DE102004051504A1

DE102004051504A1 - Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102004051504A1
Application number: DE102004051504A
Authority: DE
Inventors: Uwe Steinkamp; Martin Kornhage; Alfons Hegemann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-05-18
Also published as: EP1802951A1; WO2006042537A1; US7552653B2; US20070261502A1; KR20070063032A; CN101044381A; JP2008517284A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk sowie ferner ein Kugelgelenk zur Kraftmessung. Das Kugelgelenk des Kraftmesssystems weist ein Gelenkgehäuse auf, in dem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens (1) gleitbeweglich aufnehmbar ist. Der Kugelzapfen (1) umfasst Schaftbereich und Gelenkkugel, wobei im Schaftbereich des Kugelzapfens eine Kraftmesseinrichtung (3) angeordnet ist. DOLLAR A Das Kraftmesssystem zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Auswerteeinrichtung aus, die so eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung (3) als Vektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden. DOLLAR A Durch die Erfindung wird ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk zur Kraftmessung geschaffen, womit die Erfassung des Betriebs- bzw. Belastungszustands nicht nur einzelner Bauteile, sondern vielmehr ganzer Baugruppen eines Kraftfahrzeugs zuverlässig möglich wird und eine Regelung der Fahrdynamik erfolgen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk zur Messung von Kräften und/oder Momenten, beispielsweise im Bereich des Fahrwerks bzw. der Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Kraftmesssystem, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.

Kraftmesseinrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise, keineswegs jedoch ausschließlich, am Kraftfahrzeug eingesetzt, um dort die im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand oder die im realen Fahrbetrieb auftretenden Kräfte bzw. Momente zuverlässig ermitteln zu können.

Eine derartige Kraftmesseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 07 279 A1 bekannt. Die aus dieser Druckschrift bekannte Kraftmesseinrichtung dient dazu, die in einem bestimmten Bauteil eines Kraftfahrzeugs wirkende Kraft, beispielsweise die in einer Spurstange aufgrund von Reaktionskräften aus dem Fahrwerk vorhandene axiale Kraft, zu ermitteln bzw. auszuwerten. Hierzu ist es gemäß der Lehre dieser Druckschrift unter anderem vorgesehen, ein zwischen verschiedenen Bestandteilen des Lenkgestänges angeordnetes Kugelgelenk mit einem Dehnungsmessstreifen zu versehen und anhand der Signale dieses Dehnungsmessstreifens auf die im Lenkgestänge bzw. die in der interessierenden Spurstange wirkenden Axialkräfte zu schließen.

Der Nutzen dieser bekannten Kraftmesseinrichtung ist jedoch begrenzt. So kann mit dieser Kraftmesseinrichtung wie beschrieben im Wesentlichen lediglich eine in einem bestimmten Bauteil und in einer bestimmten Richtung wirkende Kraft ermittelt werden. Die bekannte Kraftmesseinrichtung eignet sich somit nicht zur Erfassung komplexerer Belastungssituationen, wie sie beispielsweise an größeren Baugruppen, oder am Kraftfahrzeug als Gesamtsystem betrachtet, auftreten.

Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung zu schaffen, womit sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen. Insbesondere soll das Kraftmesssystem bzw. Kugelgelenk auf einfache, verlässliche Weise sowie mit großem konstruktivem Freiheitsgrad eine umfassende vektorielle Ermittlung von Kräften und und/oder Momenten erlauben. Dabei soll ein wesentlicher Schwerpunkt auch auf der unmittelbaren Erfassbarkeit der Belastungssituation von ganzen Baugruppen bzw. ggf. eines ganzen Kraftfahrzeugs liegen.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraftmesssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Kraftmesssystem umfasst in an sich zunächst bekannter Weise zumindest ein Kugelgelenk. Das Kugelgelenk weist ein Gelenkgehäuse auf, in welchem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnehmbar ist, wobei der Kugelzapfen sich aus Schaftbereich und Gelenkkugel zusammensetzt. In an sich ebenfalls bekannter Weise ist im Schaftbereich des Kugelzapfens des zumindest einen Kugelgelenks des Kraftmesssystems eine Kraftmesseinrichtung angeordnet.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kraftmesssystem durch eine Auswerteeinrichtung aus, die dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung als Kraftvektor oder als Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden.

