DE102005030971B4

DE102005030971B4 - Kugelgelenk mit Sensoreinrichtung, Verfahren zur Belastungsmessung und Verfahren zur Verschleißmessung

Info

Publication number: DE102005030971B4
Application number: DE102005030971.2A
Authority: DE
Inventors: Joachim Spratte; Dr. Klank Michael; Peter Hofmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: DE102005030971A1; WO2007003162A1; US20090087253A1; CN101213100A; JP2008547036A; KR20080022138A

Abstract

Kugelgelenk, beispielsweise für ein Achssystem eines Kraftfahrzeugs, das Kugelgelenk umfassend ein Gelenkgehäuse (3), in dessen Innenraum eine Kugelschale (2) angeordnet ist, wobei in der Kugelschale (2) die Kugel (1) eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufgenommen ist, das Kugelgelenk aufweisend ferner eine Sensoreinrichtung zur Messung von Kräften oder Belastungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung durch eine im Bereich der Kugelschale platzierte Sensoranordnung (4) aus zumindest zwei Druck- oder Kraftsensoren (6) zur Messung der zwischen Gelenkkugel (1) und Kugelschale (2) wirkenden Kräfte oder Anpressdrücke gebildet ist.

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 zur Belastungsmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 10, sowie ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 13.
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 in bestimmtem Umfang ermitteln bzw. messen lassen.
Gattungsgemäße Kugelgelenke 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. Die gattungsgemäßen Kugelgelenke lassen sich somit insbesondere im Sinne der Verbesserung der Fahrsicherheit am Kraftfahrzeug einsetzen.
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 seines Schaftes 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 rückzuschließen.
Die Ausstattung von Kugelgelenken mit derartigen, im Schaftbereich angeordneten Dehnungsmessstreifen oder Piezo-Sensoren ist jedoch mit nicht unerheblichem Aufwand verbunden. Zunächst einmal muss eine entsprechende Anbringungsfläche am Kugelzapfen geschaffen werden, auf die sodann beispielsweise die Dehnungsmessstreifen aufzukleben sind. Zusätzlich muss noch eine elektrische Drahtverbindung im Inneren des Kugelzapfens zu einer Auswertungselektronik hergestellt werden, wobei die Auswertungselektronik – im Falle am Kugelzapfen angeordneter Sensorelemente zumeist separat vom Kugelgelenk – 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 an exponierter Stelle angeordnete, freiliegende Sensorik und Verdrahtung solcher Kugelgelenke empfindlich und daher von Ausfällen bedroht.
Der Nutzen der bekannten Kugelgelenke mit Kraftsensoreinrichtung ist zudem begrenzt. So kann mit den bekannten Kraftsensoreinrichtungen im Wesentlichen lediglich eine in einer bestimmten Richtung wirkende Kraft ermittelt werden. Die bekannten Kugelgelenke mit Kraftsensoreinrichtung eignen sich somit nicht zur umfassenden vektoriellen Ermittlung von Kräften und und/oder Momenten, die auf Kugelgelenke bzw. auf damit verbundene Bauteile einwirken.
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.
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 die vektorielle Ermittlung von Kräften bzw. von auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastungen nach Betrag sowie nach Richtung 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, durch ein Verfahren zur Belastungsmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 10 bzw. durch ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk umfasst zunächst einmal in an sich bekannter Weise ein Gelenkgehäuse mit einem zumeist im Wesentlichen zylinderförmigen Innenraum, in welchem wiederum die Kugelschale des Kugelgelenks angeordnet ist. In der Kugelschale ist die Gelenkkugel 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 Sensoreinrichtung durch eine im Bereich der Kugelschale platzierte Sensoranordnung aus zumindest zwei Druck- bzw. Kraftsensoren gebildet ist. Die Sensoren dienen dabei zur Messung der zwischen Gelenkkugel und Kugelschale wirkenden Kräfte bzw. Anpressdrücke.
Hierdurch ergibt sich zunächst einmal der wesentliche Vorteil, dass die gesamte Sensoreinrichtung im Unterschied zum Stand der Technik gut geschützt innerhalb des Gelenkgehäuses angeordnet und fest mit dem Gelenkgehäuse bzw. mit der Kugelschale verbunden ist. Dies führt bereits zu einer sowohl robusten und zuverlässigen als auch kostengünstigen Konstruktion des erfindungsgemäßen Kugelgelenks.
Denn damit ist nicht – wie beim Stand der Technik – eine aufwändige separate Anbringung von Sensorik und Auswertungselektronik mit zwischengeschalteter anfälliger Verdrahtung durch den hohlen Kugelzapfen mehr erforderlich, vielmehr können dank der Erfindung sowohl Sensorik als auch Auswertungselektronik gemeinsam innerhalb des Gelenkgehäuses angeordnet und miteinander verbunden werden. Sogar eine Anordnung sowohl der Sensoren als auch der Auswertungselektronik auf ein und derselben gemeinsamen flexiblen Leiterbahn ist denkbar und vorgesehen. Auch sind keinerlei mechanische Veränderungen am Kugelzapfen oder an der Gelenkkugel mehr notwendig, durch die die Stabilität des Kugelgelenks beeinträchtigt werden könnte. Die damit bisher verbundenen Kosten können ebenfalls entfallen.
Die erfindungsgemäße Anordnung von zumindest zwei Drucksensoren im Bereich der Kugelschale bedeutet mit anderen Worten, dass die zumindest zwei Sensoren zusammen mit dem Kugelmittelpunkt ein zumindest zweidimensionales Koordinatensystem aufspannen. Auf diese Weise lassen sich mit den Sensoren Kraft- bzw. Drucksignale für zumindest zwei unterschiedliche Raumrichtungen ermitteln, aus denen wiederum mittels einer geeigneten vektoriellen Addition diejenige resultierende vektorielle Kraft nach Betrag und Richtung in dem zumindest zweidimensionalen Koordinatensystem ermittelt werden kann, die auf das Kugelgelenk momentan einwirkt.
