WO2006099821A1 - Gelenk für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2006099821A1
WO2006099821A1 PCT/DE2005/000526 DE2005000526W WO2006099821A1 WO 2006099821 A1 WO2006099821 A1 WO 2006099821A1 DE 2005000526 W DE2005000526 W DE 2005000526W WO 2006099821 A1 WO2006099821 A1 WO 2006099821A1
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housing
bearing shell
joint
joint according
hydraulic
Prior art date
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PCT/DE2005/000526
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English (en)
French (fr)
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Metin Ersoy
Martin Rechtien
Joachim Spratte
Frank Budde
Armin Müller
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Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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Priority to EP05728298A priority patent/EP1861629A1/de
Priority to CNB200580049233XA priority patent/CN100572841C/zh
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Priority to US11/909,132 priority patent/US20090232590A1/en
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C11/00—Pivots; Pivotal connections
    • F16C11/04—Pivotal connections
    • F16C11/06—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints
    • F16C11/0619—Ball-joints; Other joints having more than one degree of angular freedom, i.e. universal joints the female part comprising a blind socket receiving the male part
    • F16C11/0623—Construction or details of the socket member
    • F16C11/0647—Special features relating to adjustment for wear or play; Wear indicators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
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    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/12—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2202/00—Solid materials defined by their properties
    • F16C2202/30—Electric properties; Magnetic properties
    • F16C2202/36—Piezo-electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C2208/00—Plastics; Synthetic resins, e.g. rubbers
    • F16C2208/20—Thermoplastic resins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/32—Articulated members
    • Y10T403/32606—Pivoted
    • Y10T403/32631—Universal ball and socket
    • Y10T403/32737—Universal ball and socket including liner, shim, or discrete seat

Definitions

  • the invention relates to a joint for a motor vehicle, comprising a housing, a bearing shell arranged in the housing, a journal having a bearing area and a journal area, which is pivotally and / or rotatably supported by the bearing area in the bearing shell and at least one disposed in the housing and clamping means designed as a solid body, from which a mechanical stress exerted by the bearing shell on the bearing area can be changed.
  • Joints in particular ball joints, require a certain torque in order to move the bearing area or the joint ball.
  • a typical torque is about 2 Nm and is intentionally created by interference fit (oversize) of the ball in the ball socket, otherwise there is an unallowable free play even after slight wear or with small tolerance deviations.
  • requests have recently been made to lower torque below 1 Nm to improve ride comfort.
  • it is desirable that the torque increases with increasing wheel frequency in order to dampen the wheel vibrations before they are passed on to the steering or to the chassis. So far, this request has been fulfilled by using synthetic greases and PU bearing shells, as this is the reason for the
  • Torque increases passively with increasing frequency. However, the effect is only marginal (maximum 3-fold increase in torque achievable) and is not always reproducible.
  • Al is a ball joint with a housing, two arranged in the housing bearing shell elements, a pin and a ball joint having joint body, with its ball joint between the two Bearing elements sitting and a housing bottom known, which is arranged on the side facing away from the pin of the housing.
  • an adjustable clamping device is arranged, by means of which the bias voltage with which the joint body is clamped between the bearing shell elements, is variable.
  • the tensioner may include piezoelectric or hydraulic elements, such as a hydraulic piston.
  • the bias can not be very finely adjusted, as already movements in the hundredths of a millimeter range very large
  • Torque changes entail. Furthermore, a possibly existing radial clearance is not compensated. Also, a sliding bearing for at least one bearing shell element is required so that it can move to the other bearing shell element or move away from this, which places high demands on the manufacturing accuracy.
  • Such a bearing shell must be made hollow and thus relatively thin-walled, with the risk that the wear occurring regularly in bearing shells leads to a crack or hole in the bearing shell wall.
  • the flowable medium may leak, resulting in a large game of the journal in the housing to the uselessness of the ball joint can result.
  • the object of the invention is to develop a joint of the type mentioned in such a way that the torque can be finer adjusted.
  • the joint for a motor vehicle comprises a housing, a bearing shell arranged in the housing, a journal provided with a bearing area and a journal area, which is pivotally and / or rotatably mounted with the bearing area in the bearing shell and at least one disposed in the housing and as Solid-trained clamping means or clamping element or actuator, of which a force exerted by the bearing shell on the bearing area mechanical stress is variable, wherein the bearing shell is at least partially resilient and resiliently deformable by the clamping means.
  • the joint according to the invention it is possible to deform the existing in particular made of plastic bearing shell on the clamping means, resulting in a change of the force exerted by the bearing shell on the joint area voltage.
  • a finer adjustability of the torque is achieved because a work performed by the clamping means on the bearing shell is partially converted into a deformation of the same and thus is only attenuated or damped for influencing the torque available.
  • material for the bearing shell for example, polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polyurethane (PUR), polyamide (PA) or a combination of these materials can be used.
  • the clamping means is designed as a solid body, the bearing shell made of solid material exist, so that the disadvantages associated with a filled with hydraulic fluid bearing shell disadvantages are avoidable.
  • the clamping means can be dispensed with an embedding of the trained as a solid clamping means in the bearing shell on a hollow training. Damage to the bearing shell thus does not lead to leakage of a liquid pressure medium. Even with a hole or crack in the
  • Bearing shell is still a functional operation of the joint, at least temporarily possible.
  • the joint according to the invention is arranged, for example, in a wheel suspension of a motor vehicle and may be designed as a ball joint, so that preferably a joint ball is formed by the bearing region. If a one-piece bearing shell is used, it is provided, for example, with a spherical bearing surface bearing against the joint ball, on which at least one great circle lies, which extends completely within the bearing shell and in particular forms no edge of the same. In this case, this great circle can also be a great circle on the joint ball and have the diameter. Furthermore, the joint according to the invention can be equipped with an angle sensor, which is preferably integrated in the joint and of which a rotation and / or pivoting of the bearing pin relative to the housing can be detected.
  • the clamping means may be formed integrally with the bearing shell, in particular integrated into the bearing shell.
  • piezoelectric fibers are suitable as clamping means, which are embedded in the material of the bearing shell.
  • the bearing shell can be made of a composite material, such as for example a plastic with embedded therein and the clamping means forming piezoceramic fibers or carbon nanotubes.
  • the clamping means preferably engages on a first outer surface area of the same and is arranged, for example, between the bearing shell and the housing.
  • electrostrictive and / or magnetostrictive materials for the clamping device or the actuator.
  • the first outer surface region lies on a plane which runs perpendicular to the longitudinal axis of the joint, then this is sensitive to external and axial forces acting on the joint region, since the clamping forces exerted by the bearing shell on the joint region also act against this external force. If this external force reaches or exceeds a certain size, then even the clamping effect can be canceled by a bearing shell part, in particular if the bearing shell is designed in two parts.
  • the first outer surface region preferably extends obliquely to the longitudinal axis of the joint and encloses with this an angle of greater than 0 ° and less than 90 °.
  • the outer surface region is in particular designed in the shape of a truncated cone, wherein its axis of symmetry preferably coincides with the longitudinal axis of the joint.
  • the tensioning means may have an oblique, for example frusto-conical, surface area and, via this, abut against the first outer surface area.
  • the bearing shell is provided with a second oblique, for example frusto-conical outer surface region, wherein the housing has an inner wall with an oblique, for example frusto-conical inner wall region, against which abuts the second outer surface region.
  • Oblique in this context means that the respective surface, such as the second outer surface area, with the longitudinal axis of the joint forms an angle of greater than 0 ° and less than 90 °.
  • the axes of symmetry of the second outer surface region and the oblique or truncated cone-shaped inner wall region preferably coincide with the longitudinal axis of the joint.
  • the two oblique or truncated cone-shaped outer surface regions taper in particular with increasing distance from each other.
  • the storage area is preferably at least partially between the two outer surface areas.
  • Each of the two frustoconical outer surface areas encloses in each case a circular area at the location of its smallest diameter, the storage area being arranged at least partially between these two circular areas.
  • it can have a cylindrical outer surface region between the two frustoconical outer surface regions in which the bearing region is arranged.
  • the clamping means may be displaceable, extendible and / or shortened, so that the deformation of the bearing shell is caused by the change in the position or the outer dimensions of the clamping means, which leads to a change of the force exerted by the bearing shell on the bearing area mechanical stress.
  • the clamping means consists of a piezoelectric material, to which an electrical voltage can be applied, which leads to a change in length of the clamping means and thus to a deformation of the bearing shell.
