KR20080022138A - 센서 장치를 포함하는 볼-앤드-소켓 조인트, 부하를측정하기 위한 방법, 그리고 마모를 측정하기 위한 방법 - Google Patents

센서 장치를 포함하는 볼-앤드-소켓 조인트, 부하를측정하기 위한 방법, 그리고 마모를 측정하기 위한 방법 Download PDF

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KR20080022138A
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KR1020077030759A
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요아힘 슈프라테
미하엘 클랑크
페터 호프만
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 예를 들어 자동차 축 시스템을 위한 볼-앤드-소켓 조인트, 그리고 또한 하나의 볼-앤드-소켓 조인트에서 부하 및 마모를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 볼-앤드-소켓 조인트는 실제로 환상의(annular) 또는 포트 모양의 조인트 하우징(2)을 포함하며, 상기 하우징의 실제로 원통형의 내부 공간에는 구면 쉘(3)이 배치되어 있다. 상기 구면 쉘(3) 내에는 볼 피벗(ball pivot)의 볼(1)이 슬라이딩 방식으로 움직일 수 있도록 수용되어 있다. 또한, 상기 볼-앤드-소켓 조인트는 힘 또는 부하를 측정하기 위한 센서 장치를 포함한다. 상기 볼-앤드-소켓 조인트는 본 발명에 따라, 상기 센서 장치가 상기 구면 쉘(3)의 영역에 배치된 센서 어레이(4)에 의해서 형성되고, 상기 센서 어레이는 조인트 볼(1)과 구면 쉘(3) 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위한 두 개 이상의 압력/힘 센서(6)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트는 센서 기계 장치를 구비함에도 견고하며, 힘 또는 상기 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 부하를 벡터 방식으로 결정하는 것을 가능케 한다. 하나의 볼-앤드-소켓 조인트에서 부하 및 마모를 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 다른 무엇보다도 구면 쉘의 프리텐션(pretension)을 측정함으로써, 볼-앤드-소켓 조인트의 작동 상태 또는 마모 상태를 영구적으로 모니터링 할 수 있다.

Description

센서 장치를 포함하는 볼-앤드-소켓 조인트, 부하를 측정하기 위한 방법, 그리고 마모를 측정하기 위한 방법 {BALL-AND-SOCKET JOINT COMPRISING A SENSOR DEVICE, METHOD FOR MEASURING LOADS, AND METHOD FOR MEASURING WEAR}
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른, 예를 들어 자동차 축 시스템 또는 휠 서스펜션(wheel suspension)을 위한, 센서 장치를 구비한 볼-앤드-소켓 조인트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특허 청구항 10에 따른, 하나의 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법, 그리고 특허 청구항 13에 따른, 하나의 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
서문에 언급된 유형의 볼-앤드-소켓 조인트는 예를 들어 자동차 섀시 프레임 또는 휠 서스펜션에 - 예컨대 지지 조인트로서 또는 가이드 조인트로서 - 사용되지만, 결코 상기와 같은 용도에만 한정되지 않는다. 종래의 볼-앤드-소켓 조인트는 센서 장치를 포함하고, 상기 센서 장치에 의해서는 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 소정 범위의 힘 또는 부하가 검출 또는 측정될 수 있다.
힘 또는 부하를 측정하기 위한 장치를 구비한 종래의 볼-앤드-소켓 조인트는, 예를 들어 자동차의 실제 주행 동작, 또는 실험대 위에서 이루어지는 시험 동작 중에 상기 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘 또는 휨 모멘트(bending moment) 를 신뢰할 만한 정도까지 검출할 목적으로 자동차에 사용된다. 자동차 섀시 프레임의 영역 안에 있는 볼-앤드-소켓 조인트에서 발생하는 힘을 상기와 같은 방식으로 측정하면, 자동차의 주행 역학적인 상태를 추론할 수 있다. 그럼으로써, 특히 예를 들어 ESP 또는 ABS와 같은 주행 안전 시스템을 위한 데이터 베이스의 개선을 이룰 수 있게 된다. 따라서, 종래의 볼-앤드-소켓 조인트는 특히 주행 안전을 개선할 의도로 자동차에 사용될 수 있다.
힘 센서 장치를 구비한 볼-앤드-소켓 조인트는 예를 들어 독일 공개 특허 출원서 DE 101 07 279 A1호에 공지되어 있다. 상기 간행물에 공지된 볼-앤드-소켓 조인트는 특히, 자동차의 특정 부품 안에서 작용하는 힘, 예를 들어 섀시 프레임으로부터 유래하는 반동력으로 인해 스티어링 링크(steering link) 내에 존재하는 축 방향 힘을 검출 또는 평가하기 위해서 이용된다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 간행물의 이론에 따르면, 다른 무엇보다도 스티어링 링키지(steering linkage)의 다양한 구성 부품들 사이에 배치된 볼-앤드-소켓 조인트의 샤프트 영역에 스트레인 게이지(strain gauge) 또는 피에조-압력 센서들을 제공하는 방안, 그리고 상기 센서들의 신호들을 참조하여 볼-앤드-소켓 조인트의 부하 그리고 그와 더불어 스티어링 링키지 내부에서 작용하는 축 방향 힘을 추론하는 방안이 제시되었다.
하지만, 샤프트 영역 안에 배치된 상기와 같은 스트레인 게이지 또는 피에조-센서를 볼-앤드-소켓 조인트에 설치하는 작업은 적지 않은 비용 지출과 결부되어 있다. 제일 먼저 볼 피벗에 상응하는 설치면이 만들어져야만 하고, 그 다음에 상 기 설치면 상에 예를 들어 상기 스트레인 게이지가 접착될 수 있다. 추가로, 평가 전자 장치에 접속되는 또 하나의 전기 와이어 접속부가 상기 볼 피벗의 내부에 만들어져야만 하는데, 이 경우 상기 평가 전자 장치는 - 상기 볼 피벗에 배치된 센서 소자들이 대체로 볼-앤드-소켓 조인트로부터 분리된 경우에는 - 보강된 상태로 적합한 장소에 설치되어야만 한다. 전체적으로 볼 때, 부하 센서를 구비한 상기와 같은 유형의 볼-앤드-소켓 조인트는 제조 과정이 복잡하고 제조 비용도 많이 소요되며, 또한 노출된 장소에 배치된, 상기와 같은 볼-앤드-소켓 조인트의 센서 장치 및 전기 설계부(wiring)는 민감하기 때문에 고장의 위험이 있다.
힘 센서 장치를 구비한 공지된 볼-앤드-소켓 조인트의 이용도 제한되어 있다. 그렇기 때문에, 상기 공지된 힘 센서 장치들에 의해서는 실제로 특정 방향으로 작용하는 힘만 검출될 수 있다. 따라서, 힘 센서 장치를 구비한 상기 공지된 볼-앤드-소켓 조인트는, 볼-앤드-소켓 조인트 또는 상기 조인트와 관련된 부품들에 작용하는 힘 및/또는 모멘트를 포괄적으로 벡터 방식으로 검출하기에는 적합하지 않다.
