelementen, wobei der den Brennraum umgebende Bereich der Dichtung mit einer metallischen Einfassung 6 versehen ist. Derartige metallische Einfassungen können auch an anderen Dichtungsbereichen einge­ setzt werden.

Um die erforderliche Dichtfunktion zu erzielen, ist ein geringes Setzvermögen der Dichtung 3 zur Anpassung der Dichtung an die Einbaustellen erforderlich, jedoch sollte sich im Betrieb unter Beanspruchung ein möglichst geringer Setzbetrag ergeben.

Um einen Aufschluß über die Größe der Flächenpressung und die Relativbewegungen im gesamten Dichtungsbereich zu erzielen, sind in die Dichtung an einer Vielzahl von Stellen Kondensatorbeläge eingebettet, die zusammen einen Kondensator bilden, dessen Kapazität ausgewertet wird. Zu dieser Auswertung ist vorzugs­ weise vorgesehen, daß die Kondensatorbeläge mit den Enden eines Schwingkreises verbunden sind, daß die Kapazitätsmessung auf eine Frequenzmessung überführt wird und der Einfluß von Stör­ signalen wesentlich verringert ist.

In Fig. 1 sind in der linken und rechten, durch eine strich­ punktierte Mittellinie getrennten Hälften der Darstellung zwei verschiedene Formen der Einbettung derartiger Kondensator­ beläge als Beispiel gezeigt.

In der linken Hälfte der Fig. 1 sind zwei Kondensatorbeläge 9, 10 in die Dichtung eingebettet und über Leitungen a, b mit der Außenseite des Motors verbunden. Bei einer Verformung der Dichtung senkrecht zu ihrer Ebene, d. h. in Richtung des die Dicke der Dichtung angebenden Pfeils d, ändert sich die Kapazität des zwischen den Kondensatorbelägen 9, 109 gebildeten Kondensators, wobei diese Kapazitätsänderung ein direktes Maß für die Verformung der Dichtung zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Motorblock 4 ist.

In der rechten Hälfte der Fig. 1 ist eine andere Ausführungs­ form dargestellt, bei der die metallische Einfassung 7, die im Querschnitt im wesentlichen C-förmig ist, durch einen weiteren Kondensatorbelag 11 zu einem Kondensator ergänzt ist, wobei sich dieser Kondensatorbelag in das offene Ende der C-förmigen Einfassung erstreckt. Da die äußeren Schenkel der Einfassung 7 einer Bewegung des Zylinderkopfes 1 gegenüber dem Motorblock 4 folgen, ist die Änderung der Kapazität des durch die Elemente 7, 11 gebildeten Kondensators eine Funktion des Abstandes d zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Motorblock 4. Daher können beispielweise durch den Verbrennungsdruck in dem Brennraum 6 des Motors hervorgerufene Bewegungen durch Messung dieser Kapazität gemessen werden, was neben der Ermittlung des Betriebsverhaltens der Dichtung auch Rückschlüsse auf Verbrennungsverlauf in dem Brennraum 6 ermöglicht.

Die Messung der Kapazitätsänderung kann damit bei entsprechender Auswertung auch zur Feststellung von Zündaussetzern und Verbren­ nungsanomalien verwendet werden und eine dauernde Diagnose des Betriebsverhaltens eines Verbrennungsmotors ermöglichen. Diese Auswertung kann beispielsweise in einer elektronischen Motor­ steuerung verwendet werden.

Die Kapazitätsmessung kann auch in vorteilhafter Weise bereits beim Einbau der Dichtung dazu verwendet werden, die Anzugsmomen­ te der Zylinderkopfschrauben (oder anderer Befestigungsmittel, die die beiden über die Dichtung verbundenen Maschinenteile gegeneinander vorspannen) richtig zu wählen und zu überprüfen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Dielek­ trikum des Kondensators durch das Dichtungsmaterial selbst gebildet. Es ist jedoch auch möglich, den Raum zwischen den Kondensatorbelägen mit einem anderen Isoliermaterial mit ent­ sprechenden, gegebenenfalls besseren Dielektrizitäteigenschaften auszufüllen.

Weiterhin sind in Fig. 1 die Anschlüsse a, b so dargestellt, als ob sie direkt aus dem Motor herausführen. Wie bereits ein­ gangs erwähnt wurde, kann es zur Verbesserung des Störabstandes zweckmäßig sein, diese Anschlüsse mit den Anschlüssen einer nicht dargestellten Induktivität zur Bildung eines Schwing­ kreises zu verbinden, dessen Resonanzfrequenz dann in nachge­ schalteten Auswerteschaltungen ausgewertet werden kann.

Die Induktivität kann entweder in die Dichtung 3 eingebettet oder in der Auswerteelektronik selbst angeordnet sein.

Da die einzelnen Kondensatoren mit geringem Aufwand in die Dichtung eingebettet werden können, ohne daß die Dichtwirkung beeinträchtigt wird, ist es möglich, eine große Anzahl der so gebildeten Sensoren über die Fläche der Dichtung zu verteilen, so daß ein dichtes Netz von Meßpunkten erzielt wird.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Dichtung ge­ zeigt, die aus zwei äußeren Materiallagen 21, 22 und einer zwischen diesen angeordneten federelastischen Schicht 23 besteht, die an bestimmten Dichtungsbereichen eine Sicke bildet, um vorgegebene Vorspanneffekte zu erzielen. Die federelastische Schicht kann ihrerseits in einer weichen Dichtungsmaterial­ schicht 20 eingebettet oder in einem Luftspalt angeordnet sein.

