EP1540286A1 - Dreh- und/oder kippwinkelerfassungseinrichtung für ein kugelgelenk - Google Patents

Dreh- und/oder kippwinkelerfassungseinrichtung für ein kugelgelenk

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Publication number
EP1540286A1
EP1540286A1 EP03753310A EP03753310A EP1540286A1 EP 1540286 A1 EP1540286 A1 EP 1540286A1 EP 03753310 A EP03753310 A EP 03753310A EP 03753310 A EP03753310 A EP 03753310A EP 1540286 A1 EP1540286 A1 EP 1540286A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotation
ball
detection device
tilt angle
angle detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP03753310A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Kruse
Joachim Spratte
Michael Klank
Oliver Hagedorn
Horst Dötsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Lemfoerder GmbH
Original Assignee
ZF Lemfoerder GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ZF Lemfoerder GmbH filed Critical ZF Lemfoerder GmbH
Publication of EP1540286A1 publication Critical patent/EP1540286A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
    • B60G17/015—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements
    • B60G17/019—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the type of sensor or the arrangement thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G2204/11—Mounting of sensors thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
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    • B60G2204/40—Auxiliary suspension parts; Adjustment of suspensions
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G2401/00—Indexing codes relating to the type of sensors based on the principle of their operation
    • B60G2401/17—Magnetic/Electromagnetic

Definitions

  • the present invention relates to a rotation and tilt angle detection device for a ball joint.
  • Ball joints are important mechanical components because they allow three degrees of freedom. Examples include joysticks and vehicle components as two typical ball joint applications. So far, however, the measurement of the angle of rotation and tilt has been a major problem for the use of the ball joints.
  • Various angle of rotation sensors are known for measuring the angle of rotation. They usually use a stationary magnetic field in which a sensor is arranged, the resistance of which changes depending on the rotational movement of the ball joint. Disadvantage of this
  • Sensors is that they only determine the rotational movement and do not record the tilting movement of the ball joint. If the tilting movement is also to be recorded, a complex coupling of several sensors is disadvantageously necessary.
  • a measuring device with a magnetoresistive sensor for contactless, continuous measurement of the change in position of a motor vehicle body is known from European patent EP 0 617 260 B1, a permanent magnet in the upper vertex of a ball head of a ball joint and the sensor in the region below the vertex of the opening of the ball joint socket is arranged.
  • Sensors that function on the basis of Hall sensors have a disadvantageous high sensitivity to external magnetic fields and temperature fluctuations.
  • the use of Hall sensors also has the disadvantage that the aging of the exciting magnets is not compensated for.
  • the calculation of the rotation and tilt angle is very complex, and a map must be stored in most cases.
  • the auto industry is very interested in sensors that detect the position of the wheel in relation to the road.
  • the ball joint represents this position.
  • Ball joints are e.g. used in the north axle of vehicles, the ball joint being arranged, for example, between the axle control arm and the wheel bearing housing. The ball joint is rotated by steering movements. On the other hand, when it is compressed it tilts.
  • the device according to the invention makes it possible to determine both the rotary and the tilting movement of the ball joint, the sensor advantageously working without contact.
  • the invention provides that at least one magnet is arranged on or in the joint ball or the ball pin. The resulting magnetic field is made visible using the magneto-optical effect. An optical detection device then determines the magnetic field that has been made visible, the rotation or tilting of the ball and socket joint being able to be determined by the magnetic field that has changed compared to the starting position.
  • Two permanent magnets in the pole region of the joint ball are advantageously arranged in parallel and at a certain distance from one another.
  • the magnets can be made from any material and can have any shape, in particular a rod shape.
  • NdFeB magnets are advantageously used which have a diameter of 1 mm and a length of 2 mm, one magnet being aligned with its north pole towards the surface of the joint ball and the other magnet with its south pole towards the surface of the joint ball. It is possible that the pole area of the joint ball is flattened. This creates a space between the outer surface of the sphere and the spherical shell, which can be used as a fat space or fat depot. If this space is filled with grease, it guarantees that the ball joint continuously lubricates itself. With this configuration of the ball joint, it is possible that the display device in the form of a magneto-optical plate is arranged directly behind the fat space or else forms a wall area of the fat space itself.