Dies bedeutet mit anderen Worten zunächst einmal, dass das Kraftmesssystem nicht nur einen Kraftaufnehmer, sondern vielmehr eine Anordnung aus mehreren Kraftaufnehmern bzw. Kraftmessgebern umfasst. Dabei können die Kraftaufnehmer beispielsweise an ein und demselben Kugelgelenk angeordnet sein. Ebenso gut ist es jedoch möglich und vorgesehen, dass das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke umfasst, an denen jeweils einer oder mehrere Kraftaufnehmer angeordnet sind.

Durch die Auswerteeinrichtung des erfindungsgemäßen Kraftmesssystems werden die Signale aller Kraftaufnehmer bzw. Kraftmessgeber dergestalt verarbeitet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung in Form eines Kraftvektors oder einer Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor ausgegeben wird.

Dies ist insofern vorteilhaft, als auf diese Weise mittels eines vergleichsweise einfachen Kugelgelenks, bzw. ggf. auch mittels mehrerer Kugelgelenke, jeweils mit Kraftaufnehmern, auch komplexe Belastungssituationen im dreidimensionalen Raum ohne weiteres erfasst werden können.

Es ist dabei für die Erfindung nicht wesentlich, auf welche Stelle des zumindest einen Kugelgelenks bzw. auf welchen Punkt einer Anordnung aus mehreren Kugelgelenken mit Kraftmessgebern der Kraftvektor oder die Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor bezogen ist.

Insbesondere bei Kraftmesssystemen mit lediglich einem Kugelgelenk ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Auswerteeinrichtung so eingerichtet ist, dass der Ursprung des aus den Signalen der Kraftmesseinrichtung berechneten Kraftvektors im Mittelpunkt der Gelenkkugel des Kugelgelenks liegt. Ein auf den Mittelpunkt der Gelenkkugel bezogener Kraftvektor kann besonders einfach und universell für anschließende Kräfte- und Belastungsrechnungen weiterverwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kraftmesseinrichtung eines Kugelgelenks mehrere Kraftmessgeber für unterschiedliche Kraftrichtungen, wobei die Kraftmessgeber vorzugsweise gleichmäßig verteilt am Umfang des Schaftbereichs des Kugelzapfens angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind dabei die Kraftmessgeber im Wesentlichen parallel zur Richtung der Längsachse des Kugelzapfens angeordnet.

Auf solche Weise lassen sich auch mit einer nur geringen Anzahl von Kugelgelenken, bzw. ggf. sogar mit lediglich einem einzigen Kugelgelenk, Kräfte in allen drei Richtungen des kartesischen Raums ermitteln. Werden die Kraftmessgeber gleichmäßig verteilt sowie in Längsrichtung des Kugelzapfens am Umfang des Schaftbereichs des Kugelzapfens angeordnet, so wird auf diese Weise das unerwünschte Übersprechen der einzelnen Kraftmessgeber minimiert. Ferner wird auf diese Weise der Schaftbereich des Kugelzapfens in der für Kraftmessgeber optimalen Weise als Biegebalken genutzt, um so die wirkenden Kräfte mit hoher Genauigkeit ermitteln zu können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung des Kugelzapfens angeordnet. Auf diese Weise wird es möglich, alternativ oder zusätzlich zu den am Außenumfang des Kugelzapfenschafts angeordneten Kraftmessgebern, insbesondere die in zapfenaxialer Richtung (z-Richtung) wirkenden reinen Zug- bzw. Druckkräfte separat exakt zu messen und diese von den in Form von Zapfenbiegungen gemessenen Kräften in x- bzw. y-Richtung anhand möglichst geringer Signalübersprechung zu trennen.

Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke mit jeweils einer Kraftmesseinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung des Kraftmesssystems besonders bevorzugt dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtungen der mehreren Kugelgelenke in Form eines Kraftvektors oder einer Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor ausgegeben werden. Vorzugsweise liegt dabei der Ursprung der entsprechenden Vektoren im Mittelpunkt bzw. in einem Hauptbezugspunkt eines Bauteils oder einer Baugruppe am Kraftfahrzeug.

Auf diese Weise wird es möglich, beispielsweise sämtliche Anlenkpunkte des Radträgers eines der Räder eines Kraftfahrzeugs mit Kugelgelenken auszustatten, die jeweils mit einer Kraftmesseinrichtung versehen sind. Die Signale sämtlicher Kugelgelenke bzw. die Signale der aus den Kraftmessgebern sämtlicher Kugelgelenke gebildeten gesamten Kraftmesseinrichtung werden dabei der Auswerteeinrichtung zugeführt. Sodann bildet die Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung sämtlicher Eingangssignale einen Kraftvektor bzw. eine Kombination aus Kraft- und Momentenvektor, woraus die vollständige momentane Belastungssituation des entsprechenden Radträgers des Kraftfahrzeugs ermittelbar ist.

