DE10110738C1 - Kugelgelenk, Vorrichtung zum Steuern von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeuges, Lenkgestänge, Spurstange sowie Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks - Google Patents

Abstract

Ein Kugelgelenk mit einem Kugelgelenkgehäuse nimmt einen Kugelbolzen dreh- und schwenkbar auf. Es ist eine in das Kugelgelenk integrierte Geber-/Sensoranordnung vorgesehen, die die Dreh- und Winkelposition des Kugelbolzens relativ zum Kugelgelenkgehäuse erfaßt. Zur Abdichtung des Kugelbolzens gegenüber äußeren Einflüssen ist eine Abdichtung vorgesehen, die aus aushärtendem Lagermaterial besteht, das beim Einspritzen eines Dauergleitlagers zwischen Kugelgelenkgehäuse und Kugelbolzen über eine formschlüssige Halterung des Kugelbolzens hinausgeführt wird und dort als Flansch oder Ringnut ausgeführt ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem an einem er­ sten Maschinenteil gehaltenen Kugelabschnitt und einer Aufnahme in einen zweiten Maschinenteil, in der der Kugelabschnitt dreh- und schwenkbar gelagert ist, und mit einer Geber-/Sensoran­ ordnung zum Erfassen der Dreh- und Winkellage des Kugelab­ schnitts, die einen Permanentmagneten als Geberelement sowie ein magnetfeldempfindliches Sensorelement aufweist, wobei der Permanentmagnet in den Kugelabschnitt und das magnetfeldemp­ findliche Sensorelement in die Aufnahme integriert ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der relativen Lage eines ersten Lenkelements des Kraftfahrzeugs zu einem zweiten Lenkelement, bei der das erste Lenkelement und das zweite Lenkelement mittels eines Kugelgelenks miteinander verbunden sind und das Kugelgelenk einen an dem ersten Lenkele­ ment gehaltenen Kugelabschnitt sowie eine Aufnahme in dem zwei­ ten Lenkelement aufweist, in der der Kugelabschnitt dreh- und schwenkbar gelagert ist, wobei eine Geber-/Sensoranordnung zum Erfassen der Drehlage des Kugelabschnitts in die Aufnahme inte­ griert ist, und wobei die Geber-/Sensoranordnung mit einer Einheit zum Steuern der Betriebsparameter verbunden ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lenkgestänge für eine Fahrzeuglenkung, mit Lenkelementen, mit denen lenkbare und ge­ federte Räder des Fahrzeuges an ein Lenkgetriebe angelenkt sind, wobei verschiedene Lenkelemente über Kugelgelenke unter­ einander mit dem Lenkgetriebe und/oder mit Zwischenhebeln an gefederte und ungefederte Fahrzeugteile gekoppelt sind, wobei jedes Kugelgelenk ein mit einem ersten Gestängeteil starr ver­ bundenes Kugelgelenkgehäuse mit einer Haltevorrichtung (Aufnahme) aufweist, die einen zumindest teilweise kugelförmi­ gen ersten Kugelabschnitt eines Kugelbolzens um den Kugelmit­ telpunkt dreh- und schwenkbar im Kugelgehäuse hält, wobei das andere Ende des Kugelbolzens mit einem zweiten Gestängeteil starr verbunden ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Spurstange als Lenkele­ ment, mit wenigstens einer Aufnahme, die einen Kugelabschnitt eines Kugelbolzens dreh- und schwenkbar gelagert hält, und mit einem Bolzenabschnitt zur Herstellung einer lösbar starren Ver­ bindung der Spurstange mit einem weiteren Maschinenteil.

Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Kugelgelenks mit einem an einem ersten Maschinenteil durch einen Kugelbolzen gehaltenen Kugelabschnitt und einer Aufnahme in einem Gehäuseabschnitt eines zweiten Maschinen­ teils, in der der Kugelabschnitt dreh- und schwenkbar gelagert ist, mit den Schritten:

• a) Einsetzen eines axial zur Kugelbolzenachse und radi­ al zum Mittelpunkt des Kugelabschnitts ausgerichte­ ten Permanentmagneten als Geberelement in den Kugel­ abschnitt des Kugelbolzens; und
• b) Einsetzen eines magnetfeldempfindlichen Sensorele­ ments in einen Gehäuseabschnitt des zweiten Maschi­ nenteils derart, daß eine Bewegung des Kugelbolzens mit dem Permanentmagneten relativ zum Gehäuse eine Änderung des Sensorsignals hervorruft.

Ein solches Kugelgelenk, ein solches Verfahren zum Steuern von Betriebsparametern eines Fahrzeuges, ein solches Lenkgestänge, eine solche Spurstange sowie ein solches Verfahren zur Herstel­ lung eines Kugelgelenks sind aus der EP 0 617,260 A1 bekannt.

Moderne Fahrzeuge werden zunehmend mit Stellelementen im Fahr­ werksbereich ausgerüstet. Beispiele dafür sind aktive Fahrwerk­ systeme, Lenkhilfen, Hilfen zur Kompensation unterschiedlicher Beladungen usw. Zur Entlastung des Fahrers können solche Stell­ elemente von einem Steuergerät verstellt werden, das dazu Si­ gnale über den momentanen Fahrwerks- und Fahrzeugbetriebszu­ stand verarbeitet. Bekannt ist in diesem Zusammenhang die Ver­ arbeitung der Signale von Vertikal-, Querbeschleunigungs- und Gierraten-Sensoren zur Dynamik des Fahrzeugs sowie von Wegge­ bern, die statische Belastungen des Fahrzeugs über eine Erfas­ sung des Abstands zwischen gefederten und ungefederten Teilen des Fahrzeugs signalisieren. Dies ist beispielsweise aus der DE 40 29 034 A1 bekannt.

