DE3916023A1

DE3916023A1 - Beschleunigungsdetektor

Info

Publication number: DE3916023A1
Application number: DE3916023A
Authority: DE
Inventors: Satosi Komurasaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-05-19
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1989-11-30
Also published as: DE3916023C2; US4945755A

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsdetektor, insbesondere einen Beschleunigungsdetektor zur Abtastung des Klopfens in einem Verbrennungsmotor.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Beschleunigungsdetektors, auf den sich die Erfindung bezieht. Dieser Beschleunigungsdetektor ist im Betrieb mit einer Schraube B an einem Motor A angebracht, um Vibrationen oder das Klopfen des Motors A zu messen. Der Beschleunigungsdetektor weist ein Gehäuse 1 auf, das einen ring förmigen Hohlraum 2 bildet, und ein ringförmiger Beschleunigungs meßwandler 3 ist innerhalb des Hohlraums 2 angeordnet. Das Gehäuse 1 hat vorne eine rohrförmige Buchse 4 mit einen Durch gangsloch 5 und einem Flansch 6.

Das Gehäuse 1 hat weiterhin ein ringförmiges Außengehäuse 7, das mit dem Flansch 6 der Buchse 4 verbunden ist, so daß der Hohlraum 2 darin ausgebildet ist. Der Beschleunigungsdetektor kann an einer Montagefläche C des Motors A mit der Schraube B ange bracht werden, welche sich durch die zentrale Bohrung als Durchgangsloch 5 der Buchse 4 erstreckt und mit dem Motor A in Gewindeeingriff steht.

Das Außengehäuse 7 hat ferner einen Verbinder 8, der sich vom Außengehäuse 7 radial nach außen erstreckt, so daß ein Aus gangsanschluß 9 sich durch den Verbinder 8 erstrecken kann, um ein Ausgangssignal vom Beschleunigungsmeßwandler 3 abzugreifen, der in dem Hohlraum 2 angeordnet ist. Der Beschleunigungsmeß wandler 3 umfaßt ferner ein ringförmiges piezoelektrisches Element 11, das auf einer Anschlußplatte 10 angeordnet, einen beilagscheibenförmigen Anschluß 12 mit einer mit dem Ausgangs anschluß 9 verbundenen Leitung 12 a, eine elektrisch isolierende Beilagscheibe 13 auf dem Anschluß 12, ein ringförmiges Träg heitsgewicht 14 auf der isolierenden Beilagscheibe 13 sowie eine mit Gewinde versehene ringförmige Anschlagmutter 15, die mit einem Gewinde 4 a der rohrförmigen Buchse 4 in Gewindeein griff steht.

Das piezoelektrische Element 11 hat eine Ausgangselektrode 11 a und eine Referenzelektrode 11 b. Die isolierende Beilagscheibe 13 kann aus einem Stück aus Polyethylenterephtalat (PET), Polyphenylensulfit (PPS) oder dergleichen bestehen. Ein Band oder ein Rohr 16 in elektrisch isolierender Form sitzt auf der rohrförmigen Buchse 4, so daß der Beschleunigungsmeßwandler 3 gegenüber der Buchse 4 isoliert ist, auch wenn der beilagschei benförmige Anschluß 12 sowie das piezoelektrische Element 11 exzentrisch zusammengebaut sind.

Um den Beschleunigungsmeßwandler 3 innerhalb des Hohlraums 2 elastisch zu lagern und gegenüber unerwünschten Umgebungs bedingungen zu schützen, ist der übrige Raum des Hohlraums 2 des Gehäuses 1, der nicht vom Beschleunigungsmeßwandler 3 eingenommen wird, im wesentlichen mit einem elastischen Füllmaterial 17 eines in Wärme aushärtenden Kunstharzes gefüllt.

Das Füllmaterial 17 muß ausreichend elastisch sein, nachdem es ausgehärtet ist, um eine Bewegung des Trägheitsgewichts 14 relativ zum Gehäuse 1 zu ermöglichen, wenn eine Beschleunigung auf das Trägheitsgewicht 14 wirkt, damit das piezoelektrische Element 11 ein Spannungssignal proportional zu dem Druck erzeugt, der darauf ausgeübt wird, und zwar durch die Relativ bewegung des Trägheitsgewichts 14 gegen das piezoelektrische Element 11.

