DE102017208410B3

DE102017208410B3 - Kugelgelenk

Info

Publication number: DE102017208410B3
Application number: DE102017208410.3A
Authority: DE
Inventors: Josef Holtheide; Florian Bäumer; Felix Kallaß
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: JP2020520437A; EP3625470A1; CN110621897B; WO2018210511A1; US20200139777A1; KR20200008576A; US11279191B2; CN110621897A

Abstract

Ein Kugelgelenk (1), insbesondere für ein Fahrzeugfahrwerk, mit einem Gelenkgehäuse (3) und einem einen sphärischen Abschnitt (5) aufweisenden Gelenkkörper (4), wobei der Gelenkkörper (4) an seinem sphärischen Abschnitt (5) vom Gelenkgehäuse (3) aufgenommen wird, um diesem gegenüber gelenkbeweglich gelagert zu sein, und einer Sensoranordnung, aufweisend ein erstes, dem Gelenkgehäuse (4) zugeordnetes Sensorelement (6) und ein zweites, dem Gelenkkörper (4) zugeordnetes Sensorelement (7), das mit dem ersten Sensorelement (6) zusammenwirkt, um die Lage des Gelenkkörpers (4) gegenüber dem Gelenkgehäuse (3) zu erfassen, zeichnet sich dadurch aus, dass das zweite Sensorelement (7) im Bereich des sphärischen Abschnitts (5) des Gelenkkörpers (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk, insbesondere für ein Fahrzeugfahrwerk, die Verwendung eines solchen Kugelgelenks sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenkkörpers für ein solches Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gemäß Anspruch 14 bzw. gemäß Anspruch 15.
Kugelgelenke für den Einsatz im Fahrwerk von Kraftfahrzeugen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Bauformen seit langem bekannt. Ganz allgemein dienen diese dazu, ein erstes Bauteil gelenkbeweglich mit einem zweiten Bauteil zu verbinden; in der Fahrwerkstechnik handelt es sich dabei um Fahrwerkselemente wie insbesondere Lenkerbauteile, Radträger oder dergleichen, die beispielsweise gelenkig miteinander oder gelenkig gegenüber einem Fahrzeugaufbau bzw. Achsträger gekoppelt sind.
Zur Erfüllung seiner Grundfunktion weist ein Kugelgelenk typischerweise ein Gelenkgehäuse und einen Gelenkkörper auf. Der Gelenkkörper, bei dem es sich abhängig von der Bauform des Kugelgelenks um einen Kugelzapfen oder eine Kugelhülse handeln kann, weist einen sphärischen Abschnitt auf, das heißt, einen teilkugelförmigen Flächenbereich. Der Gelenkkörper wird an seinem sphärischen Abschnitt vom Gelenkgehäuse aufgenommen, um diesem gegenüber gelenkbeweglich gelagert zu sein.
Heutige Fahrzeuge werden zunehmend mit Messeinrichtungen ausgestattet, die beispielsweise eine Position des Rades zur Karosserie ermitteln, um daraus auf den Höhenstand des Fahrzeugs zu schließen. In konstruktiver Hinsicht lässt sich dies umsetzen, indem zumindest ein im Fahrwerk verbautes Kugelgelenk über eine Sensoranordnung verfügt, mit welcher sich die Lage des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse erfassen lässt. Es handelt sich somit um ein Kugelgelenk mit integriertem Lagesensor.
Aus DE 10 2004 039 781 A1 ist ein Kugelgelenk bekannt, das die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist. Es handelt sich um ein Kugelgelenk in Bauform eines Winkelgelenks, aufweisend ein Gelenkgehäuse und einen dreh- und schwenkbeweglich von diesem aufgenommenen Gelenkkörper in Form eines Kugelzapfens. Eine einen sphärischen Abschnitt aufweisende Gelenkkugel des Kugelzapfens stützt sich gegenüber dem Gelenkgehäuse über eine zwischen Kugelzapfen und Gelenkgehäuse angeordnete Lagerschale ab. Der Kugelzapfen ist gegenüber dem Gelenkgehäuse um den Mittelpunkt der Gelenkkugel schwenkbeweglich sowie um die Längsachse des Kugelzapfens drehbeweglich gelagert.
Das Kugelgelenk ist mit einer Sensoranordnung ausgestattet, die ein erstes, dem Gelenkgehäuse zugeordnetes Sensorelement und ein zweites, dem Kugelzapfen zugeordnetes Sensorelement aufweist. Bei dem ersten Sensorelement handelt es sich um einen Magnetfeldsensor, der oberhalb des Gehäusebodens, nahe dem axialen kopfseitigen Ende des Kugelzapfens angeordnet ist. Bei dem zweiten, dem Kugelzapfen zugeordneten Sensorelement handelt es sich um einen Permanentmagneten, der unterhalb einer kopfseitigen Abflachung (Polfläche) der Gelenkkugel des Kugelzapfens angeordnet ist. Der dem Gelenkkörper (Kugelzapfen) zugeordnete Permanentmagnet wirkt mit dem dem Gelenkgehäuse zugeordneten Magnetfeldsensor derart zusammen, dass sich mittels der so gebildeten Sensoranordnung die Lage des Kugelzapfens gegenüber dem Gelenkgehäuse erfassen lässt. Insbesondere lässt sich mit der Sensoranordnung die Winkelstellung des Kugelzapfens gegenüber dem Gelenkgehäuse erfassen. Wie der einzigen Figur zu entnehmen, handelt es sich, dem Messprinzip entsprechend, um eine berührungslose Messung.