Ein aus der US 4,718,683 bekannter Weggeber ist als separates Bauteil ausgeführt, was Nachteile beim Einbauplatzbedarf und bei den Kosten mit sich bringt.

Die oben genannte EP 0 617 260 A1 offenbart einen Fahrzeugni­ veaugeber mit einem Kugelkopf, der mit einem Zapfen an einer Radaufhängung eines Fahrzeuges angelenkt ist und der in einer Aufnahme gelagert ist, die mit dem Chassis des Fahrzeuges ver­ bunden ist. Die Aufnahme ist als separater Halter realisiert, der keine weiteren Funktionen, wie etwa Radführungsfunktionen, übernimmt.

Nach diesem Dokument trägt der Kugelkopf einen tangential aus­ gerichteten Magneten, dessen Feldstärke von einem magnetfel­ dempfindlichen Fühler in der Aufnahme erfaßt wird. Mit dem Ge­ genstand der EP 617 260 A1 sollen Drehbewegungen des Zapfens um seine Längsachse erfaßt werden. Die bei Kugelkopfgelenken übli­ cherweise auftretenden Kipp- und Schwenkbewegungen, bei denen die Längsachse des Zapfens eine Änderung ihrer Winkellage zu einer von ihrer Längsachse abweichenden Achse erfährt, werden in dieser Schrift als potentielle Störquellen bei der Erfassung von Drehbewegungen um die genannte Längsachse erwähnt, wobei gleichzeitig angemerkt wird, daß die Erfassung des Drehwinkels nach dieser Schrift nicht negativ durch diese Störquellen be­ einflußt wird.

Die Anordnung des Zapfens erfolgt nach der EP 0 617 260 A1 in der Art, daß Lageänderungen der Kraftfahrzeugkarosserie gegen­ über der Radaufhängung und damit gleichzeitig gegenüber der Fahrbahn eine Verdrehung des Zapfens mit dem Kugelkopf um die Längsachse des Zapfens gegenüber der Aufnahme hervorrufen. Als Folge ändert sich das Magnetfeld des tangential ausgerichteten Magneten am Ort des magnetempfindlichen Fühlers, da dieses Ma­ gnetfeld wegen der tangentialen Nord-Süd-Ausrichtung nicht ro­ tationssymmetrisch ist.

Mit Blick auf die in der EP 0 617 260 A1 angegebene Verwendung der Kugelgelenke mit Magnetsensorik als Fahrzeugniveaugeber er­ gibt sich daraus, daß sich die Lehre dieser Schrift auf Kugel­ gelenke richtet, bei denen eine Änderung des Fahrzeugniveaus relativ zur Straße mit einer Drehung des Kugelzapfens um seine Längsachse einhergeht. Neben einem speziell und gewissermaßen allein für die Sensorik vorgesehenen Kugelgelenk kommen dafür allenfalls Kugelgelenke der Radaufhängung, die mit der Federung zusammenwirken, in Frage.

Kugelgelenke aus dem Bereich des Lenkgestänges inklusive der Spurstangen fallen jedoch als Anwendungsbeispiele dieser Lehre aus, da bei diesen Gelenken eine Drehbewegung des Kugelzapfens zwar bei Lenkbewegungen, nicht aber bei Fahrzeugniveauänderun­ gen auftritt. Bei Fahrzeugniveauänderungen treten in diesen Ge­ lenken vielmehr Kipp- und Schwenkbewegungen des Kugelzapfens auf.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer möglichst kostengünstigen, einfach zu fertigenden und speziell im Betrieb von Fahrzeugen möglichst robusten Sen­ sorik zur Bereitstellung von Betriebsparametern des Fahrwerks des Fahrzeugs auf der Basis einer Magnetsensorik in einem oder mehreren Kugelköpfen einer Radaufhängung, die eine Erfassung von Kipp- und Schwenkbewegungen des Kugelzapfens ermöglicht. Dabei soll die Erfassung der Kipp- und Schwenkbewegungen nicht von möglicherweise allein auftretenden oder überlagerten Dreh­ bewegungen des Kugelzapfens um seine Längsachse beeinflußt wer­ den. Weiter soll auch die Vielzahl der in Spurstangen und Lenk­ gestänge vorhandenen Kugelgelenke für die Lieferung von Fahr­ werksparametern nutzbar gemacht werden.

Bei einem Kugelgelenk, einer Vorrichtung und einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Permanentmagnet in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt des Kugelabschnitts angeordnet ist.

Bei einem Lenkgestänge der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe mit einer in wenigstens ein Kugelgelenk integrierten Geber-/Sensoranordnung gelöst, welche die Winkelposition des Kugelbolzens relativ zum Kugelgelenkgehäuse erfaßt und zur Wei­ terverarbeitung in einer Steuerelektronik bereithält, und die einen Permanentmagneten sowie ein magnetfeldempfindliches Ele­ ment aufweist, wobei der Permanentmagnet in den Kugelabschnitt und das magnetfeldempfindliche Element in die Aufnahme inte­ griert ist, und wobei der Permanentmagnet in radialer Ausrich­ tung zu einem Mittelpunkt des Kugelabschnitts angeordnet ist.

Bei einer Spurstange der eingangs genannten Art wird diese Auf­ gabe dadurch gelöst, daß eine Ge­ ber-/Sensoranordnung zum Erfassen der Winkellage des Kugelab­ schnitts in die Aufnahme integriert ist, und wobei die Ge­ ber/Sensoranordnung einen Permanentmagneten sowie ein magnet­ feldempfindliches Element aufweist, und wobei der Permanentma­ gnet in den Kugelabschnitt und das magnetfeldempfindliche Ele­ ment in die Aufnahme integriert ist, wobei der Permanentmagnet in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt des Kugelab­ schnitts angeordnet ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Wei­ se vollkommen gelöst.

