DE102005027826B3

DE102005027826B3 - Kugelgelenk mit Sensoreinrichtung und Verfahren zur Verschleißmessung

Info

Publication number: DE102005027826B3
Application number: DE102005027826A
Authority: DE
Inventors: Metin Prof. Dr. Ersoy; Joachim Spratte; Michael Dr. Klank; Peter Hofmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: CN101198800B; WO2006133682A3; CN101198800A; KR20080022077A; WO2006133682A2; JP2008546955A; US20090136288A1; US7762736B2; EP1891344A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, beispielsweise für ein Achssystem eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk. Das Kugelgelenk weist ein im Wesentlichen ring- oder topfförmiges Gelenkgehäuse (1) auf, in dessen im Wesentlichen zylinderförmigem Innenraum eine Kugelschale (2) angeordnet ist. In der Kugelschale (2) ist die Kugel (3) eines Kugelzapfens (4) gleitbeweglich aufgenommen. Ferner weist das Kugelgelenk eine Sensoreinrichtung (7) zur Messung von Kräften bzw. Belastungen auf. DOLLAR A Das Kugelgelenk zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Sensoreinrichtung (7) auf einer biegeelastischen Platine (6) angeordnet ist. Die Platine ist biegebeweglich im Gelenkgehäuse (1) befestigt, wobei die Sensoreinrichtung (7) für die Messung von Durchbiegungen bzw. mechanischen Spannungen der Sensorplatine (6) eingerichtet ist. Dabei umfasst das Kugelgelenk Übertragungsmittel, mittels derer bei einer Verformung der Kugelschale (2) eine Kraft bzw. ein Biegemoment in die Sensorplatine (6) eingeleitet wird. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Kugelgelenk ist robust sowie kostengünstig herstellbar und erlaubt die Messung von Kräften bzw. von auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastungen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine permanente Feststellung des Verschleißzustandes des Kugelgelenks mittels Messung der Vorspannkraft der Kugelschale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit Sensoreinrichtung, beispielsweise für ein Achssystem oder eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zu Verschleißmessungen an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 15.

Kugelgelenke der eingangs genannten Art kommen beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, am Fahrwerk bzw. an der Radaufhängung von Kraftfahrzeugen – z.B. als Traggelenk oder als Führungsgelenk – zum Einsatz. Gattungsgemäße Kugelgelenke umfassen dabei eine Sensoreinrichtung, mit der sich auf das Kugelgelenk einwirkende Kräfte und Belastungen ermitteln bzw. messen lassen.

Kugelgelenke der eingangs genannten Art mit Einrichtungen zur Messung von Kräften bzw. Belastungen werden zum Beispiel am Kraftfahrzeug eingesetzt, um dort die im realen Fahrbetrieb, oder auch die im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräfte oder Biegemomente zuverlässig ermitteln zu können. Derartige Messungen von Kräften an Kugelgelenken im Bereich des Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs ermöglichen Rückschlüsse auf den fahrdynamischen Zustand eines Kraftfahrzeugs. Damit lässt sich insbesondere eine Verbesserung der Datenbasis für Fahrsicherheitssysteme wie beispielsweise ESP oder ABS erzielen. Gattungsgemäße Kugelgelenke dienen somit u. a. der Verbesserung der Fahrsicherheit am Kraftfahrzeug.

Ein Kugelgelenk mit Kraftsensoreinrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 07 279 A1 bekannt. Das aus dieser Druckschrift bekannte Kugelgelenk dient insbesondere 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 im Bereich des Kugelzapfens mit Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Druckaufnehmern zu versehen, und anhand der Signale dieser Sensoren auf die Belastung des Kugelgelenks und damit auf die im Lenkgestänge wirkenden Axialkräfte zu schließen.

Die Ausstattung von Kugelgelenken mit derartigen Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Sensoren ist jedoch mit nicht unerheblichem Aufwand verbunden. Zunächst einmal muss eine entsprechende Anbringungsfläche, zumeist am Kugelzapfen, geschaffen werden, auf die sodann beispielsweise der Dehnungsmessstreifen aufgeklebt werden muss. Zusätzlich muss noch eine elektrische Drahtverbindung zu einer separaten Auswertungselektronik hergestellt werden, wobei die Auswertungselektronik zusätzlich geschützt an geeigneter Stelle angebracht werden muss. Insgesamt führt dies zu einer aufwändigen und damit teuren Herstellung derartiger mit Belastungssensoren versehener Kugelgelenke, zudem ist die freiliegende Sensorik und Verdrahtung derartiger Kugelgelenke empfindlich und daher von Ausfällen bedroht.

Bei den bekannten Kugelgelenken mit Kraftsensoreinrichtung ist es zudem kaum möglich, mittels der Kraftsensoreinrichtung – über die eigentliche Belastungssituation des Kugelgelenks hinaus – weitere Aussagen über den Zustand insbesondere des Kugelgelenks selbst abzuleiten. Da im Bereich des Fahrwerks oder der Lenkung von Kraftfahrzeugen angeordnete Kugelgelenke jedoch sicherheitsrelevante Bauteile darstellen, deren Ausfall insbesondere während der Fahrt fatale Folgen nach sich ziehen kann, ist es besonders wünschenswert, permanent auch eine Aussage über den momentanen Betriebs- bzw. Verschleißzustand des Kugelgelenks treffen zu können.