Bei dem aus DE 10 2004 039 781 A1 vorbekannten Kugelgelenk stützt sich der Gelenkkörper ausschließlich in einem bezogen auf die Längsachse des Kugelzapfens radialen Umfangsbereich gegenüber dem Gelenkgehäuse ab. Hinsichtlich der Richtung der Kraftübertragung weist das gezeigte Kugelgelenk demnach eine Einschränkung auf, denn das Vorhandensein der Sensoranordnung begrenzt die Abstützung des Kugelzapfens in axialer Richtung.
Aus der DE 10 2008 041 050 A1 ist ein Kugelzapfengelenk bekannt, bei dem ein Sensorelement in einer Polfläche des Kugelzapfens angeordnet ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kugelgelenk der eingangs genannten Art anzugeben, welches trotz Vorhandenseins einer Sensoranordnung zur Lageerfassung des Gelenkkörpers einen mechanischen Traganteil aufweist, der annähernd so groß ist, wie bei einem Kugelgelenk ohne Sensoranordnung. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenkkörpers für ein solches Kugelgelenk angegeben werden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zunächst gelöst durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es handelt es sich dabei um ein Kugelgelenk, das insbesondere für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs ausgebildet ist, mit einem Gelenkgehäuse und einem einen sphärischen Abschnitt aufweisenden Gelenkkörper. Der Gelenkkörper wird an seinem sphärischen Abschnitt vom Gelenkgehäuse aufgenommen, um diesem gegenüber gelenkbeweglich gelagert zu sein. Weiterhin weist das Kugelgelenk eine Sensoranordnung auf, aufweisend ein erstes, dem Gelenkgehäuse zugeordnetes Sensorelement und ein zweites, dem Gelenkkörper zugeordnetes Sensorelement, das mit dem ersten Sensorelement zusammenwirkt, um die Lage des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse zu erfassen. Erfindungsgemäß ist dabei das zweite Sensorelement im Bereich des sphärischen Abschnitts des Gelenkkörpers angeordnet.
Indem erfindungsgemäß das zweite, dem Gelenkkörper zugeordnete Sensorelement im Bereich des sphärischen Abschnitts des Gelenkkörpers angeordnet ist, ergibt sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik gemäß DE 10 2004 039 781 A1 bekannten Kugelgelenk der Vorteil, dass der mechanische Traganteil des Gelenkes durch das Vorhandensein der Sensoranordnung nicht oder nur in geringem Maße vermindert wird. Bei dem aus dem Stand der Technik vorbekannten Kugelgelenk ist der sphärische Abschnitt des Gelenkkörpers kopfseitig, das heißt am axialen Ende des Kugelzapfens, durch eine abgeflachte Polfläche unterbrochen, unterhalb derer der Permanentmagnet angeordnet ist. Entsprechend vermindert ist der Traganteil des Kugelgelenks in axialer Richtung. Zur Erzielung einer, möglichst hohen, uneingeschränkten mechanischen Tragfähigkeit des Kugelgelenks ist erfindungsgemäß die Idee entwickelt worden, das mit dem ersten Sensorelement zusammenwirkende zweite Sensorelement im Bereich des sphärischen Abschnitts des Gelenkkörpers - und damit in einem Bereich der mechanischen Lastübertragung - anzuordnen. Die mit der Sensoranordnung durchzuführende Lageerfassung, welche durch Zusammenwirken des gehäuseseitigen ersten Sensorelements und gelenkkörperseitigen zweiten Sensorelements erfolgt, führt somit zu keiner nachteiligen Beeinträchtigung des Aufbaus des Kugelgelenks. Die mechanischen Eigenschaften des Kugelgelenks sind somit trotz Vorhandenseins einer Sensoranordnung ähnlich denen eines Kugelgelenks ohne eine solche Sensoranordnung.
Es sei angemerkt, dass unter der Erfassung der Lage des Gelenkkörpers im Zusammenhang dieser Erfindung vorrangig die Winkelstellung des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse zu verstehen ist. Gemäß einem weiteren Begriffsverständnis könnte man unter dem Begriff „Lage“ auch die Relativposition des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse verstehen, welche sich beispielsweise aufgrund mechanischer Krafteinwirkung auf das Kugelgelenk bzw. aufgrund von Verschleiß (andauernde oder wiederholte Krafteinwirkung) verändern kann. Im Rahmen dieser Anmeldung bezieht sich die Lageerfassung vorrangig auf den Winkel des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des Kugelgelenks kontaktiert der Gelenkkörper mit seinem sphärischen Abschnitt das Gelenkgehäuse. Gelenkkörper und Gelenkgehäuse stehen in diesem Fall in unmittelbarem Kontakt. Aufgrund weniger zu montierender Bauteile handelt es sich hierbei um eine einfach herstellbare Weiterbildung des Kugelgelenks.