Im Betrieb ist der Beschleunigungsdetektor fest an der Montage fläche C des Motors A mit der Schraube B montiert, die durch das zentrale Durchgangsloch 5 des Gehäuses 1 eingesetzt ist. Die Beschleunigung oder die Schwingung des Motors A erzeugt die Bewegung des Trägheitsgewichts 14 relativ zum Gehäuse 1, was wiederum bewirkt, daß das piezoelektrische Element 11 durch das Trägheitsgewicht 14 beansprucht wird, so daß ein elektrisches Signal von dem piezoelektrischen Element 11 erzeugt wird, welches repräsentativ ist für die Bewegung des Trägheits gewichts 14 relativ zum Motor.

Das elektrische Signal wird von der Ausgangselektrode 11 a durch den beilagscheibenförmigen Anschluß 12, die Leitung 12 a und den Ausgangsanschluß 9 zu Analysezwecken geliefert, um festzu stellen, ob ein Klopfsignal vorliegt, welches beim Klopfen des Verbrennungsmotors erzeugt wird. Wenn festgestellt wird, daß ein Klopfsignal in dem elektrischen Signal enthalten ist, können die Betriebsparameter zum Betrieb des Motors eingestellt werden, um die Ausgangsleistung zu erhöhen oder die Kraftstoff verbrauchsrate zu verringern.

Da das Abtastsignal vom piezoelektrischen Element 11 unter Bezugnahme auf den Potentialpegel der Buchse 4 geliefert wird, die sich auf gleichem Potential wie die Referenzelektrode 11 b des piezoelektrischen Elements 11 befindet, ist es wichtig, eine gute elektrische Verbindung zwischen der Buchse 4 und dem Motor A auszubilden, um zu gewährleisten, daß die Buchse 4 stets auf einem Referenzpotential gehalten wird, indem man eine saubere elektrische Verbindung zwischen der Buchse 4 und dem Motor A ausbildet, wie es Fig. 1 zeigt.

Diese elektrische Verbindung wird hergestellt durch einen direkten Kontakt zwischen einer Bodenfläche 6 a des Flansches 6 der Buchse 4 und der Montagefläche C des Motors A sowie durch die Schraube B, welche mit der Innenoberfläche 4 b sowie der oberen Oberfläche 4 c der Buchse 4 einerseits sowie dem Gewinde bereich des Motors A andererseits in Kontakt steht.

Wenn jedoch der Beschleunigungsdetektor bei einem Fahrzeugmotor verwendet wird, kann die elektrische Verbindung zwischen der Buchse 4 und dem Motor A leicht unterbrochen werden, durch Korrosion, Rost sowie einen Ölfilm auf den Kontaktflächen zwischen der Buchse 4 und dem Motor A, was durch eine aggressive Umgebung einschließlich Feuchtigkeit, Benzin und Gas hervorgerufen wird. Somit ist es sehr schwierig, eine gute elektrische Verbindung zwischen der Buchse und dem Motor für eine lange Zeitspanne aufrechtzuerhalten, die bis zu etwa 10 Jahren dauern kann, um die Referenzelektrode 11 b auf Referenz potential zu halten.

Wenn der elektrisch leitende Zustand an der Grenzfläche zwischen der Buchse 4 und dem Motor A unterbrochen wird und das Potential der Buchse 4 nicht auf dem Referenzpotential der Montagefläche des Motor A gehalten wird, so geht die elek trische Schaltung zwischen dem piezoelektrischen Element 11 und einer Steuereinheit aus dem Zustand gemäß Fig. 2 in den Zustand gemäß Fig. 3, wo das Referenzpotential des piezoelektrischen Elements 11 ein Floatingpotential ist und eine genaue Beschleu nigungsmessung unmöglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Beschleunigungs detektor anzugeben, bei dem eine Referenzelektrode des Meßwand lers zuverlässig auf Massepotential gehalten werden kann und eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Beschleunigungs detektor und dem Motor auch über einen langen Zeitraum gewähr leistet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Beschleunigungsdetektor wird diese Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Gemäß der Erfindung wird ein Beschleunigungsdetektor angegeben, der ein Gehäuse mit einem darin ausgebildeten Hohlraum aufweist und eine elektrisch leitfähige Buchse hat, die im Betrieb mit einem entsprechenden Objekt, beispielsweise einem Motor in Kontakt gebracht wird, dessen Schwingungen gemessen werden sollen.

Ein Beschleunigungsmeßwandler ist auf der Buchse angeordnet und umfaßt ein piezoelektrisches Element, ein Trägheitsgewicht, eine Ausgangselektrode und eine Referenzelektrode in Kontakt mit der Buchse. Der Beschleunigungsdetektor weist einen Aus gangsanschluß, der mit der Ausgangselektrode des Meßwandler verbunden ist und sich durch das Gehäuse für eine externe Verbindung erstreckt, sowie einen ringförmigen Masseanschluß auf, der elektrisch mit der Referenzelektrode des Meßwandlers verbunden ist und sich durch das Gehäuse für eine externe Verbindung erstreckt. Der Masseanschluß ist zwischen der Buchse und dem piezoelektrischen Element sowie in Kontakt mit diesen angeordnet.