Die Integration der Winkelsensorik in ein Kugelgelenk erfordert im wesentlichen keinen zusätzlichen Einbauraum. Außerdem wird die Sensorik von dem stabilen Kugelkopf vor Beschädigung durch Steinschläge usw. geschützt, so daß sich der Vorteil einer aus­ gezeichneten Robustheit der Sensoranordnung ergibt. Dadurch, daß die Gelenkkörper gewissermaßen Wandung und Halterung für die Sensorik darstellen, ergeben sich weitere Kostenvorteile im Vergleich zu komplett separaten Sensoren.

Ein Permanentmagnet als Geber benötigt vorteilhafterweise keine ( Energieversorgung. Elektrische Zuleitungen für einen solchen Ge­ ber können daher entfallen. Dies trägt zu einer einfachen und kostengünstigen Fertigung bei.

Das Geberelement ist in einen Kugelabschnitt integriert, der in einer Aufnahme drehbar gelagert ist. Der zugehörige Sensor ist in die Aufnahme integriert. Diese Anordnung liefert den Ver­ teil, daß keine Zuleitung in das Innere des Kugelgelenks hin­ eingeführt werden muß. Die auf jeden Fall erforderliche Signal­ leitung des Sensors kann ohne großen Aufwand aus dem Äußeren des Kugelgelenks herausgeführt werden.

Die radiale Ausrichtung des Permanentmagneten zu einem Mittel­ punkt des Kugelabschnitts liefert den Vorteil von deutlichen Signaländerungen bei kippenden und schwenkenden Relativbewegun­ gen des Kugelbolzens zum Kugelabschnitt, in dem der Kugelbolzen gelagert ist. Drehungen um die Längsachse des Kugelbolzens bil­ den sich dagegen wegen der radialen Anordnung des Permanentma­ gneten, die ein rotationssymmetrisches Magnetfeld zur Folge hat, nicht im Signal des magnetempfindlichen Sensorelementes ab.

Dieser Vorteil wird durch die weitere Maßnahme verstärkt, daß der Geber über eine Oberfläche des Kugelabschnitts vorsteht.

Diese Vorteile werden weiter verstärkt durch eine Anordnung des Sensors in dem Gehäuseabschnitt, die ebenfalls radial zum Mit­ telpunkt des Kugelabschnitts ausgerichtet ist.

Es ist bevorzugt, daß das magnetempfindliche Element aus zwei Hallsensorplättchen besteht, die um 90° zueinander versetzt sind.

Durch die zueinander senkrechte Anordnung kann das Magnetfeld, z. B. die Flußdichte und damit der Schwenkwinkel zwischen dem Kugelkopf und dem Kugelabschnitt in zwei zueinander senkrechten Richtungen erfaßt werden. Somit kann vorteilhafterweise die ge­ samte Kipp- und Schwenkbewegung des Kugelabschnitts 20 erfaßt werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Bohrung im Gehäuseausschnitt, die den Sensor aufnimmt, doppelt nutzbar ist. Durch diese Bohrung kann bei der Gelenkherstellung ein aushärtbares Lagermaterial als vorzugsweise verdrehfest ange­ ordnetes Dauergleitlager zwischen die kugelkalottenförmige Auf­ nahme im Gehäuseausschnitt und den Kugelabschnitt des Kugelbol­ zens eingespritzt werden. Dadurch wird ein präzises und war­ tungsfreies Kugelgelenk an sich bekannter Bauart erhalten. Als zweiter Nutzen ergibt sich dann die mögliche Sensoranordnung in demselben Loch.

Bei entsprechender Lagermaterialauswahl, beispielsweise einem Polymerwerkstoff aus einer Kunststoffmatrix mit eingelagertem tribologischen Werkstoff, ist ein Gebrauch des Kugelgelenks oh­ ne zusätzlichen Schmierstoff möglich.

Zur Realisierung dieser Vorteile ist die Bohrung, die den Sen­ sor aufnimmt, zur dichten Aufnahme einer Kunststoffeinspritzdü­ se geeignet.

Es ist weiter bevorzugt, daß sich in der Bohrung ein Kunststof­ feinsatz befindet, der dort eingespritzt, eingesteckt oder ein­ geschraubt ist und der das magnetfeldempfindliche Element auf­ nimmt.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks zur Verbindung von Maschinenteilen, die Lenkele­ mente einer Kraftfahrzeuglenkung darstellen. Dies ergibt sich daraus, daß die Dauergleitlager wartungsfrei sind und präzise und spielfrei zu fertigen sind. Außerdem besteht bei Kraftfahr­ zeuglenkungen und Kraftfahrzeugfederungen ein Bedarf für Infor­ mationen aus dem Fahrwerksbereich.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Ku­ gelgelenks mit Winkelsensorik zum Steuern von Betriebsparame­ tern eines Kraftfahrzeugs zur Veränderung von Federungsparame­ tern, Lenkungsparametern oder Radbrems- und/oder Motorparame­ tern durch ein elektronisches Steuergerät, beispielsweise zur Fahrzeugstabilisierung. Vorteile ergeben sich daraus, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Kugelgelenke mit Winkelsensorik im Fahrwerksbereich Signale über den momentanen Be­ triebszustand des Fahrwerks liefern. Dazu werden die erfin­ dungsgemäßen Kugelgelenke mit Winkelsensorik bei einem Lenkge­ stänge für eine Fahrzeuglenkung eingesetzt, wo sie verschiedene Teile des Lenkgestänges mit dem Lenkgetriebe und/oder mit Zwi­ schenhebeln an gefederte und ungefederte Fahrzeugteile ankop­ peln.

Vorteilhaft ist es weiterhin, die Gelenke an Spurstangen der Fahrzeuglenkung anzubringen. Dies eröffnet beispielsweise die Möglichkeit, durch einen Ersatz von herkömmlichen Spurstangen durch Spurstangen mit den erfindungsgemäßen Kugelgelenken eine Winkelsensorik im Fahrwerksbereich nachzurüsten.

