-
Die
Erfindung betrifft eine Gelenk- und/oder Lageranordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer oder mehreren
derartigen Gelenk- und/oder
Lageranordnung(en), insbesondere in Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen.
-
Etwa
bei Gelenkanordnungen, zum Beispiel Kugelgelenken, die einen gleitgelagerten
Kopfbereich haben und die beispielsweise in Radträgern, Querlenkern
oder ähnlichen
Teilen angeordnet sind, stellt sich insbesondere bei längerer Standzeit
die Schwierigkeit, dass – auch
unterstützt
durch die erforderliche Vorspannung im Gelenk – beispielsweise Gleitmittel
verdrängt
werden kann und somit gegeneinander zu bewegende Teile, etwa ein
Kopfbereich aus Stahl in einer Kunststoff-Gelenkschale, in eine haftreibende
Anlage zueinander kommen. Dadurch steigen die Losbrechmomente stark
an, wodurch das Ansprechen der Gelenke beeinträchtigt ist und sich beim Losbrechen
Knackgeräusche
ergeben können, die
insbesondere bei Fahrzeugen die Fahrer zu der Vermutung eines vorliegenden
Defekts verleiten.
-
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, hier eine Verbesserung zu
schaffen.
-
Die
Erfindung löst
dieses Problem durch eine Gelenkanordnung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des
Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.
-
Mit
der Erfindung ist ein Anhaften der Teile aneinander dadurch, dass
zumindest eines der Teile alternierend in Bewegung um eine Mittellage
versetzt wird, vermieden, bzw. bereits in Haftreibung übergegangene
Teile werden durch die durch den zumindest einen Aktuator angeregte
Bewegung losgelöst.
-
Insbesondere
kann der Aktuator eine periodisch getaktete Bewegung in das Gelenk
eintragen, wodurch nur minimale Bewegungsamplituden nötig sind,
um die Haftreibung zu überwinden
und Raum für
Schmiermittel zu schaffen. Durch die Bewegung selbst findet kein
ruckhaftes Losbrechen statt. Die Amplituden können eine Mikrobewegung im
Gelenk bewirken.
-
Eine
Taktungsfrequenz der alternierenden Bewegung zwischen 10 Hz und
30 Hz stellt zuverlässig
das Vermeiden der Haftreibung sicher, ohne dass die Schwingungsbewegung
im Gelenk von außen durch
Vibrationen oder Geräusche
wahrnehmbar wäre.
-
Bei
Anordnung einer erfindungsgemäßen Gelenk-
oder Lageranordnung in einem Kraftfahrzeug kann der Aktuator durch
Starten eines Kraftfahrzeugmotors einschaltbar sein. Eine eigene
Steuerung für
den Aktuator ist dann entbehrlich. Die Herstellungskosten bleiben
daher gering.
-
Wenn
ein axial erstreckter Gelenkzapfen vorgesehen ist, kann dieser ohne
eine nennenswerte Schwächung
einen Zentralkanal als einen relativ großen Aufnahmeraum für den zumindest
einen Aktuator umfassen. Dieser ist in dem axialen Kanal halterbar
und kann somit den Zapfen gegenüber
einer feststehenden Gelenkschale schwingend bewegen.
-
Für eine Verkabelung
durch den Kanal, die auch eine eigene Energiequelle für den Aktuator
entbehrlich macht, ist der Kanal vorzugsweise durchgehend ausgebildet.
Ein zumindest einseitiges Verschließen mit einem flexiblen Stopfen
ist zur Abdichtung vorteilhaft.
-
Sofern
der Aktuator einen oder mehrere Piezo-Kristalle umfasst, ist eine
elektrische Energie direkt in dessen Deformation und somit Bewegung
zumindest eines von dem Piezo-Aktuator beaufschlagten Gelenkteils
umsetzbar. Derartige Kristalle sind praktisch verschleißfrei, so
dass eine sehr hohe Zahl von Taktzyklen im Gelenk erreichbar ist
und keine schonende Steuerung zur Erzeugung von Pausen in der Schwingungsbewegung
vorgesehen sein muss. So kann der Aktuator beispielsweise auch ständig in Betrieb
sein, wenn der Motor läuft – selbst
wenn das Fahrzeug steht. Ebenso ist eine Ansteuerung des Aktuators
auch mit einer Standheizung oder Standlüftung möglich. Auch andere Aktuatoren,
wie etwa Nanotubes, Hydroelemente oder geschlitzte Bimetallringe,
kommen in Betracht.