Schließlich 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 dabei zunächst einmal unerheblich, wie die zumindest zwei Sensoren des Kugelgelenks räumlich genau angeordnet sind, solange sie zusammen mit dem Kugelmittelpunkt ein zumindest zweidimensionales Koordinatensystem aufspannen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung durch eine im Bereich der Kugelschale platzierte Sensoranordnung aus drei Druck- bzw. Kraftsensoren gebildet ist. Die Sensoren dienen dabei wieder zur Messung der zwischen Gelenkkugel und Kugelschale wirkenden Kräfte bzw. Anpressdrücke. Die drei Sensoren sind dabei im Wesentlichen auf einer gedachten, zur Gelenkkugel konzentrischen Sensorkugelfläche so angeordnet, dass die von den drei Sensoren aufgespannte Ebene nicht durch den Mittelpunkt der Sensorkugelfläche bzw. der Gelenkkugel verläuft.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die drei Sensoren die Gelenkkugel bzw. die Kugelschale im Wesentlichen auf einer gedachten Kugeloberfläche umgeben, wobei die Sensoren zusammen mit dem Kugelmittelpunkt ein dreidimensionales Koordinatensystem aufspannen. Auf diese Weise können mit den Sensoren Kraft- bzw. Drucksignale für drei unterschiedliche Raumrichtungen ermittelt werden, aus denen, wiederum mittels vektorieller Addition, die resultierende vektorielle Gesamtkraft ermittelt werden kann, die auf das Kugelgelenk momentan einwirkt. Somit wird eine vollständige vektorielle Erfassung der auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräfte im dreidimensionalen Raum möglich.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensoranordnung acht Sensoren, die auf zumindest zwei voneinander verschiedenen Großkreisen der gedachten Sensorkugelfläche angeordnet sind. Dabei sind die acht Sensoren vorzugsweise an den Eckpunkten einer gedachten, der Sensorkugelfläche einbeschriebenen quadratischen Säule – also eines Quaders mit quadratischer Grundfläche – angeordnet, wobei die Hochachse der quadratischen Säule mit der Längsachse des Kugelzapfens zusammenfällt.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Gelenkkugel von einer in Bezug auf den Kugelzapfen symmetrisch positionierten sowie zur Gelenkkugel konzentrischen Anordnung von acht Sensoren umgeben ist.
Die erhöhte Anzahl an Sensoren führt dabei zunächst einmal zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit und zu einer Minimierung unvermeidlicher Messungenauigkeiten. Ferner erlaubt die symmetrische und vorzugsweise mit einem rechtwinkligen, kartesischen Koordinatensystem übereinstimmende Anordnung der acht Sensoren eine gleichförmige Messgenauigkeit praktisch unabhängig von der Wirkungsrichtung der auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastung, und sie erleichtert zudem die Auswertung der Messsignale der einzelnen Sensoren sowie deren Umrechnung in die vektorielle resultierende Gesamtkraft im kartesischen Koordinatensystem.
Es kommt hinzu, dass eine solche Anordnung aus acht Sensoren die zuverlässige Ermittlung der tatsächlich auf das Kugelgelenk einwirkenden Kraft auch unter erschwerten Bedingungen erlaubt. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass die auf das Kugelgelenk einwirkende Kraft so groß ist, dass die gelenkinterne Vorspannkraft vollständig überwunden wird, womit die Gelenkkugel auf der der Kraftrichtung gegenüberliegenden Seite von der Kugelschale abhebt. In einem solchen Fall ist die zuverlässige Ermittlung der auf das Kugelgelenk einwirkenden Kraft nach Betrag und Richtung im dreidimensionalen Raum nur dann gewährleistet, wenn auch in dem teilweise von der Kugelschale abgehobenen Zustand der Gelenkkugel noch mindestens drei nicht auf demselben Großkreis liegende Sensoren durch die auf das Kugelgelenk wirkende Kraft beaufschlagt werden.
Werden allerdings acht Sensoren in der beschriebenen Anordnung verwendet, so ist gewährleistet, dass die Gelenkkugel in allen denkbaren Belastungsfällen im Bereich von zumindest vier der acht Sensoren nicht von der Kugelschale abgehoben ist. Auf diese Weise lässt sich die vektorielle Gesamtkraft für jeden denkbaren Belastungsfall des Kugelgelenks zuverlässig ermitteln.
Die Erfindung wird zunächst einmal verwirklicht unabhängig davon, wie die Sensoren aufgebaut sind, oder nach welchem Wirkprinzip die Sensoren arbeiten, solange die verwendeten Sensoren zur Messung der voraussichtlich auftretenden Kräfte bzw. Flächenpressungen geeignet sind. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind die Sensoren jedoch als Dehnungsmessstreifen oder als Piezoaufnehmer ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass handelsübliche und kostengünstige Sensoren verwendet werden können.
Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist hingegen vorgesehen, dass die Sensoren in Form kapazitiver Aufnehmer ausgebildet sind. Vorzugsweise umfasst dabei jeder der kapazitiven Aufnehmer eine auf der Außenseite der Kugelschale, bzw. innerhalb der Wandung der Kugelschale angeordnete Elektrode, wobei die Gegenelektrode des kapazitiven Aufnehmers in diesem Fall durch die Gelenkkugel selbst gebildet ist.