  • a piezoelectric clamping device must be readjusted depending on the state of wear of the bearing shell, which is disadvantageous in continuous operation of the joint.
  • the clamping means is preferably a displaceably mounted in the housing body, in particular piston, which can be moved, for example, by a hydraulic adjusting device.
  • This hydraulic adjusting device has in particular a hydraulic fluid and can be arranged outside the housing, but is preferably at least partially or even completely integrated into the housing.
  • a sealing ring may be provided which seals the outer circumferential surface of the piston relative to the housing inner wall.
  • the hydraulic adjusting device may be provided with a surge tank, which is filled in particular with hydraulic fluid and serves, for example, to compensate for leakage losses and / or to equalize temperature-induced volume fluctuations of the hydraulic fluid in the hydraulic adjusting device.
  • this expansion tank can be integrated into the housing and is closed in particular with an elastic element or with an elastic cover.
  • a displacement of the body or piston by means of the preferably hydraulic adjusting device has the advantage that wear of the bearing shell and possibly resulting therefrom, undesirably large clearance of the journal in the bearing shell can be compensated. Further, by means of the hydraulic adjusting a predetermined working torque for the bearing pin set and even at
  • a force sensor and / or pressure sensor may be provided in the joint, so that a regulation of the hydraulic adjusting device, for example for the
  • the pressure sensor is preferably integrated in the hydraulic circuit, whereas the force sensor can sit between the bearing shell and the joint housing.
  • Adjustment device also has the advantage that a leakage in the hydraulic circuit usually does not entail immediate damage to the bearing shell, so that the joint remains functional at least temporarily even in the event of a loss of hydraulic fluid and behaves like a conventional, passive joint (failing). Saife property of the hinge according to the invention).
  • an elastic membrane may be provided, via which engages the hydraulic adjusting device to the piston.
  • the membrane preferably extends on the side facing away from the bearing shell of the piston and is, for example, sealingly fixed to the housing, so that it is possible to dispense with a sealing ring which seals the outer circumferential surface of the piston relative to the housing inner wall.
  • the hydraulic adjusting device may comprise a hydraulic fluid and one or more hydraulic paths or lines, which are in particular provided with one or more valves, such as non-return valves and / or solenoid valves.
  • the hydraulic adjusting device has a rheological, for example, electro-or magnetorheological hydraulic fluid as hydraulic fluid, wherein at least one hydraulic line is traversed by a particular variable electric or magnetic field.
  • a valve is also referred to as Rheo valve.
  • the hydraulic adjusting device may have a hydraulic pump, which is preferably arranged in the housing and may be formed, for example, as a piezo-diaphragm pump. But it is also possible to provide the hydraulic pump outside the housing.
  • the hydraulic adjusting device can be arranged on or in the housing electric motor and arranged in a hydraulic chamber
  • the electric motor is thus formed as a linear actuator of which, for example, a threaded spindle is rotated, which is either linearly displaced due to the rotation itself or sitting on the threaded spindle element, such as
  • FIG. 1 is a sectional view of a ball joint according to the invention, in which four embodiments are shown schematically,
  • FIG. 4 is another sectional view of the embodiment of FIG. 3,
  • FIG. 5 is a schematic representation of the hydraulic adjusting device of the embodiment of FIG. 3,
  • FIG. 6 is a sectional view through a seventh embodiment of the joint according to the invention.
  • FIG. 6 is another sectional view of the embodiment of FIG. 6,
  • Fig. 8 shows a first modification of the joint according to Fig. 3 and
  • FIG. 9 shows a second modification of the joint according to FIG. 3.
  • FIG. 1 is a sectional view through a hinge according to the invention can be seen, wherein four embodiments are shown simultaneously and the joint is designed as a ball joint.
  • a bearing pin or ball stud 3 having a joint ball 1 and a journal region 2 is rotatably and pivotably mounted to the joint ball or bearing region 1 in a one-piece bearing shell 4.
  • the bearing shell 4 is seated in a housing 5 which has an opening 6 through which the ball stud 3 extends.
  • the housing 5 has one of the opening 6 opposite
  • a sealing bellows 9 is fixed on the housing 5 by means of clamping rings 10, the end 6 facing away from the opening 1 1 sealingly abuts against the pin portion 2.
  • a recess 12 is provided, which is bounded by an inner wall 13 of the housing 5.
  • the inner wall 13 has a cylindrical inner wall portion 14 and a tapered, in particular conical inner wall portion 15, which adjoins the Inner wall region 14 connects.
  • the inner wall region 15 tapers with decreasing distance to the opening 6.
  • the bearing shell 4 rests with its outer circumferential surface 16 on the two inner wall regions 14 and 15, so that the bearing shell 4 has a cylindrical outer peripheral surface region 17 lying against the inner wall region 14 and one on the inner wall region 15 adjacent, tapered, in particular conical outer peripheral surface area 18 has.
  • the outer peripheral surface area 18 tapers with decreasing distance from the opening 6.
  • the longitudinal axis 19 of the generally designated ball joint 20 coincides with the longitudinal axis 21 in the undeflected state of the ball stud 3.
  • a preferably annular clamping means 22 between the bearing shell 4 and the cover 8 with the interposition of a support ring 23 is arranged.
  • the clamping means 22 rests with a surface region 24 on an outer surface region 25 of the bearing shell 4, the support ring 23 being arranged between the tensioning means 22 and the cover 8.
  • the tensioning means 22 is here designed, for example, as an electrically controlled, piezoelectric actuator which can deform the bearing shell 4 parallel to the longitudinal axis 19 by means of a change in length.
  • the surface region 24 and the outer surface region 25 in this case run perpendicular to the longitudinal axis 19 and are in particular formed as annular surfaces.
  • a preferably annular clamping means 26 is provided instead of the clamping means 22, which is arranged between the support ring 23 and the bearing shell 4 and rests with a surface region 27 on an outer surface region 28 of the bearing shell 4.
  • the surface region 27 and the outer surface region 28 are formed conically or frustoconical and close in extension with the longitudinal axis 19 an angle ⁇ with 0 ° ⁇ ⁇ 90 °.
  • the angle ⁇ here is 30 °, so that the opening angle of the cone is 60 °. According to one alternative, however, the angle ⁇ is for example 60 °.
  • clamping means 26 may be formed as a controllable via an electrical voltage piezoelectric actuator, which deform the bearing shell 4 parallel to the longitudinal axis 19 via a change in length and thus can change the exerted by the bearing shell 4 on the ball joint 1 mechanical tension.
  • the second embodiment forms in particular an alternative to the first embodiment.
  • a clamping element 29 is additionally or alternatively provided to the clamping means 22 or 26, which is arranged in the radial direction between the bearing shell 4 and the inner wall 13 of the housing 5.
  • the clamping means 29 is seated in a recess 30 of the bearing shell 4, but may alternatively also be arranged in a recess formed in the inner wall 13.
  • the tensioning means 29 can be designed as a controllable via an electrical voltage piezoelectric actuator, which deform over a change in length in the radial direction, the bearing shell 4 and thus can change the force exerted by the bearing shell 4 on the ball joint 1 mechanical tension.
  • the bearing shell can be made completely or at least partially of an electrically deformable composite material 31, which consists, for example, of plastic with piezoceramic fibers or carbon nanotubes embedded therein and forming a tensioning means.
  • an electrical voltage By applying an electrical voltage to the bearing shell 4, a deformation or volume change thereof can be brought about, resulting in a change of the bearing shell 4 on the joint ball. 1 exerted mechanical stress leads.
  • the bearing shell 4 itself forms an actuator.
  • the influencing of the torque is actively controlled, wherein a particular electrically controllable actuator is used as the clamping means.
  • a force is exerted on the bearing shell 4 and thus on the joint ball 1, whereby the movement moment of the ball joint 20 can be increased or decreased.
  • the actuator consists for example of piezoceramic, plastic such as an electroactive polymer, carbon compounds, such as carbon nanotubes
  • Carbon nano-tube or a composite material, which is composed for example of a combination of the aforementioned materials.
  • a fifth embodiment of the joint according to the invention can be seen, to the previous embodiments identical or similar features are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiments.
  • the housing 5 is closed on the opposite side of the opening 6 by a bottom 32, which is formed here in one piece with the housing 5.
  • a clamping means 33 is provided, which is designed as a parallel to the longitudinal axis 19 displaceable piston whose outer peripheral surface 34 is displaceably guided on the inner wall 13 of the housing 5.