Die Umformung der von der Kraftmesseinrichtung des Kugelgelenks bzw. der Kugelgelenke stammenden Signale in einen Vektor kann beispielsweise anhand einer mittels Kalibrierung erstellten Übertragungsmatrix bzw. Kalibriermatrix geschehen.

Die hierzu erforderliche Kalibrierung kann für den angenommenen Fall der Erfassung der Belastungssituation einer Radaufhängung bzw. eines Radträgers zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass unter Laborbedingungen auf das fragliche Rad des Kraftfahrzeugs bzw. auf den zugehörigen Radträger definierte, bekannte Kräfte in definierten Richtungen und/oder definierte, bekannte Momente aufgebracht werden. In die Auswerteeinrichtung werden dabei in einem Kalibriermodus sowohl die aus der Belastung resultierenden Signale der Kraftmesseinrichtung (beispielsweise Widerstandsänderungen von Dehnungsmessstreifen) als auch die zugeordneten, in diesem Fall bekannten tatsächlich wirkenden Kräfte, bzw. die zugeordneten Kraftvektoren eingegeben. Hieraus lässt sich im Anschluss die Übertragungsmatrix bzw. Kalibriermatrix erstellen, die in geeigneter Weise gespeichert werden kann, und anhand derer sämtliche zukünftigen Belastungssituationen direkt aus der gemessenen Kombination der Signale der Kraftmesseinrichtung ermittelt und vektoriell ausgegeben werden können.

Auf solche Weise lassen sich auch komplexe Belastungssituationen an gesamten Baugruppen bzw. am Kraftfahrzeug auf einfache, zuverlässige und dabei kostensparende Weise erfassen. Bisher hierfür erforderliche aufwändige Labor-Messsysteme wie beispielsweise extrem kostenintensive Messräder und dergleichen, oder im Kraftfahrzeugreifen selbst angeordnete, drahtlose Sensorsysteme lassen sich somit durch eine Anzahl vergleichsweise einfacher, jeweils mit Kraftmessgebern versehener Kugelgelenke ersetzen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die mit Kraftmessgebern versehenen Kugelgelenke nicht nur unter Laborbedingungen bzw. im Erprobungsbetrieb beispielsweise von Kraftfahrzeugen einzusetzen, sondern eine derartige Erfassung der Belastungssituation von Fahrwerksteilen auch am Serienfahrzeug vorzusehen. Die dergestalt in Echtzeit ermittelbare Belastung beispielsweise der Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs kann sodann vorteilhaft beispielsweise zur Erweiterung der Datenbasis für Fahrdynamikregelungen und dergleichen eingesetzt werden, wodurch sich erhebliche Verbesserungen bei der Fahrsicherheit von Kraftfahrzeugen erreichen lassen.

Insbesondere in Bezug auf Nutzfahrzeuge ist es in ähnlicher Weise vorstellbar, dass das Kraftmesssystem gemäß der vorliegenden Erfindung einen Bestandteil einer Einrichtung zur vorzugsweise permanenten Überwachung der Zuladung des Fahrzeugs bildet, wodurch das im Stand der Technik noch gebräuchliche, aufwändige Wiegen von Nutzfahrzeugen auf stationären Waagen zur Feststellung der Masse der Ladung entfallen kann. Auch ein Einsatz als kostengünstiger Lebensdauersensor für Bauteile oder Baugruppen rückt dank der Erfindung in den Bereich des Möglichen, indem die tatsächlich vom jeweiligen Bauteil ertragene IST-Anzahl an Lastwechseln in Beziehung zu der vom entsprechenden Bauteil theoretisch ertragbaren SOLL-Lastwechselzahl gesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung. Dabei weist das Kugelgelenk ein Gelenkgehäuse und einen im Gelenkgehäuse dreh- und/oder schwenkbeweglichen Kugelzapfen auf, wobei der Kugelzapfen eine Gelenkkugel und einen Schaftbereich umfasst sowie eine Kraftmesseinrichtung aufweist. Das Kugelgelenk enthält eine Mehrzahl von Kraftmessgebern, die im Schaftbereich des Kugelzapfens angeordnet und über den Umfang des Schaftbereichs verteilt sind.