Der Einsatz dergestalt ausgebildeter kapazitiver Aufnehmer ist besonders vorteilhaft in Bezug auf einen einfachen und robusten Aufbau und einen störungsfreien Betrieb des erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Das Wirkprinzip der kapazitiven Aufnehmer besteht dabei darin, dass durch die im Bereich der Kugelschale angeordnete Elektrode zusammen mit der von dieser Elektrode durch das Material der Kugelschale elektrisch isolierten Gelenkkugel ein Kondensator gebildet wird, dessen Kapazität sich mit jeder Veränderung des Abstandes zwischen Elektrode und Gelenkkugel verändert.
Da die elastischen Veränderungen der Wandstärke der Kugelschale innerhalb weiter Bereiche proportional zu der zwischen Gelenkkugel und Kugelschale wirkenden Flächenpressung sind, kann mittels Registrierung der Veränderung der Kapazität des jeweiligen kapazitiven Aufnehmers unmittelbar und äußerst präzise auf die lokal momentan vorherrschende Flächenpressung rückgeschlossen werden.
Weitere Vorteile kapazitiver Aufnehmer liegen darin, dass sie dauerhaft praktisch vollkommen verschleißfrei arbeiten, eine einfache Auswertungsschaltung besitzen und zudem nur einen minimalen Betriebsstrom benötigen.
In diesem Zusammenhang ist es nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass jeder der kapazitiven Aufnehmer zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst. Dabei werden die beiden in Reihe geschaltete Kondensatoren durch zwei auf der Außenseite der Kugelschale, bzw. innerhalb der Wandung der Kugelschale benachbart angeordnete Elektroden gebildet, zusammen mit der in diesem Fall potenzialfreien Gelenkkugel als den beiden Kondensatoren gemeinsame Zwischenelektrode.
Diese Ausführungsform weist den zusätzlichen entscheidenden Vorteil auf, dass hierbei keinerlei elektrische Kontaktierung der Gelenkkugel mehr erforderlich ist. Vielmehr genügt es, jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden benachbart angeordneten Elektroden des kapazitiven Aufnehmers und der zugehörigen Auswertungsschaltung herzustellen, und auf diese Weise die Kapazität zwischen den beiden benachbart angeordneten Elektroden zu überwachen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kraftmessung an einem Kugelgelenk gemäß Patentanspruch 10. Dabei weist das Kugelgelenk die Merkmale eines der Patentansprüche 1 bis 9 auf.
Zur Ermittlung der auf das Kugelgelenk wirkenden Kraft werden dabei in einem ersten Verfahrensschritt die Kraft- bzw. Druckmesssignale der Sensoren des Kugelgelenks registriert. Anschließend werden in einem weiteren Verfahrensschritt anhand der ermittelten Messsignale der Sensoren die im Bereich der Sensoren jeweils herrschenden lokalen Kräfte, Drücke bzw.
Flächenpressungen berechnet. Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt der aus den lokalen Kräften, Drücken bzw. Flächenpressungen resultierende Kraftvektor im kartesischen Koordinatensystem ermittelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, dass die auf das Kugelgelenk einwirkende Kraft nicht nur bezüglich ihres Betrags, sondern auch bezüglich ihrer Richtung im dreidimensionalen Raum erfasst und gemessen werden kann. Die Messung von Kräften am Kugelgelenk sowohl bezüglich Kraftbetrag als auch bezüglich Kraftrichtung mit einer komplett im Gelenkgehäuse untergebrachten und damit zuverlässigen und robusten Sensoreinrichtung liefert auf einfache und zuverlässige Weise eine hervorragende Datenbasis, beispielsweise im Versuchsbetrieb, oder für Fahrsicherheits- und Fahrerassistenzsysteme eines Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise für ABS und ESP, aber auch für fortgeschrittene Fahrzeugsysteme wie beispielsweise X-by-wire-Technologien.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Belastungsmessung wird im Rahmen der Errechnung der Resultierenden aus den Sensorsignalen alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung des auf das Kugelgelenk einwirkenden Kraftvektors auch eine Vorspannkraft zwischen Kugelschale und Gelenkkugel ermittelt.
Die Berechnung der Vorspannkraft zwischen Kugelschale und Gelenkkugel erfolgt dabei vorzugsweise mittels Summenbildung der Signale gegenüberliegender Sensoren des Kugelgelenks. Auf diese Weise lässt sich die Vorspannkraft sogar unter Anwesenheit zusätzlicher externer Kräfte, die auch veränderlich sein können, zuverlässig ableiten.
Die Ermittlung der Vorspannkraft in der Kugelschale eines Kugelgelenks ist insofern besonders vorteilhaft, als die mit der Zeit abnehmende Höhe der Vorspannkraft insbesondere als Maß für den fortschreitenden Verschleiß des Kugelgelenks herangezogen werden kann. Denn 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 beispielsweise aus einer innerhalb kurzer Zeit stark abfallenden Vorspannkraft bei einem Kugelgelenk auf eine Beschädigung des Kugelgelenks geschlossen werden, insbesondere auf einen beschädigten Dichtungsbalg, mit nachfolgend beispielsweise in das Kugelgelenk eingedrungenem aggressivem Salzwasser.
Mit diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk. Dabei umfasst das Kugelgelenk eine im Bereich der Kugelschale befindliche Sensoranordnung, die zumindest einen Druck- bzw. Kraftsensor zur Messung der zwischen Gelenkkugel und Kugelschale wirkenden Kräfte bzw. Anpressdrücke umfasst.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Verschleißmessung an einem Kugelgelenk wird dabei in einem ersten Verfahrensschritt zunächst überprüft, ob eine oder mehrere der Bedingungen ”Kräftefreiheit”, ”Kraftkonstanz”, bzw. ”Stillstandsbelastung des Kugelgelenks”, ”vorbestimmte, zur Verschleißmessung 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 nachfolgenden Messung durchführen, und um so eher lassen sich Messfehler infolge externer Einflüsse vermeiden.