Bei der Fertigung der Winkelsensorik wird der Permanentmagnet­ geber vorteilhafterweise axial zur Kugelbolzenachse und radial zum Mittelpunkt des Kugelabschnitts ausgerichtet. Vorteile er­ geben sich daraus, daß auch herkömmliche Kugelbolzen bereits eine flache Oberfläche am Kugelabschnitt besitzen, die leicht mit einer Bohrung zur Aufnahme des Permanentmagneten versehen werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit ei­ nem Sensor und einem Geber, die die Winkelposition des Kugelbolzens relativ zum Gehäuseabschnitt 40 er­ fassen, und mit einer ersten Variante der Abdichtung des Kugelbolzens gegenüber der Umgebung;

Fig. 2 eine zweite Variante der Abdichtung in Verbindung mit einer weiteren Variante der formschlüssigen Hal­ terung des Kugelbolzens im Gehäuseabschnitt 40;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Fahrzeuglenkung und Federung unter Verwendung erfindungsgemäßer Ku­ gelgelenke.

In Fig. 1 bezeichnet die Nr. 10 insgesamt ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks, dargestellt am Bei­ spiel einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs. Das Kugelgelenk 10 dient demgemäß z. B. zum gelenkigen Verbinden einer Spurstan­ ge 12 mit einem Lenkhebel 14. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt ist.

Das Kugelgelenk 10 weist einen Kugelbolzen 16 mit einer Längs­ achse 17 auf. Der Kugelbolzen 16 hat einen länglichen Bolzenab­ schnitt 18 sowie einen in Fig. 1 unten daran angrenzenden Ku­ gelabschnitt 20. Dessen Mittelpunkt ist mit 21 bezeichnet.

In der Spurstange 12 ist eine sich nach oben verjüngende kege­ lige Bohrung 22 eingebracht, in die ein kegeliger Teil 24 des Bolzenabschnitts 18 paßt. Am oberen Ende ist der Bolzenab­ schnitt 18 als Gewindekopf 26 ausgeführt. Auf diesen ist eine Mutter 28 geschraubt, die gegen eine Oberfläche 30 der Spur­ stange 12 verspannt ist. Auf diese Weise wird der Bolzenab­ schnitt 18 in die kegelige Bohrung 22 hineingezogen und der Ku­ gelbolzen 16 damit insgesamt an der Spurstange 12 fixiert.

Am in Fig. 1 rechten Ende der Spurstange 14 ist ein Gehäuseab­ schnitt 40 vorgesehen. Der Gehäuseabschnitt 40 enthält eine ku­ gelkalottenförmige Aufnahme 42, die sich in Fig. 1 nach oben öffnet. Im Bereich der nach oben weisenden Öffnung ist der Ge­ häuseabschnitt 40 um die Aufnahme 42 herum mit einem Sitz für eine ringförmige Stahlscheibe 44 versehen.

Zur Montage des Kugelgelenks 10 wird die Stahlscheibe 44 vorab von oben über den Bolzenabschnitt 18 des Kugelbolzens 16 ge­ streift. Der Kugelabschnitt 20 wird nun in die Aufnahme 42 ein­ geführt und die ringförmige Stahlscheibe 44 in ihren Sitz ein­ gesetzt. Durch eine bei 45 angedeutete Umbördelung wird nun die Stahlscheibe 44 an Ort und Stelle fixiert, so daß der Kugelab­ schnitt 20 nach oben hin weitgehend gefaßt ist.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß zwischen dem Kugelab­ schnitt 20 und der Aufnahme 42 ein kugelschalenförmiger Zwi­ schenraum von vorbestimmter Breite verbleibt.

Zur Herstellung eines Gleitlagers für den Kugelabschnitt 20 in der Aufnahme 42 wird nun ein Kunststoffmaterial 46 in diesen Zwischenraum eingespritzt.

Zu diesem Zweck ist der Gehäuseabschnitt 40 auf seiner in Fig. 1 unteren Seite mit einer zylindrischen Bohrung 48 verse­ hen. In diese Bohrung 48 kann ein geeignetes Spritzwerkzeug eingeführt werden, um den erwähnten Zwischenraum mit dem Kunst­ stoffmaterial 46 auszuspritzen.

Bei diesem Spritzvorgang kann durch geeignete Maßnahmen an der Oberseite des Kunststoffmaterials 46 ein kragenartiger Vor­ satz 50 ausgebildet werden, der eine nach außen weisende Ring­ nut 51 aufweist. In die Ringnut 51 kann ein unterer Rand 52 ei­ ner Dichtmanschette 54 formschlüssig eingeclipst werden. Ein oberer Rand 56 der Dichtmanschette 54 ist in an sich bekannter Weise an einer Unterseite 58 der Spurstange 12 befestigt. Auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen Spurstange 14 und Lenkhebel 12, soweit er den Kugelbolzen 16 umgibt, nach außen hin abgedichtet.

Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß der Kugelabschnitt 20 an seiner Unterseite eine flache Oberfläche 60 oder Kappe aufweist. In diese Oberfläche 60 ist in Richtung der Längsachse 17 ein Ge­ berelement 62 in den Kugelabschnitt 20 eingesetzt. Das Geber­ element 62 steht mit seinem unteren Ende 64 geringfügig über die Oberfläche 60 vor.

In der zylindrischen Bohrung 48 befindet sich ein Kunststoffe­ insatz 70, der dort eingespritzt oder z. B. auch eingesteckt oder eingeschraubt sein kann. Der Kunststoffeinsatz 70 nimmt ein Sensorelement 72 auf, das dem Geberelement 62 gegenüber­ steht. Mittels eines Anschlußkabels 74 ist das Sensorelement 72 mit einer Steuerelektronik 86 verbunden.