힘 센서 장치를 구비한 상기 공지된 볼-앤드-소켓 조인트에서는 또한, 상기 힘 센서 장치를 이용하여 - 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 고유한 부하 상황 이외에 - 특히 상기 볼-앤드-소켓 조인트 자체의 상태에 대한 추가의 정보를 도출하는 것이 거의 불가능하다. 하지만 자동차 섀시 프레임 또는 스티어링 기계 장치의 영역 안에 배치된 볼-앤드-소켓 조인트는 특히 주행 중에 고장이 발생하는 경우에는 치명적인 결과들을 초래할 수 있는, 안전과 관련된 부품들이기 때문에, 볼-앤드-소켓 조인트의 현재의 작동 상태 또는 마모 상태에 대한 정보도 영구적으로 획득할 수 있는 것이 특히 바람직하다.
상기와 같은 내용을 배경으로 하는 본 발명의 과제는, 전술한 선행 기술의 단점들이 극복될 수 있는, 센서 장치를 구비한 볼-앤드-소켓 조인트를 제조하는 것이다. 특히 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트에 의해서는, 저렴하고도 신뢰할만한 방식으로 그리고 큰 구조적 자유도로써, 힘 또는 상기 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 부하를 크기와 방향에 따라 벡터 방식으로 검출할 수 있다. 또한, 볼-앤드-소켓 조인트의 마모 상태에 대한 정보도 제공될 수 있음으로써, 볼-앤드-소켓 조인트의 위급한 고장이 적시에 검출되어 방지될 수 있다.
상기 과제는 특허 청구항 1의 특징들을 갖는 볼-앤드-소켓 조인트에 의해서, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 특허 청구항 10에 따른 방법에 의해서 그리고 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 특허 청구항 13에 따른 방법에 의해서 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트 우선 공지된 방식으로, 대부분 실제로 원통형의 내부 공간을 갖는 조인트 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에는 재차 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 구면 쉘이 배치되어 있다. 상기 구면 셀 내에는 볼-앤드-소켓 조인트의 조인트 볼이 슬라이딩 방식으로 움직일 수 있도록 수용되어 있다.
본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트는 또한 마찬가지로 공지된 방식으로, 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 힘 또는 부하를 측정하기 위한 센서 장치를 포함한다.
하지만 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트, 상기 센서 장치가 두 개 이상의 압력/힘 센서로 구성된, 상기 구면 쉘의 영역에 배치된 센서 어레이로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 센서들은 조인트 볼과 볼-앤드-소켓 조인트 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위해서 이용된다.
상기와 같은 특징에 의해서는, 제일 먼저 센서 장치가 선행 기술과 달리 조인트 하우징 안에 잘 보호된 상태로 배치되고, 상기 조인트 하우징 또는 구면 쉘과 고정 결합한다는 중요한 장점이 얻어진다. 또한 이와 같은 장점에 의해서는, 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 견고하고도 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라 매우 경제적인 구조를 얻을 수 있다.
상기와 같은 특징 및 장점으로 인해서는, 센서 장치와 평가 전자 장치 그리고 그들 사이에 접속된 저항력이 약한 전기 설계부를 - 선행 기술에서와 같이 - 중공 볼 피벗을 통해 별도로 복잡하게 설치할 필요가 더 이상 없기 때문에, 오히려 본 발명에 의해서는 센서 장치뿐만 아니라 평가 전자 장치도 조인트 하우징 안에 공동으로 배치되어 상호 접속될 수 있다. 심지어는, 센서뿐만 아니라 평가 전자 장치까지도 하나의 동일한 가요성 스트립 도체 상에 배치하는 방식도 생각할 수 있고, 또한 제안될 수 있다. 그밖에, 볼-앤드-소켓 조인트의 안정성에 악영향을 미칠 수 있는, 볼 피벗 또는 조인트 볼의 기계적인 변동도 더 이상 필요치 않다. 지금까지 이와 같은 내용들과 결부되어 있던 비용도 생략될 수 있다.
두 개 이상의 압력 센서를 본 발명에 따라 구면 쉘의 영역 안에 배열한다는 내용을 다른 말로 표현하면, 두 개 이상의 센서가 볼 중심점과 함께 적어도 2차원적인 좌표계를 형성한다는 의미가 된다. 이와 같은 방식으로 상기 센서들을 사용하면, 두 가지 이상의 상이한 공간 방향에 대한 힘 신호 또는 압력 신호가 검출될 수 있으며, 상기 신호들로부터 재차 적합한 벡터적인 가산에 의해서, 현재 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 벡터적인 힘이 크기 및 방향에 따라 적어도 2차원적인 좌표계 안에서 검출될 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 측정 원리에 의해서는, 외부로부터 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘 이외에, 볼-앤드-소켓 조인트-내부 힘에 대한 정보도 추가로 제공될 수 있다. 이 경우에는 특히 구면 쉘의 프리텐션(pretension)의 결정이 가능하며, 시간이 지남에 따라 감소하는 상기 프리텐션 레벨은 볼-앤드-소켓 조인트의 마모 증가에 대한 척도로서 이용될 수 있다.
본 발명을 실현하기 위해서는 우선, 볼-앤드-소켓 조인트의 두 개 이상의 센서가 볼 중심점과 함께 적어도 2차원적인 좌표계를 형성하는 한, 상기 두 개 이상의 센서가 공간적으로 얼마나 정확하게 배치되어 있는지는 그다지 중요치 않다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 센서 장치는 세 개의 압력/힘 센서로 구성된, 구면 쉘의 영역 안에 배치된 센서 어레이로 형성된다. 이 경우 상기 센서들은 재차 조인트 볼과 구면 쉘 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위해서 이용된다. 이때에는 상기 세 개의 센서들이 실제로 조인트 볼과 동심인 가상의 한 센서 볼 면에 배치됨으로써, 상기 세 개의 센서들에 의해서 형성되는 평면은 상기 센서 볼 면 또는 조인트 볼의 중심점을 통과하지 않게 된다.
상기 내용을 다른 말로 표현하면, 상기 세 개의 센서들이 조인트 볼 또는 구면 쉘을 실제로 가상의 한 볼 표면에서 둘러싸고 있다는 의미가 되며, 이 경우 상기 센서들은 볼 중심점과 함께 3차원적인 좌표계를 형성한다. 이와 같은 방식으로 상기 센서들을 사용하면, 세 가지의 상이한 공간 방향에 대한 힘 신호 또는 압력 신호가 검출될 수 있으며, 상기 신호들로부터 재차 벡터적인 가산에 의해서, 현재 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 벡터적인 힘이 검출될 수 있다. 그럼으로써, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘들이 3차원 공간 안에서 완전히 벡터적인 방식으로 검출될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 추가의 한 실시예에 따르면, 센서 장치는 여덟 개의 센서를 포함하고, 상기 센서들은 가상의 센서 볼 면의 서로 상이한 두 개 이상의 큰 원 위에 배치되어 있다. 이때 상기 여덟 개의 센서들은 바람직하게 상기 센서 볼 면을 지시하는 가상의 정방형 칼럼(column)의 - 다시 말해 정방형 베이스 면을 갖는 한 직육면체의 - 모서리에 배치되어 있으며, 이 경우 상기 정방향 칼럼의 수직축은 볼 피벗의 종축과 일치한다.