  • the magnetic field generated by the magnets is advantageously not negatively influenced or deflected by the material of the bearing shell.
  • the resulting magnetic field of the at least one magnet can be displayed or detected relatively accurately.
  • the display device can also be provided on the ball joint housing or can be formed in one piece with it.
  • the display device advantageously has a magneto-optical sensor layer which, as described above, is arranged according to the invention in close proximity, in particular only a few millimeters or tenths of a millimeter away from the magnet.
  • the display device can e.g. be integrated or molded into the bearing shell during the manufacturing process. However, it can also be fixed or fastened to the bearing shell as a separate module together with the optical detection and / or evaluation device.
  • the magnets should not be arranged too close to each other.
  • the distance depends, among other things, on the distance and the thickness of the magneto-optical sensor layer. Embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a ball joint with a rotation and / or tilt angle detection device according to the invention
  • Fig. La an alternative arrangement of a permanent magnet in a joint ball
  • 2 resulting magnetic field of the two permanent magnets shown in FIG. 1, indicated by means of the magneto-optical effect, the ball joint being in its initial position
  • 3 shows the magnetic field when the ball joint is tilted in the X direction; 4 shows the magnetic field when the ball joint is tilted in the Y direction; 5 shows the magnetic field when the ball joint is tilted and twisted in the Y direction;
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a ball joint with a rotation and / or tilt angle detection device according to the invention.
  • the ball joint consists of a ball pin 1 which, with its joint ball 1 a formed on the pin 1 b, hangs in a bearing shell (ball shell) 3.
  • the pole face lc of the joint ball la is flattened, so that between the joint ball la and the bearing shell 3 there is a free space 3 a which can be used as a fat space or fat depot.
  • two permanent magnets 2 are spaced parallel to one another in the pole region, one permanent magnet 2 with its north pole N and the other permanent magnet 2 with its south pole S being oriented or pointing in the direction of the pole face 1c.
  • the permanent magnets 2 can either be inserted in recesses and e.g. be firmly connected to the joint ball la by means of an adhesive. However, it is also possible to mold or cast in the magnets 2 during the manufacturing process of the ball stud 1.
  • Display device 4 arranged in the form of a magneto-optical disk.
  • Figure 1 lies between the plate 4 and the magnets of the fat space 3 a and the material of the bearing shell 3. It is also possible in an alternative embodiment that the plate 4 forms a wall region of the fat space 3 a, so that no bearing shell material between plate 4 and the magnets 2 is located.
  • Corresponding magneto-optical disks based on the magneto-optical Faraday effect have been adequately described by the literature and are therefore not explained further here.
  • the optical disc changes its optical properties depending on the magnetic field strength.
  • the magnets 2 generate a magnetic field so that the magnetic field strength changes across the optical disk.
  • a light source 5 is used, the rays S of which strike the optical plate 4 at an angle through a lens 6 and a polarizer 7, from where they are more or less good in accordance with or depending on the magnetic field prevailing at the point of reflection are reflected and reach the image acquisition sensor 10 via a polarization filter designated as analyzer 8 and a lens 9.
  • Polarizer 7 and analyzer 8 are arranged rotated relative to one another by an angle of 45 °.
  • the evaluation electronics which use the image information determined to determine the rotation or tilting of the
  • Performing ball joint is not shown in Figure 1.
  • the image information converted into digital signals by the image capture sensor or the image capture device 10 is shown by way of example in FIGS. 2 to 5.
  • the illuminant 5 can be by means of light emitting diodes (LEDs) or else by another externally arranged light source, the rays of which e.g. be guided to the required location by means of a light guide.
  • Figure la shows an alternative arrangement of a single permanent magnet 2 'in Pole area of a joint ball la '.
  • the magnet 2 ' is arranged parallel to the flattened pole surface, so that its south and north poles generate the necessary magnetic field strength differences in the region of the optical disc (not shown).