Alternativ dazu ist bei einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dem Gelenkgehäuse des Kugelgelenks eine Lagerschale zugeordnet, die in unmittelbarem Kontakt mit dem sphärischen Abschnitt des Gelenkkörpers steht. In diesem Fall steht der Gelenkkörper mit dem Gelenkgehäuse nur in mittelbarem Kontakt, die dazwischen angeordnete Lagerschale, die beispielsweise aus Kunststoff hergestellt ist, verhindert einen direkten Kontakt zwischen Gelenkgehäuse und Gelenkkörper und begünstigt eine reibungsarme, verschleißarme Lagerung des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Kugelgelenks sind das erste und das zweite Sensorelement so zueinander angeordnet, dass eine zwischen diesen laufende gedachte Verbindungslinie einen Kontaktbereich schneidet, der zwischen dem sphärischen Abschnitt des Gelenkkörpers und dem Gelenkgehäuse, oder zwischen dem sphärischen Abschnitt des Gelenkkörpers und einer diesem zugeordneten Lagerschale gebildet ist. Mit anderen Worten, sind demnach erstes und zweites Sensorelement so zueinander angeordnet, dass deren kürzeste Verbindungslinie durch den Kontaktbereich zwischen Gelenkkörper und Gelenkgehäuse bzw. Lagerschale verläuft. Abhängig vom eingesetzten Messverfahren, vorzugsweise Magnetfeldmessung, durchdringt die Messgröße (beispielsweise Magnetfeldlinien) demnach den Kontaktbereich zwischen Gelenkkörper und Gelenkgehäuse bzw. diesem zugeordneter Lagerschale, wobei die mechanische Tragfähigkeit des Kugelgelenks hiervon nicht beeinträchtigt wird.
Die Erfindung kann an Kugelgelenken unterschiedlicher Bauform vorteilhaft zum Einsatz kommen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei dem Kugelgelenk um ein sogenanntes Kugelhülsengelenk, wobei in diesem Fall der Gelenkkörper als Kugelhülse mit einer Längsachse ausgebildet ist.
Alternativ kann es sich bei dem Kugelgelenk um ein Radialgelenk, Traggelenk oder ein Axialgelenk handeln, wobei in diesen Fällen der Gelenkkörper jeweils als Kugelzapfen mit einer Längsachse ausgebildet ist. Während bei einem Radialgelenk die Kräfte zwischen Gelenkkörper (Kugelzapfen) und Gelenkgehäuse vorrangig in Radialrichtung bezogen auf den Gelenkkörper übertragen werden können, dienen Axialgelenke vorrangig zur Übertragung von Kräften in Axialrichtung, bezogen auf die Längsachse des Gelenkkörpers (Kugelzapfen).
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dient die Sensoranordnung des Kugelgelenks zur Erfassung einer Winkelstellung des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse. Je nach Anwendungsfall, insbesondere Einbauort des Kugelgelenks, kann es zweckmäßig sein, nur einen oder mehrere der maximal drei rotatorischen Winkel zu erfassen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, insbesondere bei Ausführung des Kugelgelenks als Kugelhülsengelenk, dient die Sensoranordnung zur Erfassung der Winkelstellung des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse bezogen auf die Längsachse des Gelenkkörpers (als Rotationsachse des Gelenks). Die Sensoranordnung erfasst in diesem Fall also insbesondere den Schwenkwinkel, den Gelenkkörper und Gelenkgehäuse bezogen auf die Längsachse des Gelenkkörpers einnehmen.
Für die Sensoranordnung des Kugelgelenks können unterschiedliche physikalische Messprinzipien zum Einsatz kommen. Erstrebenswert ist jeweils die Anwendung eines berührungslosen Messprinzips. In konstruktiver Hinsicht basiert die Sensoranordnung bevorzugt auf einem magnetischen Messprinzip. Demnach kann beispielsweise ein Sensorelement als Permanentmagnet (Signalgeber) ausgebildet sein, während ein anderes Sensorelement als Magnetfeldsensor (Signalempfänger) ausgebildet ist. Verändert der Signalgeber gegenüber dem Signalempfänger seine relative Lage (aufgrund einer Bewegung des Kugelgelenks), so erfasst der Magnetfeldsensor dies in Form einer Magnetfeldänderung, aus deren Auswertung sich auf die Lage des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse schließen lässt.
In konstruktiver Hinsicht ist bei dem Kugelgelenk vorzugsweise das zweite Sensorelement ein Signalgeber, insbesondere ein Permanentmagnet, und ist das erste Sensorelement ein Signalempfänger, insbesondere ein Magnetfeldsensor. Durch diese Zuordnung ergibt sich der Vorteil, dass sich eine für den Magnetfeldsensor erforderliche Signalleitung verhältnismäßig einfach anordnen bzw. führen lässt, da das erste Sensorelement dem Gelenkgehäuse zugeordnet ist. Alternativ ist eine umgekehrte Zuordnung möglich.
In fertigungstechnischer Hinsicht lässt sich die Sensoranordnung vorteilhaft in das Kugelgelenk integrieren, indem in dem Gelenkkörper im Bereich des sphärischen Abschnitts eine Ausnehmung, insbesondere in Form einer Bohrung oder Nut ausgebildet ist, welche zur Aufnahme des zweiten Sensorelements dient. Das zweite Sensorelement, insbesondere ein Permanentmagnet, kann in diesem Fall beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein, so dass es in die Bohrung eingesetzt und beispielsweise bündig im Gelenkkörper versenkt werden kann. Alternativ kann das zweite Sensorelement ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet sein und in eine ringförmige oder ringsegmentförmige Nut eingesetzt sein.