  • an annular groove 35 is provided, in which a sealing ring 36 is seated, which seals the piston 33 against the inner wall 13.
  • a hydraulic chamber 37 is formed, which is connected via a connection 38 and a hydraulic line 39 with a outside of the housing 5 arranged hydraulic adjusting device 40.
  • the hydraulic line 39 and the hydraulic adjusting device 40 are shown only schematically.
  • a hydraulic fluid 41 can be introduced into or out of the hydraulic chamber 37 via the hydraulic adjustment device 40, as a result of which the piston 33 can be moved along the longitudinal axis 19 towards or away from the joint ball 1.
  • the bearing shell 4 can be deformed, which leads to a change in the pressure exerted by the bearing shell 4 on the ball joint 1 mechanical stress.
  • a change in the ball joint torque can be achieved.
  • the hydraulic adjusting device 40 has a hydraulic pump 43 driven by a motor 42, which is connected on the one hand to the hydraulic line 39 and on the other hand to a reservoir 44 filled with the hydraulic fluid 41. Further, a valve 45 is provided between the surge tank 44 and the hydraulic line 39.
  • the piston 33 has a frusto-conical surface area 46, which rests against a likewise frustoconical outer surface area 47 of the bearing shell 4.
  • the bearing shell 4 has a frustoconical outer surface region 48, which rests against a likewise frustoconical inner wall region 49 of the housing 5.
  • the two frusto-conical regions 48 and 49, in extension with the longitudinal axis 19, form an angle ⁇ with 0 ° ⁇ ⁇ 90 °, whereby an angle of ⁇ 30 ° has proven to be particularly suitable. According to an alternative, the angle ⁇ but to Example 60 °.
  • the joint ball 1 or its center M is arranged between the two outer surface regions 47 and 48, wherein the outer surface region 47 and the surface region 46 are aligned such that these two regions 47, 46 taper with increasing distance from the opening 6.
  • the outer surface region 48 and the inner wall region 49 are aligned such that these two regions 48, 49 taper with decreasing distance from the opening 6.
  • the overall one-piece bearing shell 4 thus has two conical outer contours in the areas 47 and 48. Furthermore, the housing inner wall 13 is designed conically towards the opening 6 in the area 49. Also, the piston 33 is conically formed on its outer surface facing the bearing shell 4 in the region 46 or there has an inner cone, wherein all of these conical surfaces 46, 47, 48, 49 in terms of magnitude preferably have a same inclination angle ⁇ or ß to the longitudinal axis 19. With this arrangement, the disadvantages of the two-part bearing shell are eliminated in a completely cylindrical housing inner surface. By preferably 60 ° cone (46, 47, 48, 49), the ball 1 is stretched from above and from below with equal forces uniformly from the bearing shell 4 and expressed a possibly existing radial clearance.
  • the clamping force is reinforced by the wedge effect, whereby a correspondingly increased clamping stroke can be better controlled.
  • the system becomes much less sensitive to external axial forces.
  • a franking 76 at the equatorial region of the bearing shell inner surface can reinforce this effect, since then the tensioning forces act essentially only towards the center of the ball, in particular along the upper and lower approx. 30 ° degrees of longitude.
  • the hydraulic adjusting device is integrated in the joint housing 5, which is here formed in two parts and an upper housing part 50 and a lower housing part 51 which is attached to the upper housing part 50.
  • the lower Housing part 51 closes one of the opening 6 opposite opening 52 of the upper housing part 50 and thus forms a housing bottom.
  • the cooperating with the piston 33 and the hydraulic chamber 37 hydraulic adjusting device is disposed in the lower housing part 51 and will be described below.
  • a piezo-membrane pump 53 is seated in a recess 54 of the housing part 51 and actuates a slidably guided in the housing part 51 and extending into a hydraulic chamber 55 pump piston 56 which can be moved by the pump 53 in the direction and in the opposite direction of the arrow P, whereby the volume of Hydraulic chamber 55 is variable. If the pump piston 56 in
  • a valve 59 is provided with which a backflow of the hydraulic fluid 57 from the hydraulic chamber 37 into the hydraulic chamber 55 can be prevented. Further, a filled with the hydraulic fluid 57 expansion tank 60 is disposed in a recess 61 of the housing part 51 and closed by an elastic cover 82 which is secured via a cover 62 on the housing 5.
  • Fig. 4 is a section of the sixth embodiment along the section line 79 of FIG. 3 can be seen, wherein a lying behind the hydraulic chamber 55 hydraulic chamber 63 is indicated by dashed lines.
  • the hydraulic chamber 63 communicates via an opening 64 with the hydraulic chamber 55 and is connected via a hydraulic line 65 to the surge tank 60.
  • the hydraulic chamber 63 has a valve 66, which prevents a movement of the hydraulic fluid 57 from the hydraulic chamber 55 through the opening 64, through the hydraulic chamber 63 and through the hydraulic line 65 in the compensation chamber 60 upon movement of the pump piston 56 in the direction of arrow P. can.
  • the two valves 59 and 66 may be formed as check valves, wherein preferably designed in particular as a mini-solenoid valve additional valve 67 (see FIG.
  • valves 59 and 66 may then be designed as so-called "rheo-valves" and generate a magnetic or electric field which passes through channels 77 and 78, so that, depending on the strength of the field, a flow of hydraulic fluid through the channels 77 and / or 78 In this case, the additional valve 67 with the lines 68, 69 for releasing the pressure from the hydraulic chamber 37 is not required.
  • FIG. 5 is a schematic view of the hydraulic adjusting or the hydraulic circuit according to the sixth embodiment can be seen, wherein the
  • Valves 59 and 66 are preferably designed as Rheo valves, which allow a flow of hydraulic fluid 57 in both directions.
  • the additional valve 67 and the two additional lines 68, 69 are provided and indicated by dashed lines.
  • the additional valve 67 is connected via the line 68 to the hydraulic chamber 37 and via the line 69 to the surge tank 60.
  • Compressibility of the pressure medium) and the necessary pressures are relatively small ( ⁇ 100 bar, average max 50 bar).
  • a piezo membrane built into the lower housing part 51 or into the cover of the ball joint 20 is used as the pump 53. This is vibrated via an electrical voltage and pumps the standing in front of the piston 56 hydraulic fluid back and forth.
  • the pump chamber has two connection channels or connections, one to the expansion tank 60 and the other to the hydraulic chamber 37 on the piston 33 below the bearing shell 4.
  • check valves 59, 66 may be provided, the suction at each stroke of the piston 56 and allow pumping, without the fluid 57 only to push back and forth.
  • a mini-solenoid valve 67 may be connected to the hydraulic chamber 37 to release the pressure from this chamber 37.
  • a rheological fluid as pressure medium 57, the two valves 59 and 66 being designed as rheo-valves.
  • the connections to the expansion tank 60 and to the hydraulic chamber 37 can be controlled via electric or magnetic fields, which alternately block or release a flow of the hydraulic fluid 57 in time or in common with the vibrations of the piezoelectric membrane.
  • the connections have very small diameters (1-3 mm) and are provided in the lower housing part 51.
  • the piston 33 whose diameter is slightly larger than the diameter of the joint ball 1, is automatically applied to this pressure.
  • the surface of the piston 33 is about 100 times larger than the surface of the piston 56, also about 100 times greater compressive forces than the axial forces, which are still reachable by the piezoelectric effect unfold.
  • the stroke of the piston 33 is very small (for example, a maximum of 0.3 mm), but is still sufficient to increase the force exerted by the bearing shell 4 on the ball joint 1 such that the ball joint 1 is immovable.
  • the torque of the ball joint 20 can be continuously, in particular very sensitively controlled in any position.
  • the oscillation frequencies of the piezo pump 53 can be selected to be very high, with a synchronization between the piezo membrane and the two theological ones Valves 59, 66 is easily possible. The efficiency is very high and the runtimes because of the high frequency very small.
  • the piezo membrane can be used to measure the pressure and be used, for example, in a control loop as a pressure sensor.
  • FIG. 6 shows a seventh embodiment of the joint according to the invention, which represents a development of the fifth embodiment, wherein the hydraulic adjusting device is integrated in the ball joint housing 5.
  • the seventh embodiment represents an alternative to the sixth embodiment, wherein identical or similar features are denoted by the same reference numerals as in the fifth and sixth embodiments.
  • the housing 5 has an upper housing part 50 and a lower housing part 51, which is fixed to the upper housing part 50.
