DE102005029303A1

DE102005029303A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Klassifizieren von Kugelgelenken

Info

Publication number: DE102005029303A1
Application number: DE102005029303A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Meier; Nils Lehnert; Jan Scholten; Henning Haensel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: DE102005029303B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klassifizieren von Kugelgelenken, insbesondere von Traggelenken von Radaufhängungen in Kraftfahrzeugen, mit einem metallischen Gelenkzapfen und Lagerschalen aus Kunststoff, bei dem zur Abschätzung der tribologischen Eigenschaften des Kugelgelenkes die Energiedissipation des zusammengebauten Kugelgelenkes (10) bei definierten Kipp- und/oder Drehbewegungen erfasst und zur Bestimmung von Schädigungsmechanismen ausgewertet wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in das Kugelgelenk (10) in den Kugelzapfen (14) ein elektrischer Heizdraht (22) integriert ist, dass ferner in das Gelenkgehäuse (12) zumindest ein Temperatursensor (24, 26) eingesetzt ist, der in eine Lagerschale (16) des Kugelgelenkes (10) bis nahe zu dessen Gleitfläche einragt und dass eine Stromquelle (36) und ein die Stromversorgung und den Temperaturverlauf erfassender Messrechner (32) mit einem Signalverstärker (30) vorgesehen sind (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klassifizieren von Kugelgelenken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im nachstehenden werden insbesondere Kugelgelenke bzw. sogenannte Traggelenke für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen betrachtet; relevant können aber auch Radialgelenklager mit ebenfalls sphärischen Gleitflächen sein. Bei Traggelenken wirken im Fahrbetrieb auf den Kugelzapfen statische und dynamische Kräfte, die mit Kipp- und Drehbewegungen aus der Einfederung des Fahrwerks und den Lenkbewegungen überlagert werden. Bei der Auslegung des Gelenks ist unter dem Zusammenwirken dieser Beanspruchungen das Verschleißverhalten des Gelenks, z. B. bestehend aus der Werkstoffpaarung Polyoxymethylen (POM) und Stahl zu analysieren, wobei auch die eingesetzten Schmiermittel wie PTFE oder Schmierfett in die Auswertung eingehen. Auf Verschleiß des Gelenkes bzw. bereits vorliegende Schädigungen kann z. B. durch Steifigkeitsmessungen und/oder Gelenkspielerfassung geschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Klassifizierung von Kugelgelenken der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, mit dem insbesondere die tribologischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffpaarung des Kugelgelenkes verbessert analysierbar und deren Verschleißverhalten und gegebenenfalls Schädigungszustand erfassbar sind. Ferner wird eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen beschreiben die weiteren Patentansprüche.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Energiedissipation des zusammengebauten Kugelgelenkes bei definierten Kipp- und/oder Drehbewegungen erfasst und zur Bestimmung von Schädigungsmechanismen ausgewertet wird. Durch Bestimmung der dissipierten Reibungsenergie im Gelenk steht ein Verfahren zur Verfügung, mit dem zumindest versuchstechnisch zuverlässig und kontinuierlich Informationen über den Reibzustand im Gelenk erfasst und analysiert werden können.

Bevorzugt und verfahrenstechnisch besonders einfach kann durch Messung des thermischen Verhaltens der Reibpaarung Kugelzapfen: Lagerschale des Kugelgelenkes bei definierten Belastungsabfolgen auf die dissipierte Leistung im Kugelgelenk rückgeschlossen werden; daraus können dann Auslegungskriterien für das Kugelgelenk bei spezifischen Anwendungen bestimmt werden.

Dazu ist es besonders zweckmäßig, wenn eine thermische Systemidentifikation eines definierten Kugelgelenkes durch gezielte Beheizung des Kugelzapfens und Erfassung der Temperatur an der Gleitschicht durchgeführt wird. Dies ermöglicht die Schaffung einer temperaturabhängigen Matrix der tribologischen Eigenschaften eines definierten Kugelgelenkes bzw. einer definierten Werk stoffpaarung mit zuverlässiger Bestimmung des Verschleißzustandes bzw. Schädigungen derartiger Kugelgelenke.

Zur Beheizung des Kugelgelenkes kann bevorzugt in den Kugelzapfen ein elektrischer Heizdraht integriert sein. Des weiteren kann in das Gelenkgehäuse zumindest ein in eine Lagerschale einragender Temperatursensor eingesetzt sein. Somit können die zugeführte Wärmeenergie und die Beharrungstemperatur an den Gleitflächen des Kugelgelenkes messtechnisch einfach erfasst und ausgewertet werden.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können zusätzlich zur Energiedissipation des Kugelgelenkes die Gelenkelastizität und/oder das Gelenkspiel zur Klassifizierung des Kugelgelenkes herangezogen werden. Damit können neben der tribologischen Auswertung auch andere Gelenkparameter in die Gesamtklassifizierung bzw. die Auslegung des Kugelgelenkes mit einbezogen werden.