Aus der DE 101 61 671 A1 ist weiterhin bekannt, eine Montageöffnung an einem Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug durch ein separates Verschlusselement zumindest teilweise zu verschließen und am Verschlusselement wenigstens ein elektronisches Bauelement anzuordnen.

Zur Erfassung des Verschleißzustandes einer Lagerschale eines Kugelgelenkes besteht gemäß DE 101 40 683 A1 die Möglichkeit, in der Wandung der Lagerschale eine Elektrode im Abstand zur Gelenkkugel des Kugelzapfens vorzusehen, so dass die Elektrode und die Gelenkkugel über die Lagerschale gegeneinander elektrisch isoliert sind.

In der DE 103 47 814 B4 wird ein Kugelgelenk mit einem Sensor beschrieben, der mit der Ausnehmung des Gelenkgehäuses in Verbindung steht und als Feuchtigkeitssensor ausgebildet ist.

Weiterhin ist aus der DE 103 41 466 A1 ein Kugelgelenk bekannt, dessen Kugelzapfen eine Ausnehmung für einen Magneten aufweist, der mit einem nichtmagnetischen Werkstoff in der Ausnehmung des Kugelzapfens festgelegt ist.

Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kugelgelenk mit einer Sensoreinrichtung zu schaffen, mit dem sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen. Insbesondere soll das Kugelgelenk auf kostengünstige und zuverlässige Weise sowie mit großem konstruktivem Freiheitsgrad eine Ermittlung von Kräften bzw. von auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastungen ermöglichen. Zudem soll auch eine Aussage über den Verschleißzustand des Kugelgelenks getroffen werden können, so dass ein etwa bevorstehender Ausfall eines Kugelgelenks rechtzeitig erkannt und damit verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bzw. durch ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Kugelgelenk umfasst zunächst einmal in an sich bekannter Weise ein Gelenkgehäuse. Das Gelenkgehäuse weist einen zumeist im Wesentlichen zylinderförmigen Innenraum auf, in dem die Kugelschale des Kugelgelenks angeordnet ist. In der Kugelschale ist die Kugel des Kugelzapfens des Kugelgelenks gleitbeweglich aufgenommen.

In an sich ebenfalls bekannter Weise umfasst das Kugelgelenk ferner eine Sensoreinrichtung zur Messung von Kräften bzw. Belastungen des Kugelgelenks.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kugelgelenk jedoch dadurch aus, dass die Kraftsensoreinrichtung auf einer biegeelastischen Platine angeordnet ist. Die Platine befindet sich innerhalb des Gelenkgehäuses und ist dort biegebeweglich so angeordnet, dass sie – im Wesentlichen ungehindert durch andere Bauteile – einer gewissen Durchbiegung ausgesetzt werden kann. Die Kraftsensoreinrichtung auf der Platine ist dabei so ausgebildet, dass sich Durchbiegungen bzw. mechanische Spannungen der Platine mittels der Kraftsensoreinrichtung feststellen bzw. messen lassen. Das Kugelgelenk umfasst ferner Übertragungsmittel, die so eingerichtet sind, dass bei einer Verformung der Kugelschale eine Kraft bzw. ein Biegemoment in die biegeelastische Platine eingeleitet werden kann.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass auf das Kugelgelenk einwirkende Kräfte erfindungsgemäß dadurch detektiert werden, dass die kräftebedingt stets auftretende Verformung der zumeist elastischen Kugelschale mittels eines Übertragungsmittels auf eine innerhalb des Gelenkgehäuses angeordnete elastische Platine übertragen werden. Auf der Platine ist eine Sensoreinrichtung angeordnet, mit der sich die in die Platine eingeleiteten mechanischen Spannungen bzw. die dadurch hervorgerufenen Durchbiegungen der Platine messen lassen.

Wirkt somit eine externe Belastung auf das Kugelgelenk, so verändert sich damit zwangsläufig auch die Form der zumeist aus zähelastischem Polymer bestehenden Kugelschale zumindest geringfügig. Diese Formveränderung wird über das Übertragungsmittel des Kugelgelenks auf die biegeelastische Platine weitergeleitet und von dem dort angeordneten Sensor detektiert.

Vorteilhaft ist dabei zunächst einmal die erfindungsgemäße Anordnung von Platine samt Sensoreinrichtung gut geschützt innerhalb des Gelenkgehäuses. Dies führt zu einer sowohl sehr robusten und zuverlässigen, als auch zu einer kostengünstigen Konstruktion. Denn es ist keine aufwändige separate Anbringung von Sensoren und nachfolgende Verdrahtung mit der Auswertungselektronik mehr erforderlich, vielmehr können Sensorik und Auswertungselektronik gemeinsam auf der Platine integriert werden. Auch sind keine mechanischen Veränderungen am Kugelzapfen oder an der Gelenkkugel mehr notwendig, durch die die Stabilität des Kugelgelenks beeinträchtigt werden könnte. Und auch die damit bisher verbundenen Kosten können entfallen.

