DE10245983A1

DE10245983A1 - Kugelgelenk mit aktiver Dämpfungsverstellung

Info

Publication number: DE10245983A1
Application number: DE2002145983
Authority: DE
Inventors: Josef Seidl; Gerrit Heyl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-04-15

Abstract

Kugelgelenk mit einem kugelförmigen Gelenkkörper, der in Bezug auf eine Äquatorialebene einen oberen kugelförmigen Teil und einen unteren kugelförmigen Teil aufweist, und einer Gelenkpfanne, in welcher der kugelförmige Gelenkkörper gelagert ist, wobei die Gelenkpfanne durch ein oberes Lagerschalenelement, das den oberen kugelförmigen Teil umgreift, und ein unteres Lagerschalenelement, das den unteren kugelförmigen Teil umgreift, gebildet ist. Ferner ist eine verstellbare Spanneinrichtung vorgesehen, mit der die Vorspannung, mit welcher der Gelenkkörper zwischen den Lagerschalenelementen eingespannt ist, veränderbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelgelenk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Kugelgelenke sind Standard-Maschinenelemente. Ein Kugelgelenk gemäß dem Stand der Technik weist einen kugelförmigen Gelenkkörper mit einem in Bezug auf eine Äquatorialebene oberen kugelförmigen Teil und einem unteren kugelförmigen Teil auf. Der kugelförmige Gelenkkörper ist in einer Gelenkpfanne gelagert. Die Gelenkpfanne ist durch ein oberes Lagerschalenelement, das den oberen kugelförmigen Teil umgreift und durch ein unteres Lagerschalenelement, das den unteren kugelförmigen Teil umgreift, gebildet.

Um Spielfreiheit sicher zu stellen, weisen herkömmliche Kugelgelenke eine durch ihre Konstruktion und Montage vorgegebene Lagervorspannung auf. Aufgrund der Lagervorspannung entsteht bei einer Bewegung des Kugelgelenks zwischen dem kugelförmigen Gelenkkörper und den Lagerschalenelementen Reibung und somit Dämpfung. Aufgrund der fest vorgegebenen Lagervorspannung ergibt sich eine Dämpfungscharakteristik, die ebenfalls fest vorgegeben ist.

Kugelgelenke werden unter anderem bei Fahrzeugen eingesetzt. Beispielsweise findet man bei Vorderradaufhängungen von Motorrädern Kugelgelenke. Im Fahrzeugbereich wäre es wünschenswert, wenn die Dämpfung derartiger Gelenke in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand, das heißt vom Fahrzustand einstellbar wäre. Bei Kugelgelenken, die bei Vorderradaufhängungen von Motorrädern eingesetzt werden, ist nämlich in manchen Fahrzuständen eine starke Dämpfungswirkung wünschenswert und in anderen Fahrzuständen eine geringe bis keine Dämpfungswirkung. Kugelgelenke mit fest vorgegebener, das heißt konstanter Dämpfung führen in manchen Geschwindigkeitsbereichen lediglich zu suboptimalem Fahrverhalten. Bei herkömmlichen Kugelgelenken muss dies jedoch in Kauf genommen werden, um in „wichtigeren" Fahrzuständen eine hohe Fahrsicherheit zu gewährleisten.

Aus dem Fahrzeugbereich sind zwar Reibungsdämpfer und hydraulische Dämpfer bekannt, die im Lenk- bzw. Radführungssystem verbaut sind. Hierbei handelt es sich jedoch um zusätzliche neben den eigentlichen Gelenken verbaute Bauteile. Für derartige Zusatzbauteile steht jedoch häufig nicht genügend Bauraum zur Verfügung. Insbesondere bei Motorrädern kommt der Einsatz derartiger Zusatzdämpfer auch aus Designgesichtspunkten häufig nicht in Frage.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kugelgelenk zu schaffen, das eine kompakte Bauweise und eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand einstellbare Dämpfungscharakteristik aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung geht von einem Kugelgelenk mit einem kugelförmigen Gelenkkörper aus, der zwischen zwei Lagerschalenelementen gelagert ist, welche den kugelförmigen Gelenkkörper in Bezug auf eine Äquatorebene in einem oberen Teil und einen unteren Teil umgreifen. Der Kern der Erfindung besteht in einer Spanneinrichtung, mittels der die Vorspannung, mit welcher der kugelförmige Gelenkkörper zwischen den Lagerschalenelementen eingespannt ist, während des Betriebs des Kugelgelenks verstellbar ist.