  • FIG. 2 shows the image information 11 that can be determined, which results on the optical disc from the magnetic field strength differences.
  • the ball joint is in its zero position, i.e. it is neither twisted nor tilted.
  • the north pole of one permanent magnet causes a positive Faraday rotation, whereas the south pole causes a negative Faraday rotation.
  • the polarizer 7 and the analyzer 8 are arranged rotated by 45 ° relative to one another, the photoresponsive curve is linear, as a result of which the sensor (CCD sensor) which determines the image information detects more or less light, depending on the sign of the magnetization.
  • the north pole of one magnet thus creates a dark spot MD and the south pole a bright spot MH. If the starting position of the dark and light spots MD and MH is known, the rotation and tilting of the ball joint can be calculated from their relative displacements, as shown in FIGS. 3 to 5.
  • Figures 3 to 5 starting positions of the light and dark spots MD and MH are shown in dashed lines.
  • the initial positions are preferably stored in a read-only memory after calibration.
  • Figure 3 shows the tilt of the ball joint in the X direction.
  • the dark spot MD 'and the light spot MH' both move to the right or shift by the path length dx.
  • the tilt can be calculated from the displacement dx.
  • the dark and light spots MD "and MH" are shifted in the Y direction, as shown in FIG. 4.
  • the relative position of the spots MD '"and MH'" to the starting position changes again, the angle of rotation ⁇ and, as a result of the relative displacements or distances dx ', dx "and dy' and dy" the tilt in the X and Y directions can be calculated.
  • the ner rotation angle ⁇ of the ball joint results from the angle between the connecting lines shifted spots MD '"and MH"' and the spots shown in dashed lines.
  • the rotation and / or tilt angle detection device according to the invention can of course be used for all types and designs of ball joints.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk, wobei mindestens ein Magnet (2), insbesondere ein Permanentmagnet in der Gelenkkugel (l a) angeordnet ist, wobei eine Anzeigevorrichtung (4) das Magnetfeld des mindestens einen Magneten (2) mittels des magnetooptischen Effekts anzeigt, und dass eine Bilderfassungseinrichtung (10) die von der Anzeigevorrichtung (4) angezeigten Information erfasst, und dass eine Datenverarbeitungseinheit die relative Lage von Gelenkkugel (l a) und Kugelschale (3) des Kugelgelenks anhand der erfassten Informationen berechnet.

Description

Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dreh- und Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk.
Kugelgelenke sind wichtige mechanische Bauteile, da sie drei Freiheitsgrade zulassen. Beispielhaft seien hier nur Joysticks und Fahrzeugbauteile als zwei typische Kugelgelenkanwendungen genannt. Bislang stellt die Messung der Dreh- und Kippwinkel jedoch ein wesentliches Problem für den Einsatz der Kugelgelenke dar. Zur Messung des Drehwinkels sind verschiedenste Drehwinkelsensoren bekannt. Sie verwenden meist ein stationäres Magnetfeld in dem ein Sensor angeordnet ist, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Kugelgelenks verändert. Nachteil dieser
Sensoren ist, dass sie ausschließlich die Drehbewegung ermitteln und die Kippbewegung des Kugelgelenks nicht mit erfassen. Soll die Kippbewegung mit erfasst werden, so ist nachteilig eine aufwendige Nerkopplung mehrerer Sensoren notwendig.