Ferner lassen sich dank des erfindungsgemäßen Messprinzips neben Kräften, die von extern auf das Kugelgelenk einwirken, zusätzlich auch noch Aussagen über Kugelgelenks-interne Kräfte treffen. Hierbei ist insbesondere zu denken an eine Detektion der Vorspannkraft der Kugelschale, deren mit der Zeit abnehmende Höhe als Maß für den zunehmenden Verschleiß des Kugelgelenks herangezogen werden kann.

Zur Verwirklichung der Erfindung ist es zunächst einmal unerheblich, wie die Sensorplatine geformt oder wie das Mittel zur Übertragung der Verformungen der Kugelschale auf die Sensorplatine ausgebildet und angeordnet ist. Gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch die Sensorplatine rund, bzw. ist das Übertragungsmittel durch einen im Wesentlichen umlaufenden Vorsprung der Kugelschale gebildet.

Dies ist vorteilhaft insofern, als damit eine nahezu unidirektionale Kraftdetektion erfolgen kann, da praktisch sämtliche auftretenden Verformungen der Kugelschale über den ringförmig umlaufenden Vorsprung zuverlässig auf die Sensorplatine übertragen werden. Insbesondere lassen sich damit beliebige auf das Kugelgelenk wirkende Kräfte in x- und y-Richtung detektieren, wobei die z-Richtung entlang der Achse des Kugelzapfens bzw. des Gelenkgehäuses definiert sei. Zusätzlich lassen sich auf diese Weise jedoch auch die in der Kugelschale im Wesentlichen unidirektional wirkenden Vorspannungskräfte, bzw. sogar etwaige in z-Richtung auf das Kugelgelenk wirkende externe Druckkräfte registrieren bzw. messen. Mit einer geeigneten Schaltung der Auswertungselektronik lassen sich außerdem die (stark variablen) externen Gelenkkräfte von den nur vergleichsweise langsam veränderlichen gelenksinternen Vorspannungskräften zuverlässig unterscheiden.

Nach einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kraftsensoreinrichtung zur Messung sowohl der Größe als auch der Richtung der Verformung bzw. Durchbiegung der Sensorplatine ausgebildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die auf der Sensorplatine angeordnete Sensoreinrichtung dergestalt ausgeführt ist, dass neben der Stärke der Durchbiegung der Sensorplatine auch die Richtung der Durchbiegung, bzw. die Richtung des die Durchbiegung hervorrufenden Biegemoments in der x-y-Ebene festgestellt werden kann.

Auf diese Weise kann zusätzlich zur Größe einer auf das Kugelgelenk wirkenden externen Kraft auch noch deren Wirkungsrichtung, bzw. zumindest die Projektion der Kraftwirkungsrichtung auf die x-y-Ebene des Kugelgelenks festgestellt werden.

Die Messung von auf ein Kugelgelenk wirkenden Kräften nicht nur nach deren Betrag, sondern auch bezüglich der Kraftrichtung liefert besonders wertvolle Daten, beispielsweise im Falle des Einsatzes des Kugelgelenks bei einem Kraftfahrzeug mit Fahrerassistenzsystemen wie ABS oder ESP. So ausgebildete Kugelgelenke lassen sich mit großen Vorteil jedoch beispielsweise auch im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand oder bei realen Messfahrten einsetzen, um exakte Daten über den tatsächlichen Belastungszustand der Kugelgelenke bzw. des jeweiligen Achssystems eines Kraftfahrzeugs ermitteln zu können.

Die Erfindung wird zunächst einmal auch verwirklicht unabhängig davon, wie die Sensorplatine im Gelenkgehäuse angeordnet, bzw. mit dem Gelenkgehäuse verbunden ist. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch die Sensorplatine an einem am Gelenkgehäuse umlaufend angeordneten Stützelement zur Anlage bringbar, wobei das Stützelement vorzugsweise durch einen Distanzring gebildet ist, dessen Durchmesser sich von dem Durchmesser des umlaufenden Vorsprungs der Kugelschale unterscheidet.

Auf diese Weise wird durch das Zusammenwirken von Stützelement und Übertragungsmittel eine scherenartige Klemmwirkung umlaufend auf die Sensorplatine ausgeübt. Damit lässt sich sowohl eine extern auf das Kugelgelenk einwirkende Kraft mit beliebiger Kraftrichtung in der x-y-Ebene, als auch die im Kugelgelenk vorhandene Vorspannkraft der Kugelschale zuverlässig ermitteln. Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Verformungen der Kugelschale und den Durchbiegungen der Sensorplatine, bzw. die davon abhängige Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung lässt sich dabei insbesondere durch entsprechende Einstellung der Durchmesserverhältnisse des Distanzrings und des umlaufenden Übertragungsmittels und/oder durch Veränderung von Elastizitätsmodul bzw. Biegesteifigkeit der Sensorplatine in weiten Grenzen variabel einstellen.

Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist der Distanzring am Gehäusedeckel des Kugelgelenks zur Anlage bringbar, bzw. ist der Distanzring einstückig mit dem Gehäusedeckel des Kugelgelenks ausgebildet. Dies führt zu einem konstruktiv einfachen und robusten Aufbau des Kugelgelenks und zu einer effektiven Einleitung der für die Messung erforderlichen Biegemomente in der Sensorplatine.

Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Sensorplatine an einem Stützelement zur Anlage bringbar, das nicht mit dem Gelenkgehäuse, sondern vielmehr ebenfalls mit der Kugelschale verbunden ist. Diese Ausführungsform kann je nach ihrer geometrischen Gestaltung eine noch höhere Empfindlichkeit der Kraftmessung bieten. Außerdem erlaubt diese Ausführungsform eine besonders einfache Montage der Sensorplatine unmittelbar und direkt an der Kugelschale.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, zeichnet sich das Kugelgelenk ferner durch eine Winkelsensoreinrichtung zur Ermittlung der Relativwinkelstellung von Gelenkgehäuse und Kugelzapfen aus. Die Winkelsensoreinrichtung weist einen im Bereich der Oberfläche der Gelenkkugel angeordneten Feldgeber, insbesondere einen Dauermagneten, sowie eine am Gelenkgehäuse angeordnete Feldsensoreinrichtung, insbesondere einen Magnetfeldsensor auf.

Auf diese Weise lässt sich – zusätzlich zu den mittels der Kraftsensoreinrichtung messbaren Gelenkkräften – ferner auch noch die momentane Relativwinkelstellung von Gelenkgehäuse und Kugelzapfen ein und desselben Kugelgelenks ermitteln. Hiermit kann beispielsweise die Datenbasis für Fahrsicherheits- oder Fahrerassistenzsysteme eines Kraftfahrzeugs noch weiter vergrößert werden, wodurch sich zusätzliche Verbesserungen bei der Fahrsicherheit von so ausgerüsteten Kraftfahrzeugen erreichen lassen.

Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist dabei die Feldsensoreinrichtung zusammen mit der Kraftsensoreinrichtung auf der Sensorplatine angeordnet, wobei Feldsensoreinrichtung und Kraftsensoreinrichtung vorzugsweise in Form einer monolithisch integrierten Schaltung ausgebildet sind. So lässt sich ein Kugelgelenk mit Messmöglichkeit sowohl für Kräfte als auch für Winkelstellungen äußerst kostengünstig und dabei gleichzeitig zuverlässig und robust darstellen. Dieser Ausführungsform der Erfindung kommt entgegen, dass bereits Feldsensoreinrichtungen erhältlich sind, die sowohl eine Messmöglichkeit für Magnetfelder im dreidimensionalen Raum, als auch zusätzliche Kraft- bzw. Verformungssensoren für die x- und die y-Richtung auf ein und derselben monolithischen Schaltung integrieren.

Zudem können auf diese Weise auf ein und derselben Sensorplatine sowohl die Sensoren als auch die Auswertungsschaltungen, und gegebenenfalls auch die Digitalisierung sowie Schaltungen zur ersten Verarbeitung der Messwerte integriert werden, was ebenfalls der Zuverlässigkeit, kostengünstigen Herstellbarkeit und der universellen Einsetzbarkeit eines so ausgebildeten Kugelgelenks zugutekommt.

Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist die Feldsensoreinrichtung als CMOS-Hallsensoranordnung ausgeführt, bzw. zur Messung von Feldern in allen drei Raumrichtungen ausgebildet. Ein CMOS-Hallsensor ist zunächst einmal in der Herstellung besonders kostengünstig und erlaubt auf verhältnismäßig einfache Weise eine Integration mit den Auswertungsschaltungen.

Ein Kugelgelenk mit einer Feldsensoreinrichtung, die Felder in allen drei Raumrichtungen erfassen kann, die also mit anderen Worten die Dichte sowie die Richtung der Feldlinien unabhängig von deren Ausrichtung im dreidimensionalen Raum erfassen kann, weist besondere Vorteile auf. Denn auf diese Weise lassen sich bei einem Kugelgelenk sowohl beide Winkelkomponenten des aus einer x- und einer y-Komponente zusammengesetzten Kipp- bzw. Schwenkwinkels, als auch der Rotationswinkel bzw. die Verdrehung des Kugelzapfens um die eigene Achse ermitteln. Die zusätzliche Messung des Kugelzapfen-Rotationswinkels liefert zusätzliche Informationen, die beispielsweise für Fahrsicherheitssysteme am Kraftfahrzeug wie für ABS und ESP, beispielsweise aber auch für Anwendungen wie die automatische Leuchtweitenregulierung der Hauptscheinwerfer und dergleichen mehr eingesetzt werden können.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 15. Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Feststellung, welcher Anteil der bei der Herstellung des Kugelgelenks ursprünglich festgelegten Vorspannkraft der Kugelschale im Gelenkgehäuse – nach einer bestimmten Betriebsdauer des Kugelgelenks – noch verblieben ist.