In vorteilhafter Weise wird die Ausnehmung entweder durch das zweite Sensorelement selbst oder durch das zweite Sensorelement sowie einen ergänzenden Deckel derart ausgefüllt, dass der sphärische Abschnitt des Gelenkkörpers trotz Anordnung des zweiten Sensorelements eine unterbrechungsfrei kugelabschnittförmige Außenkontur aufweist. Die Ausnehmung kann mehrere Stufen (beispielsweise Stufenbohrung) aufweisen, wobei das zweite Sensorelement in der tieferen Stufe aufgenommen wird und sich der Deckel auf einer höheren Stufe gegenüber dem Gelenkkörper abstützt.
Bezogen auf die Hauptbelastungsrichtung des Kugelgelenks kann die Sensoranordnung unterschiedlich positioniert sein. Um den mechanischen Traganteil des Kugelgelenks so wenig wie möglich zu beeinflussen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Kugelgelenks das zweite Sensorelement außerhalb eines hauptsächlich belasteten Bereichs des sphärischen Abschnitts des Gelenkkörpers angeordnet.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung eines wie zuvor beschriebenen Kugelgelenks zur Erfassung der Winkelstellung des Gelenkkörpers gegenüber dem Gelenkgehäuse, wobei der Gelenkkörper einem ersten Fahrwerkselement und das Gelenkgehäuse einem zweiten Fahrwerkselement zugeordnet sind, wodurch die erfasste Winkelstellung mit einer Winkelstellung der Fahrwerkselemente zueinander korrespondiert. So kann das beschriebene Kugelgelenk zweckmäßigerweise dazu verwendet werden, die Winkelstellung zwischen einem Radträger und einem damit über das Kugelgelenk schwenkbeweglich verbundenen (beispielsweise oberen) Querlenker zu erfassen. Eine derartige Winkelerfassung kann unter anderem dazu dienen, den Höhenstand eines von dem Radträger aufgenommenen Rades gegenüber einem Fahrzeugaufbau zu ermitteln.
Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenkkörpers für ein wie zuvor beschriebenes Kugelgelenk. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß die folgenden Herstellungsschritte:

Bereitstellen eines Gelenkkörpers,
Erzeugen einer Ausnehmung im Bereich des kugelförmigen Abschnitts des Gelenkkörpers,
Einfügen eines (zweiten) Sensorelements in die Ausnehmung,
Oberflächenbearbeitung des Gelenkkörpers zum Erzeugen einer unterbrechungsfrei kugelabschnittförmigen Außenkontur des sphärischen Abschnitts.

Mit dem so beschriebenen Verfahren lässt sich mit verhältnismäßig geringem fertigungstechnischem Aufwand ein Gelenkkörper herstellen, mit dem sich die bereits im Zusammenhang mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Kugelgelenk erzielbaren Vorteile erreichen lassen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass nach dem Einfügen des zweiten Sensorelements zudem ein Deckel in die Ausnehmung eingesetzt wird, wobei in diesem Fall die Oberflächenbearbeitung auch an dem Deckel vorgenommen wird, um einen sphärischen Abschnitt mit einer unterbrechungsfrei kugelabschnittförmigen Außenkontur zu erzeugen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Daraus ergeben sich auch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Wirkungen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

1 ein Kugelgelenk gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
2 das Kugelgelenk gemäß 1 in nicht geschnittener Ansicht,
3 ein Kugelgelenk gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
4 ein Kugelgelenk gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
5 ein Kugelgelenk gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 das Kugelgelenk gemäß 5 im Schnitt von oben,
7 das Detail A aus 6,
8 ein Kugelgelenk gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht,
9 ein Kugelgelenk gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer, teilweise geschnittener Ansicht.

In den 1 und 2 ist in unterschiedlichen Ansichten ein Kugelgelenk gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem typischen Einbauzustand dargestellt. Das Kugelgelenk 1 kommt hier in einem Fahrzeugfahrwerk zum Einsatz, indem es einen Radträger 2 (nur teilweise dargestellt) gelenkbeweglich mit einem Querlenker 9 (ebenfalls nur teilweise dargestellt) verbindet. Das Kugelgelenk 1 ist als sogenanntes Kugelhülsengelenk ausgeführt, es weist ein ringförmiges Gelenkgehäuse 3 auf, welches einen hülsenartigen Gelenkkörper 4 umschließt. Der Gelenkkörper 4, auch als Kugelhülse bezeichnet, weist eine Längsachse 11 auf, die im Wesentlichen orthogonal zur Längserstreckung des Querlenkers 9 verläuft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Lenker 9 an seinem dem Kugelgelenk 1 zugewandten Ende, das in 1 zu sehen ist, einen etwa S-förmig geschwungenen Verlauf auf. Es versteht sich, dass statt des gezeigten Querlenkers 9 auch anders gestaltete Lenker oder sonstige Strukturbauteile mit dem Kugelgelenk 1 verbunden sein können.
