DE2731069A1 - Sensor fuer schwingungen - Google Patents

Description

• Sensor für Schwingungen
• Zusammenfassung Es wird ein Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden tonfrequenten Schwingungen vorgeschlagen, der in Form einer Unterlegscheibe unter dem Schraubenkopf einer Kopfschraube anbringbar ist und der zwei einen Hohlraum und einen Spalt bildende Flansche aufweist. In dem Hohlraum ist eine Spule angeordnet, in der eine Spannung induziert wird. Die Induktion der Spannung wird durch Änderung der Spaltbreite zwischen den beiden Flanschen hervorgerufen, welche im Takt der Klopffrequenz Biegeschwingungen ausführen.
• Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Es ist bekannt, daß bei Otto-Motoren unter bestimmten Last zuständen und Endgaszusammensetzungen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Das sind gedämpfte tonfrequente Schwingungen des komprimierten Dampf-Luftgemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben und Zylinderwand der Brennkraftmaschine stark erhöht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da es jedoch erwünscht ist, den bestehenden Spielraum der Betriebsweise möglichst weitgehend auszunützen, besteht Interesse an einem Sensor, der das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigt.
• Bekannte Sensoren zu diesem Zweck sind piezoelektrische Druckindikatoren, die in eine besondere Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden. Eine derartige Befestigungsart ist außerordentlich aufwendig und teuer. Außerdem sind piezoelektrische Drucksensoren in unerwünschter Weise stark temperaturabhängig. Schließlich ist auch der Sensor selbst relativ teuer.
• Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß er relativ preiswert ist, einfach an der Brennkraftmaschine anzubringen ist und auch im rauhen Betrieb eines Kraftfahrzeuges sicher und zuverlässig arbeitet. Die Temperaturabhängigkeit ist relativ gering und die Empfindlichkeit des Sensors kann auf ein Frequenzband abgestimmt sein, in dem die Klopfschwingungen zu erwarten sind.
• Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in geschnittener Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors', Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drucksensors in Schnittdarstellung und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des Ausgangssignales des Drucksensors.
• Beschreibung der Erfindung Zur Ermittlung des Klopfens im Zylinder einer Brennkraftmaschine werden die tonfrequenten Wechselkräfte ausgenützt, die beim Klopfen an einer dem klopfenden Zylinder möglichst nahegelegenen Kopfschraube wirksam sind. Hierzu wird unter den Kopf der Schraube eine Unterlegscheibe gelegt, die den Wechsel-Kraftfluß frequenzselektiv in ein elektrisches Signal verwandelt.
• Diese Unterlegscheibe muß die von der Kopfschraube auszuübende mittlere Kraft vom Schraubenkopf auf den Zylinderkopf übertragen und einen mechanischen Resonator enthalten, der an den Wechsel-Kraftfluß angekoppelt ist und nur auf das interessierende Frequenzband anspricht.
• Die angeregte Schwingung des Resonators wird dann in ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal verwandelt. Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor weist einen rohrförmigen Grundkörper 1 auf, der zwischen einem Schraubenkopf einer Kopfschraube2und einem bei 14 angedeuteten Zylinderkopf angeordnet ist und das kraftübertragende Element darstellt. Dieser Grundkörper 1 ist mit zwei Flanschen 3 und 4 versehen, die von innen nach außen zunächst verhEltnismäßig dünn gehalten sind und sich an den einander zugekehrten Flächen nach außen verdicken. So schließen sie zunächst einen Hohlraum 15, dann weiter außen einen engen Spalt 16 ein. Im Hohlraum befindet sich - in Isolierstoff eingebettet - eine den Grundkörper 1 umschließende Wicklung 5. Die Flansche 3, 4 gehen mit Rundungen in den Grundkörper 1 über. Wird nun auf den rohrförmigen Grundkörper 1 eine axiale Kraft ausgeübt, so entsteht in ihm eine Spannungsverteilung, die zu einer gegenläufigen Verwölbung der beiden Flansche 3, 4 führt.
• Hierdurch ändert sich die Spaltweite. Infolge der Massenverteilung auf den Flanschen 3, 4 und deren Elastizität wird dabei eine hochsymmetrische periodische Verformung bestimmter Frequenz stark bevorzugt, bei der sich die Spaltweite auf dem ganzen Umfang gleichmäßig verengt und erweitert.
• Die Wicklung 5 im mittleren Hohlraum 15 des Sensors ist an eine Schaltung nach Fig. 3 angeschlossen. In dieser Schaltung treibt eine Konstantstromquelle 6 einen konstanten Gleichstrom durch die Wicklung 5 und erzeugt damit einen magnetischen Fluß in dem magnetischen Kreis, der durch den Grundkörper 1 die Flansche3, 4 und den Luftspalt 16 gebildet wird. Bei Änderung der Luftspaltbreite durch die bereits erwähnten Schwingungen wird auch der Fluß periodisch geändert und hierdurch wird in der Wicklung 5 eine Wechselspannung induziert. Diese wird über einen Kondensator 7 dem Eingang eines Verstärkers 8 zugeführt und erscheint an dem mit niedriger Impedanz ausgestatteten Ausgang. Dieses Ausgangssignal ist ein Signal für die in der Schraube auftretenden Wechselkräfte, und damit für die Klopf-Schwingungen.
• Zur Selektivität hinsichtlich der Frequenz kommt noch die Selektivität hinsichtlich von Schwingungsmoden hinzu.
• Schwingt z.B. das System als Ganzes, so schwingen die beiden Flansche 3 und 4 im Gleichtakt und die Spaltweite und mithin auch der magnetische Fluß bleiben konstant, so daß kein Signal in der Wicklung 5 induziert wird.
• Anstelle der Erregung durch einen Gleichstrom ist auch eine Vormagnetisierung mittels eines Permanentmagneten möglich.
• Einen Drucksensor mit einer derartigen Vormagnetisierung zeigt Fig. 2. Ein ringförmiger Permanentmagnet 9 ist zwischen die Flansche 10 und 12 durch den Druck der Kopfschraube 2 eingeklemmt. Infolge der im Magnet 9 auftretenden Spannungsverteilungen werden die Flansche 10 und 12 zu Schwingungen angeregt, wenn die Kopfschraube Wechselkräften ausgesetzt ist. Hierdurch wird ein überlagerter magnetischer Wechselfluß erzeugt, der in einer Wicklung 13 eine Signalspannung induziert.
• Der magnetische Fluß in dem magnetischen Kreis des Sensors ist von der Luftspaltbreite abhängig. Der magnetische Fluß erzeugt eine Anziehungskraft zwischen den beiden Polflächen, die abstandsabhängig ist. Die Kraft nimmt zu, wenn sich der Abstand verringert. Dies entspricht einem negativen Richtvermögen, das vom Quadrat des Erregerstroms abhängig ist.
• Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Eigenfrquenz des Schwingers in gewissen Grenzen willkürlich zu verändern, um den Sensor an die Klopffrequenz des Motors anzupassen.
• Hierbei ändert sich allerdings auch die Empfindlichkeit des Meßfühlers, indessen läßt sich dies durch den Verstärkungsfaktor der angeschlossenen elektronischen Schaltung ausgleichen.
• Der in Fig. 1 dargestellte Sensor kann besonders zweckmäßig dadurch hergestellt werden, daß der Grundkörper 1 in der zur Achse senkrechten Mittelebene geteilt wird. Die sich ergebenden Flächen müssen sehr gut plangeschliffen sein, wobei die Zentrierung durch einen die Wicklung 5 tragenden Spulenk3rper aus Isoliermaterial erfolgen kann.
• Für die ferromagnetischen Teile soll zweckmäßigerweise ein Material hoher Permeabilität aber möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Eine weitere günstige Herstellungsmöglichkeit besteht darin, den Grundkörper 1 und beide Flansche 3, 4 aus einem Stück zu fertigen und die Spaltbreite zwischen den Flanschen 3, 4 durch eingelegte und mit den Flanschen 3, 4 verklebte Halbringe zu bestimmen.
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Claims (7)