-
Auch
können
zum Beispiel Stillstandssensoren oder Winkelsensoren vorgesehen
sein, die die Schwingungen nur bei Bedarf schalten.
-
Derartige
Gelenk- oder Lageranordnungen können
mit einer axialen Vorspannung versehen und sowohl axial als auch
intensiv auf Biegung beansprucht werden, durch den Aktuator ist
der Einsatzzweck des Gelenks nicht eingeschränkt.
-
Da
die mechanische Stabilität
der Gelenke erhalten bleibt, ist die erfindungsgemäße Gelenkanordnung
damit auch für
hochbelastete und dennoch gewichtsoptimierte Anforderungen einsetzbar,
zum Beispiel innerhalb von Fahrwerks- und/oder Lenkungsteilen von
Kraftfahrzeugen, etwa bei der Abstützung von Teilen der Radaufhängung.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung
dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes
der Erfindung.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 eine
schematische Längsschnittzeichnung
durch eine erfindungsgemäße Gelenk- und/oder
Lageranordnung mit einem in einem axialen Kanal des Zapfens angeordneten
und auf den Zapfen einwirkenden Aktuator,
-
2 eine
alternative Ausführung
mit mehreren, durch das Gehäuse
verkabelten und auf die Gelenkschale einwirkenden Aktuatoren im
Längsschnitt,
-
3 eine ähnliche
Ansicht wie 2 einer alternativen Ausführung mit
eine axiale Kraftbeaufschlagung der Gelenkschale bewirkenden Aktuatoren,
-
4 eine ähnliche
Ansicht wie 2 mit axial und radial auf die
Gelenkschale einwirkenden Aktuatoren,
-
5 eine
alternative Ausbildung mit zwischen Gehäuse und Gelenkschale angeordneten und
radial auf die Gelenkschale einwirkenden Aktuatoren.
-
Die
im ersten Ausführungsbeispiel
nach 1 dargestellte Gelenkanordnung 1 umfasst
einen axial erstreckten und hier insgesamt zapfenartig ausgebildeten
Gelenkkörper 2 – zum Beispiel
aus Stahl – mit
einem beispielsweise durch eine im Wesentlichen kugelförmige Ausformung
gebildeten Gelenkkopf 3. Dieser kann in und gegenüber einer – häufig geschlitzten – Gelenkschale 4,
die im Leichtbau zum Beispiel auch aus einem – ggf. faserverstärkten – Kunststoff
wie POM oder Polyamid bestehen kann, beweglich gehalten sein.
-
Die
Gelenkschale 4 ist ihrerseits in einem sie zumindest radial
umgebenden Gehäuse 5 gehalten. Das
Gehäuse
kann einstückig
oder, wie hier gezeichnet, mit einem separaten Verschlussdeckel 6 den Kopfbereich 3 und
die Gelenkschale 4 im Querschnitt etwa U-förmig umgreifen. Der Zapfen 2 kann
dann vor Montage des Deckels 6 von dessen Seite in das Gehäuse 5 eingesetzt
werden. An der auch nach Montage des Deckels 6 noch offenen
Seite liegt eine Durchtrittsöffnung 7 für den zapfenartigen
Gelenkkörper 2.
-
Eine
zusätzliche
Abdichtung der Durchtrittsöffnung 7 durch
eine den Zapfen 2 umgreifende Dichtungsmanschette – nicht
gezeichnet – kann
zur Vermeidung einer äußeren Verschmutzung
und zum Halten eines Schmiermittelreservoirs vorgesehen sein.
-
In
der Ausführung
nach 1 ist ein axialer Kanal 8 im Zapfen 2 ausgebildet,
der kopfseitig durch ein in den Kanal 8 eindrückbares
und dabei verformbares Stopfenelement 9 verschließbar sein
kann, um dort ein Eindringen von eventuellem Schmiermittel zu verhindern.
Der Kanal 8 umfasst einen Aufnahmeraum für zumindest
einen Aktuator 10, der darin angeordnet ist und in seinem
Betrieb entweder eine radiale oder eine axiale oder eine kombinierte
Schwingungsbewegung in den Gelenkkörper 2 einträgt.