Der als Kugelhülse ausgebildete Gelenkkörper 4 weist im Zentralbereich des Kugelgelenks 1 eine teilkugelförmige Verdickung auf. Die Verdickung bildet einen sphärischen Abschnitt 5, der somit einen geschlossen umlaufenden Oberflächenbereich des Gelenkkörpers 4 bildet. Von dem durch den sphärischen Abschnitt 5 gebildeten Zentralbereich des Kugelgelenks 1 ragt der als Kugelhülse ausgebildete Gelenkkörper 4 in axial - bezogen auf die Längsachse 11 - beide Richtungen hülsenartig ab. Ein Schraubbolzen 16 durchdringt zwei an dem Radträger 2 voneinander beabstandet ausgebildete Lageraugen 18, 19 sowie den dazwischen angeordneten Gelenkkörper 4. Der Schraubbolzen 16 wird durch eine Sicherungsmutter 17 gesichert. Der Gelenkkörper 4 ist auf diese Weise mit dem Radträger 2 verbunden.
Das Gelenkgehäuse 3 umschließt den Gelenkkörper 4 im Bereich des sphärischen Abschnitts 5 umfänglich. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht zwischen dem sphärischen Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 und dem Gelenkgehäuse 3 jedoch kein unmittelbarer Kontakt, denn dem Gelenkgehäuse 3 ist eine Lagerschale 8 aus einem Kunststoffmaterial zugeordnet, die wiederum in unmittelbaren Kontakt mit dem sphärischen Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 steht. Gelenkgehäuse 3 und Gelenkkörper 4 des Kugelgelenks 1 stehen somit über die in diesem Fall umlaufend ausgebildete Lagerschale 8 in mittelbarem Kontakt. Die Lagerschale 8 weist auf für sich gesehen herkömmliche Weise an deren Innenfläche eine sphärische Formgebung auf, die somit komplementär ist zur Form des sphärischen Abschnitts 5 des Gelenkkörpers 4 und sich daher an diesen unter Bildung eines Flächenkontaktes anschmiegt.
Das Kugelgelenk 1 ist mit einer Sensoranordnung ausgestattet, mit welcher sich eine Winkelstellung des Gelenkkörpers 4 gegenüber dem Gelenkgehäuse 3 erfassen lässt. Das Kugelgelenk 1 stellt, wie durch den bereits beschriebenen mechanischen Aufbau erläutert, eine gelenkbewegliche Verbindung zwischen dem Querlenker 9 und dem Radträger 2 her. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, ist der Querlenker gegenüber dem Radträger 2 um die Längsachse 11 des Kugelgelenks 1 schwenkbar. Daneben ermöglicht die beschriebene sphärische Lagerung ein zumindest gewisses Verschwenken des Querlenkers 9 um zwei zur Längsachse 11 jeweils rechtwinklige Koordinatenachsen mit dem Kugelmittelpunkt als Rotationszentrum. Eine Schwenkbewegung des Querlenkers 9 um die Längsachse 11 stellt jedoch die Hauptbewegungsrichtung des Kugelgelenks 1 dar. Die Sensoranordnung dient insbesondere dazu, die Winkelstellung des Querlenkers 9 gegenüber dem Radträger 2 bezogen auf eine Rotation um die Längsachse 11 des Gelenkkörpers 4 zu erfassen.
Die Sensoranordnung weist ein erstes, dem Gelenkgehäuse 4 zugeordnetes Sensorelement 6 auf. Es handelt sich bei dem ersten Sensorelement 6 um einen Magnetfeldsensor. Eine im Gelenkgehäuse 3 ausgebildete Ausnehmung nimmt das erste Sensorelement 6 teilweise auf. Ein innerer Bereich des Sensorelements 6 weist eine zylindrische Außenkontur auf und wird vollständig vom Gelenkgehäuse 3 aufgenommen. Ein weiter außen liegender Bereich des ersten Sensorelements 6 ragt aus dem Gelenkgehäuse 3 radial nach außen ab, wie in 2 zu sehen, welche das Kugelgelenk 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in nicht geschnittener Ansicht zeigt.
Wie der 1 zu entnehmen, weist die Sensoranordnung weiterhin ein zweites, dem als Kugelhülse ausgeführten Gelenkkörper 4 zugeordnetes Sensorelement 7 auf, bei welchem es sich um einen Permanentmagneten handelt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 ist das zweite Sensorelement in einer im Gelenkkörper 4 ausgebildeten Ausnehmung 10 in Form einer Bohrung aufgenommen und vollständig in dieser versenkt. Das als Permanentmagnet ausgeführte zweite Sensorelement 7 weist dabei eine zylindrische Grundform auf. Die in dem Gelenkkörper 4 ausgebildete Ausnehmung 10 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Stufen auf (Stufenbohrung) und wird durch das eingesetzte zweite Sensorelement 7 in der tieferen Stufe sowie einen ergänzenden Deckel 12, welcher sich auf einer höheren Stufe der Ausnehmung 10 gegenüber dem Gelenkkörper 4 abstützt, ausgefüllt. Zweites Sensorelement 7 und Deckel 12 füllen die Ausnehmung 10 derart aus, dass der sphärische Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 trotzt Anordnung des zweiten Sensorelements 7 eine unterbrechungsfrei kugelabschnittförmige Außenkontur aufweist. Die kugelabschnittförmige Außenkontur des Gelenkkörpers 4 im Bereich des sphärischen Abschnitts 5 wird somit durch die Anordnung des zweiten Sensorelements 7 nicht beeinträchtigt.