So ist aus der europäischen Patentschrift EP 0 617 260 Bl eine Messeinrichtung mit einem magnetoresistiven Sensor zur berührungslosen, kontinuierlichen Messung der Lageänderung einer Kraftfahrkarosserie bekannt, wobei ein Permanentmagnet im oberen Scheitelpunkt eines Kugelkopfes eines Kugelgelenks und der Sensor im Bereich unterhalb des Scheitelpunktes der Öffnung der Kugelgelenkpfanne angeordnet ist. Sensoren, die auf Basis von Hall-Sensoren funktionieren, weisen nachteilig eine hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern und Temperaturschwankungen auf. Auch wirkt sich beim Einsatz von Hall-Sensoren nachteilig aus, dass die Alterung der anregenden Magnete nicht kompensiert wird. Ferner ist die Berechnung der Dreh- und Kippwinkel sehr aufwendig, sowie eine Hinterlegung eines Kennfeldes in den meisten Fällen notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen in seinem Aufbau relativ einfachen Sensor bzw. einfache Sensoranordnung bereitzustellen, mittels derer die Dreh- und Kippbewegung eines Kugelgelenks ermittelbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Kugelgelenks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Kugelgelenks ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Die Autoindustrie hat großes Interesse an Sensoren, die die Position des Rades gegenüber der Straße detektieren. Das Kugelgelenk bildet diese Position ab. So werden Kugelgelenke z.B. in der Norderachse von Fahrzeugen verwendet, wobei das Kugelgelenk beispielsweise zwischen dem Achslenker und dem Radlagergehäuse angeordnet ist. Durch Lenkbewegungen wird das Kugelgelenk gedreht. Beim Einfedern führt es dagegen eine Kippbewegung durch.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht sowohl die Dreh- als auch die Kippbewegung des Kugelgelenks zu ermitteln, wobei vorteilhaft der Sensor berührungslos arbeitet. Die Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Magnet an oder in der Gelenkkugel oder dem Kugelzapfen angeordnet ist. Das erzeugte resultierende Magnetfeld wird mittels des magnetooptischen Effekts sichtbar gemacht. Eine optische Erfassungseinrichtung ermittelt dann das sichtbar gemachte Magnetfeld, wobei durch das gegenüber der Ausgangsposition veränderte Magnetfeld die Verdrehung bzw. Nerkippung des Kugelgelenks ermittelt werden kann. Vorteilhaft werden zwei Permanentmagnete im Polbereich der Gelenkkugel parallel und in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet. Die Magnete können prinzipiell aus jedem beliebigem Material gefertigt sein und eine beliebige insbesondere stabformige Form aufweisen. Vorteilhaft werden NdFeB-Magnete verwendet, die einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von 2 mm aufweisen, wobei der eine Magnet mit seinem Nordpol zur Oberfläche der Gelenkkugel und der andere Magnet mit seinem Südpol zur Oberfläche der Gelenkkugel ausgerichtet ist. Es ist möglich, dass der Polbereich der Gelenkkugel abgeflacht ausgebildet ist. Hierdurch entsteht ein Raum zwischen Kugelaußenfläche und Kugelschale, welcher als Fettraum bzw. Fettdepot verwendet werden kann. Sofern dieser Raum mit Schmierfett aufgefüllt ist, garantiert er, dass das Kugelgelenk sich selbst fortwährend schmiert. Bei dieser Ausgestaltung des Kugelgelenks ist es möglich, dass die Anzeigevorrichtung in Form einer magnetooptischen Platte unmittelbar hinter dem Fettraum angeordnet ist oder aber einen Wandbereich des Fettraums selbst bildet. Im letzteren Falle wird vorteilhaft das von den Magneten erzeugte Magnetfeld nicht durch das Material der Lagerschale negativ beeinflusst oder abgelenkt. Hierdurch kann relativ genau das resultierende Magnetfeld des mindestens einen Magneten angezeigt bzw. de tektiert werden. Die Anzeigevorrichtung kann auch am Kugelgelenkgehäuse vorgesehen oder mit diesem einstückig ausgebildet sein.
Die Anzeigevorrichtung hat vorteilhaft eine magnetooptische Sensorschicht, welche wie vorbeschrieben, erfindungsgemäß in unmittelbarer Nähe, insbesondere nur wenige Millimeter bzw. zehntel Millimeter im Abstand zum Magneten angeordnet ist. Die Anzeigevorrichtung kann z.B. während des Herstellungsprozesses der Lagerschale mit in diese integriert bzw. eingeformt werden. Sie kann jedoch auch als getrenntes Modul zusammen mit der optischen Erfassungs- und/oder Auswerteeinrichtung an der Lagerschale fixiert bzw. befestigt werden.