-
Auf
der dem Kopfbereich 3 abgewandten Seite kann der Kanal 8 zur
Durchführung
einer Verkabelung 11 ausgebildet sein. Hierfür muss der
Kanal 8 nicht in voller Breite offen bleiben, sondern kann
alternativ auch abgedichtete Anschlüsse umfassen.
-
Der
Aktuator ist zur Eintragung einer alternierenden Kraftbeaufschlagung
zwischen Gelenk- oder Lagerkörper
einerseits und Gelenkschale andererseits ausgebildet, wobei die
alternierende Beaufschlagung hier durch eine periodisch getaktete
Bewegung des Aktuators bewirkt ist, der aufgrund dieser getakteten
Bewegung ebenso getaktet den Gelenkkörper 2 mit Kraft beaufschlagt
Die Taktungsfrequenz liegt typisch zwischen 10 Hz und 30
Hz, was über
eine Versorgung des Aktuators 10 über eine entsprechende Wechselspannung
ermöglicht
ist. Damit ergibt sich eine hinreichend hochfrequente Beaufschlagung,
um eine gleichmäßige Schwingung
ohne ein ruckhaftes Losbrechen zu bewirken. Andererseits ist die
Frequenz niedrig genug, um keine störenden Geräusche oder zusätzliche
thermische Beanspruchung zu verursachen. Der Aktuator 10 kann
selbst einen oder mehrere – zum
Beispiel in Reihe geschaltete – Piezo-Kristalle
umfassen, die durch die Wechselspannung direkt eine Deformation
erfahren und dadurch entsprechend der Taktung alternierend eine radiale
Belastung auf die Wand 12 des Kanals 8 ausüben bzw.
diese entlasten. Alternativ oder zusätzlich können auch ein oder mehrere
Nanotubes, Hydroelemente oder geschlitzte Bimetallringe als Aktuatoren Verwendung
finden. Der Zapfen 2 führt
daher je nach Ausbildung entweder als ganzes eine radiale Mikrobewegung
aus, oder kann in bestimmten Konstellationen auch eine getaktete
Deformation seines Außenumrisses
ausführen.
-
Im
zweiten Ausführungsbeispiel
nach 2 ist eine Gelenkanordnung 101 gezeigt,
bei der über den
Umfang verteilt mehrere zum ersten Ausführungsbeispiel prinzipiell
gleiche und gleichartig angesteuerte Aktuatoren 110 vorgesehen
sind, die hier zwischen Gelenkschale 104 und Gehäuse 105 schräg liegen
und daher in ihrem Betrieb sowohl eine radiale als auch eine axiale
Kraftkomponente auf die Gelenkschale 104 ausüben. Die
Schwingungsanregung betrifft hier daher nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel
den Gelenkzapfen 2, sondern die aufnehmende Gelenkschale 104.
Wiederum ist dadurch im Betrieb der Aktuatoren 110 an der
Grenzfläche zwischen
Gelenkschale 104 und Kopfbereich 3 eine Schwingung
eingetragen, wodurch das Anhaften dieser Teile aneinander verhindert
ist. Die Verkabelung 11 ist hier durch das einteilige und
außerhalb
des Zapfendurchtritts geschlossene Gehäuse 105 gezogen, so
dass der Zapfen 102 selbst herkömmlich massiv ausgebildet sein
kann. Der Verschlussdeckel 106 ist als Verschlussring unter
Belassen einer Durchtrittsöffnung 7 für den Zapfen 102 ausgebildet.
-
Im
Ausführungsbeispiel
nach 3 ist eine erfindungsgemäße Gelenk- und/oder Lageranordnung 201 in
Anordnung im Fahrwerk eines Fahrzeugs dargestellt. Der feste Gelenkkörper – zum Beispiel
aus Chrom-Molybdän-Stahl – ist in
eine weichere Aufnahmeöffnung,
hier einer Einpressöffnung
eines Querlenkers 13 eingepresst und umfasst hierfür einen über seine
axiale Erstreckung vom Kopfbereich weg verjüngenden Zapfen 2.
Der Querlenker 13 besteht beispielsweise aus einem relativ
weichen Aluminium-, Magnesium- oder Eisenguss- oder -schmiedematerial.
Zusätzlich
ist hier auch die abdichtende Manschette 14 eingezeichnet.