  • a hydraulic chamber 55 is formed, which via a hydraulic line 58 with the
  • Hydraulic chamber 37 is connected below the piston 33.
  • a primary piston 56 is displaceably guided in the direction and in the opposite direction of the arrow P, so that by a movement of the primary piston 56, the volume of the hydraulic chamber 55 is variable.
  • a hydraulic fluid 57 is provided, which flows in the direction of the arrow P in the direction of arrow P in the direction of arrow P through the hydraulic line 58 into the hydraulic chamber 37 and raises the piston 33 in the direction of arrow Q.
  • the primary piston 56 has an annular groove 70, in which a sealing ring 71 is seated, which seals the primary piston 56 with respect to the inner wall of the hydraulic chamber 55.
  • the primary piston 56 is connected via a gear 72 with an electric motor 73, which is fixed to the lower housing part 51.
  • the motor 73 is designed, in particular, as an electric stepping motor, which can push a linear spindle 75, which is connected to the primary piston 56.
  • a filled with hydraulic fluid 57 and sealed with an elastic cover 82 reservoir 60 is provided, which is secured by a bracket 62 to the lower housing part 51.
  • Expansion tank 60 is connected via a channel 74 with the hydraulic chamber 55, wherein depending on the position of the primary piston 56, the channel 74 can be opened or closed.
  • the channel 74 forms a hydraulic connection between the surge tank 60 and the filled with hydraulic fluid 57 volume of the hydraulic chamber 55.
  • this hydraulic connection is interrupted.
  • the pressure generation is integrated directly into the ball joint housing 5, which is feasible for the same reasons as in the sixth embodiment.
  • Such a stepping motor 73 with a linear spindle 75 can be obtained inexpensively as a commodity.
  • the primary piston 56 preferably has a small diameter of 3 - 5 mm, which sits in the hydraulic chamber or bore 55 in the lower housing part 51.
  • the primary piston 56 has in particular a stroke of 15-30 mm.
  • the bore 55 is connected via the channel 58 to the chamber 37 and thus to the piston 33.
  • the secondary piston 33 whose diameter is slightly larger than the diameter of the joint ball 1, is automatically pressurized with the same pressure. However, since the surface of the secondary piston is about 100 times larger than the area of the primary piston 56, about 100 times greater pressure forces unfold. Although the stroke of the secondary piston 33 is about 100 times smaller than the stroke of the primary piston 56, this is still sufficient to increase the torque or the friction torque of the ball joint 20 to immobility. To lower the pressure in the hydraulic chamber 37 no valve is required.
  • the lowering of the pressure is achieved by the stepping motor 73 being rotated backwards, which leads to a movement of the primary piston 56 in the opposite direction of the arrow P.
  • the compensation chamber 60 is included in the retracted position of the primary piston 56 in the hydraulic circuit, and is only used to compensate for leakage losses and temperature-dependent pressure fluctuations. Under the retracted position while a position is understood in which the Primary piston 56 is shifted so far in the opposite direction of the arrow P until a hydraulic connection between the surge tank 60 and the volume of the hydraulic chamber 55 is formed via the channel 74.
  • Pressure sensors are eliminated. Furthermore, a reduction of the required lines and fittings can be achieved.
  • the torque of the ball joint 20 can be infinitely, very sensitively controlled in any position. The efficiency losses are very low, although a hundredfold gain can be achieved effortlessly.
  • the integration of the hydraulic circuit in the ball joint 20 reduces the amount of pressure medium required to a minimum, in particular to the necessary compensation of the compressibility of the pressure medium.
  • FIG. 7 shows a sectional view of the embodiment according to FIG. 6 along the section line 79, from which the structure simplified in comparison with the sixth embodiment becomes clear.
  • Figs. 8 and 9 show modifications of the embodiment of Fig. 3, wherein identical and similar features are denoted by the same reference numerals as in the sixth embodiment.
  • an elastic membrane 80 is provided between the piston 33 arranged in the upper housing part 50 and the lower housing part 51 or the housing bottom, so that the hydraulic chamber 37 accessible via the hydraulic channel 58 is formed between the membrane 80 and the housing bottom 51.
  • the diaphragm 80 expands and presses the piston 33 in the direction of
  • the elastic membrane 80 is preferably sealingly fixed to the housing 5, so that can be dispensed with in these modifications to the apparent from Fig. 3 sealing ring 36 for sealing the piston 33 relative to the Gezzauseinnenwandung 13. Further, the membrane 80 can extend into the region between the outer peripheral surface 34 of the piston 33 and the housing Amsterdaminungung 13. According to the first modification shown in FIG. 8, the membrane 80 is fastened in an annular groove 81 provided in the inner wall 13 of the housing 5. Alternatively, however, the membrane 80 can also be fixed, in particular clamped, between the upper housing part 50 and the lower housing part 51, as can be seen in FIG. 9.
  • a force sensor 83 is arranged between the bearing shell 4 and the housing 5, which delivers a signal which represents the current mechanical stress which is exerted by the bearing shell 4 on the joint ball 1.
  • the force sensor 83 thus opens up a possibility of a regulation for the hydraulic
  • the force sensor can also be designed as a pressure sensor and integrated, for example, in the hydraulic circuit.
  • the pressure sensor sits for this purpose, for example, in the hydraulic chamber 55 or is formed by the piezo-membrane of the pump 53.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (5), einer in dem Gehäuse (5) angeordneten Lagerschale (4), einem einen Lagerbereich (1) und einen Zapfenbereich (2) aufweisenden Lagerzapfen (3), der mit dem Lagerbereich (1) in der Lagerschale (4) schwenkbar und/oder drehbar gelagert ist und wenigstens einem in dem Gehäuse (5) angeordneten und als Festkörper ausgebildeten Spannmittel (33), von welchem eine von der Lagerschale (4) auf den Lagerbereich (1) ausgeübte mechanische Spannung veränderbar ist, wobei die Lagerschale (4) zumindest bereichsweise federelastisch ausgebildet und von dem Spannmittel (33) federelastisch deformierbar ist.

Description

Gelenk für ein Kraftfahrzeug
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten Lagerschale, einem einen Lagerbereich und einen Zapfenbereich aufweisenden Lagerzapfen, der mit dem Lagerbereich in der Lagerschale schwenkbar und/oder drehbar gelagert ist und wenigstens einem in dem Gehäuse angeordneten und als Festkörper ausgebildeten Spannmittel, von welchem eine von der Lagerschale auf den Lagerbereich ausgeübte mechanische Spannung veränderbar ist.
Gelenke, insbesondere Kugelgelenke, benötigen ein bestimmtes Drehmoment, um den Lagerbereich bzw. die Gelenkkugel zu bewegen. Ein typisches Drehmoment beträgt zum Beispiel ca. 2 Nm und wird absichtlich durch Presspassung (Übermaß) der Kugel in der Kugelschale geschaffen, da sonst schon nach geringem Verschleiß oder bei geringen Toleranzabweichungen ein unzulässiges freies Spiel entsteht. In der jüngsten Zeit wurden jedoch Wünsche geäußert, das Drehmoment unter 1 Nm zu senken, um den Fahrkomfort zu verbessern. Andererseits ist es aber gewünscht, dass das Drehmoment mit steigender Radfrequenz steigt, um die Radschwingungen zu dämpfen, bevor diese an die Lenkung oder an das Fahrwerk weitergegeben werden. Bisher wurde dieser Wunsch dadurch erfüllt, dass Synthetikfette und PUR- Lagerschalen verwendet wurden, da hierdurch das
Drehmoment mit steigender Frequenz passiv ansteigt. Die Wirkung ist jedoch nur marginal (maximal 3-fache Steigerung des Drehmoments erreichbar) und ist nicht immer reproduzierbar.
Aus der DE 102 45 983 Al ist ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse, zwei in dem Gehäuse angeordneten Lagerschalenelementen, einem einen Zapfen und eine Gelenkkugel aufweisenden Gelenkkörper, der mit seiner Gelenkkugel zwischen den beiden Lagerschalen-Elementen sitzt und einem Gehäuseboden bekannt, der auf der dem Zapfen abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet ist. Zwischen einem ersten der beiden Lagerschalenelemente und dem Gehäuseboden ist eine verstellbare Spanneinrichtung angeordnet, mittels der die Vorspannung, mit welcher der Gelenkkörper zwischen den Lagerschalenelementen eingespannt ist, veränderbar ist. Zum Verändern der mechanischen Vorspannung kann die Spanneinrichtung piezoelektrische oder hydraulische Elemente, wie zum Beispiel einen Hydraulikkolben aufweisen.