상기 내용을 다른 말로 표현하면, 볼-앤드-소켓 조인트가 상기 볼 피벗을 기준으로 대칭으로 그리고 조인트 볼과 동심으로 배열됨으로써, 결과적으로 상기 볼-앤드-소켓 조인트는 여덟 개의 센서들에 의해 둘러싸여 있다는 의미가 된다.
센서의 개수를 증가시키면, 우선 측정 정확성이 증가하고, 불가피하게 발생하는 측정 부정확성도 최소로 된다. 또한, 상기 여덟 개의 센서들이 바람직하게는 직각의 데카르트식 좌표계와 일치하는 대칭의 배열 상태를 가짐으로써, 실제로 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 부하의 작용 방향과 무관하게, 동일한 형태의 측정 정확성이 얻어질 수 있으며, 상기와 같은 배열 상태는 또한 개별 센서들의 측정 신호 평가 작업 그리고 상기 측정 신호들을 데카르트식 좌표계 안에서 결과적으로 나타날 벡터적인 전체 힘으로 환산하는 작업을 용이하게 한다.
여덟 개의 센서로 구성된 상기와 같은 배열 상태에 의해서는, 어려운 조건 하에서도 볼-앤드-소켓 조인트에 실제로 작용하는 힘을 신뢰할만하게 검출할 수 있게 된다. 예를 들자면, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘의 크기는 조인트 내부의 프리텐션을 완전히 극복할 수 있을 정도가 되며, 그에 따라 힘 방향에 마주 놓인 측면에서는 조인트 볼이 구면 쉘로부터 들어 올려진다(lift-off). 이와 같은 경우에, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘을 크기 및 방향에 따라 3차원적인 공간 안에서 신뢰할만하게 검출할 수 있는 가능성은, 조인트 볼이 구면 쉘로부터 부분적으로 들어 올려진 경우에도, 동일한 크기의 원 위에 놓이지 않은 세 개 이상의 센서들이 여전히 상기 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘에 의해서 작동되는 경우에만 보장된다.
여덟 개의 센서들이 전술된 배열 방식으로 사용되면, 예상할 수 있는 어떤 부하 상황에서도, 조인트 볼은 상기 여덟 개 중에 네 개 이상의 센서의 영역에서는 구면 쉘로부터 들어 올려지지 않는다. 이와 같은 방식에 의해서는, 볼-앤드-소켓 조인트의 예상 가능한 각각의 부하 상황에 대하여 벡터적인 전체 힘이 신뢰할만하게 검출될 수 있다.
본 발명은 무엇보다도 센서들이 어떻게 구성되었는지와 무관하게, 또는 사용된 센서들이 발생을 예측할 수 있는 힘 또는 표면 압착력의 측정에 적합한 경우, 상기 센서들이 어떤 작용 원리에 따라 동작하는지와 무관하게 실현된다. 하지만 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면, 센서들은 스트레인 게이지 또는 피에조-압력 센서로서 형성되었다. 이와 같은 형성의 장점은, 통상적이고 저렴한 센서들이 사용될 수 있다는 것이다.
그와 달리 본 발명의 특히 바람직한 추가의 한 실시예에 따르면, 센서들은 용량성 센서의 형태로 형성되었다. 상기 실시예에서 각각의 용량성 센서는 바람직하게 구면 쉘의 외부면에 또는 상기 구면 쉘의 벽 안에 배치된 전극을 포함하며, 이 경우 상기 용량성 센서의 대응 전극은 조인트 볼 자체에 의해서 형성되었다.
상기와 같이 형성된 용량성 센서를 사용하는 것은 단순하고도 견고한 구조 그리고 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 기능적인 장애 없는 작동과 관련해서 특히 바람직하다. 상기 용량성 센서는, 구면 쉘의 영역에 배치된 전극과 상기 구면 쉘의 재료에 의해서 상기 전극으로부터 전기적으로 절연된 조인트 볼이 함께 커패시터를 형성하고, 상기 커패시터의 커패시턴스가 전극과 조인트 볼 사이의 간격 변동 때마다 변하는 작용 원리를 갖는다.
상기 구면 쉘의 벽 두께가 넓은 영역 안에서는 조인트 볼과 구면 쉘 사이에서 작용하는 표면 압착력에 비례하여 탄성적으로 변하기 때문에, 개별 용량성 센서의 커패시턴스 변동을 기록하면, 국부적으로 현재 우세하게 나타나는 표면 압착력을 직접적으로 그리고 매우 정확하게 추론할 수 있게 된다.
용량성 센서의 추가의 장점들은, 상기 센서가 실제로 완전히 마모 없는 상태로 영구적으로 동작한다는 것, 단순한 평가 회로를 갖는다는 것 그리고 또한 단지 최소의 작동 전류만을 필요로 한다는 것이다.
이와 같은 맥락에서, 본 발명의 추가의 한 실시예에 따르면, 각각의 용량성 커패시터는 직렬 접속된 두 개의 커패시터를 포함한다. 이 경우 상기 직렬 접속된 두 개의 커패시터는 구면 쉘의 외부면에 또는 상기 구면 쉘의 벽 안에 이웃하여 배치된 두 개의 전극에 의해서 형성되고, 이 경우에 무전위 상태인 조인트 볼과 함께 상기 두 개 커패시터에 공통된 중간 전극으로서 형성된다.
상기 실시예는, 이 경우에는 조인트 볼의 전기적인 콘택팅이 더 이상 필요치 않다는 추가의 결정적인 장점을 갖는다. 오히려, 용량성 센서의 그리고 해당 평가 회로의 이웃하여 배치된 두 개의 전극 사이에 도전 접속부를 만들고, 이와 같은 방식으로 상기 두 개의 이웃하여 배치된 전극 사이의 커패시턴스를 모니터링 하는 것으로 충분하다.
본 발명은 또한 볼-앤드-소켓 조인트에서의 힘을 측정하기 위한 특허 청구항 10에 따른 방법과도 관련이 있다. 이 방법에서 볼-앤드-소켓 조인트는 특허 청구항 1 내지 9 중에 어느 한 항의 특징들을 갖는다.
볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘을 검출하기 위하여, 본 발명에 따른 방법의 제 1 단계에서는 볼-앤드-소켓 조인트의 센서들의 힘 측정 신호 또는 압력 측정 신호가 기록된다. 이어지는 추가의 한 단계에서는, 상기 센서에 의해서 검출된 측정 신호들을 참조하여, 각 센서의 영역에서 국부적으로 우세하게 나타나는 힘, 압력 또는 표면 압착력이 산출된다. 그 다음에 이어지는 추가의 한 단계에서는, 상기 국부적인 힘, 압력 또는 표면 압착력으로부터 얻어지는 힘 벡터가 데카르트식 좌표계 안에서 결정된다.