Wenn nun beispielsweise die Spurstange 14 in der mit einem Pfeil 80 angedeuteten Richtung relativ zum Lenkhebel 12 ver­ schwenkt wird, überträgt sich diese Schwenkbewegung auf den Ku­ gelabschnitt 20 in der Aufnahme 42, wie mit einem weiteren Pfeil 82 angedeutet. Die Bewegung des Kugelabschnitts 20 er­ folgt dabei um den Mittelpunkt 21. In Fig. 1 ist dabei nur eine Bewegung in einer Ebene dargestellt, es versteht sich jedoch, daß das Kugelgelenk 10 sich infolge der Kugelgestalt des Ab­ schnitts 20 um zwei zueinander senkrechte Achsen verdrehen kann.

Bei jeder Drehbewegung des Kugelabschnitts 20 in der Aufnah­ me 42 bewegt sich das untere Ende 64 des Geberelements 62 im Zwischenraum 84 zwischen der flachen Oberfläche 60 des Kugelab­ schnitts 20 und dem relativ dazu unbewegten Sensorelement 72. Folglich ist es möglich, über die Anordnung zwischen Geberele­ ment 62 und Sensorelement 72 die relative Drehlage des Kugelab­ schnitts 20 in der Aufnahme 42 und damit auch die relative Lage zwischen Spurstange 12 und Lenkhebel 14 zu erfassen. Das ent­ sprechend gewonnene Signal wird über das Anschlußkabel 74 der Steuerelektronik 86 zugeleitet und dort weiter verarbeitet. Aus den gewonnenen Daten lassen sich z. B. Steuersignale LS, FS für eine elektronische Lenkung bzw. Lenkbeeinflussung und/oder eine Beeinflussung der Federung oder Dämpfung des Kraftfahrzeugs ab­ leiten.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Geberelement 62 z. B. ein Permanentmagnet sein. Das Sensorelement 72 kann hinge­ gen aus zwei Einzelsensoren, z. B. zwei Hallsensorplättchen be­ stehen, die um 90° zueinander versetzt sind. Einer der beiden Einzelsensoren erfaßt dabei das Magnetfeld, z. B. die Flußdichte und damit den Schwenkwinkel in der Zeichenebene von Fig. 1, während der andere Einzelsensor das Magnetfeld bzw. die Fluß­ dichte und damit den Schwenkwinkel senkrecht zur Zeichenebene erfaßt. Somit kann die gesamte Dreh- und Schwenkbewegung des Kugelabschnitts 20 erfaßt werden. Die Dreh- und Winkellage des Kugelabschnitts 20 kann dabei in unterschiedlichen Koordinaten angegeben werden.

Es versteht sich jedoch, daß auch andere Sensorarten, bei­ spielsweise kapazitive, optische und sonstige Sensoren einge­ setzt werden können.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kugelgelenk 10 dient das Kunst­ stoffmaterial 46 als wartungsfreies Gleitlager. Die an sich be­ kannte Tatsache, ein Gleitlager durch Einspritzen eines Kunst­ stoffs in den Zwischenraum zwischen dem Kugelabschnitt 20 und der Aufnahme 42 darzustellen, ist für die Belange der vorlie­ genden Erfindung insofern von Wichtigkeit, als sich dadurch streng reproduzierbare Verhältnisse einstellen lassen. Wenn nämlich das Gleitlager in der beschriebenen Weise durch Ein­ spritzen von Kunststoff hergestellt wird, so lassen sich die beiden gelenkig miteinander zu verbindenden Teile, nämlich der Bolzenabschnitt 18 einerseits und der Gehäuseabschnitt 40 des Gelenkhebels 14 andererseits mit hoher Präzision vorfertigen und positionieren. Diese hohe Präzision in der relativen Posi­ tionierung wird während der Ausbildung des Gleitlagers, d. h. während des Einspritzens des Kunststoffmaterials 46 beibehal­ ten, anders als bei bekannten Anordnungen, bei denen ein sepa­ rates Kunststoffteil als Lagerschale in den Gehäuseabschnitt des Lenkhebels eingesetzt wird. Eine derartige Montage eines Fremdteils hat erhebliche Toleranzen zur Folge, so daß eine exakte Erfassung der relativen Schwenklage mittels einer Sen­ soranordnung in derartigen Fällen nur mit Einschränkungen mög­ lich ist. Beim Einspritzen kann man ferner durch entsprechende Formgebung erreichen, daß das Kunststoff-Gleitlager mit einer verdrehsicheren Lagerschale versehen ist.

Darüber hinaus macht man im Rahmen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels von der Tatsache Gebrauch, daß die zylin­ drische Bohrung 48 ohnehin zum Einspritzen des Kunststoffs im Gehäuseabschnitt 40 angebracht werden muß und daher im Wege ei­ nes Doppelnutzens auch als Aufnahme für den Kunststoffein­ satz 70 oder eine sonstige Umhüllung des Sensorelements 72 ver­ wendet werden kann.

Fig. 2 offenbart ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Kugelgelenks. Der Kugelzapfen nach Fig. 2 ent­ spricht dem der Fig. 1. Unterschiede zu Fig. 1 ergeben sich durch die Halterung des Kugelbolzens im Gehäuseabschnitt 40 und durch die Ausgestaltung der Abdichtung des Kugelgelenks nach außen.

Der Gehäuseabschnitt 40 ist vor der Montage zunächst becherför­ mig gestaltet, wie aus der Fig. 2a ersichtlich ist. Die Innen­ kontur 42 ist im unteren Teil kugelkalottenförmig geformt und öffnet sich in der zeichnerischen Darstellung nach oben soweit, daß der Kugelbolzen durch den oberen inneren Rand 43 des Gehäu­ seabschnitts 40 hindurchgeführt werden kann.