Eine bevorzugte und besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Klassifizierung der Kugelgelenke besteht darin, dass in den Kugelzapfen ein elektrischer Heizdraht integriert ist, dass ferner in das Gelenkgehäuse zumindest ein Temperatursensor eingesetzt ist, der in eine Lagerschale des Kugelgelenkes bis nahe zur Gleitfläche einragt und dass eine Stromquelle und ein die Stromversorgung und den Temperaturverlauf im Kugelgelenk erfassender Messrechner mit einem Messverstärker vorgesehen ist.

Zur genauen Erfassung der zugeführten Wärmeenergie kann zudem ein weiterer Temperatursensor im Gelenkgehäuse und nahe der Heizeinrichtung im Kugelzapfen vorgesehen sein.

Des weiteren kann am Zapfenabschnitt des Kugelzapfens außerhalb dessen Kugelabschnittes ein weiterer, zu der Heizeinrichtung beabstandeter Temperatursensor angeordnet sein, der eine Verhältnismessung zwischen die in den Kugelabschnitt eingehende Wärmeenergie und die in den Zapfenabschnitt abfließende Verlust-Wärmeenergie und eine entsprechende Korrektur der zugeführten Wärmeenergie ermöglicht.

Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung wird vorgeschlagen für ein Traggelenk für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, bei dem der Kugelzapfen aus Stahl mit nitrocarborierter Oberfläche und die Lagerschalen aus POM (Polyacetal, Polyoxymethylen) hergestellt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
1 eine Vorrichtung zum messtechnischen Erfassen der Energiedissipation an einem modifizierten Traggelenk für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, mit einem Messrechner, einem Verstärker und einer Stromquelle zur Beheizung des Traggelenkes;
2 einen Längsschnitt durch das Traggelenk gemäß 1 mit der integrierten Heizeinrichtung und mehreren Temperatursensoren; und
3 eine Grafik, die die Beharrungstemperatur an der Gleitschicht des Traggelenkes über der zugeführten Dissipationsleistung darstellt.
Anhand der 2 sei kurz das Kugelgelenk bzw. Traggelenk 10 für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen beschrieben, das sich im wesentlichen aus einem Gelenkgehäuse 12, einem Kugelzapfen 14 mit einem Kugelabschnitt 14a und einem Zapfenabschnitt 14b, einer oberen Lagerschale 16 und einer ringförmigen unteren Lagerschale 18 und schließlich einer Schutzmanschette 20 zusammensetzt. Durch entsprechendes Einrollen der Gehäuseöffnung des Gelenkgehäuses 12 sind die Lagerschalen 16, 18 mit dem Kugelzapfen 14 mit definierter Vorspannung spielfrei im Gelenkgehäuse 12 gehalten. Es sei noch betont, dass soweit nicht beschrieben das Kugelgelenk 10 herkömmlicher und bekannter Bauart sein kann. Das Gelenkgehäuse 12 kann in den nicht näher dargestellten Traglenker der Radaufhängung des Kraftfahrzeuges integriert sein. Ferner ist das Traggelenk 10 in üblicher Weise mit einem Schmiermittel befüllt.
Der Kugelzapfen 14 ist aus Stahl mit nitrocarborierter Oberfläche und definierter Oberflächenqualität hergestellt. Ferner bestehen die Lagerschalen 16, 18 aus Kunststoff bzw. Polyoxymethylen (POM).
Das dargestellte Traggelenk 10 ist als Identifikations-Traggelenk modifiziert und weist innerhalb einer in den Gelenkzapfen 14 eingebrachten Bohrung 14c eine durch Heizdrähte gebildete, elektrische Heizeinrichtung 22 auf, die im Kugelabschnitt 14a nahe dessen sphärischer Gleitfläche positioniert ist. Die Heizeinrichtung 22 kann durch elektrische Leitungen (nicht dargestellt) innerhalb der Bohrung 14c mit elektrischer Energie versorgt werden.
Ferner sind im Gelenkgehäuse 12 einmal seitlich und einmal in Nähe der Heizeinrichtung 22 Temperatursensoren 24, 26 (schwarz ausgemalt) angeordnet, die jeweils in die Lagerschale 16 bis nahe zu den Gleitflächen zwischen Kugelabschnitt 14a und Lagerschale 16 einragen und somit die dortigen Beharrungstemperaturen erfassen.
Ein weiterer Temperatursensor 28 ist in der Bohrung 14c des Zapfenabschnittes 14b des Kugelzapfens 14 eingesetzt.
Wie die 1 zeigt, sind die Heizeinrichtung 22 und die Temperatursensoren 24, 26, 28 des Traggelenkes 10 über entsprechende, elektrische Leitungen (ohne Bezugszeichen) und einen Signalverstärker 30 mit einem Messrechner 32 verbunden.
Über den Messrechner 32 und den Signalverstärker 30 ist ein Relais 34 ansteuerbar, das die Heizeinrichtung 22 zeitweilig mit einer üblichen Stromquelle 36 verbindet und somit den Kugelzapfen 14 gezielt beheizt.
Das Traggelenk 10 ist dabei zur Aufrechterhaltung einer konstanten Umgebungstemperatur in einer Umhausung 38 (in gestrichelten Linien angedeutet) angeordnet, in der auch ein Temperatursensor 40 vorgesehen ist.
Die Beheizung des Kugelzapfens 14 kann im feed back mit dem der Heizeinrichtung 22 benachbarten Temperatursensor 26 gezielt gesteuert bzw. kontrolliert werden. Der Verlust-Wärmeabfluss in den Zapfenabschnitt 14b kann dabei entsprechend berücksichtigt werden.
Die Beharrungstemperatur an dem Kugelabschnitt 14a an dessen äußerer Gleitschicht wird über den seitlichen Temperatursensor 24 erfasst und ebenfalls dessen Werte dem Messrechner 32 zugeführt. Es könnten auch mehrere Temperatursensoren 24 vorgesehen sein, jedoch dürfen die Funktion und die tribologischen Eigenschaften des Traggelenkes 10 zur Erzielung realer Messergebnisse nicht verändert werden.
Die 3 zeigt das lineare Verhalten zwischen der über die Heizeinrichtung 22 eingebrachten Dissipationsenergie DE in W und der an der Gleitfläche des Kugelabschnittes 14a des Kugelzapfens 14 gemessenen Beharrungstemperatur T in Grad C, wobei die Linie 24a den Temperaturverlauf am Temperatursensor 24 und die Linie 26a den Temperaturverlauf am Temperatursensor 26 darstellt. Dabei sei insbesondere auch auf den großen Temperaturbereich für die Gieitschichttemperatur hingewiesen, für den diese Linearität gilt. Der Ausgangspunkt der Kennlinien 24a, 26a bezeichnet zudem die Umgebungstemperatur, die in der Versuchsanordnung ebenfalls zu erfassen und entsprechend zu berücksichtigen bzw. konstant zu halten ist.
Durch Messen des thermischen Verhaltens des modifizierten Kugelgelenkes 10 unter Variation der im Einsatzfall möglichen Belastungen (nicht dargestellt) kann nun auf die dissipierte Leistung im Traggelenk 10 rückgeschlossen werden und es können an herkömmlichen Traggelenken 10 oder anderen Kugelgelenken durch Temperaturmessung über der Belastung und in Verbindung mit gegebenenfalls durchgeführten Elastizitätsmessungen und Gelenkspielmessungen Rückschlüsse auf den Geienkzustand und auf gegebenenfalls drohende Schädigungen gewonnen werden, die insbesondere bei der Konstruktion und Auslegung von Kugel-gelenken weitergehende Erkenntnisse ermöglichen.
Auf Basis dieser thermischen Systemidentifikation lässt sich zudem über Temperaturmessungen an Traggelenken 10 indirekt die Dissipation im Gelenk abschätzen und der aktuelle, tribologische Zustand (Reibwert, Schmierungszustand, etc.) z. B. während Prüfstandsversuchen oder Fahrzeugmessungen erfassen.