Die Kugelschale eines Kugelgelenks ist zumeist aus einem zähelastischen Polymer gefertigt und unterliegt im Lauf der Lebensdauer des Kugelgelenks sowohl oberflächlicher Abnutzung aufgrund der Relativbewegung zwischen Kugeloberfläche und Kugelschale, als auch einer gewissen Relaxation aufgrund von Kriechbewegungen des Kunststoffs. Beides trägt dazu bei, dass die Vorspannung im Kugelgelenk mit der Zeit nachlässt, wodurch sich auch das Gelenkspiel insbesondere unter Last vergrößern kann.

Daher kann die mit der Zeit abnehmende Größe der Vorspannkraft als Indikator für den momentanen Zustand und für die noch verbleibende Lebensdauer eines Kugelgelenks herangezogen werden. Ferner kann aus einer innerhalb kurzer Zeit stark abfallenden Vorspannkraft bei einem Kugelgelenk auf eine Beschädigung des Kugelgelenks geschlossen werden, zum Beispiel auf einen beschädigten Dichtungsbalg, mit nachfolgend beispielsweise in das Kugelgelenk eingedrungenem aggressivem Salzwasser.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst überprüft, ob eine oder mehrere der Bedingungen "Kraftkonstanz, bzw. Stillstandsbelastung des Kugelgelenks", "geeignete Relativposition des Kugelzapfens im Gelenkgehäuse" oder "Bewegungsstillstand des Kugelgelenks bzw. des Kraftfahrzeugs" vorliegen.

Je mehr dieser Bedingungen erfüllt sind, um so zuverlässiger und genauer lässt sich die nachfolgende Messung durchführen.

Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt mittels der Kraftsensoreinrichtung des Kugelgelenks die Höhe der Vorspannungskraft zwischen Kugelschale und Gelenkgehäuse, bzw. zwischen Kugelschale und Gelenkkugel ermittelt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird anschließend aus dem Messsignal, bzw. aus der ermittelten Vorspannungskraft der damit korrespondierende Verschleißwert des Kugelgelenks errechnet.

Schließlich wird der ermittelte Verschleißwert mit einem gespeicherten Maximalwert verglichen, und bei etwaiger Überschreitung des Maximalwerts wird eine Warnung ausgegeben.