1. Ansprüche Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Unterlegscheibe für eine Kopfschraube ausgebildet ist und einen Grundkörper (1) zur Aufnahme der von der Kopfschraube zu übertragenden Kraft, sowie zwei Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) aufweist, wobei die Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) einen ringförmigen Hohlraum (15) einschließen und außen durch einander zugewandte Verdickungen einen Spalt (16) bilden, dessen Variation infolge von Biegeschwingungen der Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) im Takt der Klopffrequenz in einer im Hohlraum (15) angeordneten Wicklung ein Wechselsignal erzeugt.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus ferromagnetischem Material bestehende Grundkörper (1) ein Drehteil mit zentralem Rohr und zwei mit diesem verbundene glatte Flansche (3, 4) aufweist, auf deren einander zugewandten Flächen je zwei Ringhälften angeordnet sind, die den inneren Hohlraum (15) und einen äußeren ringspalt (16) bilden.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper längs der zur Achse senkrechten Mittelebene geteilt ist.
4. 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper auf die zu erwartende Klopffrequenz abgestimmt ist, so daß der äußere Ringspalt bei Auftreten des Klopfens periodisch erweitert und verengt wird, dagegen bei Vibrationen anderer Frequenzen nur wenig variiert.
5. 5. Sensor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstimmung durch die Größe der Verengung der Wicklung (5) mit Gleichstrom mittelbar über das an den Begrenzungsflächen des Spaltes infolge der mit der Spaltweite variierenden Anziehungskraft entstehende negative Richtvermögen vorgesehen ist.
6. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Abschnitt des Grundkörpers (1) durch einen ringförmigen, axial gepolten Ringmagneten gebildet ist, der die zur Meßgrößenumformung erforderliche magnetische Spannung erzeugt.
7. 7. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ringspalt bildenden Ringhälften aus magnetischem Material von hohem Energieprodukt, insbesondere aus Kobalt-Samarium-Magnetmaterial bestehen.