Nachfolgend wird in einem weiteren Verfahrensschritt mittels der Kraftsensoreinrichtung des Kugelgelenks die Größe derjenigen Kraft- bzw. Druckmesssignale der Sensoranordnung ermittelt, die die Vorspannungskraft zwischen Kugelschale und Gelenkgehäuse, bzw. zwischen Kugelschale und Gelenkkugel repräsentieren. In einem weiteren Verfahrensschritt wird anschließend aus den Messsignalen, 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 voraussichtlich 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 des Kugelgelenks, bzw. des damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs, entscheidend verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verschleißmessung umfasst dabei die Sensoranordnung eine geradzahlige Anzahl – also zumindest zwei – Druck- bzw. Kraftsensoren. Die Druck- bzw. Kraftsensoren sind dabei jeweils einander paarweise gegenüberliegend auf einer Durchmessergeraden der Gelenkkugel des Kugelgelenks angeordnet, und die Berechnung des Verschleißwertes erfolgt mittels Summenbildung der Kraft- bzw. Druckmesssignale gegenüberliegender Sensoren.
Die Ermittlung des Verschleißwertes an einem Kugelgelenk unter Verwendung der Signale gegenüberliegender Druck- bzw. Kraftsensoren ist insofern vorteilhaft, als auf diese Weise zunächst einmal eine höhere Genauigkeit in Bezug auf die Messung der Vorspannkraft der Kugelschale erzielt wird. Ferner kann die Vorspannkraft infolge der Summenbildung der Signale gegenüberliegender Sensoren besser von anderen, extern auf das Kugelgelenk einwirkenden Kräften unterschieden werden. Dies hängt damit zusammen, dass die Änderung einer extern auf das Kugelgelenk einwirkenden Kraft die Signale gegenüberliegender Sensoren stets gegensinnig verändert, so dass der Einfluss der externen Kraft bei der Summenbildung der Signale gegenüberliegender Sensoren und bei der darauf basierenden Ermittlung der Vorspannkraft sowie des Verschleißwertes automatisch beseitigt wird.
Die Heranziehung der Signale gegenüberliegender Sensoren zur Ermittlung von Vorspannkraft und Verschleißwert ermöglicht somit eine zuverlässige Unterscheidung, ob es sich bei gemessenen Kraftwerten um Veränderungen in der Vorspannkraft, oder aber um externe Kräfte handelt, die auf das Kugelgelenk einwirken.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 in schematischer Darstellung das Prinzip der Kraftzerlegung zur Bestimmung der vektoriellen Gesamtkraft an einem Kugelgelenk gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 in schematischer isometrischer Darstellung eine Ausführungsform für ein Kugelgelenk gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 in schematischer isometrischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Kugelgelenks gemäß der vorliegenden Erfindung mit Darstellung der vektoriellen Gesamtkraft;
4 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit einem kapazitiven Kraftsensor im Längsschnitt;
5 in vergrößerter Ausschnittdarstellung den kapazitiven Kraftsensor des Kugelgelenks gemäß 4;
6 in einer 4 entsprechenden Darstellung und Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit kapazitivem Kraftsensor im Längsschnitt; und
7 in einer 5 entsprechenden, vergrößerten Darstellung den kapazitiven Kraftsensor des Kugelgelenks gemäß 6.
1 zeigt in höchst schematischer Längsschnittdarstellung das Prinzip der Kraftzerlegung bei der Bestimmung der vektoriellen Gesamtkraft. Es soll dabei zunächst ein idealisiertes Kugelgelenk betrachtet werden, das unter allen Betriebsbedingungen seine herstellungsbedingte Vorspannkraft beibehält. Bei dem idealisierten Kugelgelenk sei mit anderen Worten die durch die Vorspannkraft hervorgerufene Flächenpressung zwischen Gelenkkugel und Kugelschale stets größer als die durch Betriebskräfte hervorgerufenen Flächenpressungen, so dass es zu keinem Abheben der Gelenkkugel von der Kugelschale infolge der Einwirkung von Betriebskräften kommt.
Unter derartigen idealisierten Bedingungen sind prinzipiell bereits drei Kraft- bzw. Drucksensoren ausreichend, um aus den Signalen dieser drei Sensoren die auf das Kugelgelenk einwirkende Betriebskraft sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrer Richtung im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Dies gilt, sofern die drei Sensoren, die Gelenkkugel umgebend, so verteilt angeordnet sind, dass die von den drei Sensoren aufgespannte, gedachte Ebene nicht durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel verläuft. Denn dann wird durch die Orte der drei Sensoren sowie durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel als Bezugspunkt bereits ein Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum aufgespannt, dessen Vektoren ohne weiteres in Vektoren eines kartesischen, also rechtwinkligen Koordinatensystems umgerechnet werden können.
Da in diesem idealisierten Fall davon ausgegangen wird, dass ein Abheben der Oberfläche der Gelenkkugel von der Kugelschale nicht erfolgt, liefern auch alle drei Sensoren für jede denkbare, auf das Kugelgelenk wirkende Betriebskraft jeweils eine Kraftkomponente. Aus diesen drei Kraftkomponenten lässt sich sodann durch vektorielle Addition die Betriebskraft F sowohl nach Betrag als auch nach Richtung berechnen.
Aus mehreren Gründen werden zur zuverlässigen und genauen Messung der vektoriellen Betriebskraft F vorzugsweise jedoch nicht nur drei Druck- bzw. Kraftsensoren, sondern acht Sensoren verwendet.