Somit lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren eine zuverlässige Aussage über den Zustand des Kugelgelenks, sowie über die voraussichtliche verbleibende Lebensdauer des Kugelgelenks treffen. Auch ein möglicherweise bevorstehender Ausfall des Kugelgelenks lässt sich dank der erfindungsgemäßen Überwachung der Vorspannkraft bzw. des Verschleißwerts der Kugelschale rechtzeitig feststellen bzw. vorhersagen. Auf diese Weise kann die Betriebssicherheit eines Kugelgelenks, bzw. eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs entscheidend verbessert werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks unter seitlicher Kraftbeaufschlagung im Längsschnitt;
2 in einer 1 entsprechenden Darstellung und Ansicht das Kugelgelenk gemäß 1 unter axialer Kraftbeaufschlagung; und
3 in einer 1 und 2 entsprechenden Darstellung und Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks unter axialer Kraftbeaufschlagung.
1 zeigt in schematischer Längsschnittdarstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Man erkennt das im Wesentlichen topfförmige Gelenkgehäuse 1 mit der darin angeordneten Lagerschale bzw. Kugelschale 2. Im Innenraum der Kugelschale 2 wiederum ist die Kugel 3 eines Kugelzapfens 4 angeordnet.
Ferner weist das Kugelgelenk gemäß 1 eine zwischen Gelenkkugel 3 und Gehäusedeckel 5 angeordnete Sensorplatine 6 auf. Auf der Sensorplatine 6 ist eine lediglich schematisch angedeutete Sensoreinrichtung 7 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 7 befindet sich in der Nähe eines als Permanentmagneten ausgebildeten magnetischen Feldgebers 8, der mittels eines Kunststoffpfropfens 9 in einer Bohrung 10 der Gelenkkugel 3 angeordnet ist.
Die Sensoreinrichtung 7 ist dabei so ausgebildet, dass sie das Feld des Permanentmagneten 8 in allen drei Raumrichtungen erfassen kann, mit anderen Worten also Felddichte sowie Richtung der Feldlinien unabhängig von deren Ausrichtung im dreidimensionalen Raum vektoriell erfassen kann. Auf diese Weise lässt sich mit der Sensoreinrichtung 7 zunächst sowohl der Schwenkwinkel des Kugelzapfens 4 im Gelenkgehäuse 1 als auch zusätzlich die Ausrichtung der Ebene, die durch den Schwenkwinkel aufgespannt wird, feststellen.
Mit anderen Worten lässt sich also zunächst einmal ermitteln, um welchen Betrag sowie in welche Richtung der Kugelzapfen 4 relativ zum Gelenkgehäuse 1 verschwenkt wurde. Da die Sensoreinrichtung 7 jedoch Betrag und Richtung der Feldlinien des Permanentmagneten 8 vektoriell im dreidimensionalen Raum bestimmen kann, lässt sich zusätzlich auch noch der Betrag des Rotationswinkels messen, um den der Kugelzapfen 4 innerhalb des Gelenkgehäuses 1 rotiert bzw. verdreht wurde.
Die Messung sowohl des Schwenkwinkels bezüglich Betrag und Richtung als auch der Größe des Rotationswinkels mit nur einer einzigen Sensoreinrichtung 7 liefert also auf einfache und zuverlässige Weise eine äußerst breite Datenbasis beispielsweise im Versuchsbetrieb, oder aber für die Fahrsicherheits- und Fahrerassistenzsysteme eines mit dem erfindungsgemäßen Kugelgelenk ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
Dabei lassen sich sowohl die eigentlichen Feldsensoren, als auch die zugehörige Auswertungselektronik sowie zusätzliche Schaltungselemente, wie beispielsweise Digitalisierung oder Datenbusanbindung, im Bereich der Sensoreinrichtung 7 bzw. auf ein und derselben Platine 6 kostengünstig, platzsparend und geschützt unterbringen.
Das Kugelgelenk gemäß 1 besitzt jedoch zusätzlich zu den Messmöglichkeiten für Schwenk- und Rotationswinkel auch noch die Fähigkeit, sowohl die auf das Kugelgelenk einwirkenden Betriebskräfte, als auch die verbliebene Vorspannkraft der Kugelschale 2 im Gelenkgehäuse 1 zu messen bzw. zu überwachen.
Man erkennt in 1, dass auf den Kugelzapfen 4 eine zeichnungsbezogen von links nach rechts wirkende, innerhalb der x-y-Ebene verlaufende Kraft F einwirkt, die beispielsweise infolge fahrdynamischer Kräfte in einem Achssystem eines Kraftfahrzeugs auftritt. Aufgrund Krafteinwirkung durch die Kraft F wird die aus zähelastischem Polymer bestehende Kugelschale 2 elastisch verformt, wie dies in 1 unmaßstäblich und der besseren Erkennbarkeit halber stark übertrieben dargestellt ist.
Es lässt sich erkennen, dass der Kugelzapfen 4 mit der Kugel 3 infolge der Krafteinwirkung durch die Kraft F relativ zum Gelenkgehäuse 1 zeichnungsbezogen nach rechts verschoben wird. Hierdurch wird die zeichnungsbezogen rechte Seite der Kugelschale 2 bei 11 zusammengedrückt, während bei 12 die zeichnungsbezogen linke Seite der Kugelschale 2 entlastet wird.
Aufgrund der näherungsweisen Volumenkonstanz, bzw. aufgrund der Querkontraktionszahl des für die Kugelschale 2 verwendeten Werkstoffs, führt die Druckerhöhung auf der rechten Seite bzw. die Entlastung auf der linken Seite der Kugelschale 2 jedoch zu einer entsprechenden Veränderung der Ausdehnung der jeweiligen Seiten der Kugelschale 2 in zeichnungsbezogen vertikaler Richtung bzw. in z-Richtung. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Vertikalausdehnung der Kugelschale 2 auf ihrer zeichnungsbezogen rechten Seite sich vergrößert, während sich die Kugelschale 2 auf der linken Seite tendenziell zusammenzieht, wie dies durch die strichlierten Blockpfeile 11, 12 angedeutet ist.
Diese durch die Kraft F hervorgerufenen Formveränderungen 11, 12 der Kugelschale 2 pflanzen sich jedoch aufgrund der besonderen Einspannung der biegeelastischen Sensorplatine 6 auf die Sensorplatine 6 fort, wie dies auch der Darstellung der 1 zu entnehmen ist. Man erkennt, dass die Sensorplatine 6 zwischen dem als Übertragungsmittel ausgebildeten Vorsprung 13 der Kugelschale 2 einerseits, und dem das Stützelement bildenden, am Gehäusedeckel 5 anliegenden Distanzring 14 andererseits, scherenartig dergestalt eingeklemmt ist, dass über den Vorsprung 13 der Kugelschale 2 in die Sensorplatine 6 eingeleitete Kräfte bzw. Verschiebungen in entsprechende Biegemomente umgewandelt werden, bzw. für entsprechende Durchbiegungen der Sensorplatine 6 sorgen. Die dargestellte Durchbiegung der Sensorplatine 6 ist selbstverständlich erneut nicht maßstabsgetreu, sondern vielmehr der besseren Erkennbarkeit halber stark übertrieben dargestellt.