In diesen becherförmigen Gehäuseabschnitt wird in einem ersten Montageschritt der Kugelbolzen eingesetzt.

In einem zweiten Montageschritt wird der obere Rand 41 des be­ cherförmigen Gehäuseabschnitts nach innen zum Kugelbolzen hin eingeformt, bis sich die in Fig. 2b dargestellte Form des Ge­ häuseabschnitts 40 ergibt. Dieser zweite Montageschritt kann bspw. durch ein rotationssymmetrisches Einrollen des oberen Ge­ häuserandes 41 erfolgen. Die Umformung erfolgt einerseits so­ weit, daß der Durchmesser des inneren oberen Randes 43 kleiner wird als der Außendurchmesser des Kugelabschnitts 20. Dadurch ist gewährleistet, daß der Kugelbolzen auch bei einem Defekt des später eingespritzten Dauergleitlagers nicht aus dem Kugel­ gelenk ausreißen kann.

Andererseits erfolgt das Einrollen des oberen Randes 41 nur so­ weit, daß zwischen dem inneren Rand 43 des Gehäuseabschnitts und der Oberfläche des Kugelabschnitts 20 noch ein vorbestimm­ ter Abstand bleibt, der eine ausreichende Lagermaterialstärke gewährleistet. Insgesamt verbleibt damit zwischen dem Kugelab­ schnitt 20 und der nach dem Einrollen kugelkalottenförmigen Aufnahme 42 ein kugelschalenförmiger Zwischenraum von vorbe­ stimmter Breite.

Analog zur Beschreibung der Fig. 1 wird in einem weiteren Mon­ tageschritt ein aushärtendes Lagermaterial 46, vorzugsweise Kunststoff, in diesen Zwischenraum eingespritzt. Das Einsprit­ zen erfolgt wie beim Gegenstand der Fig. 1 durch ein Spritz­ werkzeug, das für den Spritzvorgang vorübergehend in die Boh­ rung 48 eingeführt wird.

Anders als beim Gegenstand der Fig. 1 wird bei dem Spritzvor­ gang an der Oberseite des Kunststoffmaterials 46 kein kragenar­ tiger Fortsatz, sondern eine flanschartige Dichtfläche 53 erzeugt. Dazu wird das Gleitlagermaterial beim Spritzvorgang über die formschlüssige Halterung des Kugelbolzens hinausgeführt und füllt die umlaufende Aussparung 47 des oberen inneren Randes des Gehäuseabschnitts 40 aus. Die umlaufende Aussparung bildet damit gewissermaßen die Unterseite des Dichtflansches an der kugelabschnittsseitigen Öffnung des Gehäuseabschnitts 40. Die Oberseite 53 des Dichtflansches wird beim Spritzvorgang durch eine Spritzwerkzeugform definiert.

In einem weiteren Arbeitsschritt kann dann auf den Dichtflansch 53 eine Dichtung 55 aus einem zweiten Kunststoffmaterial aufge­ spritzt werden. Die Innenkontur der Dichtung 55 wird durch den Dichtflansch 53 und die Oberfläche des Bolzenabschnitts 19 de­ finiert. Die Außenform 57 der aufgespritzten Dichtung 55 wird durch das Gußformwerkzeug vorgegeben. Die Dichtung 55 besteht wegen der geforderten Elastizität vorzugsweise aus einem ge­ schäumten, Öl- und witterungsbeständigen Elastomer, bspw. Moos­ gummmi.

Durch die Form des unteren Bolzenabschnitts 19 wird die durch den Spritzvorgang angeformte Dichtung 55 formschlüssig in ihrer Position auf dem Dichtflansch 53 fixiert. Im dargestellten Bei­ spiel ergibt sich die formschlüssige Fixierung durch eine ke­ gelförmige Ausgestaltung des unteren Bolzenabschnitts 19, des­ sen Durchmesser sich mit zunehmendem Abstand vom Kugelabschnitt 20 vergrößert.

In Verbindung mit einer durch den Gußvorgang erzeugten elasti­ schen Vorspannung in der Dichtung 55 ergibt sich durch die ke­ gelförmige Ausgestaltung des unteren Bolzenabschnitts 19 vor­ teilhafterweise eine in Richtung Kugelabschnitt 20 wirkende Kraft, die die Dichtung 55 auf den Dichtflansch 53 preßt. Da­ durch wird bereits ohne Montage des Maschinenteils 12, das durch die Mutter 28 in Verbindung mit dem Gewindekopf 26 mit dem Kugelbolzen verspannt wird, eine Dichtwirkung erreicht.

Die Dichtwirkung wird im montierten Zustand des Maschinenteils 14 durch die genannte Verspannung weiter verstärkt. Vorausset­ zung dafür ist, daß die elastische Dichtung 55 durch die Monta­ ge des Maschinenteils 12 zusammengedrückt wird, was sich durch eine entsprechende Ausbildung ihrer Höhe beim Spritzvorgang leicht erreichen läßt.

Alternativ zum Anformen der Dichtung 55 durch einen Spritzvor­ gang kann eine vorgefertigte elastische Dichtung mit angepaßten Abmessungen auch von oben, d. h. vom Gewindekopf 26 her, über den Kugelbolzen 16 auf den Dichtflansch 53 geschoben werden. Bei entsprechender Dimensionierung läßt sich auch hier eine An­ pressung der Dichtung auf den Dichtflansch 53 durch die Elasti­ zität der Dichtung in Verbindung mit dem kegelförmig ausgestal­ teten Bolzenabschnitt 19 erreichen.

Die für das Einspritzen des Kunststoffmaterials 46 für das Dau­ ergleitlager benutzte zylindrische Bohrung 48 wird im Ausfüh­ rungsbeispiel der Fig. 2 mit einer Staubkappe 71 verschlossen, da dieses Ausführungsbeispiel keine Winkelsensorik aufweist.