Einerseits wird mit einer höheren Anzahl von Sensoren grundsätzlich bereits eine höhere Messgenauigkeit erzielt, da unvermeidliche statistische Messfehler auf diese Weise ausgemittelt werden. Andererseits muss aber auch damit gerechnet werden, dass die Idealisierung, gemäß der die Gelenkkugel stets an der Kugelschale anliegt, nicht immer mit den Gegebenheiten der Praxis übereinstimmt. So können realistischerweise durchaus Betriebskräfte auftreten, die so groß sind, dass die aufgrund der Vorspannung des Kugelgelenks vorhandene Flächenpressung zwischen Kugelschale und Gelenkkugel überwunden wird. In diesem Fall hebt die Gelenkkugel bereichsweise von der Kugelschale ab, wodurch in diesem Bereich angeordnete Sensoren kein brauchbares Messsignal mehr liefern.
Während theoretisch bereits vier an den Ecken eines der Sensorkugelfläche einbeschriebenen Tetraeders angeordnete Sensoren genügen würden, um auch noch im Fall des bereichsweisen Abheben der Kugeloberfläche von der Gelenkkugel die Betriebskraft F sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrer Richtung zu ermitteln, so hat es sich als praktikabel herausgestellt, nicht nur vier, sondern acht Druck- bzw. Kraftsensoren zur vektoriellen Ermittlung der Betriebskraft F einzusetzen.
Denn einerseits lassen sich diese acht Sensoren angesichts der tatsächlichen geometrischen Gegebenheiten von Gelenkgehäuse und Kugelschale besser als eine Tetraeder-Anordnung an der Kugelschale positionieren. Andererseits wird mit acht Sensoren wie beschrieben eine erheblich größere Messgenauigkeit erzielt als mit vier Sensoren; und schließlich können die acht Sensoren so verteilt angeordnet werden, dass sich eine vereinfachte Umwandlung der Messsignale in einen Kraftvektor im kartesischen Koordinatensystem ergibt.
Falls die Betriebskraft so groß wird, dass die Gelenkkugel bereichsweise von der Kugelschale abhebt, so werden zur Berechnung des Kraftvektors vorzugsweise diejenigen vier Sensoren herangezogen, die das stärkste Messsignal liefern, auf die also in diesem Fall jeweils die größte Kraft wirkt.
Im Folgenden wird zum besseren Verständnis das Prinzip der Ermittlung des Kraftvektors der Betriebskraft F zunächst am Beispiel des zweidimensionalen Falls dargestellt.
In 1 erkennt man die zweidimensionale Analogie zu einem Kugelgelenk mit Gelenkkugel 1, Kugelschale 2 und Gelenkgehäuse 3. Zwischen Kugelschale 2 und Gelenkgehäuse 3 sind dabei vier Druck- bzw. Kraftsensoren S_OL, S_AR, S_UR und S_UL angeordnet. Auf die vier Sensoren S_OL, S_OR, S_UR und S_UL wirken dabei die Kräfte bzw. Flächenpressungen F_SOL, F_SOR, F_SUR und F_SUL.
Zur Verdeutlichung der Kraftzerlegung, die der Ermittlung des Kraftvektors F anhand der gemessenen Sensorkräfte F_SOL, F_SOR, F_SUR und F_SUL zugrunde liegt, wird der eingeleitete Kraftvektor F zunächst in eine zur Längsachse des Kugelzapfens senkrechte Kraftkomponente F_⊥ und sowie eine zum Kugelzapfen parallele Kraftkomponente F_∥ zerlegt.
Die beiden sich gegenseitig nicht beeinflussenden und einander überlagernden Kraftkomponenten F_⊥ und F_∥ erzeugen zusammengenommen in Bezug auf die einzelnen Sensoren S_OL, S_OR, S_UR und S_UL die Kräfte bzw. Flächenpressungen F_SOL, F_SOR, F_SUR und F_SUL, deren jeweils auf die beiden Kraftkomponenten F_⊥ und F_∥ zurückgehenden und damit zu addierenden Komponenten in 1 der besseren Erkennbarkeit halber noch separat dargestellt sind. Dabei stehen die auf die Sensoren wirkenden Kraftkomponenten bzw. Flächenpressungen stets senkrecht auf der Sensoroberfläche, da tangentiale Kräfte von den Sensoren nicht registriert werden, bzw. aufgrund der gleitenden Anlage der Gelenkkugel an der Kugelschale nicht übertragen werden können.
Streng genommen wird dabei allerdings nicht die gesamte Kraft F, die in die Kugel eingeleitet wird, auf die Kraftsensoren verteilt, da ein großer Teil der Kraft F von der Kugelschalenfläche außerhalb des Bereichs der Sensoren aufgenommen wird. Die Kraft F stellt im abgebildeten Beispiel gemäß 1 damit lediglich die resultierende Gesamtkraft der im Bereich der Sensoren zwischen Gelenkkugel und Kugelschale tatsächlich übertragenen Teilkräfte dar. Hierdurch wird die Ermittlung der tatsächlich auf das Kugelgelenk einwirkenden Betriebskraft F jedoch nicht beeinträchtigt, da der Betrag der tatsächlich wirkenden Kraft F in jedem Fall proportional zu der Resultierenden der Sensorkräfte ist. Ein solcher Proportionalitätsfaktor wird jedoch im Rahmen der Sensorkalibrierung ohnehin ermittelt und damit berücksichtigt.
In 1 ist die Kraftzerlegung im Bereich der Sensoren der Übersichtlichkeit halber lediglich für die beiden unteren Sensoren S_UR und S_UL dargestellt. Prinzipiell gilt jedoch dieselbe Kraftzerlegung auch für die beiden oberen Sensoren S_OR und S_OL.