Bei einem derartigen Kugelgelenk lässt sich die Vorspannung aber nicht sehr fein einstellen, da bereits Bewegungen im Hundertstel-Millimeterbereich sehr große
Drehmomentänderungen nach sich ziehen. Ferner ist ein möglicherweise vorhandenes Radialspiel nicht kompensierbar. Auch ist eine Gleitlagerung für zumindest ein Lagerschalenelement erforderlich, damit sich dieses auf das andere Lagerschalenelement zu- oder von diesem weg bewegen kann, was hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit stellt.
Aus der DE 37 40 442 Al ist ein Kugelgelenk mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten elastischen Lagerschale, einem einen Zapfen und eine Gelenkkugel aufweisenden Gelenkzapfen, der mit seiner Gelenkkugel in der Lagerschale sitzt und einem Deckel bekannt, der eine dem Lagerzapfen abgewandte Öffnung des Gehäuses verschließt. In der Lagerschale sind eine oder mehrere Kammern ausgebildet, die mit einem fließfähigen Medium gefüllt und mit einer einer Druckmittelquelle nachgeschalteten Ventileinrichtung verbunden sind, so dass eine axiale und radiale Verstellbarkeit der Gelenkkugel erzielbar ist. Ferner sind das Kipp- und Drehmoment einstellbar.
Eine derartige Lagerschale muss hohl und somit relativ dünnwandig hergestellt werden, wobei die Gefahr besteht, dass der regelmäßig bei Lagerschalen auftretende Verschleiß zu einem Riss bzw. Loch in der Lagerschalenwandung führt. Bei einer Beschädigung des Druckmittelkreislaufs, kann das fließfähige Medium auslaufen, woraus ein großes Spiel des Lagerzapfens in dem Gehäuse bis hin zur Unbrauchbarkeit des Kugelgelenks resultieren kann. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gelenk der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass das Drehmoment feiner eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Gelenk nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.
Das erfindungsgemäße Gelenk für ein Kraftfahrzeug weist ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordnete Lagerschale, einen mit einem Lagerbereich und einem Zapfenbereich versehenen Lagerzapfen, der mit dem Lagerbereich in der Lagerschale schwenkbar und/oder drehbar gelagert ist und wenigstens ein in dem Gehäuse angeordnetes und als Festkörper ausgebildetes Spannmittel bzw. Spannelement oder Aktor auf, von welchem eine von der Lagerschale auf den Lagerbereich ausgeübte mechanische Spannung veränderbar ist, wobei die Lagerschale zumindest bereichsweise federelastisch ausgebildet und von dem Spannmittel federelastisch deformierbar ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Gelenk ist es möglich, die insbesondere aus Kunststoff bestehende Lagerschale über das Spannmittel zu deformieren, was zu einer Änderung der von der Lagerschale auf den Gelenkbereich ausgeübten Spannung führt. Hierdurch wird eine feinere Einstellbarkeit des Drehmoments erzielt, da eine von dem Spannmittel an der Lagerschale verrichtete Arbeit teilweise in eine Deformation derselben umgesetzt wird und somit nur noch abgeschwächt bzw. gedämpft zur Drehmomentbeeinflussung zur Verfügung steht. Als Werkstoff für die Lagerschale können zum Beispiel Polyoxymethylen (POM), Polyetheretherketon (PEEK), Polyurethan (PUR), Polyamid (PA) oder eine Kombination dieser Material en verwendet werden.
Ferner kann auf eine Gleitlagerung für ein separates Lagerschalenteil einer mehrteiligen Lagerschale verzichtet werden, was die Konstruktion des erfmdungsgemäßen Gelenks vereinfacht. Auch können einteilige Lagerschalen Verwendung finden, wodurch der Aufwand für die Herstellung und die Montage des Gelenks reduzierbar ist. Da das Spannmittel als Festkörper ausgebildet ist, kann die Lagerschale aus Vollmaterial bestehen, so dass die mit einer mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Lagerschale verbundenen Nachteile vermeidbar sind. Insbesondere kann bei einer Einbettung des als Festkörper ausgebildeten Spannmittels in die Lagerschale auf eine hohle Ausbildung derselben verzichtet werden. Eine Beschädigung der Lagerschale führt somit nicht zu einem Auslaufen eines flüssigen Druckmediums. Selbst bei einem Loch oder Riss in der
Lagerschale ist noch ein funktionsgemäßer Betrieb des Gelenks zumindest übergangsweise möglich.
Das erfindungsgemäße Gelenk ist zum Beispiel in einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs angeordnet und kann als Kugelgelenk ausgebildet sein, so dass von dem Lagerbereich bevorzugt eine Gelenkkugel gebildet ist. Wird eine einteilige Lagerschale verwendet, so ist diese zum Beispiel mit einer an der Gelenkkugel anliegenden sphärischen Lagerfläche versehen, auf der zumindest ein Großkreis liegt, der vollständig innerhalb der Lagerschale verläuft und insbesondere keinen Rand derselben bildet. Dabei kann dieser Großkreis auch ein Großkreis auf der Gelenkkugel sein und deren Durchmesser aufweisen. Ferner kann das erfindungsgemäße Gelenk mit einer Winkel sensorik ausgestattet sein, die bevorzugt in das Gelenk integriert ist und von welcher eine Verdrehung und/oder Verschwenkung des Lagerzapfens gegenüber dem Gehäuse erfassbar ist.
Das Spannmittel kann einstückig mit der Lagerschale ausgebildet, insbesondere in die Lagerschale integriert sein. Für eine derartige Lösung sind piezoelektrische Fasern als Spannmittel geeignet, die in das Material der Lagerschale eingebettet sind. Die Lagerschale kann dazu aus einem Verbundwerkstoff hergestellt sein, wie zum Beispiel aus einem Kunststoff mit darin eingebetteten und das Spannmittel bildenden piezokeramischen Fasern oder Carbon-Nano-Tubes. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Lagerschale ist eine Längenänderung der piezoelektrischen Fasern erzielbar, so dass die Lagerschale verformt und die von der Lagerschale auf den Lagerbereich ausgeübte Spannung verändert werden kann. Alternativ ist das Spannmittel aber von der Lagerschale separiert und insbesondere außerhalb derselben angeordnet. Dabei greift das Spannmittel bevorzugt an einem ersten Außenflächenbereich derselben an und ist zum Beispiel zwischen der Lagerschale und dem Gehäuse angeordnet. Ergänzend oder alternativ zu der Verwendung eines piezoelektrischen Materials und/oder der Verwendung von Carbon-Nano-Tubes können auch elektrostriktive und/oder magnetostriktive Materialen für das Spannmittel bzw. den Aktor verwendet werden.
Liegt der erste Außenflächenbereich auf einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Gelenks verläuft, so ist dieses empfindlich gegen externe und auf den Gelenkbereich wirkende Axialkräfte, da die von der Lagerschale auf den Gelenkbereich ausgeübten Spannkräfte auch gegen diese externe Kraft wirken. Erreicht oder übersteigt diese externe Kraft eine bestimmte Größe, so kann sogar die Spannwirkung von einem Lagerschalenteil aufgehoben werden, insbesondere dann, wenn die Lagerschale zweiteilig ausgebildet ist. Aus diesem Grund verläuft der erste Außenflächenbereich bevorzugt schräg zur Längsachse des Gelenks und schließt mit dieser einen Winkel von größer 0° und kleiner 90° ein. Der Außenflächenbereich ist insbesondere kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei dessen Symmetrieachse bevorzugt mit der Längsachse des Gelenks zusammenfällt. Ferner kann das Spannmittel einen schrägen, zum Beispiel kegelstumpfförmigen Flächenbereich aufweisen und über diesen an dem ersten Außenflächenbereich anliegen bzw. angreifen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Lagerschale mit einem zweiten schrägen, zum Beispiel kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereich versehen ist, wobei das Gehäuse eine Innenwandung mit einem schrägem, zum Beispiel kegelstumpfförmig ausgebildeten Innenwandungsbereich aufweist, an dem der zweite Außenflächenbereich anliegt. Schräg bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die jeweilige Fläche, wie zum Beispiel der zweite Außenflächenbereich, mit der Längsachse des Gelenks einen Winkel von größer 0° und kleiner 90° einschließt. Ferner fallen die Symmetrieachsen des zweiten Außenflächenbereichs und des schrägen bzw. kegelstumpfförmig ausgebildeten Innenwandungsbereichs bevorzugt mit der Längsachse des Gelenks zusammen. Die beiden schrägen bzw. kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereiche verjüngen sich dabei insbesondere mit zunehmendem Abstand voneinander. Der Lagerbereich liegt bevorzugt zumindest teilweise zwischen den beiden Außenflächenbereichen. Insbesondere umschließt jeder der beiden kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereiche am Ort seines geringsten Durchmessers jeweils eine Kreisfläche, wobei der Lagerbereich zumindest teilweise zwischen diesen beiden Kreisflächen angeordnet ist. Bei einteiliger Ausbildung der Lagerschale kann diese zwischen den beiden kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereichen einen zylindrischen Außenflächenbereich aufweisen, in welchem der Lagerbereich angeordnet ist.