Claims

Verfahren zum Klassifizieren von Kugelgelenken, insbesondere von Traggelenken von Radaufhängungen in Kraftfahrzeugen, mit einem metallischen Gelenkzapfen und Lagerschalen aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiedissipation des zusammengebauten Kugelgelenkes (10) bei definierten Kipp- und/oder Drehbewegungen erfasst und zur Bestimmung von Schädigungsmechanismen ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung des thermischen Verhaltens der Reibpaarung Kugelzapfen (14): Lagerschalen (16, 18) des Kugelgelenkes (10) bei definierten Belastungsabfolgen auf die dissipierte Leistung im Kugelgelenk (10) rückgeschlossen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Systemidentifikation eines definierten Kugelgelenkes (10) durch gezielte Beheizung des Kugelzapfens (14) und Erfassung der Temperatur an der Gleitschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kugelzapfen (14) ein elektrischer Heizdraht (22) integriert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gelenkgehäuse (12) zumindest ein in eine Lagerschale (16) einragender Temperatursensor (24) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Energiedissipation des Kugelgelenkes (10) die Gelenkelastizität und/oder das Gelenkspiel zur Klassifizierung des Kugelgelenkes (10) herangezogen werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Klassifizierung des Kugelgelenkes (10) in den Kugelzapfen (14) ein elektrischer Heizdraht (22) integriert ist, dass in das Gelenkgehäuse (12) zumindest ein Temperatursensor (24, 26) eingesetzt ist, der in eine Lagerschale (16) des Kugelgelenkes (10) bis nahe zur Gleitfläche einragt und dass eine Stromquelle (36) und ein die Stromversorgung und den Temperaturverlauf erfassender Messrechner (32) mit einem Signalverstärker (30) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Temperatursensor (24) in das Gelenkgehäuse (12) nahe der Heizeinrichtung (22) im Kugelzapfen (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Zapfenabschnitt (14b) des Kugelzapfens (14) außerhalb des Gelenkbereiches ein weiterer, zu der Heizeinrichtung (22) beabstandeter Temperatursensor (28) angeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9 an einem Traggelenk (10) für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, wobei der Kugelzapfen (14) aus Stahl mit nitrocarborierter Oberfläche und die Lagerschalen (16, 18) aus POM (Polyacetal, Polyoxymethylen) hergestellt sind.