본 발명에 따른 방법의 장점은, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘이 그 크기 면에서뿐만 아니라 방향 면에서도 3차원적인 공간 안에서 검출 및 측정될 수 있다는 것이다. 완전히 조인트 하우징 안에 설치되어 있음으로써 신뢰할 수 있고 또한 견고한 센서 장치를 이용하여, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘의 크기 및 방향을 측정하면, 예를 들어 테스트 작동 중에, 또는 예컨대 ABS 및 ESP와 같은 자동차의 차량 안전 시스템 및 운전자 보조 시스템을 위해서, 그리고 또한 예컨대 X-바이-와이어-테크놀로지(X-by-wire-Technologies)와 같은 개량된 차량 시스템을 위해서도, 간단하고 신뢰할만한 방식으로 우수한 데이터 베이스가 제공될 수 있다.
부하를 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예에 따르면, 센서 신호들로부터 얻어지는 결과들을 산출하는 과정에서는, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘 벡터를 결정하는 작업에 대한 대안적인 작업으로서 또는 추가적인 작업으로서, 구면 쉘과 조인트 볼 사이의 프리텐션도 결정된다.
구면 쉘과 조인트 볼 사이의 프리텐션을 산출하는 과정은 바람직하게 볼-앤드-소켓 조인트의 마주 놓인 센서들의 신호들을 합산함으로써 이루어진다. 이와 같은 방식에 의해서는, 심지어 마찬가지로 변동될 수 있는 추가의 외부 힘이 존재하는 상황에서도 프리텐션은 신뢰할만하게 도출될 수 있다.
시간 경과에 따라 감소하는 프리텐션 레벨이 특히 볼-앤드-소켓 조인트의 마모 진행 상황에 대한 척도로서 이용될 수 있는 경우에는, 한 볼-앤드-소켓 조인트의 구면 쉘 내부에서의 프리텐션을 결정하는 것이 특히 바람직하다. 한 볼-앤드-소켓 조인트의 구면 쉘이 대개는 점탄성 폴리머로 제조되었기 때문에, 볼-앤드-소켓 조인트의 사용 기간 중에 상기 구면 쉘에서는, 볼 표면과 구면 쉘 사이에서 이루어지는 상대적인 동작으로 인한 표면 소모 현상뿐만 아니라 상기 플라스틱의 슬라이딩 동작으로 인한 소정의 이완 현상도 발생하게 된다. 두 가지 현상 모두 시간 경과에 따라 볼-앤드-소켓 조인트의 프리텐션을 약화시키는 데 기여하며, 이로써 조인트 간극도 특히 부하 작용하에서는 확대될 수 있다.
그렇기 때문에, 시간에 따라 감소하는 프리텐션의 크기는 현재 상태 및 볼-앤드-소켓 조인트의 잔류 수명을 알려주는 요소로서 이용될 수 있다. 또한, 예를 들어 짧은 시간 안에 강하게 감소하는 볼-앤드-소켓 조인트의 프리텐션으로부터는, 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 손상, 특히 예를 들어 볼-앤드-소켓 조인트 내부에 침투한 부식성 소금물로 인한 밀봉 벨로우즈의 손상이 추론될 수 있다.
이와 같은 내용을 배경으로 할 때, 본 발명은 또한 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 방법과도 관련이 있다. 이 방법에서 볼-앤드-소켓 조인트는 구면 쉘의 영역 안에 있는 센서 장치를 포함하고, 상기 센서 장치는 조인트 볼과 구면 쉘 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위한 하나 이상의 압력/힘 센서를 포함한다.
볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위하여, 제일 먼저 예를 들어 "힘 자유도", "힘 상수", 혹은 "볼-앤드-소켓 조인트의 정지 부하", "사전에 결정되어 있고 마모 측정에 적합한, 조인트 하우징 내부에서의 볼 피벗의 상대적인 위치" 또는 "볼-앤드-소켓 조인트 또는 자동차의 작동 정지 상태"와 같은 조건들 중에서 한 가지 조건이 존재하는지 아니면 다수의 조건들이 존재하는지의 여부가 검사된다.
상기 조건들이 더 많이 충족될수록, 후속적으로 이루어지는 측정은 그만큼 더 신뢰할만하고, 그만큼 더 정확하며, 외부 영향들로 인한 측정 에러도 그만큼 더 일찍 피해질 수 있다.
볼-앤드-소켓 조인트의 힘 센서 장치를 이용하는 후속하는 추가의 한 단계에서는, 구면 쉘과 조인트 하우징 또는 구면 쉘과 조인트 볼 사이의 프리텐션을 나타내는 상기 센서 장치의 힘 측정 신호의 크기 또는 압력 측정 신호의 크기가 결정된다. 이어지는 추가의 한 단계에서는, 상기 측정 신호들 또는 상기 결정된 프리텐션으로부터 그에 상응하는 볼-앤드-소켓 조인트의 마모값이 산출된다.
마지막으로, 상기 결정된 마모값은 저장된 최대값과 비교되고, 상기 최대값을 초과하는 경우에는 경고 메시지가 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 볼-앤드-소켓 조인트의 상태에 대한 그리고 볼-앤드-소켓 조인트의 예측 가능한 수명에 대한 신뢰할만한 정보가 제공될 수 있다. 구면 쉘의 프리텐션 또는 마모값을 모니터링 하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 볼-앤드-소켓 조인트의 고장 발생 가능성도 적시에 검출 또는 예측될 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 볼-앤드-소켓 조인트의 작동 안전성 또는 상기 볼-앤드-소켓 조인트가 장착된 자동차의 작동 안전성이 결정적으로 개선될 수 있다.
마모를 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 한 바람직한 실시예에 따르면, 상기 센서 어레이는 짝수 개의 - 다시 말해 두 개 이상의 - 압력/힘 센서를 포함한다. 상기 압력/힘 센서들은 각각 볼-앤드-소켓 조인트의 조인트 볼의 지름 직선상에 쌍으로 마주보면서 배치되어 있고, 상기 마모값은 마주 놓인 센서들의 힘/압력 측정 신호들의 총합에 의해서 산출된다.
마주 놓인 압력/힘 센서들의 신호들을 사용하여 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모값을 결정하는 방식은, 상기와 같은 방식을 통해 구면 쉘의 프리텐션 측정과 관련하여 더 높은 정확도에 도달할 수 있다면 바람직하다. 또한, 마주 놓인 센서들의 측정 신호들의 총합을 형성하면, 외부에서 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 다른 힘들과 프리텐션이 더 잘 구별될 수 있다. 따라서, 상기 내용은, 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 힘의 변동이 마주 놓인 센서들의 신호들을 계속해서 반대 방향으로 변동시킴으로써, 결과적으로 마주 놓인 센서들의 측정 신호들의 총합을 형성할 때에 미치는 외부 힘의 영향 그리고 상기 측정 신호들을 토대로 하여 프리텐션 및 마모값을 결정할 때에 영향을 미치는 외부 힘이 자동으로 제거된다는 내용과 관련이 있다.