Ein Mittel zur Instandhaltung der elektrischen Leitfähigkeit, zum Beispiel ein Verbindungs- oder Haftmittel, ein Band, eine Beilagscheibe und/oder Fett in elektrisch leitender Form können im Betrieb zwischen der Buchse und dem abzutastenden Motor eingesetzt sein, um für eine lange Zeitspanne zwischen ihnen eine gute elektrische Leitfähigkeit auszubilden und aufrecht zuerhalten.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels eines Beschleunigungsdetektors, auf den sich die Erfindung bezieht;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild des Beschleunigungs detektors gemäß Fig. 1, wenn eine elektrische Verbindung zwischen der Buchse und dem Motor ordnungs gemäß ausgebildet ist;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild des Beschleunigungs detektors gemäß Fig. 1, wenn eine elektrische Verbindung zwischen der Buchse und dem Motor unter brochen ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Beschleunigungsdetektor gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht des Beschleunigungsdetektors gemäß Fig. 4 längs der Linie V - V;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Beschleunigungsdetektors gemäß Fig. 4 längs der Linie VI - VI;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Beschleunigungsdetektors gemäß Fig. 4 bis 6; und in

Fig. 8 eine Schnittansicht zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen einen Beschleunigungsdetektor 20 gemäß der Erfindung, der sich mit einer Schraube B an einem Motor A anbringen läßt, um Vibration oder Klopfen des Motors zu messen. Der Beschleunigungsdetektor 20 hat ein ringförmiges Gehäuse 21, das in seinem Inneren einen ringförmigen Hohlraum 22 bildet, wobei ein ringförmiger Beschleunigungsmeßwandler 23 innerhalb des Hohlraums 22 angeordnet ist.

Das Gehäuse 21 weist eine rohrförmige Buchse 24 mit einem zentralen Durchgangsloch 25 und einem Flansch 26 auf. Das Gehäuse 21 hat ferner ein ringförmiges Außengehäuse 27, das mit dem Flansch 26 der Buchse 24 verbunden ist, so daß der Hohlraum 22 darin ausgebildet ist. Der Beschleunigungsdetektor 20 kann an der Montagefläche C des Motors A mit der Schraube B angebracht werden, welche sich durch die zentrale Bohrung als Durchgangsloch 25 der Buchse 24 erstreckt und mit dem Motor A in Gewindeeingriff steht.

Gemäß der Erfindung hat das Außengehäuse 27 ferner einen Verbinder 28, der sich vom Außengehäuse 27 radial nach außen erstreckt, so daß ein Ausgangsanschluß 29 a und ein Masse anschluß 29 b sich durch den Verbinder 28 nach außen erstrecken können, um ein Ausgangssignal vom innerhalb des Hohlraums 22 angeordneten Beschleunigungsmeßwandler 23 abzugreifen (vgl. Fig. 4 und 6).

Der Beschleunigungsmeßwandler 23 hat eine beilagscheibenförmige Anschlußplatte 30, die mit dem Masseanschluß 29 b über eine Leitung 30 a verbunden ist, welche integral von der Anschluß platte 30 ausgeht. Die Anschlußplatte 30 sitzt auf dem Flansch 26 der Buchse 24.

Der Beschleunigungsmeßwandler 23 umfaßt ferner ein ringförmiges piezoelektrisches Element 31 mit einer Ausgangselektrode 31 a und einer Referenzelektrode 31 b, die auf der Anschlußplatte 30 und in elektrischem Kontakt mit dieser steht; einen beilag scheibenförmigen Anschluß 32 mit einer Leitung 32 a, der mit dem Ausgangsanschluß 29 a verbunden ist; eine elektrisch isolierende Beilagscheibe 33 auf dem Anschluß 32; ein ringförmiges Träg heitsgewicht 34; sowie eine mit Gewinde versehene ringförmige Anschlagmutter 35, die mit einem Gewinde 24 a auf der rohrför migen Buchse 24 in Gewindeeingriff steht. Ein elektrisch isolierendes Rohr 36 sitzt auf der rohrförmigen Buchse 24, so daß der Beschleunigungsmeßwandler 23 gegenüber der Buchse 24 auch dann isoliert ist, wenn die beilagscheibenförmigen Anschlüsse 30 und 32 exzentrisch zusammengebaut sind.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung um den Beschleunigungsdetektor 20 gemäß der Erfindung im Betrieb; man erkennt, daß die Ausgangs elektrode 31 a des piezoelektrischen Elements 31 des Beschleu nigungsdetektors 20 mit dem Ausgangsanschluß 29 a verbunden ist, während die Referenzelektrode 31 b des piezoelektrischen Elements 31 mit dem Masseanschluß 29 b verbunden ist.