Die beiden Kraftkomponenten F_⊥ und F_∥ teilen sich dabei auf die gemäß 1 genauer betrachteten Sensoren S_UL und S_UR gleichmäßig auf, so dass die auf die Sensoren wirkenden Kraftkomponenten der einfacheren Verständlichkeit halber jeweils mit der halben Größe der beiden Kraftkomponenten F_⊥ und F_∥ angesetzt sind. Wie bereits oben ausgeführt, spielt jedoch die absolute Größe des hier mit ½ angesetzten Umrechnungsfaktors zwischen den Kraftkomponenten am Sensor und den Komponenten F_⊥ und F_∥ der tatsächlich wirkenden Betriebskraft F jedenfalls zum Zweck der Darstellung der Kraftzerlegung zunächst einmal keine Rolle, da die tatsächliche Größe des Umrechnungsfaktors ohnehin erst im Rahmen der Sensorkalibrierung festgelegt wird.
Grundsätzlich umfasst die auf die Sensoren jeweils wirkende Kraft drei Komponenten. Bei diesen drei Komponenten handelt es sich

i. um die Vorspannungskraft F_V, die nach der Herstellung des Kugelgelenks (bzw. nach dem Verrollen des Gehäusedeckels mit dem Gelenkgehäuse) permanent und im Wesentlichen konstant parallel zur Sensornormalen auf die Sensoren wirkt;
ii. um einen proportionalen Anteil (hier als F_∥/2 angesetzt) der zum Kugelzapfen parallelen Komponente F_∥ der Gesamtkraft F; und
iii. um einen proportionalen Anteil (hier als F_⊥/2 angesetzt) der zum Kugelzapfen senkrechten Komponente F_⊥ der Gesamtkraft F.

Mit dem aus der Positionierung des jeweiligen Sensors am Kugelgelenk abgeleiteten Winkel α zwischen der Achse des Kugelzapfens und der senkrecht auf dem Sensor stehenden Sensorkraft erhält man demzufolge zunächst die beiden Gesamtkräfte F_SUL und F_SUR an den beiden zeichnungsbezogen unteren Sensoren S_UL und S_UR wie folgt:
Analog erhält man die beiden Sensorkräfte F_SOL und F_SOR für die beiden zeichnungsbezogen oberen Sensoren S_OL und S_OR rechnerisch wie folgt:
Durch Addition bzw. Subtraktion der obenstehenden Gleichungen sowie anschließende Auflösung nach den Kraftkomponenten F_⊥ und F_∥ lassen sich anschließend aus den gemessenen Sensorkräften bereits die zum Kugelzapfen parallelen bzw. senkrechten Komponenten F_⊥ und F_∥ der Gesamtkraft F ermitteln wie folgt:
Dabei gilt das obere Vorzeichen für die oberen Sensoren S_OL und S_AR und das untere Vorzeichen für die unteren Sensoren S_UL und S_UR.
Zur Bestimmung des Winkels β zwischen der Wirkungsrichtung der Gesamtkraft F und der Längsachse des Kugelzapfens wird gemäß 1 angesetzt: F_⊥ = Fsinβ F_∥ = Fcosβ
Werden diese beiden Gleichungen durcheinander geteilt, und werden dabei gleichzeitig die zuletzt ermittelten Ausdrücke für die beiden Komponenten F_⊥ und F_∥ der Gesamtkraft F eingesetzt, so wird erhalten:
Daraus ergibt sich der Winkel β zwischen der Wirkungsrichtung der Gesamtkraft Fund der Längsachse des Kugelzapfens zu:
Der Betrag der vektoriellen Gesamtkraft F lässt sich schließlich ermitteln zu:
Damit ist die vektorielle Gesamtkraft F sowohl nach ihrem Betrag als auch nach ihrer Richtung anhand der gemessenen Sensorkräfte bekannt.
Aus den gemessenen Sensorkräften lässt sich jedoch zusätzlich auch noch die Vorspannungskraft F_V des Kugelgelenks bestimmen. Hierzu werden die Sensorkräfte der diagonal einander gegenüberliegenden Sensoren – also F_SOL und F_SURoder F_SOR und F_SUL – addiert, woraus sich die doppelte Vorspannungskraft F_V ergibt. Daraus folgt für die Größe der Vorspannungskraft F_V:
Da die mit der Zeit abnehmende Höhe der Vorspannungskraft primär vom Verschleiß des Kugelgelenks abhängt, kann mit der dargestellten Sensoranordnung außer der vektoriellen Betriebskraft F zudem – anhand der ermittelten Vorspannungskraft F_V – auch noch jederzeit eine Aussage über den aktuellen Verschleißzustand des Kugelgelenks gemacht werden.
Die Vorspannungskraft lässt sich nur solange zuverlässig ermitteln, wie die Gelenkkugel nicht durch eine von extern eingeleitete Betriebskraft F bereichsweise von der Kugelschale abgehoben hat. Um die vollflächige Anlage der Gelenkkugel an der Kugelschale sicherzustellen, wird die Messung der Vorspannkraft bzw. des Gelenkverschleißes nur beim Vorliegen bestimmter Randbedingungen durchgeführt, beispielsweise immer in dem Moment, in welchem der Motor des Kraftfahrzeugs gestartet wird, oder immer dann, wenn die gemessene Fahrzeuggeschwindigkeit null beträgt.
Um – ausgehend von der in 1 der besseren Erkennbarkeit halber für den zweidimensionalen Analogiefall dargestellten Kraftzerlegung – auch die in der dritten räumlichen Dimension verlaufende Komponente der vektoriellen Gesamtkraft F bestimmen zu können, werden wie bereits weiter oben ausgeführt, nicht nur die vier Sensoren gemäß der Darstellung der 1 verwendet, sondern es werden vielmehr insgesamt acht Druck- bzw. Kraftsensoren eingesetzt.