Durch Variieren der Lagervorspannung kann die bei einem Verschwenken des Kugelgelenks auftretende Lagerreibung und somit die Lagerdämpfung verändert werden. Bei dem Kugelgelenk handelt es sich somit um ein Kugelgelenk mit „aktiver Dämpfungsverstellmöglichkeit". Die Dämpfungscharakteristik kann dem jeweiligen Betriebszustand angepasst werden. Bei Kugelgelenken, die im Motorradbereich eingesetzt werden, kann dies zu einem deutlich verbesserten Fahrverhalten in den einzelnen Geschwindigkeitsbereichen führen.

Die Spanneinrichtung kann beispielsweise hydraulisch betätigbar sein. Alternativ dazu können auch ein oder mehrere Piezoelemente vorgesehen sein, das bzw. die auf eine oder beide Lagerschalen einwirken. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente, dehnen sich diese aus, was eine Variierung der mechanischen Vorspannung des Kugelgelenks ermöglicht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Lagerschalenelemente in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest eines der beiden Lagerschalenelemente verschieblich in dem Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise sind die beiden Lagerschalenelemente verdrehfest in dem Gehäuse angeordnet. In diesem Fall stehen zwei Reibpaarungen „Gelenkkörper/Lagerschalenelement" zur Verfügung. Da der Gelenkkörper, die Lagerschalenelemente und die Spanneinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein können, ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, was den Einsatz eines solchen Kugelgelenks auch an designrelevanten Stellen, zum Beispiel im Bereich der Vorderradführung eines Motorrads ermöglicht. Insbesondere beansprucht ein derartiges Kugelgelenk wesentlich weniger Bauraum als ein herkömmliches Kugelgelenk, das mit einem separat angeordneten Zusatzdämpfer verbaut wird.

Vorzugsweise ist zusätzlich eine Steuereinrichtung, zum Beispiel eine Steuerelektronik vorgesehen, welche die Spanneinrichtung des Kugelgelenks in Abhängigkeit vom Betriebszustand ansteuert. Im Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kugelgelenks kann somit die Lagervorspannung, das heißt die Soll-Lagerdämpfung optimal eingestellt werden.

Im folgenden wir die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Kugelgelenk mit einer Spanneinrichtung basierend auf Piezoelementen; und
2 ein Kugelgelenk mit einer hydraulischen Spanneinrichtung.
1 zeigt ein Kugelgelenk 1 mit einem kugelförmigen Gelenkkörper 2, der einen oberen kugelförmigen Teil 3 und einen unteren kugelförmigen Teil 4 aufweist. Der kugelförmige Gelenkkörper 2 ist in einer Gelenkpfanne gelagert, die durch ein oberes Lagerschalenelement 5 und ein unteres Lagerschalenelement 6 gebildet ist. Das obere Lagerschalenelement 5 umgreift den oberen kugelförmigen Teil 3 des Gelenkkörpers 2. Das untere Lagerschalenelement 6 umgreift den unteren kugelförmigen Teil 4 des Gelenckörpers 2. Vollständigkeitshalber sei hier noch auf ein unteres zentrales Lagerschalenelement 7 hingewiesen.
Die Lageschalenelemente 5–7 und der kugelförmige Gelenkkörper 2 sind in einem zylindrischen Gehäuse 8 untergebracht. Zumindest das untere Lagerschalenelement 6 ist verschieblich im Gehäuse 8 angeordnet. Relativ zum Gehäuse 8 sind die beiden Lagerschalenelemente 5, 6 jedoch verdrehfest angeordnet. Dies kann durch eine Verdrehsicherung, zum Beispiel eine Nut erreicht werden oder durch einen eckigen Querschnitt des Gehäuses 8. Zwischen dem Bodenbereich 9 des Gehäuses 8 und dem unteren Lagerschalenelement 6 sind piezokeramische Elemente 10, 11 angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezokeramischen Elemente 10, 11 dehnen sich diese geringfügig aus. Dadurch wird eine mechanische Kraft auf das untere Lagerschalenelement 6 ausgeübt, was zu einer Veränderung der Vorspannung des Gelenkkörpers 2 zwischen den beiden Lagerschalenelemente 5, 6 führt. Durch Verändern der Vorspannung kann gezielt die bei einem Verschwenken des Gelenkkörpers auftretende Reibung bzw. Dämpfung verändert werden.
Die Lagerschalenelemente 5, 6 fungieren also in ihrem Zusammenwirken mit den Piezoelementen 10, 11 als „elektrisch ansteuerbare Spanneinrichtung".
2 zeigt eine Variante der Erfindung. Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist eine „hydraulische Spanneinrichtung" vorgesehen. Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der 1 ist das untere Lagerschalenelement 6 verschieblich im Gehäuse 8 angeordnet. Unterhalb des unteren Lagerschalenelementes 6 ist ein Hydraulikkolben 12 vorgesehen, der mittels einer Ringdichtung 13 gegenüber dem Gehäuse 8 abgedichtet ist. Zwischen dem Hydraulikkolben 12 und dem Bodenbereich 9 des Gehäuses 8 ist ein Fluidraum 14 vorgesehen, der mit einem hier nicht dargestellten Hydraulikanschluss in Verbindung steht. Durch Einbringen von Hydraulikflüssigkeit in den Fluidraum 14 und durch Druckerhöhung kann eine Vorspannkraft auf den Kolben 12 und somit auf die untere Lagerschale 6 ausgeübt werden.
Das Kugelgelenk kann nicht nur in seiner Funktion als aktives Dämpfungselement eingesetzt werden. Alternativ bzw. ergänzend dazu kann es auch als Sensorelement eingesetzt werden. In Abhängigkeit vom Belastungszustand des Kugelgelenkes 1 ändert sich nämlich auch die auf den Gelenkkörper 2 von außen einwirkende mechanische Belastung. Die mechanische Belastung wird auf das untere Lagerschalenelement 6 und von dort wie in 1 dargestellt auf die Piezoelemente 10, 11 bzw. wie in 2 dargestellt auf die Hydraulikflüssigkeit übertragen. Beim Ausführungsbeispiel der 1 können somit die Piezoelemente auch als Sensorelemente zur Messung des Belastungszustandes eingesetzt werden, was insbesondere bei fahrzeugtechnischen Anwendungen, zum Beispiel bei einer Vorderradführung für Motorräder sinnvoll sein kann. Beim Ausführungsbeispiel der 2 kann die Belastung des Kugelgelenks am Druck der im Fluidraum 14 befindlichen Hydraulikflüssigkeit gemessen werden.