Bei dem in 1 dargestellten Kugelgelenk umfasst die Sensoreinrichtung 7 außer dem vektoriell arbeitenden Magnetfeldsensor und der Auswertungselektronik zusätzlich auch die Sensoren zur Erfassung von Durchbiegungen bzw. mechanischen Spannungen an der Oberfläche der Sensorplatine 6. Durch Messung der Durchbiegungen, bzw. der mechanischen Spannungen an der Platinenoberfläche, lässt sich nach einer entsprechenden Sensorkalibrierung somit zunächst einmal auf die Größe der Kraft F rückschließen.
Die Sensoreinrichtung 7 kann jedoch so ausgebildet werden, dass nicht nur der Betrag der Durchbiegung, sondern auch die Richtung der Durchbiegung, bzw. die Richtung des die Durchbiegung hervorrufenden Biegemoments in der x-y-Ebene, also in der Ebene der Sensorplatine 6, festgestellt werden kann. Da die Formveränderungen 11, 12 der Kugelschale 2 in Abhängigkeit der Richtung der Verformungskraft F ihre Maxima in derselben Axialebene des Kugelzapfens 4 entfalten, in der auch die Verformungskraft F verläuft, wird auch die Sensorplatine 6 in Abhängigkeit der Richtung der Verformungskraft F jeweils in charakteristischer Weise verformt.
Diese charakteristische Verformung lässt sich sodann mit Hilfe der Sensoreinrichtung 7 sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrer Richtung in der x-y-Ebene detektieren, womit wiederum sowohl auf den Betrag als auch auf die Richtung der Kraft F in der x-y-Ebene rückgeschlossen werden kann.
2 zeigt erneut das Kugelgelenk gemäß 1, wobei das Kugelgelenk gemäß 2 im Unterschied zu der Darstellung gemäß 1 von einer axialen Kraft F' beaufschlagt wird. Man erkennt, dass in diesem Fall die Verformung 11, 12 der Kugelschale aufgrund der Verformungskraft F' symmetrisch, bzw. sogar rundum umlaufend gleichförmig erfolgt. Dies führt dazu, dass die Sensorplatine 6 über den umlaufenden Vorsprung 13, der als Mittel zur Übertragung der Verformungen der Kugelschale 2 auf die Sensorplatine 6 dient, in allen Richtungen gleichmäßig verwölbt wird. Erneut ist dies in 2 anhand einer unmaßstäblich und stark überzeichneten Durchbiegung der Sensorplatine 6 dargestellt.
Wenn somit von der Sensoreinrichtung 7 eine in beiden Richtungen x und y gleichgroße mechanische Spannung bzw. Durchbiegung der Sensorplatine 7 registriert wird, dann kann dies in Abhängigkeit der momentan vorhandenen Randbedingungen entweder als axiale Druckkraft F', oder aber als statische Vorspannkraft der Kugelschale 2 gedeutet werden.
Bei den hierbei zu beachtenden Randbedingungen, die zur Deutung der gemessenen Kraft als Vorspannkraft beitragen, kann es sich beispielsweise, jedoch keineswegs ausschließlich, um die momentane Relativposition von Kugelzapfen und Gelenkgehäuse, die zum Beispiel auf eine Neutralstellung eines Lenkgestänges und/oder auf Stillstand eines Kraftfahrzeugs hindeuten, um eine längere Zeit anhaltende Kraftkonstanz, oder um einen ebenfalls mittels Sensoranordnung 7 gemessenen Bewegungsstillstand des Kugelgelenks handeln. In anderen Fällen, insbesondere beim Auftreten von raschen Schwankungen in der ermittelten Axialkraft oder bei gleichzeitig auftretenden, phasengleichen Bewegungen des Kugelzapfens, kann andererseits darauf geschlossen werden, dass es sich um eine extern auf das Kugelgelenk wirkende variable Kraft handelt.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kugelgelenks gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Kugelgelenk gemäß 3 entspricht im Wesentlichen dem Kugelgelenk gemäß 1 bzw. 2. Der Unterschied zwischen dem Kugelgelenk gemäß 3 und dem Kugelgelenk gemäß 1 bzw. 2 liegt darin, dass die Sensorplatine 6 nicht mehr zwischen einem am Gehäusedeckel 5 anliegenden Distanzring 14 (siehe 1 bzw. 2) und dem umlaufenden Vorsprung 13 angeordnet und eingeklemmt ist. Vielmehr erfolgt bei dem Kugelgelenk gemäß 3 Halterung und Übertragung der Verformungen der Kugelschale 2 in Form von Biegemomenten auf die Sensorplatine 6 mittels des umlaufenden Vorsprungs 13' und des ebenfalls umlaufenden sowie ebenfalls an der Kugelschale 2 selbst angeordneten Rastvorsprungs 15.
Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass – insbesondere in Abhängigkeit von der konstruktiv konkret gewählten Geometrie der Vorsprünge 13' und 15 – eine besonders hohe Ansprechempfindlichkeit der Sensorplatine 6 bzw. der darauf angeordneten Sensoren 7 erzielt werden kann, womit ein Kugelgelenk mit besonders hoher Messauflösung bezüglich der einwirkenden Kräfte, und/oder bezüglich Ermittlung der im Kugelgelenk verbleibenden Vorspannkraft der Kugelschale 2 erhältlich ist.
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Kugelgelenk bzw. ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk geschaffen wird, bei dem die zuverlässige Erfassung des Betriebs- und Belastungszustands des Kugelgelenks ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk erlaubt auf kostengünstige und zuverlässige Weise sowie mit großem konstruktivem Freiheitsgrad die Ermittlung von Kräften bzw. von auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastungen. Zudem kann auch eine zuverlässige Aussage über den Verschleißzustand des Kugelgelenks getroffen werden, so dass ein etwa bevorstehendes Versagen des Kugelgelenks rechtzeitig erkannt und verhindert werden kann.
Die Erfindung leistet damit einen wertvollen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Ausfallprävention bei Kugelgelenken sowie hinsichtlich der Vergrößerung der Datenbasis von Fahrerassistenzsystemen, insbesondere beim Einsatz von Kugelgelenken im Bereich anspruchsvoller Achssysteme und Radaufhängungen am Kraftfahrzeug.