Ein Beispiel für die Anordnung der acht Sensoren ist schematisch in 2 dargestellt. Man erkennt, dass die acht Sensoren an den Ecken einer gedachten quadratischen Säule – also eines Quaders mit quadratischer Grundfläche – angeordnet sind, wobei die quadratische Säule einer gedachten, zur Gelenkkugel konzentrischen Sensorkugelfläche (nicht dargestellt) einbeschrieben ist, und wobei die Hochachse der quadratischen Säule mit der Längsachse des Kugelzapfens zusammenfällt. Auf diese Weise erhält man für alle Raumrichtungen eine gleichmäßige Messgenauigkeit bezüglich der Resultierenden aus den Sensorsignalen, und es lässt sich mittels vergleichsweise einfacher trigonometrischer Berechnungen sowohl Größe als auch Richtung der vektoriellen Gesamtkraft im dreidimensionalen Raum ermitteln.
Die trigonometrischen Zusammenhänge sind im dreidimensionalen Fall gemäß 2 und 3 vollkommen analog zu dem zweidimensionalen Beispiel gemäß 1, wie eine Zusammenschau der 1 und 3 ergibt. Die Kraftzerlegung gemäß 1 ist für den dreidimensionalen Fall lediglich zwei Mal separat für die beiden Schnittebenen abcd und abef, für die darin jeweils enthaltenen vier Sensoren, bzw. für die Kraftkomponenten F₁ bzw. F₂ durchzuführen, vgl. 3. Schließlich muss gemäß der Darstellung in 3 lediglich noch die Resultierende F_3D aus den beiden Kraftkomponenten F₁ und F₂ gebildet werden.
Zur Bestimmung des Betrags der resultierenden Gesamtkraft F_3D lässt sich das dem gedachten, durch die beiden Kraftkomponenten F₁ und F₂ aufgespannten Quader abcdefgh einbeschriebene rechtwinklige Dreieck ahc (punktiert, mit rechtem Winkel bei c) heranziehen. Dort gilt mit Pythagoras:
Mit dem weiteren trigonometrischen Zusammenhang hc = eb = F₂sinβ₂ ergibt sich die Größe der Gesamtkraft F_3D im dreidimensionalen Raum somit zu
Durch den so ermittelten Betrag der Kraft F_3D sowie durch die beiden Winkel β₁ und β₂ ist sowohl Richtung als auch Länge des Kraftvektors F_3D für den dreidimensionalen Fall wieder eindeutig bestimmt.
Außer der Darstellung der Kraftzerlegung geht aus 3 auch noch die Anordnung zweier der insgesamt acht Druck- bzw. Kraftsensoren 6 mit den jeweils zugehörigen Zuleitungen 7 hervor. Die übrigen 6 Sensoren sind in der Darstellung der 3 nicht sichtbar, da sie sich entweder im Zeichnungshintergrund befinden, oder von einem Bauteil 5 des Gelenkgehäuses bzw. des Gelenkgehäusedeckels verdeckt werden.
In den 4 bis 7 sind Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit kapazitiven Druck- bzw. Kraftsensoren in höchst schematischer Weise im Längsschnitt dargestellt. Dabei betrifft die Darstellung der 4 und 5 einen kapazitiven Sensor 6, bei dem der eine Pol durch eine auf der Außenseite der Kugelschale 2 angeordnete Elektrode gebildet wird, während die Gelenkkugel 1 den elektrischen Gegenpol bildet.
Das Wirkprinzip des kapazitiven Sensors 6 besteht darin, dass durch die im Bereich der Kugelschale 2 angeordnete Elektrode des Sensors 6 zusammen mit der von dieser Elektrode durch das Material der Kugelschale 2 elektrisch isolierten Gelenkkugel 1 ein Kondensator 7 gebildet wird, dessen Kapazität sich mit jeder Veränderung des Abstandes zwischen der Elektrode des Sensors 6 und der Gelenkkugel 1 verändert.
Aus den 6 und 7 geht ebenfalls ein kapazitiver Sensor 6 hervor, der jedoch in Form zweier in Reihe geschalteter Kondensatoren 7 ausgebildet ist. Dabei werden die beiden in Reihe geschaltete Kondensatoren 7 – gemeinsam mit der in diesem Fall potenzialfreien Gelenkkugel 1 als beiden Kondensatoren 7 gemeinsame Zwischenelektrode – durch zwei auf der Außenseite der Kugelschale 2 angeordnete Elektroden gebildet.
Der kapazitiver Sensor 6 gemäß 6 und 7 besitzt somit den zusätzlichen großen Vorteil, dass bei diesem Sensor, im Unterschied zu dem Sensor gemäß 4 und 5, keinerlei Kontaktierung der Gelenkkugel 1 bzw. des Kugelzapfens mehr notwendig ist. Es sind vielmehr lediglich die beiden Zuleitungen zu den beiden benachbart angeordneten Elektroden des Sensors 6 zu verlegen.
Der Einsatz so ausgebildeter kapazitiver Sensoren ist vorteilhaft in Bezug auf einen einfachen, robusten Aufbau und einen störungsfreien Betrieb des Kugelgelenks. Da die elastischen Veränderungen der Wandstärke der Kugelschale 2 weitestgehend proportional zu der zwischen Gelenkkugel 1 und Kugelschale 2 wirkenden Flächenpressung verlaufen, kann mittels Messung der Kapazität des Sensors unmittelbar und exakt auf die lokal vorhandene Flächenpressung rückgeschlossen werden.
Weitere Vorteile derartiger kapazitiver Sensoren liegen insbesondere darin, dass solche Sensoren praktisch verschleißfrei arbeiten, mit einer einfachen Auswertungsschaltung auskommen und einen geringen Stromverbrauch besitzen.