Auf diese Weise wird es möglich, bereits mit einem einzigen Kugelgelenk Kräfte vektoriell in allen drei Richtungen des kartesischen Raums zu ermitteln. So werden beispielsweise Zugkräfte in zapfenaxialer Richtung von sämtlichen am Umfang des Schaftbereichs des Kugelzapfens verteilt angeordneten Kraftmessgebern gleichmäßig stark registriert. Diejenigen Kräfte, die in der x-y-Ebene senkrecht zur Längsachse des Kugelzapfens auf das Kugelgelenk wirken, können aufgrund des dabei auftretenden spezifischen Überlagerungmusters der Signale der einzelnen Kraftmessgeber ebenfalls nach Betrag und Richtung bestimmt werden. Der Kugelzapfen stellt im letzteren Belastungsfall einen Biegebalken dar, bei dem die Ermittlung der wirkenden Querkräfte sehr genau beispielsweise anhand einer Messung der Randfaserdehnungen erfolgen kann.

Die Erfindung wird verwirklicht unabhängig von der konkreten Art und Ausführung der Kraftmessgeber. Bevorzugt sind die Kraftmessgeber des Kugelgelenks jedoch als Dehnmessstreifen ausgebildet. Dehnmessstreifen sind vorteilhaft insofern, als sie robust sind und eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kraftmessgeber auf der Oberfläche des Schaftbereichs des Kugelzapfens angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine äußerst einfache und kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks, da am Kugelgelenk selbst zur Montage der Kraftmessgeber keinerlei konstruktive Modifikationen vorgenommen werden müssen.

Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind im Schaftbereich des Kugelzapfens Ausnehmungen bzw. plane Flächen zur Aufnahme der Kraftmessgeber vorgesehen. Diese gegenüber der vorstehenden Ausführungsform lediglich geringfügig aufwändigere Bauform besitzt den Vorteil einer noch größeren erreichbaren Präzision sowohl bei der Platzierung der Kraftmessgeber als auch bei der Erfassung und Auswertung der Dehnungen bzw. Kräfte am Kugelgelenk.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung des Kugelzapfens des Kugelgelenks angeordnet ist. Auf diese Weise können insbesondere die in zapfenaxialer Richtung wirkenden reinen Zug- bzw. Druckkräfte separat besonders exakt gemessen sowie von den beispielsweise in Form von Zapfenbiegungen gemessenen Kräften in x- bzw. y-Richtung infolge der in diesem Fall besonders geringen Signalübersprechung getrennt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in schematischer isometrischer Darstellung einen Kugelzapfen für ein Kugelgelenk eines Kraftmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 in schematischer Darstellung den Kugelzapfen gemäß 1 in der Seitenansicht;
3 in einer 1 entsprechenden Darstellung einen Kugelzapfen für ein Kugelgelenk einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftmesssystems; und
4 in einer 2 entsprechenden Darstellung den Kugelzapfen gemäß 3 in der Seitenansicht.
1 zeigt in schematischer isometrischer Darstellung den Kugelzapfen 1 eines hier nicht dargestellten Kugelgelenks für ein Kraftmesssystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Kugelzapfen 1 entspricht bis auf die im Halsbereich 2 des Kugelzapfens 1 angeordneten Dehnungsmessstreifen 3 sowie bis auf die Querbohrung 4 unverändert einem Standard-Kugelzapfen eines Kugelgelenks. Dies bedeutet, dass ein beispielsweise im Bereich der Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs vorhandenes Kugelgelenk bereits mit äußerst geringfügigen und damit kostengünstigen Modifikationen für das erfindungsgemäße Kraftmesssystem herangezogen werden kann.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Kugelzapfenhalses 2 vier Dehnungsmessstreifen 3 am Umfang verteilt so angeordnet, dass zwei benachbarte Dehnungsmessstreifen jeweils einen Winkel von 90 Grad einschließen. Ferner verläuft die Längsachse der Dehnungsmessstreifen 3 parallel zur Längsachse des Kugelzapfens 1. Auf diese Weise können bereits mit den dargestellten vier Dehnungsmessstreifen 3 auf den Kugelzapfen 1 einwirkende Kräfte sowohl in x-Richtung (F_x), in y-Richtung (F_y) als auch in z-Richtung (F_z) unabhängig voneinander bzw. gleichzeitig ermittelt werden.
Dies hängt damit zusammen, dass beispielsweise eine in x-Richtung (F_x) wirkende Kraft lediglich durch die zeichnungsbezogen vorderen sowie hinteren Dehnungsmessstreifen 3 registriert wird, während der zeichnungsbezogen linke bzw. rechte Dehnungsmessstreifen 3 in diesem Fall keine Dehnung feststellt. Denn die neutrale Faser des hier als Biegebalken wirkenden Kugelzapfens 1 verläuft im Belastungsfall F_x durch diejenigen Dehnungsmessstreifen, die zeichnungsbezogen links bzw. rechts vom Kugelzapfen angeordnet sind. Analog gilt dies beim Belastungsfall F_y, wobei in diesem Fall lediglich diejenigen beiden Dehnungsmessstreifen, die sich zeichnungsbezogen links bzw. rechts vom Kugelzapfen befinden, ein entsprechendes Signal abgeben.
Bei einer Belastung in z-Richtung durch F_z hingegen werden alle vier Dehnungsmessstreifen 3 gleichmäßig stark gedehnt, so dass auch dieser Belastungsfall berücksichtigt werden kann. Die Trennung der den Kraftrichtungen F_x, F_y und F_z zugeordneten Signale der Dehnungsmessstreifen 3 kann beispielsweise anhand einer entsprechenden Zusammenschaltung der einzelnen Dehnungsmessstreifen 3 zu einer dem Fachmann geläufigen Brückenschaltung oder dgl. bzw. anhand der genannten Übertragungsmatrix zuverlässig erfolgen.
Außerdem erkennt man in 1 noch eine Querbohrung 4 durch den Kugelzapfen 1. Die Querbohrung 4 dient der gebündelten und damit einfacheren und robusteren Kabelführung zu den einzelnen Dehnungsmessstreifen 3.
In 2 ist der Kugelzapfen 1 gemäß 1 nochmals in der Seitenansicht dargestellt, in der man sowohl die Dehnungsmessstreifen 3 als auch die Querbohrung 4 gut erkennt. Bei dem Kugelzapfen 1 gemäß 1 und 2 erfolgt die Ableitung des aus der Querbohrung 4 austretenden Kabelbündels der Dehnungsmessstreifen 3 im Bereich des hier nicht dargestellten Dichtungsbalgs des zugehörigen Kugelgelenks. Diese besonders kostengünstige Ausführungsform kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn im Betrieb nur geringe Kipp- und/oder Drehwinkelbewegungen an dem jeweiligen Kugelgelenk auftreten.
In den 3 und 4 ist der Kugelzapfen 1 eines Kugelgelenks für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftmesssystems dargestellt. Der Kugelzapfen 1 gemäß 3 und 4 unterscheidet sich von dem Kugelzapfen 1 gemäß 1 und 2 primär durch die im Schaftbereich des Kugelzapfens 1 angefrästen Planflächen 5, die zur Anbringung der in den 3 und 4 nicht dargestellten Dehnungsmessstreifen 3 dienen. Diese gegenüber der Ausführungsform gemäß 1 und 2 lediglich geringfügig aufwändigere Bauform besitzt den Vorteil einer größeren erreichbaren Präzision sowohl bei der Platzierung der Dehnungsmessstreifen 3 als auch bei der Erfassung und Auswertung der Dehnungen bzw. Kräfte am Kugelzapfen 1.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem Kugelzapfen 1 gemäß 3 und 4 und dem Kugelzapfen 1 gemäß 1 und 2 liegt darin, dass bei dem Kugelzapfen 1 gemäß 3 und 4 nicht nur eine Querbohrung 4, sondern darüber hinaus auch eine Längsbohrung 6 vorhanden ist.
Die Längsbohrung 6 kann für zwei unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise können die von den Dehnungsmessstreifen 3 kommenden Anschlusskabel gebündelt in die Querbohrung 4 eingeführt und mittels der Längsbohrung 6 an der Stirnseite des Gewindebereichs 7 des Kugelzapfens 1 abgeführt werden. Diese Kabelführung hat den Vorteil, dass auf diese Weise auch prinzipiell beliebig große Kipp- und/oder Drehwinkelbewegungen des jeweiligen Kugelgelenks zugelassen werden können, ohne dass die Gefahr der Beschädigung der Kabel zu den Dehnungsmessstreifen 3 im Bereich der Planflächen 5 besteht.
Die andere Nutzungsmöglichkeit der Längsbohrung 6 besteht darin, dass in der Längsbohrung 6 zusätzlich oder alternativ zu der genannten Kabelführung auch ein weiterer Kraftaufnehmer bzw. Dehnungsmessstreifen angeordnet werden kann, der vorzugsweise der Ermittlung der Kräfte in der Längsrichtung des Kugelzapfens 1 dient. Auf diese Weise ist eine noch bessere Entkopplung und Trennung der Signale bezüglich der Kraftrichtungen F_x, F_y und F_z möglich.
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk insbesondere zum Einsatz am Kraftfahrzeug geschaffen wird, das die zuverlässige Erfassung des Betriebs- bzw. Belastungszustands nicht nur einzelner Bauteile, sondern vielmehr ganzer Baugruppen eines Kraftfahrzeugs erlaubt. Dabei kann das erfindungsgemäße Kraftmesssystem andere erheblich aufwändigere Messsysteme wie beispielsweise elektronische Messräder oder auch im Kraftfahrzeugreifen eingebaute, drahtlose Sensorsysteme nicht nur im Labor- bzw. Erprobungsbetrieb eines Kraftfahrzeugs ersetzen. Vielmehr besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Kraftmesssystem bzw. Kugelgelenk auch am Serienfahrzeug zur Erfassung bzw. Regelung der Fahrdynamik einzusetzen.
Die Erfindung leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur besseren Beherrschbarkeit komplexer Situationen der Messwerterfassung insbesondere am Kraftfahrzeug wie auch in weiteren Anwendungsbereichen der Messtechnik.