따라서, 마주 놓인 센서들의 측정 신호들을 프리텐션 및 마모값을 결정하기 위하여 이용하면, 힘에 대한 값이 측정된 경우에 프리텐션의 변동이 있는지 아니면 볼-앤드-소켓 조인트에 외부 힘이 작용하는지의 여부가 확실하게 구별될 수 있다.
본 발명은 실시예들을 기술하는 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트에서의 벡터적인 전체 힘을 결정하기 위한 힘 분해 원리에 대한 개략도고,
도 2는 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 한 실시예의 개략적인 등각 투상도(isometric drawing)며,
도 3은 벡터적인 전체 힘이 표시된, 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 추가 실시예의 개략적인 등각 투상도고,
도 4는 용량성 힘 센서를 구비한 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 추가의 실시예의 개략적인 종단면도며,
도 5는 도 4에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 용량성 힘 센서의 부분 확대 단면도고,
도 6은 도 4에 상응하는, 용량성 힘 센서를 구비한 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 추가 실시예의 종단면도며.
도 7은 도 5에 상응하는, 도 6에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 용량성 센서의 확대도다.
도 1은 벡터적인 전체 힘을 결정하는 경우의 힘 분해 원리를 개략적인 종단면도로 보여주고 있다. 이 경우에는 우선, 어떠한 작동 조건 하에서도 제조와 관련된 자신의 프리텐션을 유지하는 이상적인 볼-앤드-소켓 조인트가 관찰된다. 달리 말해서, 상기와 같은 이상적인 볼-앤드-소켓 조인트의 경우에는, 조인트 볼과 구면 쉘 사이에서 프리텐션에 의해 야기되는 표면 압착력이 작동력에 의해 야기되는 표면 압착력보다 항상 더 크기 때문에, 결과적으로 볼-앤드-소켓 조인트는 작동력의 작용으로 인해 구면 쉘로부터 전혀 들어 올려지지 않는다.
상기와 같은 이상적인 조건 하에서는, 원칙적으로 세 개의 힘/압력 센서로써 이미 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 작동력의 크기뿐만 아니라 방향까지도 3차원적인 공간 안에서 결정하기에 충분하다. 이와 같은 내용은, 볼-앤드-소켓 조인트를 둘러싸는 세 개의 센서가 분배 배치됨으로써, 상기 세 개의 센서에 의해 형성된 가상의 평면이 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 중심점을 통과하지 않는 경우에 적용된다. 왜냐하면, 그 경우에는 상기 세 개 센서의 위치에 의해서 그리고 기준점으로서 이용되는 볼-앤드-소켓 조인트의 중심점에 의해서 3차원적인 공간 안에 이미 좌표계가 하나 형성되고, 상기 좌표계의 벡터들이 데카르트 방식의, 다시 말해 직각 좌표계의 벡터들로 아무 문제 없이 환산될 수 있기 때문이다.
상기와 같은 이상적인 경우에는, 볼-앤드-소켓 조인트의 표면을 구면 쉘로부터 들어 올리는 동작이 전혀 이루어지지 않기 때문에, 세 개의 센서 모두 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 각각의 작동력에 대하여 각각 한 가지 힘 성분을 제공하게 된다. 그 경우에는, 상기 세 가지 힘 성분들로부터, 벡터적인 가산 방식에 의하여, 작동력(F)의 크기뿐만 아니라 방향도 산출될 수 있다.
하지만 여러 가지 이유들에서, 벡터적인 작동력(F)을 신뢰할만하게 그리고 정확하게 측정하기 위하여 세 개의 압력/힘 센서뿐만 아니라 여덟 개의 센서도 사용된다.
한편으로, 더 많은 개수의 센서를 사용하면 기본적으로 더 높은 정확도에 도달하게 되는데, 그 이유는 불가피하게 발생하는 통계적인 측정 에러들이 상기와 같은 방식에 의해서 발견될 수 있기 때문이다. 하지만 다른 한편으로는, 볼-앤드-소켓 조인트가 계속해서 구면 쉘에 인접하게 되는 이상적인 상황이 항상 실제 상황과 일치하지는 않는다는 사실도 고려해야만 한다. 따라서, 완전히 현실적으로 볼 때에는, 볼-앤드-소켓 조인트의 프리텐션으로 인해 구면 쉘과 조인트 볼 사이에 존재하는 표면 압착력이 극복될 정도로 큰 작동력이 발생할 수 있다. 이 경우, 조인트 볼은 구면 쉘로부터 국부적으로 들어 올려지고, 그럼으로써 상기 조인트 볼이 들어 올려진 영역에 배치된 센서들은 더 이상 유용한 측정 신호를 제공하지 않게 된다.
반면에 이론적으로 볼 때에는, 센서 볼 면에 내접하는 4면체의 모서리에 배치된 네 개의 센서로도 이미, 볼 표면이 조인트 볼로부터 국부적으로 들어 올려진 경우에도 계속해서 작동력(F)의 크기 및 방향을 검출하기에 충분하기 때문에, 상기 작동력(F)의 벡터 방식의 결정을 위하여 네 개뿐만 아니라 여덟 개의 압력/힘 센서를 사용하는 것도 실용적이라고 밝혀졌다.
한편의 이유는, 조인트 하우징 및 구면 쉘의 실제 구조적인 조건들과 관련된 상기 여덟 개 센서들의 위치가 상기 구면 쉘에 있는 4면체-어레이보다 더 우수하게 설정될 수 있기 때문이다. 다른 한편으로, 전술된 바와 같이 여덟 개의 센서를 사용하는 경우에는 네 개의 센서를 사용하는 경우보다 훨씬 더 큰 측정 정확성에 도달하기 때문이다; 그리고 마지막으로 상기 여덟 개의 센서들은, 측정 신호들이 데카르트 방식의 좌표계 안에 있는 힘 벡터로 간단히 변환되도록 분배 배치되어 있 다.
조인트 볼이 구면 쉘로부터 국부적으로 들어 올려질 수 있을 정도로 작동력의 크기가 큰 경우에, 힘 벡터를 산출하기 위해서는, 가장 강한 측정 신호를 제공하는, 다시 말해 본 경우에는 각각 가장 큰 힘의 작용을 받는 네 개의 센서들이 이용되는 것이 바람직하다.
이하에서는, 이해를 돕기 위하여, 작동력(F)의 힘 벡터를 결정하는 원리가 우선 2차원적인 경우의 예를 통해서 설명되고 있다.
도 1에서는 조인트 볼(1), 조인트 하우징(2) 및 구면 쉘(3)을 구비한 볼-앤드-소켓 조인트와 유사한 2차원적인 장치를 볼 수 있다. 구면 쉘(3)과 조인트 하우징(2) 사이에는 네 개의 압력/힘 센서(S OL , S OR , S UR 및 S UL )이 배치되어 있다. 상기 네 개의 센서(S OL , S OR , S UR 및 S UL )에는 힘 또는 표면 압착력(F SOL , F SOR , F SUR 및 F SUL )이 작용한다.