Damit eine Verdrehung und Kippung des Kugelgelenks besser detektierbar ist, sollten die Magnete nicht zu dicht zueinander angeordnet sein. Der Abstand hängt dabei u.a. auch von dem Abstand und der Dicke der magnetooptischen Sensorschicht ab. Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine Querschnittsdarstellung durch ein Kugelgelenk mit erfindungsgemäßer Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung; Fig. la: eine alternative Anordnung eines Permanentmagneten in einer Gelenkkugel; Fig. 2: mittels des magnetooptischen Effekts angezeigtes resultierendes Magnetfeld der beiden in Figur 1 dargestellten Permanentmagnete, wobei sich das Kugelgelenk in seiner Ausgangsstellung befindet;
Fig. 3 angezeigtes Magnetfeld bei in X-Richtung gekipptem Kugelgelenk; Fig. 4 angezeigtes Magnetfeld bei in Y-Richtung gekipptem Kugelgelenk; Fig. 5 angezeigtes Magnetfeld bei in Y-Richtung gekipptem und gleichzeitig verdrehtem Kugelgelenk;
Die Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kugelgelenk mit einer erfindungsgemäßen Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung. Das Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen 1, der mit seiner an den Zapfen lb angeformten Gelenkkugel la in einer Lagerschale (Kugelschale) 3 einhegt. Die Polfläche lc der Gelenkkugel la ist abgeflacht, so dass zwischen Gelenkkugel la und der Lagerschale 3 ein Freiraum 3 a entsteht, der als Fettraum bzw. Fettdepot verwendet werden kann. In der Gelenkkugel la sind im Polbereich zwei Permanentmagnete 2 parallel zueinander beabstandet angeordnet, wobei der eine Permanentmagnet 2 mit seinem Nordpol N und der andere Permanentmagnet 2 mit seinem Südpol S in Richtung Polfläche lc ausgerichtet ist bzw. weist. Die Permanentmagnete 2 können entweder in Aussparungen eingesetzt und z.B. mittels eines Klebers mit der Gelenkkugel la fest verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, die Magnete 2 während des Herstellungsprozesses des Kugelzapfens 1 mit einzuformen bzw. einzugießen.
Unterhalb der Polfläche bzw. in unmittelbarer Nähe zu den Magneten 2 ist die
Anzeigevorrichtung 4 in Form einer magnetooptischen Platte angeordnet. In Figur 1 liegt zwischen der Platte 4 und den Magneten der Fettraum 3 a sowie das Material der Lagerschale 3. Es ist in einer alternativen Ausführungsform ebenso möglich, dass die Platte 4 einen Wandbereich des Fettraums 3 a bildet, so dass sich kein Lagerschalenmaterial zwischen Platte 4 und den Magneten 2 befindet. Entsprechende auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt basierende magnetooptische Platten sind hinreichend durch die Literatur beschrieben und werden deshalb hier nicht weiter erläutert. Die optische Platte ändert ihre optischen Eigenschaften je nach magnetischer Feldstärke. Die Magnete 2 erzeugen ein Magnetfeld, so dass sich die magnetische Feldstärke über die optische Platte hin ändert. Wird die Platte beleuchtet, so werden die elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit des magnetischen Feldes unterschiedlich reflektiert, so dass sich im reflektierten Strahlengang ein Bild detektieren lässt, welches Rückschlüsse auf das Magnetfeld im Bereich der optischen Platte zulässt, wodurch wiederum die relative Lage des Kugelgelenks berechenbar ist. Zur Beleuchtung der optischen Platte dient ein Leuchtmittel 5, dessen Strahlen S durch eine Linse 6 und einen Polarisator 7 unter einem Winkel auf die optische Platte 4 treffen, von wo sie entsprechend beziehungsweise in Abhängigkeit des jeweils an dem Reflektionspunkt vorherrschenden magnetischen Feldes mehr oder weniger gut reflektiert werden und über einen als Analysator 8 bezeichneten Polarisationsfilter und einer Linse 9 zum Bilderfassungssensor 10 gelangen. Polarisator 7 und Analysator 8 sind um einen Winkel von 45° gegeneinander verdreht angeordnet. Die Auswerteelektronik, welche anhand der ermittelten Bildinformation die Verdrehung bzw. Verkippung des
Kugelgelenks vornimmt, ist in Figur 1 nicht dargestellt. Die von dem Bilderfassungssensor bzw. der Bilderfassungseinrichtung 10 in digitale Signale umgewandelte Bildinformation ist beispielhaft in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.