Bei der durch das erste und zweite Sensorelement 6, 7 gebildeten Sensoranordnung wirkt das zweite Sensorelement 7 - Permanentmagnet - als Signalgeber, indem der Permanentmagnet ein bezogen auf den Gelenkkörper 4 ortsfestes Magnetfeld ausbildet. Das erste Sensorelement 6 wiederum dient als Signalempfänger, indem es das vom zweiten Sensorelement 7 erzeugte Magnetfeld erfasst und in ein elektrisches Signal wandelt. Ändert sich aufgrund einer Relativbewegung zwischen Gelenkkörper 4 und Gelenkgehäuse 3 zueinander das vom ersten Sensorelement 6 erfasste Magnetfeld, bedingt durch eine Änderung der relativen Lage des ersten Sensorelements 6 (Magnetfeldsensor) gegenüber dem zweiten Sensorelement 7 (Permanentmagnet), so erzeugt das erste Sensorelement 6 ein Messsignal, aus welchem sich die Winkelstellung des Gelenkkörpers 4 gegenüber dem Gelenkgehäuse 3 ableiten lässt. Auf diese Weise wirken bei dem Kugelgelenk 1 das erste Sensorelement 6 und das zweite Sensorelement 7 in der Weise zusammen, dass sich die Lage des Gelenkkörpers 4 gegenüber dem Gelenkgehäuse 3 erfassen lässt.
Indem das zweite Sensorelement 7 im Bereich des sphärischen Abschnitts 5 des Gelenkkörpers 4 angeordnet ist, kann das Kugelgelenk 1 eine für sich gesehen herkömmliche Bauform aufweisen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Sensorelement 6, 7 so zueinander angeordnet, dass eine zwischen diesen verlaufende gedachte Verbindungslinie einen Kontaktbereich schneidet, der zwischen dem sphärischen Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 und einer dem Gelenkgehäuse 3 zugeordneten Lagerschale 8 gebildet ist. Mit anderen Worten, die Magnetfeldmessung erfolgt bei dieser Gestaltung durch die Lagerschale 8 hindurch, d. h. durch einen mechanisch belastbaren Bereich des Kugelgelenks 1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zweite Sensorelement 7 äußerlich durch den Deckel 12 gegenüber der Lagerschale 8 abgedeckt. Da sich der Deckel 12 auf der höheren Stufe der Ausnehmung 10 abstützt, kann der sphärische Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 sogar im Bereich des zweiten Sensorelements 7 mechanische Lasten aufnehmen.
Bei dem Kugelgelenk 1 gemäß erstem Ausführungsbeispiel ist das zweite Sensorelement 7 sowie auch das erste Sensorelement 6 bezogen auf eine Haupterstreckungsebene des Querlenkers 9 seitlich angeordnet. Die Anordnung liegt damit außerhalb eines hauptsächlich belasteten Bereichs des Kugelgelenks 1, denn die Hauptbelastungsrichtung des gezeigten Kugelgelenks 1 liegt in der Haupterstreckungsrichtung des Querlenkers 9.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kugelgelenks 1, welches im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels gleicht. Insofern sei zunächst auf die dortigen Ausführungen verwiesen. Davon abweichend ist bei dem Kugelgelenk 1 gemäß zweitem Ausführungsbeispiel das zweite Sensorelement 7 (Permanentmagnet) so ausgeführt, dass dieses die Ausnehmung 10 selbst ausfüllt. D. h. es wird auf einen abschließenden Deckel verzichtet. Das zweite Sensorelement 7 kann dazu als ein rein zylindrischer Körper ausgeführt sein.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist zur Aufnahme des ersten Sensorelements 6 eine Bohrung im Gelenkgehäuse 3 vorgesehen. Diese ist im gezeigten Fall nicht durchgehend ausgebildet. Alternativ kann eine Durchgangsbohrung vorgesehen sein.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kugelgelenks 1, das wiederum dem Kugelgelenk gemäß zweitem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleicht. Auf erläuternde Ausführungen sei daher zunächst auf entsprechende vorige Ausführungen verwiesen. Davon abweichend weist bei dem Kugelgelenk 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel das zweite Sensorelement (Permanentmagnet) eine grundlegend andere Bauform auf. Das als Signalgeber wirkende zweite Sensorelement 7 ist gemäß drittem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet, wobei ein geschlossener oder unterbrochener Ring denkbar sind. Am Gelenkkörper 4 ist im Bereich des sphärischen Abschnitts 5 entsprechend eine ringförmige Nut oder sind mehrere ringsegmentartig angeordnete Ausnehmungen angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird ein ringartig ausgebildetes zweites Sensorelement 7 in Form eines Permanentmagneten darin aufgenommen.
In den 5, 6, 7 ist ein Kugelgelenk 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel gezeigt. 5 zeigt das Kugelgelenk in perspektivischer Ansicht, 6 eine Schnittdarstellung von oben und 7 einen vergrößerten Ausschnitt des Details A.