상기 측정된 센서 힘(F SOL , F SOR , F SUR 및 F SUL )을 참조하여 이루어지는 힘 벡터(F) 결정의 토대가 되는 힘 분해 원리를 설명하기 위하여, 도입된 힘 벡터(F)는 우선 볼 피벗의 종축에 대하여 수직인 힘 성분(F ⊥) 그리고 상기 볼 피벗과 평행한 힘 성분(F ∥)으로 분해된다.
서로 간에 영향을 미치지 않고 상호 중첩되는 상기 두 가지 힘 성분(F ⊥ 및 F ∥)은 개별 센서(S OL , S OR , S UR 및 S UL )와 관련하여 힘 또는 표면 압착력(F SOL , F SOR , F SUR 및 F SUL )을 발생시키며, 각각 두 가지 힘 성분(F ⊥ 및 F ∥)으로 되돌아가서 합산될 상기 힘 또는 표면 압착력의 성분들은 개관을 명확히 할 목적으로 도 1에는 별도로 도시되어 있다. 이 경우 상기 센서에 작용하는 힘 성분 및 표면 압착력은 센서 표면에 대하여 수직으로 계속 서 있는데, 그 이유는 접선에 따라 작용하는 힘은 센서에 의해서 기록되지 않거나 또는 조인트 볼이 구면 쉘에 슬라이딩 방식으로 인접함으로써 전달될 수 없기 때문이다.
엄밀하게 말하자면, 볼 내부에 도입되는 전체 힘(F)이 힘 센서에 분배되지는 않는데, 그 이유는 상기 힘(F)의 큰 부분이 구면 쉘 면에 의하여 센서 영역 외부에서 흡수되기 때문이다. 따라서, 상기 힘(F)은 도 1에 도시된 예에서는 단지 센서 영역 안에서, 조인트 볼과 구면 쉘 사이에서 실제로 전달되는 부분 힘들로부터 결과적으로 산출되는 전체 힘에 불과하다. 그럼으로써, 볼-앤드-소켓 조인트에 실제로 작용하는 작동력(F)을 결정하는 작업은 전혀 영향을 받지 않게 되는데, 그 이유는 상기 실제로 작용하는 힘(F)의 크기가 어떤 경우에도 상기 센서 힘들의 합성력에 비례하기 때문이다. 하지만 이와 같은 비례 팩터는 센서 보정(calibrating)의 틀 안에서는 어떠한 경우라도 결정 및 고려된다.
도 1에는, 센서 영역에서 이루어지는 힘 분해 원리가 개관을 명확히 할 목적으로 단지 두 개의 하부 센서(S UR 및 S UL )를 위해서만 도시되어 있다. 하지만, 원칙적으로는 두 개의 상부 센서(S OR 및 S OL )에도 동일한 원리가 적용된다.
두 가지 힘 성분(F ⊥ 및 F ∥)이 도 1에 따라 더욱 정확하게 관찰된 센서(S UR 및 S UL )에 균일하게 분배됨으로써, 상기 센서에 작용하는 힘 성분은 이해를 더욱 용이하게 하기 위하여 각각 상기 두 가지 힘 성분(F ⊥ 및 F ∥)의 절반 크기로 설정되었다. 하지만, 이미 앞에서 설명된 바와 같이, 센서에서의 힘 성분과 실제로 작용하는 작동력(F)의 성분(F ⊥ 및 F ∥) 사이에 존재하는, 본 경우에 1/2로 설정된 환산 팩터의 절대값은 어떤 경우라도 힘 분해를 설명하기 위해 아무런 역할도 하지 못하는데, 그 이유는 상기 환산 팩터의 실제 값이 센서 보정의 틀 안에서 비로소 결정되기 때문이다.
기본적으로, 센서에 각각 작용하는 힘은 세 가지 성분을 포함한다. 상기 세 가지 성분이란,
ⅰ. 볼-앤드-소켓 조인트의 제조 후에 (또는 조인트 하우징을 구비한 하우징 커버의 롤링 후에) 영구적으로 그리고 센서 법선과 평행하게 실제로 일정하게 센서에 작용하는 프리텐션(F V );
ⅱ. 전체 힘(F)의 볼 피벗과 평행한 성분(F ∥)에 비례하는 부분(본 경우에는 F ∥/2로서 설정됨);
ⅲ. 전체 힘(F)의 볼 피벗에 수직인 성분(F ⊥)에 비례하는 부분(본 경우에는 F ⊥/2로서 설정됨).
볼 조인트에서의 개별 센서의 위치 설정으로부터 도출되는, 볼 피벗의 축과 상기 센서 상에 수직으로 서있는 센서 힘 사이의 각(α)에 의해서는, 제일 먼저 도 면 하부에 도시된 두 개의 센서(S UL 및 S UR )에서 두 가지 전체 힘(F SUL 및 F SUR )이 아래의 방정식을 통해 얻어진다:
Figure 112007094407870-PCT00001
그와 유사하게, 도면 상부에 도시된 두 개의 센서(S OL 및 S OR )에 대한 두 가지 센서 힘(F SOL 및 F SOR )이 아래의 방정식을 통해 얻어진다:
Figure 112007094407870-PCT00002
상기 방정식들의 덧셈 또는 뺄셈 그리고 그 다음에 이어지는 힘 성분(F ⊥ 및 F ∥)에 따른 분할에 의해, 상기 측정된 센서 힘들로부터 이미 상기 전체 힘(F)의 볼 피벗과 평행한 성분 및 볼 피벗에 수직인 성분(F ⊥ 및 F ∥)이 아래의 방정식을 통해 결정될 수 있다:
Figure 112007094407870-PCT00003
상기 식에서 상부 연산 부호는 상부 센서(S OL 및 S OR )에 대하여 적용되고, 하부 연산 부호는 하부 센서(S UL 및 S UR )에 대하여 적용된다.
전체 힘(F)의 작용 방향과 볼 피벗의 종축 사이의 각(β)을 결정하기 위하 여, 도 1에 따라 아래와 같이 설정된다:
Figure 112007094407870-PCT00004
상기 두 개의 방정식이 뒤섞여서 나누어지고, 그와 동시에 최종적으로 검출된, 상기 전체 힘(F)의 두 가지 성분(F ⊥ 및 F ∥)에 대한 표현식이 삽입되면, 아래와 같은 결과가 얻어진다:
Figure 112007094407870-PCT00005
상기 식으로부터, 전체 힘(F)의 작용 방향과 볼 피벗의 종축 사이의 각(β)이 아래와 같이 나타난다:
Figure 112007094407870-PCT00006
마지막으로, 벡터적인 전체 힘(F)의 크기는 아래와 같이 결정될 수 있다:
Figure 112007094407870-PCT00007
따라서, 벡터적인 전체 힘(F)의 크기뿐만 아니라 작용 방향도 상기 측정된 센서 힘들을 참조하여 공지되어 있다.