Alternativ dazu kann auch dieses Ausführungsbeispiel mit einer Winkelsensorik, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kombiniert werden.

Fig. 3 stellt schematisch Ausschnitte aus einer Fahrzeuglenkung und Fahrzeugfederung dar. Die Ziffer 85 repräsentiert einen Fahrzeugaufbau, an dem ein Rad 93 über einen Querlenker 99 ge­ federt und lenkbar angelenkt ist. Das Federungs/Dämpfungs- Stellelement 91 federt und dämpft die Relativbewegungen zwi­ schen Querlenker und Fahrzeugaufbau.

Rad und Querlenker sind über einen Achszapfen 95 und einen Achsschenkel 97 mit dem Querlenker verbunden. Das Rad dreht sich beim Abrollen auf dem Achszapfen. Lenkbewegungen des Fahr­ zeugs werden durch ein Verschwenken des Achszapfens um den Achsschenkel 97 ermöglicht.

Die Lenkbewegung wird von einem Lenkrad 105 über eine Lenksäule 98 und ein Lenkgetriebe 88 und ein Lenkgestänge 100, 101, 104, 102 und 103 auf den Achszapfen übertragen. Dabei repräsentiert die Ziffer 100 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Lenkstockhebel. Die Ziffer 104 steht für einen Lenkzwischenhe­ bel und die Ziffer 103 steht für einen Lenkspurhebel. Die Zif­ fern 101 und 102 bezeichnen eine mittlere und eine äußere Spur­ stange.

Die einzelnen Lenkelemente 103, 102, 101 und 100 sind über er­ findungsgemäße Kugelgelenke 107 verbunden, von denen wenigstens eines eine integrierte Sensorik 108 enthält.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kugelgelenke in die Spurstangen integriert und werden durch Schraubverbin­ dungen mit den übrigen Lenkelementen und Maschinenteilen ver­ spannt.

Federbewegungen des Rades verändern die Lage der Lenkelemente und damit die Winkelposition von Kugelbolzen und Gehäuseab­ schnitt im Kugelgelenk 107 zueinander. Dies wird von der Win­ kelsensorik 108 registriert und als Signal WL der Steuerelek­ tronik 86 zugeführt.

Die Steuerelektronik 86 bildet daraus ein Signal FS, mit dem Federungs- und/oder Dämpfungsparameter im Federungs/Dämpfungs- Stellelement 91 geändert werden. Beispielsweise kann bei großer statischer Belastung durch Zuladung eine Niveauregulierung durch das Signal WL gesteuert werden.

Als weiteres Ausführungsbeispiel kommt eine Verarbeitung des Signals WL bei der Lenkung in Frage. In der gezeichneten Dar­ stellung erfaßt ein Fahrerwunschgeber 106 die gewünschte Len­ krichtung und Lenkgeschwindigkeit. Das Signal des Fahrerwunsch­ gebers 106 wird der Steuerelektronik 86 zugeführt und dort zu einem Ansteuersignal LS für einen Lenkungssteller 89, bspw. ei­ nen Elektromotor, der auf das Lenkgetriebe 88 eingreift, verar­ beitet. Die resultierende Lenkbewegung wird von wenigstens ei­ ner Winkelsensorik 108 in wenigstens einem Kugelgelenk 107 er­ faßt und ebenfalls der Steuerelektronik 86 zugeführt. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Signalkreislauf für eine Fahrzeuglenkung und damit die Möglichkeit zu einer geregelten Hilfskraft- oder Fremdkraftlenkung (drive by wire) für ein Fahrzeug.

Die Information über die Dreh- oder Winkellage der Kugelgelenk­ komponenten kann weiterhin auch als ergänzende Information in einer Fahrzeugstabilitätsregelung verwendet werden, die das Fahrzeug durch Radbrems- und/oder Motoreingriffe stabilisiert (ESP).

Claims (17)

1. Kugelgelenk mit einem an einem ersten Maschinenteil gehal­ tenen Kugelabschnitt (20) und einer Aufnahme (42) in einem zweiten Maschinenteil, in der der Kugelabschnitt (20) dreh- und schwenkbar gelagert ist, und mit einer Geber- /Sensoranordnung (62, 72) zum Erfassen der Drehlage des Kugelabschnitts (20), die einen Permanentmagneten als Ge­ berelement (62) sowie ein magnetfeldempfindliches Sensore­ lement (72) aufweist, wobei der Permanentmagnet (62) in den Kugelabschnitt (20) und das magnetfeldempfindliche Sensorelement (72) in die Aufnahme (42) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (62) in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt (21) des Kugel­ abschnitts (20) angeordnet ist.

2. Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (62) über eine Oberfläche (60) des Ku­ gelabschnitts (20) vorsteht.

3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das magnetfeldempfindliche Sensorelement (72) in einem die Aufnahme (42) bildenden Gehäuseabschnitt (40) des zweiten Maschinenteils enthalten ist.

4. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Sensorelement (72) aus zwei Hallsensorplättchen besteht, die um 90° zu­ einander versetzt sind.

5. Kugelgelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das magnetfeldempfindliche Sensorelement (72) in einer Bohrung (48) des Gehäuseabschnitts (40) gehalten ist.

6. Kugelgelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (48) in radialer Ausrichtung zu einem Mittel­ punkt (21) des Kugelabschnitts (20) angeordnet ist.

7. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 5-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich in der Bohrung (48) ein Kunststof­ feinsatz (70) befindet, der dort eingespritzt, eingesteckt oder eingeschraubt ist, und der das magnetfeldempfindliche Sensorelement (72) aufnimmt.

8. Kugelgelenk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kugelabschnitt (20) und Aufnahme (42) ein vorzugsweise verdrehfest ange­ ordnetes Kunststoffgleitlager angeordnet ist, und daß das Kunststoffgleitlager durch Einspritzen eines Kunststoffma­ terials (46) in einen Zwischenraum zwischen dem Kugelab­ schnitt (20) und der Aufnahme (42) hergestellt ist.

9. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bohrung (48) zur dichten Aufnahme einer Kunststoffeinspritzdüse geeignet ist.

10. Kugelgelenk nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinenteile Lenkele­ mente einer Kraftfahrzeuglenkung sind.

11. Vorrichtung zum Steuern von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der relativen Lage ei­ nes ersten Lenkelements des Kraftfahrzeugs zu einem zwei­ ten Lenkelement, bei der das erste Lenkelement und das zweite Lenkelement mittels eines Kugelgelenks (10) mitein­ ander verbunden sind und das Kugelgelenk (10) einen an dem ersten Lenkelement gehaltenen Kugelabschnitt (20) sowie eine Aufnahme (42) in dem zweiten Lenkelement aufweist, in der der Kugelabschnitt (20) dreh- und schwenkbar gelagert ist, wobei eine Geber-/Sensoranordnung (62, 72) zum Erfas­ sen der Drehlage des Kugelabschnitts (20) in der Aufnahme (42) im Kugelgelenk (10) integriert ist, und wobei die Ge­ ber-/Sensoranordnung (62, 72) mit einer Einheit (86, 91, 89) zum Steuern der Betriebsparameter verbunden ist, und wobei die Geber/Sensoranordnung (62, 72) einen Permanent­ magneten als Geberelement (62) sowie ein magnetfeldemp­ findliches Sensorelement (72) aufweist, wobei der Perma­ nentmagnet (62) in den Kugelabschnitt (20) und das magnet­ feldempfindliche Sensorelement (72) in die Aufnahme (42) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanent­ magnet (62) in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt (21) des Kugelabschnitts (20) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter Federungsparameter sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter Lenkungsparameter sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter Radbrems- oder Motorparameter sind, die zur Fahrzeugstabilisierung beeinflußt werden.

15. Lenkgestänge für eine Fahrzeuglenkung, mit Lenkelementen (100, 101, 102, 103), mit denen lenkbare und gefederte Rä­ der (93) des Fahrzeuges an ein Lenkgetriebe (88) angelenkt sind, wobei verschiedene Lenkelemente (100, 101, 102, 103) über Kugelgelenke (107) untereinander, mit dem Lenkgetrie­ be (88) und/oder mit Zwischenhebeln (104) an gefederte (95, 97, 99) und ungefederte Fahrzeugteile (95) gekoppelt sind, wobei jedes Kugelgelenk (107) ein mit einem ersten Gestängeteil starr verbundenes Kugelgelenkgehäuse mit ei­ ner Haltevorrichtung (Aufnahme 42) aufweist, die einen zu­ mindest teilweise kugelförmigen ersten Kugelabschnitt (20) eines Kugelbolzens um den Kugelmittelpunkt dreh- und schwenkbar im Kugelgehäuse hält, wobei das andere Ende des Kugelbolzens mit einem zweiten Gestängeteil starr verbun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lenkgestänge eine in wenigstens ein Kugelgelenk (107) integrierte Geber- /Sensoranordnung (108) aufweist, welche die Winkelposition des Kugelbolzens relativ zum Kugelgelenkgehäuse erfaßt und zur Weiterverarbeitung in einer Steuerelektronik (86) be­ reithält, wobei die Geber/Sensoranordnung einen Permanent­ magneten (62) sowie ein magnetfeldempfindliches Sensorele­ ment (72) aufweist, wobei der Permanentmagnet (62) in den Kugelabschnitt (20) und das magnetfeldempfindliche Senso­ relement (72) in die Aufnahme (42) integriert ist, und wo­ bei der Permanentmagnet (62) in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt (21) des Kugelabschnitts (20) angeordnet ist.

16. Spurstange (14) als Lenkelement, mit wenigstens einer Auf­ nahme (42), die einen Kugelabschnitt (20) eines Kugelbol­ zens (16) dreh- und schwenkbar gelagert hält, und mit ei­ nem Bolzenabschnitt (18) zur Herstellung einer lösbar starren Verbindung der Spurstange mit einem weiteren Ma­ schinenteil (12), dadurch gekennzeichnet, daß eine Geber-/Sensoranordnung (62, 72) zum Erfassen der Dreh- und Winkellage des Kugelabschnitts (20) in die Aufnahme (42) integriert ist, und wobei die Geber/Sensoranordnung (62, 72) einen Permanentmagneten als Geberelement (62) sowie ein magnetfeldempfindliches Sensorelement (72) aufweist, und wobei der Permanentmagnet (62) in den Kugelabschnitt (20) und das magnetfeldempfindliche Sensorelement in die Aufnahme (42) integriert ist, und wobei der Permanentma­ gnet (62) in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt (21) des Kugelabschnitts (20) angeordnet ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit einem an einem ersten Maschinenteil durch einen Kugelbolzen (16) gehaltenen Kugelabschnitt (20) und einer Aufnahme (42) in einem Gehäuseabschnitt (40) eines zweiten Maschinenteils, in der der Kugelabschnitt (20) dreh- und schwenkbar gela­ gert ist, mit den Schritten:

• a) Einsetzen eines axial zur Kugelbolzenachse und radi­ al zum Mittelpunkt (21) des Kugelabschnitts (20) ausgerichteten Permanentmagneten als Geberelement (62) in den Kugelabschnitt des Kugelbolzens; und
• b) Einsetzen eines magnetempfindlichen Sensorelements (72) in einen Gehäuseabschnitt (40) des zweiten Maschinenteils derart, daß eine Bewegung des Kugelbol­ zens mit dem Permanentmagneten (62) relativ zum Ge­ häuse eine Änderung des Sensorsignals hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (62) in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt (21) des Kugelabschnitts (20) angeordnet ist.