Claims

Kugelgelenk (1) mit einem kugelförmigen Gelenkkörper (2), der in Bezug auf eine Äquatorialebene einen oberen kugelförmigen Teil (3) und einen unteren kugelförmigen Teil (4) aufweist und einer Gelenkpfanne, in welcher der kugelförmige Gelenkkörper (2) gelagert ist, wobei die Gelenkpfanne durch ein oberes Lagerschalenelement (5), das den oberen kugelförmigen Teil (3) umgreift, und ein unteres Lagerschalenelement (6), das den unteren kugelförmigen Teil (4) umgreift, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstellbare Spanneinrichtung (10, 11; 12) vorgesehen ist, mit der die Vorspannung, mit welcher der Gelenkkörper (2) zwischen den Lagerschalenelementen (5, 6) eingespannt ist, veränderbar ist.
Kugelgelenk (1) nach Anspruch 1, wobei die beiden Lagerschalenelemente (5, 6) in einem zylindrischen Gehäuse (8) angeordnet sind.
Kugelgelenk (1) nach Anspruch 2, wobei zumindest eines der beiden Lagerschalenelemente (5, 6) verschieblich in dem Gehäuse (8) angeordnet ist.
Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Lagerschalenelemente verdrehfest in Bezug zueinander und zum Gehäuse (8) angeordnet sind.
Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spanneinrichtung durch eine Spannhydraulik (12) gebildet ist, mit der zumindest eines der beiden Lagerschalenelemente (6) in Richtung des anderen Lagerschalenelements (5) hydraulisch mit Druck beaufschlagbar ist.
Kugelgelenk (1) nach Anspruch 5, wobei im Gehäuse ein Hydraulikkolben (12) angeordnet ist, der eines der beiden Lagerschalenelemente (6) mit Druck beaufschlagt.
Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spanneinrichtung mindestens ein Piezoelement (10, 11) aufweist, wobei durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Piezoelement (10, 11) eine mechanische Spannung auf eines der beiden Lagerschalenelemente (6) aufbringbar ist.
Kugelgelenk (1) nach Anspruch 7, wobei das Piezoelement (10, 11) zwischen einer Innenseite (9) des Gehäuses (8) und einem der Lagerschalenelemente (6) angeordnet ist.
Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Steuerelektronik zur Ansteuerung der Spanneinrichtung (10, 11; 12) vorgesehen ist, wobei die Steuerelektronik die Spanneinrichtung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Kugelgelenks (1) und einer für den jeweiligen Betriebszustand des Kugelgelenks (1) vorgegebenen Soll-Dämpfung ansteuert.
Motorrad mit einer Radaufhängung, welche ein Kugelgelenk (1) nach einem der Ansprüche 1–9 aufweist.