Da die elektrisch leitende Buchse 24, auf der das piezoelek trische Element 31 sitzt, mit dem Motor A in Kontakt steht, ist die Referenzelektrode 31 b des piezoelektrischen Elements 31 ebenfalls durch die Buchse 24 geerdet bzw. an Masse ange schlossen. Der Ausgangsanschluß 29 a und der Masseanschluß 29 b sind an eine Steuereinheit 38 zur Verarbeitung des Ausgangs signals vom Detektor angeschlossen, um beispielsweise das Auftreten von Klopfen im Motor A festzustellen. Der Masse anschluß 29 b ist über die Steuereinheit 38 mit Masse verbunden.

Gemäß der Erfindung ist der Beschleunigungsdetektor 20 mit einem Masseanschluß versehen, der mit der Referenzelektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist, so daß ein stabiler und zuverlässiger Masseanschluß zur Verfügung steht. Somit läßt sich ein genau und zuverlässig arbeitender Beschleunigungs detektor erhalten, der eine verbesserte Abtastempfindlichkeit besitzt.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß der oben beschriebene Masseanschluß nicht gestört wird durch die anderen Versor gungsschaltungen, wie zum Beispiel eine Motorsteuerung, Start schaltung, Ladeschaltung sowie eine Zündschaltung. Dies deswegen, weil das Stromversorgungssystem und das elektronische Steuerschaltungssystem Masseschaltungen mit verschiedener elektrischer Verdrahtung haben. Ferner wird in einem Steuerungs- bzw. Regelungssystem, beispielsweise einer Klopf regelung, die einen Beschleunigungsdetektor dieser Art verwendet, ein Bandpaßfilter verwendet, um selektiv das Signal zu verarbeiten, das eine Mittenfrequenz von etwa einigen kHz bis zu etwa 10 kHz hat.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform des Beschleunigungs detektors 40 gemäß der Erfindung, wobei eine Einrichtung 41 zur Aufrechterhaltung und Instandhaltung der elektrischen Leit fähigkeit zwischen der Buchse und dem Motor A angeordnet ist, um eine gute elektrische Leitung zwischen ihnen herzustellen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist diese Einrichtung 41 zur Instandhaltung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen einer Bodenfläche 26 a des Flansches 26 der Buchse 24 und der Montagefläche C des Motors A eingesetzt.

Die Einrichtung 41 zur Instandhaltung der elektrischen Leit fähigkeit kann ein elektrisch leitendes Bindemittel sein, das kommerziell erhältlich ist von der Firma Grace Japan K.K. unter dem Handelsnamen C-770-4 (volumetrischer Widerstand = 0,001 Ohm cm) oder C-930-55-7 (volumetrischer Widerstand = 0,005 Ohm cm). Es kann auch ein elektrisch leitfähiges Bindemittel verwendet werden, das von der Firma Nagase-Chiba K.K. unter den Handels namen XNR 5302, XNR 5303 oder XNR 5350 vertrieben wird, wobei die volumetrischen Widerstände hierbei 5×10^-4, 1×10^-4 bzw. 2×10^-4 Ohm cm betragen. Die Einrichtung 41 zur Instandhaltung der elektrischen Leitfähigkeit, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Buchse 24 und dem Motor A auszubilden, kann auch ein elektrisch leitfähiges Band sein, wie zum Beispiel ein Produkt mit der Bezeichnung Sumitomo-3M Nr. 1170 und Nr. 1181, sowie eine elektrisch leitende Beilagscheibe Nr. 1245.

Alternativ dazu kann ein Fett, um die Bildung einer elektrisch isolierenden Substanz zu verhindern, als Einrichtung 41 zur Instandhaltung der elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden. Während Fett selbst im wesentlichen elektrisch isolierend ist, kann eine elektrische Leitung hergestellt und aufrechterhalten werden, wenn das Fett als dünne Schicht aufgebracht wird, da die dünne Schicht durchbrochen wird, wenn die Kontaktfläche am Boden 26 a der Buchse 24 fest gegen die Montagefläche C des Motors A gepreßt wird, während der Zusammenbau erfolgt, und diese Flächen sind dann durch die Fettschicht gegen Verun reinigungen geschützt.