상기 측정된 센서 힘들로부터는 또한 볼-앤드-소켓 조인트의 프리텐션(F V )이 추가로 결정될 수 있다. 이 목적을 위하여, 서로 대각으로 마주 놓인 센서들 - 다시 말해 F SOL 및 F SUR 또는 F SOR 및 F SUL - 의 센서 힘들이 가산되고, 그로부터 두 배의 프리텐션(F V )이 나타난다. 그 결과, 상기 프리텐션(F V )의 크기가 나타나게 된다:
Figure 112007094407870-PCT00008
시간이 지남에 따라 감소하는 프리텐션 레벨이 주로 볼-앤드-소켓 조인트의 마모에 의존하기 때문에, 도시된 센서 장치에 의해서는, 벡터적인 작동력(F) 이외에 추가로 - 상기 결정된 프리텐션(F V )을 참조해서 - 상기 볼-앤드-소켓 조인트의 현재의 마모 상태에 대한 정보도 항상 만들어질 수 있다.
프리텐션은, 조인트 볼이 외부로부터 도입된 작동력(F)에 의해서 구면 쉘로부터 국부적으로 들어 올려지지 않은 동안에만 신뢰할만하게 결정될 수 있다. 조인트 볼의 전체 표면이 구면 쉘에 인접하도록 하기 위하여, 프리텐션 또는 조인트 마모의 측정은 단지 특정 경계 조건들이 존재하는 경우에만 실시되는데, 예를 들자면 자동차 엔진의 시동 순간에 또는 차량 속도가 0인 경우에는 항상 실시된다.
개관을 명확히 할 목적으로 도 1에 2차원적인 유사 장치로 도시된 힘 분해 원리로부터, 3차원 공간에서 진행하는 벡터적인 전체 힘(F)의 성분들까지도 결정할 수 있기 위하여, 이미 앞에서 언급된 바와 같이, 도 1에 따른 네 개의 센서만 사용되는 것이 아니라, 오히려 총 여덟 개의 압력/힘 센서가 사용된다.
상기 여덟 개 센서의 배열 방식에 대한 예는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 도면을 통해서는, 상기 여덟 개의 센서가 가상의 정방형 칼럼의 - 다시 말해 정방형 베이스 면을 갖는 한 직육면체의 - 모서리에 배치되어 있음을 알 수 있으며, 이 경우 상기 정방형 칼럼은 조인트 볼과 동심인 가상의 센서 볼 면(도시되지 않음)에 내접하며, 이 경우 상기 정방형 칼럼의 수직축은 볼 피벗의 종축과 일치한다. 이와 같은 방식으로, 센서 신호들로 얻어지는 합성력과 관련하여 모든 공간 방향에 대하여 균일한 측정 정확성이 얻어지고, 비교적 간단한 삼각 산출법을 이용하여, 3차원 공간 안에서의 상기 벡터적인 전체 힘의 크기 및 방향이 결정될 수 있다.
도 2 및 도 3에 따른 3차원적인 경우의 삼각 관계들은, 도 1 및 도 3을 함께 관찰하여 알 수 있는 바와 같이, 도 1에 따른 2차원적인 예와 완전히 유사하다. 도 1에 따른 힘 분해는, 3차원적인 경우에는, 두 개의 절단 평면(abcd 및 abef)에 대하여, 상기 평면에 각각 포함된 네 개의 센서에 대하여, 또는 힘 성분(F 1 또는 F 2)에 대하여 각각 별도로 단 두 번만 실시될 수 있다(도 3 참조). 마지막으로, 도 3에 따르면, 상기 두 가지 힘 성분(F 1 또는 F 2)으로부터는 단지 합성력만이 더 형성되어야만 한다.
결과적으로 얻어지는 전체 힘(F 3D)의 크기를 결정하기 위하여, 상기 두 가지 힘 성분(F 1 또는 F 2)에 의해서 형성된 가상의 직육면체 abcdefgh에 내접하는 직각 삼각형 ahc(점으로 표시됨, c에서는 직각임)가 이용될 수 있다. 그곳에서는 피타고라스의 정리가 적용된다:
Figure 112007094407870-PCT00009
아래와 같은 추가의 삼각 관계에 의해서
Figure 112007094407870-PCT00010
아래와 같은 방식으로 3차원 공간 안에서의 전체 힘(F 3D)의 크기가 얻어진다:
Figure 112007094407870-PCT00011
상기와 같이 결정된 힘(F 3D)의 크기에 의하여 그리고 상기 두 개의 각(β 1 및 β 2)에 의하여, 3차원적인 경우를 위한 상기 힘 벡터(F 3D)의 방향뿐만 아니라 길이도 재차 명확하게 결정되었다.
도 3을 통해서는, 힘 분해 원리뿐만 아니라 각각 해당 공급 라인(7)을 구비한 총 여덟 개 중에 두 개의 압력/힘 센서(6)의 배열 상태도 알 수 있다. 나머지 여섯 개의 센서는 도 3에서는 볼 수 없는데, 그 이유는 상기 센서들이 도면 후방에 있거나, 또는 조인트 하우징 혹은 조인트 하우징 커버의 한 부품(5)에 의해서 커버되기 때문이다.
도 4 내지 도 7에는, 용량성 압력/힘 센서를 구비한 본 발명에 따른 볼-앤드-소켓 조인트의 실시예들이 개략적인 종단면도로 도시되어 있다. 이 경우 도 4 및 도 5에 따른 실시예는, 하나의 극이 구면 쉘(3)의 외부면에 배치된 전극에 의해서 형성되는 한편 조인트 볼(1)은 대응 전극을 형성하는 용량성 센서(6)와 관련이 있다.
상기 용량성 센서(6)는, 구면 쉘(3)의 영역에 배치된 상기 센서(6)의 전극과 상기 구면 쉘(3)의 재료에 의해서 상기 전극으로부터 전기적으로 절연된 조인트 볼(1)이 함께 커패시터를 형성하고, 상기 커패시터의 커패시턴스가 상기 센서(6)의 전극과 상기 조인트 볼(1) 사이의 간격 변동 때마다 변하는 작용 원리를 갖는다.
도 6 및 도 7에서도 마찬가지로 용량성 센서(6)를 볼 수 있으나, 상기 센서는 직렬 접속된 두 개 커패시터(7)의 형태로 형성되어 있다. 이 경우 상기 직렬 접속된 두 개의 커패시터(7)는 - 본 경우에 무전위 상태인 조인트 볼(1)과 함께 상기 두 개 커패시터(7)에 공통된 중간 전극으로서 - 상기 구면 쉘(2)의 외부면에 배치된 두 개 전극에 의해 형성된다.
따라서, 도 6 및 도 7에 따른 용량성 센서(6)는, 도 4 및 도 5에 따른 센서와 달리 조인트 볼(1) 또는 볼 피벗의 콘택팅이 더 이상 전혀 필요치 않다는 추가의 큰 장점을 갖는다. 오히려, 이웃하여 배치된 상기 센서(6)의 두 개 센서에 대하여 단 두 개의 공급 라인만이 설치될 수 있다.