Das Spannmittel kann verschiebbar, verlängerbar und/oder verkürzbar sein, so dass durch die Änderung der Lage bzw. der äußeren Abmessungen des Spannmittels die Deformation der Lagerschale bewirkt wird, welche zu einer Veränderung der von der Lagerschale auf den Lagerbereich ausgeübten mechanischen Spannung führt. Zum Beispiel besteht das Spannmittel aus einem piezoelektrischen Material, an welches eine elektrische Spannung anlegbar ist, die zu einer Längenänderung des Spannmittels und somit zu einer Deformation der Lagerschale führt. Ein derartiges piezoelektrisches Spannmittel muss aber je nach Verschleißzustand der Lagerschale neu justiert werden, was im Dauerbetrieb des Gelenks nachteilhaft ist. Aus diesem Grund ist das Spannmittel bevorzugt ein in dem Gehäuse verschiebbar gelagerter Körper, insbesondere Kolben, der zum Beispiel von einer hydraulischen Verstellvorrichtung verschoben werden kann. Diese hydraulische Verstellvorrichtung weist insbesondere ein Hydraulikfluid auf und kann außerhalb des Gehäuses angeordnet sein, ist aber bevorzugt zumindest teilweise oder sogar vollständig in das Gehäuse integriert. Ferner kann ein Dichtring vorgesehen sein, der die Außenmantelfläche des Kolbens gegenüber der Gehäusinnenwandung abdichtet.
Die hydraulische Verstellvorrichtung kann mit einem Ausgleichbehälter versehen sein, der insbesondere mit Hydraulikfluid gefüllt ist und zum Beispiel zum Ausgleich von Leckageverlusten und/oder zum Augleich von temperaturbedingten Volumenschwankungen des Hydraulikfluids in der hydraulischen Verstellvorrichtung dient. Auch dieser Ausgleichbehälter kann in das Gehäuse integriert sein und ist insbesondere mit einem elastischen Element bzw. mit einer elastischen Abdeckung verschlossen. Eine Verschiebung des Körpers bzw. Kolbens mittels der bevorzugt hydraulischen Verstellvorrichtung hat den Vorteil, dass ein Verschleiß der Lagerschale sowie ein gegebenenfalls daraus resultierendes, unerwünscht großes Spiel des Lagerzapfens in der Lagerschale kompensierbar ist. Ferner kann mittels der hydraulischen Verstellvorrichtung ein vorbestimmtes Arbeitsmoment für den Lagerzapfen eingestellt und selbst bei
Verschleiß der Lagerschale aufrechterhalten bzw. nachgeführt werden. Somit ist auch bei Verschleiß der Lagerschale eine Spielfreiheit des Gelenks aufrechterhaltbar.
Zusätzlich kann ein Kraftsensor und/oder Drucksensor in dem Gelenk vorgesehen sein, so dass eine Regelung der hydraulischen Verstellvorrichtung, zum Beispiel für das
Nachführen des Arbeitsmoments, realisierbar ist. Der Drucksensor ist bevorzugt in den Hydraulikkreislauf integriert, wohingegen der Kraftsensor zwischen der Lagerschale und dem Gelenkgehäuse sitzen kann.
Die Kombination von verschiebbarem Körper bzw. Kolben mit hydraulischer
Verstellvorrichtung weist ferner den Vorteil auf, dass eine Leckage im Hydraulikkreislauf in aller Regel keine sofortige Beschädigung der Lagerschale nach sich zieht, so dass das Gelenk auch bei einem Verlust von Hydraulikfluid zumindest übergangsweise funktionsfähig bleibt und sich wie ein herkömmliches, passives Gelenk verhält (Fail-Saife- Eigenschaft des erfindungsgemäßen Gelenks).
Zwischen dem Kolben und dem Gehäuse kann eine elastische Membran vorgesehen sein, über welche die hydraulische Verstellvorrichtung an den Kolben angreift. Die Membran verläuft bevorzugt an der der Lagerschale abgewandten Seite des Kolbens und ist zum Beispiel am Gehäuse insbesondere dichtend festgelegt, so dass auf einen Dichtring verzichtet werden kann, der die Außenmantelfläche des Kolbens gegenüber der Gehäuseinnenwandung abdichtet.
Die hydraulische Verstellvorrichtung kann ein Hydraulikfluid und einen oder mehrere Hydraulikpfade oder -leitungen aufweisen, die insbesondere mit einem oder mehreren Ventilen, wie zum Beispiel Rückschlagventilen und/oder Magnetventilen, versehen sind. Bevorzugt weist die hydraulische Verstellvorrichtung aber eine rheologische, zum Beispiel elektro- oder magnetorheologische Hydraulikflüssigkeit als Hydraulikfluid auf, wobei wenigstens eine Hydraulikleitung von einem insbesondere veränderbaren elektrischen oder magnetischen Feld durchsetzt ist. Somit ist es möglich, die von dem elektrischen oder magnetischen Feld durchflutete Hydraulikleitung als Ventil zu nutzen, wobei die Zähigkeit der Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen oder magnetischen Feld gesteuert wird. Ein derartiges Ventil wird auch als Rheo- Ventil bezeichnet.
Die hydraulische Verstellvorrichtung kann eine Hydraulikpumpe aufweisen, die bevorzugt in dem Gehäuse angeordnet ist und zum Beispiel als Piezo-Membranpumpe ausgebildet sein kann. Es ist aber auch möglich, die Hydraulikpumpe außerhalb des Gehäuses vorzusehen.
Ergänzend oder alternativ kann die hydraulische Verstellvorrichtung einen an oder in dem Gehäuse angeordneten Elektromotor sowie einen in einer Hydraulikkammer angeordneten
Primärkolben aufweisen, der von dem Elektromotor verschiebbar ist. Dieser insbesondere als Schrittmotor ausgebildete Elektromotor kann den Primärkolben über ein Getriebe linear verstellen und somit in der Hydraulikkammer den Druck zum Verstellen des Kolbens bzw. des Spannmittels steuern. Der Elektromotor ist somit als Linear-Aktuator ausbildbar, von dem zum Beispiel eine Gewindespindel gedreht wird, die aufgrund der Drehung entweder selbst linear verschoben wird oder ein auf der Gewindespindel sitzendes Element, wie zum
Beispiel eine Mutter, linear verschiebt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks, in welchem vier Ausführungsformen schematisch dargestellt sind,
Fig. 2 eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein Kugelgelenk gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine andere Schnittansicht der Ausführungsform nach Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der hydraulischen Verstellvorrichtung der Ausführungsform nach Fig. 3,
Fig. 6 eine Schnittansicht durch eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks,
Fig. 7 eine andere Schnittansicht der Ausführungsform nach Fig. 6,
Fig. 8 eine erste Modifikation des Gelenks nach Fig. 3 und
Fig. 9 eine zweite Modifikation des Gelenks nach Fig. 3.