Claims

1. Beschleunigungsdetektor zur Anbringung an einem Objekt, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, gekennzeichnet durch

- ein Gehäuse (21), das einen Hohlraum (22) bildet und eine elektrisch leitende Buchse (24) aufweist, die im Betrieb mit dem Objekt (A) in Kontakt gebracht wird;
- einen Beschleunigungsmeßwandler (23), der auf der Buchse (24) in dem Hohlraum (22) angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element (31), ein Trägheitsgewicht (34), eine Ausgangselektrode (31 a) und eine Referenzelektrode (31 b) in Kontakt mit der Buchse (24) aufweist;
- eine Befestigungseinrichtung (35) zur Befestigung des Meßwand lers am Gehäuse (21);
- ein elastisches Füllmaterial, das um den Beschleunigungsmeß wandler (23) herum angebracht ist, um den Beschleunigungsmeß wandler (23) elastisch gegenüber der äußeren Umgebung einzuschließen, wobei das elastische Füllmaterial ausreichend elastisch ist, um eine Bewegung des Trägheitsgewichts (34) relativ zum Gehäuse (21) zu ermöglichen, wenn eine Beschleu nigung auf das Trägheitsgewicht (34) wirkt;
- einen Ausgangsanschluß (29 a), der mit der Ausgangselektrode (31 a) des Meßwandlers (23) verbunden ist und sich durch das Gehäuse (21) für eine externe Verbindung erstreckt; und
- einen Masseanschluß (29 b, 30, 30 a), der mit der Referenzelek trode (31 b) des Meßwandlers (23) elektrisch verbunden ist und sich durch das Gehäuse (21) für eine externe Verbindung erstreckt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Masseanschluß (29 b, 30, 30 a) ein elektrisch leitendes ringförmiges Teil (30) aufweist, das zwischen der Buchse (24) und dem piezoelektrischen Element (31) in Kontakt mit diesen angeordnet ist.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (41) zur Instandhaltung der elektrischen Leitung zwischen der Buchse (24) und dem Objekt (A) angeordnet ist, dessen Beschleunigung zu messen ist, um eine gute elek trische Leitung zwischen ihnen im Betrieb zu gewährleisten.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (41) zur Instandhaltung der guten elek trischen Leitung mindestens ein Element aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem elektrisch leitenden Binde mittel, einem elektrisch leitenden Band, einer elektrisch leitenden Beilagscheibe und Fett besteht.

5. Beschleunigungsdetektor zur Anbringung an einem Objekt, dessen Beschleunigung zu messen ist, gekennzeichnet durch

- ein Gehäuse (21), das in seinem Inneren einen Hohlraum (22) bildet und eine elektrisch leitende Buchse (24) enthält, die im Betrieb mit dem Objekt (A) in Kontakt gebracht wird;
- einen Beschleunigungsmeßwandler (23), der auf der Buchse (24) in dem Hohlraum (22) angeordnet ist und ein piezoelektrisches Element (31), ein Trägheitsgewicht (34), eine Ausgangselek trode (31 a) und eine Referenzelektrode (31 b) in Kontakt mit der Buchse (24) aufweist;
- eine Befestigungseinrichtung (35) zur Befestigung des Meßwandlers (23) am Gehäuse (21);
- ein elastisches Füllmaterial, das um den Beschleunigungsmeß wandler (23) herum angebracht ist, um den Beschleunigungsmeß wandler (23) gegenüber der äußeren Umgebung elastisch einzu schließen, wobei das elastische Füllmaterial ausreichend elastisch ist, um eine Bewegung des Trägheitsgewichts (34) relativ zum Gehäuse (21) zu ermöglichen, wenn eine Beschleu nigung auf das Trägheitsgewicht (34) wirkt;
- einen Ausgangsanschluß (29 a), der mit der Ausgangselektrode (31 a) des Meßwandlers (23) verbunden ist und sich durch das Gehäuse (21) für eine externe Verbindung erstreckt; und
- eine Einrichtung (41) zur Instandhaltung der elektrischen Leitung, die zwischen der Buchse (24) und dem Objekt (A) angeordnet ist, dessen Beschleunigung zu messen ist, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen ihnen im Betrieb auszubilden.

6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (41) zur Instandhaltung der elektrischen Leitfähigkeit mindestens ein Element umfaßt, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem elektrisch leitenden Bindemittel, einem elektrisch leitenden Band, einer elektrisch leitenden Beilagscheibe und Fett besteht.