Wenn die federelastische Schicht aus nichtmetallischem Material besteht, können an dieser Schicht 23 auf beiden Seiten der Sicke Kondensatorbeläge 13, 14 angeordnet sein, die einen Kondensator bildet, dessen Kapazität sich bei einer Verformung der Sicke stark ändert. Es sei darauf hingewiesen, daß alle Figuren nicht maßstäblich sind, sondern zur Verbesserung der Klarheit stark verzerrt dargestellt sind, so daß beispielsweise die Querab­ messungen der Sicke und damit der Abstand zwischen den Konden­ satorbelägen 13, 14 in der Praxis sehr klein sein können.

Die dritte Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß auf beiden Seiten der federelasti­ schen Schicht 23 im Bereich der Sicke Kondensatorbeläge 13, 14 und 15 angeordnet sind.

Auch die Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 weisen eine zwischen zwei äußeren Dichtungsmateriallagen 21, 22 angeordnete federelastisch Einlageschicht 23 auf, in der jedoch eine Halbsicke angeordnet ist, in deren Bereich wiederum Konden­ satorbeläge 16, 17 bzw. 18, 19 angeordnet sind.

In Fig. 4 sind diese Kondensatorbeläge 16, 17 auf entgegenge­ setzten Oberflächen der Einlageschicht 23 im Bereich der Halb­ sicke angeordnet, während in Fig. 5 ein Belag 18 an der Ein­ lageschicht 23 angeordnet ist, während der andere Kondensator­ belag 19 mit Abstand von dem Kondensatorbelag 18 auf der Innen­ seite einer der äußeren Dichtungsmateriallagen 22 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Einlageschicht 23 auch aus Metall bestehen.

Obwohl vorstehend lediglich auf den Fall von in die Dichtung eingebetteten Kondensatorbelägen eingegangen wurde, ist es verständlich, daß in gleicher Weise zusätzlich zu den Kondensa­ torbelägen oder an deren Stelle aus dünnen Metallblech oder anderem Material gefertigte Flachspulen mit ihrer Hauptebene parallel zur Ebene der Dichtung und in diese eingebettet sein können, die vorzugsweise außerhalb der Dichtung durch eine Kapazität zu einem Schwingkreis ergänzt sind. Die Induktivität ändert sich bei einer Annäherung der Maschinenteile an die Flachspule, wobei diese Induktivitätsänderung wiederum ausge­ wertet werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in die zumindest teilweise aus nichtmetallischem Material bestehende Dichtung zumindest ein kapazitive und/oder induktive Impedanzelement derart eingebettet ist, daß sich bei einer Änderung des Abstandes der Maschinen­ teile eine Änderung des Impedanzwertes des bzw. der Impedanzele­ mente(s) ergibt, und daß die Änderung des Impedanzwertes zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Bewegung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Impedanzelement durch zumindest zwei einen Kondensator bildende Kondensatorbe­ läge gebildet ist, die derart in die Dichtung eingebettet sind, daß sich bei einer Änderung des Abstandes der Maschinenteile eine Änderung der Kapazität des mindestens einen Kondensators ergibt, und daß die Kapazität des Kondensators zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Bewegung gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Impedanzelement durch eine in die Dichtung eingebettete Induktivität in Form einer Flachspule gebildet ist, deren Hauptebene in der Ebene der Dichtung liegt und deren Induktivität sich bei einer Änderung des Abstandes der Maschinenteile ändert, und daß die Induktivi­ tätsänderung der Flachspule zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Bewegung gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kondensator bildenden Kondensatorbeläge mit einer Induktivität zur Bildung eines Schwingkreises verbunden werden und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises gemessen und zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Bewegung gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kondensatoren über die Fläche der Dichtung verteilt angeordnet wird.

6. Vorrichtung zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in die zumindest teilweise aus nichtmetallischem Material bestehende Dichtung (3) zumindest eine eine Induktivität bildende Flachspule mit ihrer Hauptebene in der Ebene der Dichtung derart eingebettet ist, daß sich ihr Induktivitätswert bei einer Änderung des Abstandes (d) der Maschinenteile ändert und daß eine Meßschaltung zur Messung des Induktivitätswertes der zumindest einen Induktivität und damit zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Bewegung vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule aus dünnem Metallblech ausgestanzt ist.

8. Vorrichtung zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in die zumindest teilweise aus nichtmetallischem Material bestehende Dichtung (3) zumindest zwei einen Kondensator bildende Kondensatorbeläge (7, 11; 9, 10; 13, 14, 15; 16, 17; 18, 19) derart eingebettet sind, daß sich ihr Abstand bei einer Änderung des Abstandes (d) der Maschinenteile ändert und eine Kapazitätsänderung des mindestens einen Konden­ sators ergibt, und daß eine Meßschaltung zur Messung der Kapazi­ tät des zumindest einen Kondensators und damit zur Bestimmung des Abstand es bzw. der Bewegung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kondensator bildenden Kondensatorbeläge (7, 11; 9, 10; 13, 14, 15; 16, 17; 18, 19) mit einer Induktivität zur Bildung eines Schwingkreises verbunden sind, und daß die Meßschaltung die Resonanzfrequenz des Schwingkreises mißt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Induktivität in die Dichtung benachbart zu dem jeweils zugeordneten Kondensator eingebettet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des mindestens einen Kondensators durch das Material der Dichtung gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des mindestens einen Kondensators durch ein von dem Material der Dichtung abweichende Isoliermaterial gebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Dichtung eine innenliegende federelastische Schicht ein­ schließt, die an vorgegebenen Bereichen mit wellenförmigen Vorsprüngen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Kondensatorbelag (13, 14, 15; 16, 17; 18, 19) im Bereich eines Vorsprungs angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensatorbelag (7) durch eine in der Dichtung vorgesehene metallische Einfassung (7) einer Durchbrechung in der Dichtung gebildet ist.