1: Kugelzapfen
2: Halsbereich
3: Dehnungsmessstreifen
4: Querbohrung
5: Planflächen
6: Längsbohrung
7: Gewindebereich
F_x: x-Richtung
F_y: y-Richtung
F_z: z-Richtung

Claims

Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk, das Kugelgelenk umfassend ein Gelenkgehäuse, in dem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens (1) gleitbeweglich aufnehmbar ist, der Kugelzapfen (1) aufweisend Schaftbereich und Gelenkkugel, wobei im Schaftbereich des Kugelzapfens (1) des zumindest einen Kugelgelenks eine Kraftmesseinrichtung (3) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung, die dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung (3) als Kraftvektor oder als Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden.
Kraftmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ursprung des Kraftvektors im Mittelpunkt der Gelenkkugel liegt.
Kraftmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (3) eines Kugelgelenks mehrere Kraftmessgeber (3) für unterschiedliche Kraftrichtungen umfasst.
Kraftmesssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) gleichmäßig verteilt am Umfang des Schaftbereichs des Kugelzapfens angeordnet sind.
Kraftmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) im Wesentlichen parallel zur Richtung der Längsachse des Kugelzapfens (1) angeordnet sind.
Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung (6) des Kugelzapfens (1) angeordnet ist.
Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke mit jeweils einer Kraftmesseinrichtung (3) umfasst.
Kraftmesssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtungen (3) mehrerer Kugelgelenke in Form eines Vektors ausgegeben werden.
Kraftmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ursprung des Vektors im Mittelpunkt bzw. Hauptbezugspunkt eines Bauteils oder einer Baugruppe eines Kraftfahrzeugs liegt.
Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem Bestandteil einer Fahrdynamikregelung eines Kraftfahrzeugs ist.
Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem Bestandteil einer Einrichtung zur Überwachung der Zuladung eines Kraftfahrzeugs ist.
Kugelgelenk mit einem Gelenkgehäuse und einem im Gelenkgehäuse dreh- und/oder schwenkbaren Kugelzapfen (1), der Gelenkkugel und Schaftbereich umfasst sowie eine Kraftmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung eine Mehrzahl von Kraftmessgebern (3) umfasst, wobei die Kraftmessgeber (3) im Schaftbereich des Kugelzapfens (1) angeordnet und über den Umfang des Schaftbereichs verteilt angeordnet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber als Dehnmessstreifen (3) ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) auf der Oberfläche des Schaftbereichs des Kugelzapfens (1) angeordnet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaftbereich des Kugelzapfens (1) Ausnehmungen zur Aufnahme der Kraftmessgeber (3) vorgesehen sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich des Kugelzapfens (1) plane Flächen zur Aufnahme der Kraftmessgeber (3) aufweist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftmessgeber (3) in einer axialen Zentralbohrung (6) des Kugelzapfens (1) angeordnet ist.