상기와 같이 형성된 용량성 센서를 사용하는 것은, 단순하고도 견고한 구조 그리고 볼-앤드-소켓 조인트의 기능적 장애 없는 작동과 관련하여 바람직하다. 상기 구면 쉘(3)의 벽 두께의 탄성적인 변동이 조인트 볼(2)과 구면 쉘(2) 사이에서 작용하는 표면 압착력에 대체로 비례하는 방식으로 진행되기 때문에, 센서의 커패시턴스 측정에 의해서는, 국부적으로 존재하는 표면 압착력을 직접적으로 그리고 매우 정확하게 추론할 수 있게 된다.
상기와 같은 용량성 센서의 추가의 장점들은 특히, 상기 센서들이 실제로 마 모 없는 상태로 동작하고, 단순한 평가 회로를 구비하는 것으로 충분하며, 전력 소비가 적다는 것이다.
따라서, 결론적으로 볼 때 본 발명에 의해서는, 볼-앤드-소켓 조인트의 작동 상태 및 부하 상태 또는 마모를 매우 정확하고도 신뢰할만하게 검출할 수 있는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법 및 마모를 측정하기 위한 방법 그리고 볼-앤드-소켓 조인트가 제공될 수 있음이 명확하다. 본 발명은 견고하고도 신뢰할만한 방식으로, 힘 또는 상기 볼-앤드-소켓 조인트에 작용하는 부하를 벡터 방식으로 결정하는 것을 가능케 한다. 또한, 볼-앤드-소켓 조인트의 마모 상태에 대한 정확한 정보가 제공될 수 있음으로써, 볼-앤드-소켓 조인트의 위급한 고장이 적시에 검출되어 방지될 수 있다.
따라서, 본 발명은 볼-앤드-소켓 조인트의 안전, 신뢰성 및 고장 방지 조치를 개선하려는 측면에서 그리고 운전자 보조 시스템의 데이터 베이스의 확대 측면에서, 특히 요구 사항이 많은 자동차의 축 시스템 및 휠 서스펜션(wheel suspension) 영역에 볼-앤드-소켓 조인트가 사용되는 경우에 중대한 기여를 하게 된다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 조인트 볼 2: 조인트 하우징
3: 구면 쉘 4: 센서 어레이
5: 조인트 하우징 커버 부품 6, S: 센서
7: 커패시터 F, F 3D: 벡터적인 힘

Claims (14)

  1. 예를 들어 자동차 축 시스템을 위한 볼-앤드-소켓 조인트로서,
    조인트 하우징(2)을 포함하고, 상기 조인트 하우징의 내부 공간에 구면 쉘(3)이 배치되어 있으며,
    상기 구면 쉘(3) 내에는 볼 피벗(ball pivot)의 볼(1)이 슬라이딩 방식으로 움직일 수 있도록 수용되어 있으며,
    힘 또는 부하를 측정하기 위한 센서 장치를 더 포함하는, 볼-앤드-소켓 조인트에 있어서,
    상기 센서 장치는 상기 구면 쉘의 영역에 배치된 센서 어레이(4)에 의해서 형성되고, 상기 센서 어레이는 조인트 볼(1)과 구면 쉘(3) 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위한 두 개 이상의 압력/힘 센서(6)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 장치는 상기 구면 쉘의 영역에 배치된 센서 어레이(4)에 의해서 형성되고, 상기 센서 어레이는 조인트 볼(1)과 구면 쉘(3) 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위한 세 개 이상의 압력/힘 센서(6)로 구성되며,
    상기 센서(6)는 실제로 상기 조인트 볼(1)과 동심인 가상의 한 센서 볼 면에 배치되어 있고, 상기 센서(6)에 의해서 형성된 평면은 상기 센서 볼 면의 중심점을 통과하지 않는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 어레이(4)는 여덟 개의 센서(6)를 포함하고, 상기 센서들은 상기 센서 볼 면의 크기가 상이한 두 개 이상의 원 위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 여덟 개의 센서(6)는 상기 센서 볼 면에 내접하는 한 가상의 정방형 칼럼의 모서리에 배치되어 있으며, 상기 정방향 칼럼의 수직축은 상기 볼 피벗의 종축과 일치하는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(6)는 스트레인 게이지(strain gauge)로서 형성된 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(6)는 피에조 센서로서 형성된 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서(6)는 용량성 센서의 형태로 형성된 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 용량성 센서(6)는 상기 구면 쉘(3) 안에 또는 상기 구면 쉘(3)의 외부면에 배치된 전극을 포함하며, 상기 조인트 볼(1)에 의해서 대응 전극이 형성된 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 용량성 센서(7)는 직렬 접속된 두 개의 커패시터를 포함하고, 상기 커패시터는 무전위 상태의 조인트 볼(1)과 함께, 상기 구면 쉘(3) 안에 또는 상기 구면 쉘(3)의 외부면에 이웃하여 배치된 두 개의 전극에 의해서 형성된 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 특징을 갖는 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    a) 상기 센서(6)의 힘 측정 신호 또는 압력 측정 신호를 결정하는 단계;
    b) 상기 센서(6)의 측정 신호들로부터 국부적인 압력 또는 힘을 산출하는 단계; 그리고
    c) 상기 국부적인 압력 또는 힘으로부터 결과적으로 얻어지는 힘 벡터(F 3D)를 형성하는 단계를 포함하는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서 상기 구면 쉘(3)과 조인트 볼(1) 사이의 프리텐션을 산출하는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    마주 놓인 센서(6)의 신호들의 총합을 형성함으로써, 상기 구면 쉘(3)과 조인트 볼(1) 사이의 프리텐션을 산출하는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 부하를 측정하기 위한 방법.
  13. 조인트 볼(1)과 구면 쉘(3) 사이에서 작용하는 힘 또는 압력을 측정하기 위한 하나 이상의 압력/힘 센서(6)를 구비하면서 상기 구면 쉘(3)의 영역에 배치된 센서 어레이(4)를 포함하는 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    a) "힘 자유도 또는 힘 상수", "볼 피벗 및 조인트 하우징의 결정된 상대적인 위치" 또는 "작동 정지 상태"와 같은 조건들 중에서 한 가지 조건이 존재하는지 아니면 다수의 조건들이 존재하는지의 여부를 검사하는 단계;
    b) 상기 센서 어레이(4)의 힘 측정 신호 또는 압력 측정 신호를 결정하는 단계;
    c) 상기 측정 신호들로부터 마모값을 산출하는 단계; 그리고
    d) 상기 마모값을 최대값과 비교하고, 상기 최대값을 초과하는 경우에는 경고 메시지를 발생시키는 단계를 포함하는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 짝수 개의 압력/힘 센서(6)를 포함하고, 상기 압력/힘 센서들은 각각 상기 조인트 볼(1)의 지름 직선상에 쌍으로 마주보면서 배치되어 있으며, 상기 단계 c)에서 상기 마주 놓인 센서(6)의 힘 측정 신호 또는 압력 측정 신호의 총합을 형성함으로써 상기 마모값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 볼-앤드-소켓 조인트에서의 마모를 측정하기 위한 방법.
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