Das Leuchtmittel 5 kann durch Leuchtdioden (LEDs) oder aber auch durch eine andere extern angeordnete Lichtquelle, deren Strahlen z.B. mittels eines Lichtleiters an den benötigten Ort geleitet werden, gebildet sein. Die Bilderfassungseinrichtung kann z.B. ein handelsüblicher CCD-Chip (CCD = charge coupled device ~ ladungsgekoppeltes Bauelement) sein.
Die Figur la zeigt eine alternative Anordnung eines einzelnen Permanentmagneten 2' im Polbereich einer Gelenkkugel la'. Bei dieser Ausfülirungsform ist der Magnet 2' parallel zur abgeflachten Polfläche angeordnet, so dass dessen Süd- und Nordpol die notwendigen Magnetfeldstärkeunterschiede im Bereich der nicht dargestellten optischen Platte erzeugt.
Die Figur 2 zeigt die ermittelbare Bildinformation 11, welche sich auf der optischen Platte durch die Magnetfeldstärkeunterschiede ergibt. Das Kugelgelenk befindet sich hierbei in seiner Nulllage, d.h. es ist weder verdreht noch gekippt. Der Nordpol des einen Permanentmagneten verursacht eine positive Faradaydrehung, wohingegen der Südpol eine negative Faradaydrehung hervorruft. Dadurch, dass der Polarisator 7 und der Analysator 8 um 45° gegeneinander verdreht angeordnet sind, ist die Photoresponsekurve linear, wodurch der die Bildinformation ermittelnde Sensor (CCD-Sensor) je nach Vorzeichen der Magnetisierung mehr oder weniger Licht detektiert. Der Nordpol des einen Magneten erzeugt somit einen dunklen Fleck MD und der Südpol einen hellen Fleck MH. Sofern die Ausgangslage der dunklen und hellen Flecken MD und MH bekannt sind, kann wie in den Figuren 3 bis 5 dargestellt, aus deren relativen Verschiebungen die Verdrehung und Verkippung des Kugelgelenks berechnet werden.
In den Figuren 3 bis 5 sind Ausgangslagen des hellen und dunklen Flecks MD und MH gestrichelt dargestellt. Die Ausgangslagen sind bevorzugt in einem Festwertspeicher nach erfolgter Kalibrierung abgelegt. Die Figur 3 zeigt die Verkippung des Kugelgelenks in X- Richtung. Der dunkle Fleck MD' sowie der helle Fleck MH' wandern beide nach rechts bzw. verschieben sich um die Weglänge dx. Aus der Verschiebung dx lässt sich bei bekannter Geometrie des Kugelgelenks sowie der Dreh- und Kippdetektierungseinrichtung die Verkippung berechnen. Analog erfolgt die Verschiebung des dunklen und hellen Flecks MD" und MH" in Y-Richtung, wie in Figur 4 dargestellt.
Sofern das Kugelgelenk verkippt und verdreht wird, ändert sich die relative Lage der Flecken MD'" und MH'" zur Ausgangslage erneut, wobei durch die relativen Verschiebungen bzw. Entfernungen dx', dx" sowie dy' und dy" der Verdrehwinkel α, sowie die Verkippung in X- und Y-Richtung berechenbar ist. Der Nerdrehwinkel α des Kugelgelenks ergibt sich dabei durch den Winkel zwischen den Verbindungslinien der verschobenen Flecken MD'" und MH"' sowie der gestrichelt dargestellten Flecken.
Es versteht sich von selbst, dass auch mehr als zwei Permanentmagnete verwendet werden können. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass der Abstand zwischen den Magneten nicht zu gering gewählt wird, so dass die hellen und dunklen Flecken durch die Bildbearbeitungssoftware noch hinreichend scharf ermittelt werden können, so dass sich genaue Ergebnisse bzgl. der Lage des Kugelgelenks berechnen lassen.