Aus Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Gelenk ersichtlich, wobei vier Ausführungsformen gleichzeitig dargestellt sind und das Gelenk als Kugelgelenk ausgebildet ist. Ein eine Gelenkkugel 1 und einen Zapfenbereich 2 aufweisender Lagerzapfen bzw. Kugelzapfen 3 ist mit der Gelenkkugel bzw. Lagerbereich 1 in einer einteilig ausgebildeten Lagerschale 4 drehbar und schwenkbar gelagert. Die Lagerschale 4 sitzt in einem Gehäuse 5, welches eine Öffnung 6 aufweist, durch welche hindurch sich der Kugelzapfen 3 erstreckt. Das Gehäuse 5 weist eine der Öffnung 6 gegenüberliegende
Öffnung 7 auf, die von einem Deckel 8 verschlossen ist. Im Bereich der Öffnung 6 ist an dem Gehäuse 5 ein Dichtungsbalg 9 über Spannringe 10 festgelegt, dessen der Öffnung 6 abgewandtes Ende 1 1 dichtend an dem Zapfenbereich 2 anliegt. In dem Gehäuse 5 ist eine Ausnehmung 12 vorgesehen, die von einer Innenwandung 13 des Gehäuses 5 begrenzt ist. Die Innenwandung 13 weist einen zylindrischen Innenwandungsbereich 14 und einen sich verjüngenden, insbesondere konischen Innenwandungsbereich 15 auf, der sich an den Innenwandungsbereich 14 anschließt. Der Innenwandungsbereich 15 verjüngt sich dabei mit abnehmendem Abstand zur Öffnung 6. Die Lagerschale 4 liegt mit ihrer Außenumfangsfläche 16 an den beiden Innenwandungsbereichen 14 und 15 an, so dass die Lagerschale 4 einen an dem Innenwandungsbereich 14 anliegenden zylindrischen Außenumfangsflächenbereich 17 und einen an dem Innenwandungsbereich 15 anliegenden, sich verjüngenden, insbesondere konischen Außenumfangsflächenbereich 18 aufweist. Der Außenumfangsflächenbereich 18 verjüngt sich dabei mit abnehmendem Abstand zur Öffnung 6. Die Längsachse 19 des insgesamt mit 20 bezeichneten Kugelgelenks fällt im unausgelenkten Zustand des Kugelzapfens 3 mit dessen Längsachse 21 zusammen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein bevorzugt ringförmiges Spannmittel 22 zwischen der Lagerschale 4 und dem Deckel 8 unter Zwischenschaltung eines Stützrings 23 angeordnet. Das Spannmittel 22 liegt mit einem Flächenbereich 24 an einem Außenflächenbereich 25 der Lagerschale 4 an, wobei der Stützring 23 zwischen dem Spannmittel 22 und dem Deckel 8 angeordnet ist. Das Spannmittel 22 ist hier zum Beispiel als elektrisch angesteuerter, piezoelektrischer Aktor ausgebildet, der über eine Längenänderung parallel zur Längsachse 19 die Lagerschale 4 verformen kann. Hierdurch wird die von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübte mechanische Spannung verändert, so dass das zum Schwenken des Kugelzapfens 3 erforderliche Drehmoment über eine Längenänderung des Spannelements bzw. über eine Änderung der an diesem anliegenden elektrischen Spannung einstellbar ist. Der Flächenbereich 24 und der Außenflächenbereich 25 verlaufen dabei senkrecht zur Längsachse 19 und sind insbesondere als Ringflächen ausgebildet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist anstelle des Spannmittels 22 ein bevorzugt ringförmiges Spannmittel 26 vorgesehen, welches zwischen dem Stützring 23 und der Lagerschale 4 angeordnet ist und mit einem Flächenbereich 27 an einem Außenflächenbereich 28 der Lagerschale 4 anliegt. Der Flächenbereich 27 und der Außenflächenbereich 28 sind konisch bzw. kegelstumpfförmig ausgebildet und schließen in Verlängerung mit der Längsachse 19 einen Winkel α mit 0° <α < 90° ein. Durch die schräge bzw. konische Ausbildung der beiden Flächen 27 und 28 wird eine wirkungsvollere Kraftübertragung insbesondere zum Mittelpunkt M der Kugel 1 hin erzielt. Bevorzugt beträgt der Winkel α hier 30°, so dass der Öffnungswinkel des Kegels bei 60° liegt. Gemäß einer Alternative beträgt der Winkel α aber zum Beispiel 60°. Auch das Spannmittel 26 kann als ein über eine elektrische Spannung steuerbarer, piezoelektrischer Aktor ausgebildet sein, der über eine Längenänderung parallel zur Längsachse 19 die Lagerschale 4 verformen und somit die von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübte mechanische Spannung verändern kann. Die zweite Ausführungsform bildet insbesondere eine Alternative zur ersten Ausführungsform.
Gemäß einer dritten Ausführungsform ist ergänzend oder alternativ zu dem Spannmittel 22 oder 26 ein Spannelement 29 vorgesehen, welches in radialer Richtung zwischen der Lagerschale 4 und der Innenwandung 13 des Gehäuses 5 angeordnet ist. Das Spannmittel 29 sitzt dabei in einer Ausnehmung 30 der Lagerschale 4, kann alternativ aber auch in einer in der Innenwandung 13 ausgebildeten Ausnehmung angeordnet sein. Mit Hilfe des Spannmittels 29 ist es möglich, eine vornehmlich in radialer Richtung auf die Gelenkkugel 1 wirkende Spannung aufzubauen, wobei unter radialer Richtung hier eine Richtung verstanden werden soll, die senkrecht zur Längsachse 19 verläuft und bevorzugt den Mittelpunkt M der Gelenkkugel 1 schneidet. Das Spannmittel 29 kann als ein über eine elektrische Spannung steuerbarer, piezoelektrischer Aktor ausgebildet sein, der über eine Längenänderung in radialer Richtung die Lagerschale 4 verformen und somit die von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübte mechanische Spannung verändern kann.
Gemäß einer vierten Ausführungsform kann ergänzend oder alternativ zu den vorherigen Ausführungsformen die Lagerschale vollständig oder zumindest bereichsweise aus einem elektrisch deformierbaren Verbundwerkstoff 31 hergestellt sein, der zum Beispiel aus Kunststoff mit darin eingebetteten und ein Spannmittel bildenden piezokeramischen Fasern oder Carbon-Nano-Tubes besteht. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Lagerschale 4 kann eine Verformung bzw. Volumenänderung derselben herbeigeführt werden, was zu einer Veränderung der von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübten mechanischen Spannung führt. Somit bildet die Lagerschale 4 selbst einen Aktor.
Bei den ersten vier Ausführungsformen wird die Beeinflussung des Drehmoments aktiv gesteuert, wobei ein insbesondere elektrisch ansteuerbarer Aktor als Spannmittel eingesetzt wird. Durch eine Längenänderung bzw. Ausdehnung des Aktors wird eine Kraft auf die Lagerschale 4 und somit auf die Gelenkkugel 1 ausgeübt, wodurch das Bewegungsmoment des Kugelgelenks 20 erhöht oder erniedrigt werden kann. Der Aktor besteht dabei zum Beispiel aus Piezokeramik, aus Kunststoff wie zum Beispiel einem elektroaktiven Polymer, aus Kohlenstoffverbindungen, wie zum Beispiel Carbon-Nano-Tubes
(Kohlenstoff-Nano-Röhrchen) oder aus einem Verbundwerkstoff, der zum Beispiel aus einer Kombination der vorgenannten Materialien zusammengesetzt ist.
Da die Drehmomente des Kugelgelenks 20 über das oder die Spannmittel aktiv variierbar sind, können unerwünschte Schwingungen, die in bestimmten Fahrsituationen am Rad eines Kraftfahrzeugs entstehen, im Kugelgelenk 20 gedämpft werden. Somit dringen diese Schwingungen nicht mehr oder lediglich gedämpft bis ins Fahrzeuginnere vor. Ferner besteht die Möglichkeit, einen Verschleiß des Kugelgelenks 20 auszugleichen, der über dessen Lebensdauer auftritt und zu einem freien Spiel und somit zu Geräuschen führen kann.
Aus Fig. 2 ist eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks ersichtlich, wobei zu den vorherigen Ausführungsformen identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei den vorherigen Ausführungsformen bezeichnet sind. Das Gehäuse 5 ist auf der der Öffnung 6 gegenüberliegenden Seite durch einen Boden 32 verschlossen, der hier einstückig mit dem Gehäuse 5 ausgebildet ist. Zwischen dem Boden 32 und der Lagerschale 4 ist ein Spannmittel 33 vorgesehen, welches als parallel zur Längsachse 19 verschiebbarer Kolben ausgebildet ist, dessen Außenumfangsfläche 34 an der Innenwandung 13 des Gehäuses 5 verschiebbar geführt ist. In der Außenumfangsfläche 34 ist eine Ringnut 35 vorgesehen, in der ein Dichtring 36 sitzt, welcher den Kolben 33 gegenüber der Innenwandung 13 abdichtet. Zwischen dem Kolben 33 und dem Boden 32 ist eine Hydraulikkammer 37 ausgebildet, die über einen Anschluss 38 und eine Hydraulikleitung 39 mit einer außerhalb des Gehäuses 5 angeordneten hydraulischen Verstellvorrichtung 40 verbunden ist. Dabei sind die Hydraulikleitung 39 und die hydraulische Verstellvorrichtung 40 lediglich schematisch dargestellt.