Das Kugelgelenk 1 gemäß viertem Ausführungsbeispiel gleicht hinsichtlich des Aufbaus im Wesentlichen den Kugelgelenken gemäß erstem bis drittem Ausführungsbeispiel. Auf dortige Ausführungen sei diesbezüglich verwiesen. Ergänzend zeigt 5 durch Angabe der Fahrtrichtung FR die Orientierung hinsichtlich der Einbausituation am Radträger eines Fahrzeugs an. Abweichend von den Kugelgelenken der Ausführungsbeispiele eins bis drei ist bei dem Kugelgelenk 1 gemäß viertem Ausführungsbeispiel (5 bis 7) die Sensoranordnung, umfassend erstes Sensorelement 6 und zweites Sensorelement 7 auf einer dem Querlenker 9 abgewandten Seite des Kugelgelenks 1 angeordnet. In Figur 5 lässt sich dies an der Bezeichnung des ersten Sensorelements 6 einfach erkennen, welches auf der dem Lenker 9 abgewandten Seite angeordnet ist. Diese Art der Anordnung bietet den Vorteil, dass ein mit der Sensoranordnung erfasstes Messergebnis bezüglich der Winkelstellung nicht oder kaum beeinträchtigt, insbesondere verfälscht, wird durch Kräfte, die über den Querlenker 9 auf das Kugelgelenk 1 einwirken. Dies liegt darin begründet, dass über den Querlenker 9 übertragene Kräfte die Ausrichtung des vom zweiten Sensorelement 7 erzeugten Magnetfeldes gegenüber dem ersten Sensorelement 6 nicht oder kaum beeinflussen können.
Wie 7 zu entnehmen, weist das Kugelgelenk 1 gemäß viertem Ausführungsbeispiel im Übrigen einen Aufbau auf, der dem des ersten Ausführungsbeispiels ähnelt. So wird das zweite Sensorelement 7 ebenfalls durch einen Deckel 12 abgedeckt. Der Figur 7 lässt sich weiterhin die Gestaltung des ersten Sensorelements 6 näher entnehmen. Im Wesentlichen umfasst dieses ein Sensorgehäuse 14, das einen Sensor 13 sowie eine Platine 15 aufnimmt. Ein den Sensor 13 aufnehmender Bereich des ersten Sensorelements 6 wird vom Gelenkgehäuse 3 aufgenommen. Ein äußerer, die Platine 15 aufnehmender Bereich ragt radial vom Gelenkgehäuse 3 ab.
Die zuvor beschriebenen Kugelgelenke gemäß Ausführungsbeispielen eins bis vier weisen jeweils die Bauform eines sogenannten Kugelhülsengelenkes auf. Unter Erzielung ähnlicher vorteilhafter Effekte lässt sich die Erfindung auch auf Kugelgelenke in Bauform eines Radialgelenks, Traggelenks oder Axialgelenks anwenden. Die 8 und 9 zeigen beispielhaft jeweils ein Kugelgelenk 1 gemäß einem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Bauform eines Radialgelenks. Das Kugelgelenk 1 in Bauform eines Radialgelenks weist ebenfalls ein Gelenkgehäuse 3 auf, sowie einen mit einem sphärischen Abschnitt 5 versehenen Gelenkkörper 4. Der Gelenkkörper 4 ist in diesem Fall - abweichend von einem Kugelhülsengelenk - als ein sogenannter Kugelzapfen ausgebildet. Der Gelenkkörper 4 in Form eines Kugelzapfens wird an seinem sphärischen Abschnitt 5 vom Gelenkgehäuse 3 aufgenommen, um diesem gegenüber gelenkbeweglich gelagert zu sein.
Bei dem in 8 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel weist das gezeigte Kugelgelenk 1 eine Sensoranordnung auf, die ein erstes, dem Gelenkgehäuse 3 zugeordnetes Sensorelement 6 und ein zweites, dem Gelenkkörper 4, zugeordnetes Sensorelement 7 aufweist. Bei dem zweiten Sensorelement 7 handelt es sich wieder um einen Permanentmagneten, der als annähernd zylindrisches Bauteil in eine Bohrung am sphärischen Abschnitt 5 des Gelenkkörpers 4 eingesetzt ist.
Das in 9 gezeigte Kugelgelenk 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung gleicht im Wesentlichen dem Kugelgelenk gemäß fünftem Ausführungsbeispiel. Auf entsprechende Ausführungen sei daher verwiesen. Davon abweichend ist bei dem Kugelgelenk 1 gemäß sechstem Ausführungsbeispiel das als Permanentmagnet ausgebildete zweite Sensorelement 7 ringförmig ausgestaltet.
Bei den in den 8 und 9 gezeigten Kugelgelenken des fünften und sechsten Ausführungsbeispiels dient das Kugelgelenk 1 ebenfalls zur gelenkbeweglichen Verbindung zwischen einem Radträger 2 und einem Querlenker 9. Die dem Kugelgelenk 1 zugeordnete Sensoranordnung ermöglicht es jeweils, die Lage des als Kugelzapfen ausgeführten Gelenkkörpers 4 gegenüber dem Gelenkgehäuse 3 zu erfassen.