Die erfindungsgemäße Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung ist selbstverständlich für alle Arten und Bauformen von Kugelgelenken verwendbar.
Bezugszeichenliste
1 Kugelzapfen la, la' Gelenkkugel lb Zapfen lc Polfläche
2, 2' Permanentmagnet
3 Lagerschale (Kugelschale)
3a Freiraum
4 Anzeigevorrichtung (magnetooptischen Platte)
5 Leuchtmittel
6 Linse
7 Polarisator
8 Analysator (Polarisationsfilter)
9 Linse
10 Bilderfassungssensor
11 Bildinformation
S Strahlen
MD, MD', MD" dunkler Fleck
MH, MH', MH" heller Fleck dx, dx', dx " Weglänge in X-Richtung dy, dy', dy' " Weglänge in Y-Richtung α Verdrehwinkel

Claims

Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein KugelgelenkPatentansprüche
1. Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk mit einem in einer Kugelschale (3) dreh- und schwenkbar gelagerten und eine Gelenkkugel (la) und einen Zapfen (lb) aufweisenden Kugelzapfen (1), wobei mindestens ein Magnet (2), insbesondere ein Permanentmagnet in der Gelenkkugel (la) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine auf dem magnetooptischen Effekt basierende Anzeigevorrichtung (4) zum Anzeigen des Magnetfelds des mindestens einen Magneten (2), eine Bilderfassungseinrichtung (10) zum Erfassen der von der Anzeigevorrichtung (4) angezeigten Information und eine Datenverarbeitungseinheit zum Berechnen der Lage des Kugelzapfens (1) zur Kugelschale (3) anhand der erfassten Informationen.
2. Dreh- und/oder Kipp Winkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Permanentmagnete (2) nebeneinander und zueinander beabstandet in der Gelenkkugel (la) angeordnet sind, wobei jeweils mindestens ein Nord- und ein Südpol der Magnete (2) zur Oberfläche der Gelenkkugel (la) gewandt ist.
3. Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetooptische Platte als Anzeigevorrichtung (4) außen an der Kugelschale (3) des Kugelgelenks angeordnet ist oder einen integralen Bestandteil der Lagerschale bildet.
4. Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Lichtquelle (5) die optische Platte (4) mit polarisierten elektromagnetischen Wellen (S) unter einem bestimmtem Winkel bestrahlt wird, und dass ein optischer Sensor als Bilderfassungseinheit (10) so angeordnet ist, dass die von der optischen Platte (4) reflektierten elektromagnetischen Wellen (S) nach Durchtritt mindestens eines Polarisationsfilters (8) auf den optischen Sensor (10) fallen.
5. Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Linsen (6, 9) im Strahlengang der elektromagnetischen Wellen (S) zu deren Bündelung und/oder Fokussierung angeordnet sind.
6. Dreh- und/oder lüppwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Datenverarbeitungseinheit der Drehwinkel und/oder Kippwinkel des Kugelgelenks anhand der relativen Änderung und/oder der absoluten Position (dx, dx', dx"; dy, dy', dy") von mittels der Anzeigvorrichtung (4) angezeigten hellen und/oder dunklen Stellen (MD, MD', MD", MD'"; MH, MH', MH", MH'"), welche durch die Magnetfelder von mindestens zwei Polen eines oder mehrerer Magnete(n) (2) erzeugt werden, ermittelt wird.
7. Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungsemrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Dreh- und Kippwinkelerfassungsemrichtung die Einfederungshöhe eines Kraftfahrzeugs ermittelbar ist.
8. Dreh- und Kippwinkelerfassungseirmchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (4) einen Fettraum (3 a) nach außen abdichtet.
9. Dreh- und Klppwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (4) einen Wandbereich des Fettraums (3 a) bildet.
10. Dreh- und Kippwinkelerfassungsemrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (4) in die Lagerschale (3) eingeformt, eingegossen oder an dieser befestigt ist.
11. Dreh- und Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelzapfen (1) aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl ist.
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