1: Gelenkgehäuse
2: Kugelschale
3: Gelenkkugel
4: Kugelzapfen
5: Gehäusedeckel
6: Sensorplatine
7: Sensoreinrichtung
8: Magnetfeldgeber
9: Kunststoffstopfen
10: Bohrung
11, 12: Formveränderung
13, 13': umlaufender Vorsprung, Übertragungsmittel
14: Distanzring
15: umlaufender Rastvorsprung
F, F': externe Kraft

Claims

Kugelgelenk, umfassend ein Gelenkgehäuse (1), in dessen Innenraum eine Kugelschale (2) angeordnet ist, wobei in der Kugelschale (2) die Kugel (3) eines Kugelzapfens (4) gleitbeweglich aufgenommen ist, das Kugelgelenk aufweisend ferner eine Sensoreinrichtung (7) zur Bestimmung von Kräften oder Belastungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (7) auf einer biegeelastischen Platine (6) angeordnet ist, die im Gelenkgehäuse (1) biegebeweglich gehaltert ist, wobei die Sensoreinrichtung (7) zur Messung von Durchbiegungen oder mechanischen Spannungen der Sensorplatine (6) eingerichtet ist, das Kugelgelenk umfassend ferner Übertragungsmittel (13), durch die bei einer Verformung der Kugelschale (2) eine Kraft oder ein Biegemoment in die Sensorplatine (6) einleitbar ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatine (6) rund ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel (13) durch einen im Wesentlichen umlaufenden Vorsprung der Kugelschale (2) gebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die die Sensoreinrichtung (7) zur Messung sowohl der Größe als auch der Richtung der Verformung bzw. Durchbiegung der Sensorplatine (6) eingerichtet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatine (6) an einem am Gelenkgehäuse (1) umlaufend angeordneten Stützelement (14) zur Anlage bringbar ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement durch einen Distanzring (14) gebildet ist, dessen Durchmesser sich von dem Durchmesser des umlaufenden Vorsprungs (13) der Kugelschale (2) unterscheidet.
Kugelgelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzring (14) am Gehäusedeckel (5) des Kugelgelenks zur Anlage bringbar ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzring (14) einstückig mit den Gehäusedeckel (5) des Kugelgelenks ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatine (6) an einem an der Kugelschale (2) angeordneten Rastvorsprung (15) zur Anlage bringbar ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Winkelsensoreinrichtung mit einem im Bereich der Oberfläche der Gelenkkugel (2) angeordneten Feldgeber (8) und einer am Gelenkgehäuse angeordneten Feldsensoreinrichtung (7).
Kugelgelenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsensoreinrichtung (7) zusammen mit der Kraftsensoreinrichtung (7) auf der Sensorplatine (6) angeordnet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Feldsensoreinrichtung und Kraftsensoreinrichtung in Form einer monolithisch integrierten Schaltung (7) ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsensoreinrichtung (7) als CMOS-Hallsensoranordnung ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsensoreinrichtung (7) zur Messung von Feldern in allen drei Raumrichtungen ausgebildet ist.
Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk, wobei das Kugelgelenk die Merkmale eines der Patentansprüche 1 bis 14 aufweist, das Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Überprüfung, ob eine oder mehrere der Bedingungen "Kraftkonstanz", "bestimmte Relativposition von Kugelzapfen (4) und Gelenkgehäuse (1)" oder "Bewegungsstillstand" vorliegen; b) Ermittlung der Vorspannungskraft der Kugelschale (2) mittels der Kraftsensoreinrichtung (7); c) Berechnung eines Verschleißwertes aus dem Messignal; d) Vergleich des Verschleißwertes mit einem Maximalwert und Ausgabe einer Warnung bei Überschreitung des Maximalwerts.