Bezugszeichenliste

1: Kugelgelenk
2: Radträger
3: Gelenkgehäuse
4: Gelenkkörper
5: sphärischer Abschnitt
6: Magnetfeldsensor
7: Permanentmagnet
8: Lagerschale
9: Querlenker
10: Ausnehmung
11: Längsachse des Gelenkkörpers
12: Deckel
13: Sensor
14: Sensorgehäuse
15: Platine
16: Schraubbolzen
17: Sicherungsmutter
18: Lagerauge
19: Lagerauge
20: Gelenkmittelpunkt
FR: Fahrtrichtung

Claims

Kugelgelenk (1), insbesondere für ein Fahrzeugfahrwerk, mit einem Gelenkgehäuse (3) und einem einen sphärischen Abschnitt (5) aufweisenden Gelenkkörper (4), wobei der Gelenkkörper (4) an seinem sphärischen Abschnitt (5) vom Gelenkgehäuse (3) aufgenommen wird, um diesem gegenüber gelenkbeweglich gelagert zu sein, und einer Sensoranordnung, aufweisend ein erstes, dem Gelenkgehäuse (4) zugeordnetes Sensorelement (6) und ein zweites, dem Gelenkkörper (4) zugeordnetes Sensorelement (7), das mit dem ersten Sensorelement (6) zusammenwirkt, um die Lage des Gelenkkörpers (4) gegenüber dem Gelenkgehäuse (3) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (7) im Bereich des sphärischen Abschnitts (5) des Gelenkkörpers (4) angeordnet ist, wobei der sphärische Abschnitt (5) des Gelenkkörpers (4) trotz Anordung des zweiten Sensorelementes (7) in dem sphärischen Abschnitt (5) eine unterbrechungsfreie kugelabschnittsförmige Außenkontur aufweist.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkkörper (4) mit seinem sphärischen Abschnitt (5) das Gelenkgehäuse (3) kontaktiert.
Kugelgelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gelenkgehäuse (3) eine Lagerschale (8) zugeordnet ist, die in unmittelbarem Kontakt mit dem sphärischen Abschnitt (5) des Gelenkkörpers (4) steht.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Sensorelement (6, 7) so zueinander angeordnet sind, dass eine zwischen diesen verlaufende gedachte Verbindungslinie einen Kontaktbereich schneidet, der zwischen dem sphärischen Abschnitt (5) des Gelenkkörpers (4) und dem Gelenkgehäuse (3), oder zwischen dem sphärischen Abschnitt (5) des Gelenkkörpers (4) und einer diesem zugeordneten Lagerschale (8) gebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kugelgelenk (1) um ein sogenanntes Kugelhülsengelenk handelt, wobei der Gelenkkörper (4) als Kugelhülse mit einer Längsachse (11) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kugelgelenk (1) um ein Radialgelenk, Traggelenk oder Axialgelenk handelt, wobei der Gelenkkörper (4) als Kugelzapfen mit einer Längsachse (11) ausgebildet ist.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6, 7) zur Erfassung einer Winkelstellung des Gelenkkörpers (4) gegenüber dem Gelenkgehäuse (3) dient, wobei es sich insbesondere um die Winkelstellung bezogen auf die Längsachse (11) des Gelenkkörpers (4) handelt.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6, 7) auf einem magnetischen Messprinzip basiert.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (7) ein Signalgeber, insbesondere ein PermanentMagnet ist und das erste Sensorelement (6) ein Signalempfänger, insbesondere ein Magnetfeldsensor ist.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gelenkkörper (4) im Bereich des sphärischen Abschnitts (5) eine Ausnehmung (10), insbesondere in Form einer Bohrung oder einer Nut ausgebildet ist, welche zur Aufnahme des zweiten Sensorelements (7) dient.
Kugelgelenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) entweder durch das zweite Sensorelement (7) selbst oder durch das zweite Sensorelement (7) sowie einen ergänzenden Deckel (12) derart ausgefüllt ist, dass der sphärische Abschnitt (5) des Gelenkkörpers (4) trotz Anordnung des zweiten Sensorelements (7) eine unterbrechungsfrei kugelabschnittförmige Außenkontur aufweist.
Kugelgelenk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) mehrere Stufen aufweist, wobei das zweite Sensorelement (7) in der tieferen Stufe aufgenommen wird und sich der Deckel (12) auf einer höheren Stufe gegenüber dem Gelenkkörper (4) abstützt.
Kugelgelenk nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sensorelement (7) außerhalb eines hauptsächlich belasteten Bereichs des sphärischen Abschnitts (5) des Gelenkkörpers (4) angeordnet ist.
Verwendung eines Kugelgelenks (1) nach einem der vorigen Ansprüche zur Erfassung der Winkelstellung des Gelenkkörpers (4) gegenüber dem Gelenkgehäuse (3), wobei der Gelenkkörper (4) einem ersten Fahrwerkselement (2) und das Gelenkgehäuse (3) einem zweiten Fahrwerkselement (9) zugeordnet sind, wodurch die erfasste Winkelstellung mit einer Winkelstellung der Fahrwerkselemente (2, 9) zueinander korrespondiert.
Verfahren zur Herstellung eines Gelenkkörpers (4), insbesondere für ein Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Herstellungsschritte: Bereitstellen eines Gelenkkörpers (4), Erzeugen einer Ausnehmung (10) im Bereich des kugelförmigen Abschnitts des Gelenkkörpers (4), Einfügen eines (zweiten) Sensorelements (7) in die Ausnehmung (10), Oberflächenbearbeitung des Gelenkkörpers (4) zum Erzeugen einer unterbrechungsfrei kugelabschnittförmigen Außenkontur des sphärischen Abschnitts (5).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einfügen des zweiten Sensorelements (7) zudem ein Deckel (12) in die Ausnehmung (10) eingesetzt wird, wobei in diesem Fall die Oberflächenbearbeitung auch an dem Deckel (12) vorgenommen wird, um einen sphärischen Abschnitt (5) mit einer unterbrechungsfrei kugelabschnittförmigen Außenkontur zu erzeugen.