-
Die
Aktuatoren 210 sind hier über den Umfang – zum Beispiel
zwei bis sechs Aktuatoren in einer Ebene verteilt – an einer
Grenzfläche
zwischen der Gelenkschale 204 und einen das Gehäuse 205 axial
verschließenden
Deckel 206 angeordnet, durch dessen mittlere, abgedichtete Öffnung hindurch
auch die Verkabelung 11 gelegt ist. Die Wirkung der Aktuatoren 210 ist
durch deren Lage so, dass sie die Gelenkschale 204 axial
zu Schwingungen anregen und dadurch wiederum im Betrieb das Anhaften
von Kopfbereich 3 und Gelenkschale 4 aneinander
verhindern.
-
Die
Gelenkanordnung 301 gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel ähnelt in
der Anordnung der Aktuatoren 310 derjenigen des zweiten
Ausführungsbeispiels,
wobei das Gehäuse 305 hier
wiederum einen Verschlussdeckel 306 aufweist und die Aktuatoren 310 die
hier nur radial den Kopfbereich 3 umgebende Gelenkschale 304 gegenüber diesem
Deckel 306 in Schwingung versetzen, so dass wiederum die Grenzfläche zwischen
Kopfbereich 3 und Gelenkschale 304 in Bewegung
ist.
-
Im
fünften
Ausführungsbeispiel
nach 5 sind die Aktuatoren 410 der Gelenkanordnung 401 über den
Umfang verteilt jeweils parallel zur Gelenkachse 15 in
einer Ringausnehmung des Gehäuses 405 angeordnet
und zudem über
einen Ausgleichsring 16 in ihrer Lage gesichert. Auch zwischen
einzelnen Aktuatoren 410 können lagesichernde Platzhalter
angeordnet sein. Die Verkabelung 11 ist wiederum durch
eine abgedichtete Öffnung
des Verschlussdeckels 406 geführt. Die Anregung wird hier
in eine radiale Schwingung der Gelenkschale 404 umgesetzt, wodurch
auch hier die Grenzfläche
zwischen Kopfbereich 3 und Gelenkschale 404 durch
die Schwingung ein Haften der Teile aneinander verhindert und somit verhindert,
dass es zu knackenden Losbrechen des bewegten Kopfbereichs kommen
kann.
-
Als
weitere Ausführung – nicht
gezeichnet – kann
auch vorgesehen sein, dass sowohl im Zapfen 2 als auch
im Gehäuse 5 Aktuatoren 10 vorgesehen sind.
-
Sofern
derartige Gelenk- oder Lageranordnungen 1, 101, 201, 301, 401 in
einem Kraftfahrzeug angeordnet sind, können die Aktuatoren 10, 110, 210, 310, 410 durch
Starten des Kraftfahrzeugmotors einschaltbar sein und während des
Fahrzeugbetriebs ständig
die schwingende Kraftbeaufschlagung ausüben.
-
Es
ist auch möglich,
zum Beispiel über
Winkel- und Beschleunigungssensoren bestimmte Fahrzustände zu erfassen,
etwa lange Geradeausfahrten auf Autobahnen, und nur für solche
gleichbleibende Fahrzustände
die Aktuatoren schaltet.
-
Wie
bei Gelenken ohne Aktuatoren sind auch die erfindungsgemäßen Gelenk-
und/oder Lageranordnungen 1, 101, 201, 301, 401 nur
radial, etwa in Führungsgelenken,
oder sowohl axial als auch radial auf Biegung, zum Beispiel in Traggelenken,
beanspruchbar. Auch kann der Zapfen 2, 102, 202, 302, 402 in
bekannter Weise axial vorspannbar sein.
-
- 1
- Gelenk-
oder Lageranordnung (101, 201, 301, 401)
- 2
- Gelenk-
oder Lagerkörper
(102, 202, 302, 402)
- 3
- Gelenkkopf
- 4
- Gelenkschale
(104, 204, 304, 404)
- 5
- Gehäuse (105, 205, 305, 405)
- 6
- Verschlussdeckel
(106, 206, 306, 406)
- 7
- Durchtrittsöffnung
- 8
- axialer
Kanal
- 9
- Verschlussstopfen
- 10
- Aktuator
(110, 210, 310, 410)
- 11
- Verkabelung
- 12
- Wand
des Kanals
- 13
- Querlenker
- 14
- Dichtungsmanschette
- 15
- Gelenkachse
- 16
- Ausgleichsring