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung Kugelgelenke bzw. Verfahren zur Belastungsmessung und zur Verschleißmessung an Kugelgelenken geschaffen werden, mit denen eine äußerst genaue und zuverlässige Erfassung des Betriebs- und Belastungszustands bzw. des Verschleißes des Kugelgelenks ermöglicht wird. Die Erfindung erlaubt auf robuste und zuverlässige Weise die vektorielle Ermittlung von Kräften bzw. von auf das Kugelgelenk einwirkenden Belastungen. Ferner lässt sich eine exakte Aussage über den Verschleißzustand des Kugelgelenks treffen, so dass ein etwa bevorstehendes Versagen des Kugelgelenks rechtzeitig erkannt und verhindert werden kann.
Die Erfindung leistet damit einen fundamentalen Beitrag hinsichtlich der Verbesserung der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Ausfallprävention bei Kugelgelenken sowie hinsichtlich der Vergrößerung der Datenbasis von Fahrerassistenzsystemen; insbesondere dort, wo Kugelgelenke im Bereich anspruchsvoller Achssysteme und Radaufhängungen am Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: Gelenkkugel
2: Gelenkgehäuse
3: Kugelschale
4: Sensoranordnung
5: Gelenkgehäusedeckelbauteil
6, S: Sensor
7: Kondensator
F, F_3D: vektorielle Kraft

Claims

Kugelgelenk, beispielsweise für ein Achssystem eines Kraftfahrzeugs, das Kugelgelenk umfassend ein Gelenkgehäuse (3), in dessen Innenraum eine Kugelschale (2) angeordnet ist, wobei in der Kugelschale (2) die Kugel (1) eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufgenommen ist, das Kugelgelenk aufweisend ferner eine Sensoreinrichtung zur Messung von Kräften oder Belastungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung durch eine im Bereich der Kugelschale platzierte Sensoranordnung (4) aus zumindest zwei Druck- oder Kraftsensoren (6) zur Messung der zwischen Gelenkkugel (1) und Kugelschale (2) wirkenden Kräfte oder Anpressdrücke gebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung durch eine im Bereich der Kugelschale platzierte Sensoranordnung (4) aus drei Druck- oder Kraftsensoren (6) zur Messung der zwischen Gelenkkugel (1) und Kugelschale (2) wirkenden Kräfte oder Anpressdrücke gebildet ist, wobei die Sensoren (6) im Wesentlichen auf einer gedachten, zur Gelenkkugel (1) konzentrischen Sensorkugelfläche so angeordnet sind, dass die von den Sensoren (6) aufgespannte Ebene nicht durch den Mittelpunkt der Sensorkugelfläche verläuft.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) acht Sensoren (6) umfasst, die auf mindestens zwei verschiedenen Großkreisen der Sensorkugelfläche angeordnet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die acht Sensoren (6) an den Eckpunkten einer gedachten, der Sensorkugelfläche einbeschriebenen quadratischen Säule angeordnet sind, wobei die Hochachse der quadratischen Säule mit der Längsachse des Kugelzapfens zusammenfällt.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (6) als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, dass die Sensoren (6) als Piezoaufnehmer ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (6) in Form kapazitiver Aufnehmer ausgebildet sind.
Kugelgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Aufnehmer (6) eine in der Kugelschale (2) oder auf der Außenseite der Kugelschale (2) angeordnete Elektrode umfasst, wobei die Gegenelektrode durch die Gelenkkugel (1) gebildet ist.
Kugelgelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Aufnehmer (6) zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst, die zusammen mit der potenzialfreien Gelenkkugel (1) durch zwei in der Kugelschale (2) oder auf der Außenseite der Kugelschale (1) benachbart angeordnete Elektroden gebildet sind.
Verfahren zur Messung der Belastung eines Kugelgelenks, wobei das Kugelgelenk die Merkmale eines der Patentansprüche 1 bis 9 aufweist, das Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Ermittlung der Kraft- oder Druckmesssignale der Sensoren (6); b) Berechnung der lokalen Drücke oder Kräfte aus den Messsignalen der Sensoren (6); und c) Bildung des aus den lokalen Drucken oder Kräften resultierenden Kraftvektors (F_3D).
Verfahren zur Belastungsmessung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c) eine Vorspannkraft zwischen Kugelschale (2) und Gelenkkugel (1) berechnet wird.
Verfahren zur Belastungsmessung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Vorspannkraft zwischen Kugelschale (2) und Gelenkkugel (1) mittels Summenbildung der Signale gegenüberliegender Sensoren (6) erfolgt.
Verfahren zur Verschleißmessung an einem Kugelgelenk, das Kugelgelenk aufweisend eine im Bereich der Kugelschale (2) platzierte Sensoranordnung (4) mit zumindest einem Druck- oder Kraftsensor (6) zur Messung der zwischen Gelenkkugel (1) und Kugelschale (2) wirkenden Kräfte oder Anpressdrücke, das Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Überprüfung, ob eine oder mehrere der Bedingungen ”Kräftefreiheit oder Kraftkonstanz”, ”bestimmte Relativposition von Kugelzapfen und Gelenkgehäuse” oder ”Bewegungsstillstand” vorliegen; b) Ermittlung der Kraft- oder Druckmesssignale der Sensoranordnung (4); c) Berechnung eines Verschleißwertes aus den Messsignalen; d) Vergleich des Verschleißwertes mit einem Maximalwert und Ausgabe einer Warnung bei Überschreitung des Maximalwerts.
Verfahren zur Verschleißmessung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung eine geradzahlige Anzahl von Druck- oder Kraftsensoren (6) umfasst, die einander paarweise gegenüberliegend jeweils auf einer Durchmessergeraden der Gelenkkugel (1) angeordnet sind, wobei die Berechnung des Verschleißwertes im Verfahrensschritt c) mittels Summenbildung der Kraft- oder Druckmesssignale gegenüberliegender Sensoren (6) erfolgt.