Über die hydraulische Verstellvorrichtung 40 kann ein Hydraulikfluid 41 in die Hydraulikkammer 37 eingebracht oder aus dieser abgelassen werden, wodurch der Kolben 33 entlang der Längsachse 19 auf die Gelenkkugel 1 zu oder von dieser weg bewegbar ist. Hierdurch kann die Lagerschale 4 verformt werden, was zu einer Änderung der von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübten mechanischen Spannung führt. Somit ist über die hydraulische Verstellvorrichtung 40 eine Änderung des Kugelgelenk-Drehmoments erzielbar.
Die hydraulische Verstellvorrichtung 40 weist eine von einem Motor 42 angetriebene Hydraulikpumpe 43 auf, die einerseits mit der Hydraulikleitung 39 und andererseits mit einem mit dem Hydraulikfluid 41 gefüllten Ausgleichsbehälter 44 in Verbindung steht. Ferner ist zwischen dem Ausgleichsbehälter 44 und der Hydraulikleitung 39 ein Ventil 45 vorgesehen.
Der Kolben 33 weist einen kegelstumpfförmigen Flächenbereich 46 auf, der an einem ebenfalls kegelstumpfförmigen Außenflächenbereich 47 der Lagerschale 4 anliegt. Die kegelstumpfförmigen Flächenbereiche 46 und 47 schließen dabei in Verlängerung mit der Längsachse 19 einen Winkel α mit 0° < α < 90° ein, wobei sich ein Winkel von α = 30° als besonders geeignet erwiesen hat. Gemäß einer Alternative beträgt der Winkel α aber zum Beispiel 60°. Dem Flächenbereich 47 gegenüberliegend weist die Lagerschale 4 einen kegelstumpfförmigen Außenflächenbereich 48 auf, der an einem ebenfalls kegelstumpfförmigen Innenwandungsbereich 49 des Gehäuses 5 anliegt. Die beiden kegelstumpfförmigen Bereiche 48 und 49 schließen dabei in Verlängerung mit der Längsachse 19 einen Winkel ß mit 0° < ß < 90° ein, wobei sich ein Winkel von ß = 30° als besonders geeignet erwiesen hat. Gemäß einer Alternative beträgt der Winkel ß aber zum Beispiel 60°. Die Gelenkkugel 1 bzw. deren Mittelpunkt M ist zwischen den beiden Außenflächenbereichen 47 und 48 angeordnet, wobei der Außenflächenbereich 47 und der Flächenbereich 46 derart ausgerichtet sind, dass diese beiden Bereiche 47, 46 sich mit zunehmendem Abstand von der Öffnung 6 verjüngen. Dem gegenüber sind der Außenflächenbereich 48 und der Innenwandungsbereich 49 derart ausgerichtet, dass diese beiden Bereiche 48, 49 sich mit abnehmendem Abstand zur Öffnung 6 verjüngen.
Die insgesamt einteilig ausgebildete Lagerschale 4 weist somit zwei konische Außenkonturen in den Bereichen 47 und 48 auf. Ferner ist die Gehäuseinnenwandung 13 zur Öffnung 6 hin im Bereich 49 konisch ausgestaltet. Auch ist der Kolben 33 auf seiner der Lagerschale 4 zugewandten Außenfläche im Bereich 46 konisch ausgebildet bzw. weist dort einen Innenkegel auf, wobei alle diese Kegelflächen 46, 47, 48, 49 betragsmäßig bevorzugt einen gleichen Neigungswinkel α bzw. ß zur Längsachse 19 aufweisen. Mit dieser Anordnung werden die Nachteile der zweiteiligen Lagerschale in einer vollständig zylindrischen Gehäuseinnenfläche beseitigt. Durch die bevorzugt ca. 60°-Kegel (46, 47, 48, 49) wird die Kugel 1 von oben und von unten mit gleichen Kräften gleichmäßig von der Lagerschale 4 gespannt und ein evtl. vorhandenes Radialspiel ausgedrückt. Die Spannkraft wird durch die Keilwirkung verstärkt, wobei sich ein entsprechend vergrößerter Spannhub besser steuern lässt. Außerdem wird das System gegen externe Axialkräfte erheblich unempfindlicher. Eine Freimachung 76 (siehe Fig. 6) am Äquatorbereich der Lagerschaleninnenfläche kann diesen Effekt verstärken, da dann die Spannkräfte im wesentlichen nur zur Kugelmitte hin wirken, insbesondere entlang der oberen und unteren ca. 30° Längengrade.
Aus Fig. 3 ist eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenks ersichtlich, die eine Modifikation der fünften Ausführungsform darstellt, so dass identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der fünften Ausführungsform bezeichnet sind. Im Gegensatz zur fünften Ausführungsform ist bei der sechsten Ausführungsform die hydraulische Verstellvorrichtung in dem Gelenkgehäuse 5 integriert, welches hier zweiteilig ausgebildet ist und ein oberes Gehäuseteil 50 sowie ein unteres Gehäuseteil 51 aufweist, welches an dem oberen Gehäuseteil 50 befestigt ist. Das untere Gehäuseteil 51 verschließt eine der Öffnung 6 gegenüberliegende Öffnung 52 des oberen Gehäuseteils 50 und bildet somit einen Gehäuseboden. Die mit dem Kolben 33 und der Hydraulikkammer 37 zusammenwirkende hydraulische Verstellvorrichtung ist in dem unteren Gehäuseteil 51 angeordnet und wird nachfolgend beschrieben.
Eine Piezomembranpumpe 53 sitzt in einer Ausnehmung 54 des Gehäuseteils 51 und betätigt einen in dem Gehäuseteil 51 verschiebbar geführten und in eine Hydraulikkammer 55 hineinreichenden Pumpenkolben 56, der von der Pumpe 53 in Richtung und in Gegenrichtung des Pfeils P verschoben werden kann, wodurch das Volumen der Hydraulikkammer 55 veränderbar ist. Wird der Pumpenkolben 56 in
Richtung des Pfeils P bewegt, verringert sich das Volumen der Hydraulikkammer 55, so dass ein in diese Kammer eingebrachtes Hydraulikfluid 57 durch einen Hydraulikkanal 58 hindurch in die Hydraulikkammer 37 strömt. Hierdurch wird der Kolben 33 in Richtung des Pfeils Q verschoben, was eine Deformation der Lagerschale 4 und somit eine Erhöhung der von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübten mechanischen
Spannung bewirkt. In der Hydraulikkammer 55 ist ein Ventil 59 vorgesehen, mit welchem ein Zurückströmen des Hydraulikfluids 57 aus der Hydraulikkammer 37 in die Hydraulikammer 55 verhindert werden kann. Ferner ist ein mit dem Hydraulikfluid 57 gefüllter Ausgleichsbehälter 60 in einer Ausnehmung 61 des Gehäuseteils 51 angeordnet und von einer elastischen Abdeckung 82 verschlossen, die über einen Deckel 62 am Gehäuse 5 gesichert ist.
Aus Fig. 4 ist ein Schnitt der sechsten Ausführungsform entlang der Schnittlinie 79 aus Fig. 3 ersichtlich, wobei eine hinter der Hydraulikkammer 55 liegende Hydraulikkammer 63 gestrichelt angedeutet ist. Die Hydraulikkammer 63 steht über eine Öffnung 64 mit der Hydraulikkammer 55 in Verbindung und ist über eine Hydraulikleitung 65 mit dem Ausgleichsbehälter 60 verbunden. Ferner weist die Hydraulikkammer 63 ein Ventil 66 auf, welches bei einer Bewegung des Pumpenkolbens 56 in Richtung des Pfeils P ein Strömen des Hydraulikfluids 57 aus der Hydraulikkammer 55 durch die Öffnung 64, durch die Hydraulikkammer 63 und durch die Hydraulikleitung 65 in die Ausgleichskammer 60 verhindern kann. Die beiden Ventile 59 und 66 können als Rückschlagventile ausgebildet sein, wobei bevorzugt ein insbesondere als Mini-Magnetventil ausgebildetes zusätzliches Ventil 67 (siehe Fig. 5) und zusätzliche Hydraulikpfade 68, 69 (siehe Fig. 5) vorsehbar sind, so dass Druck- bzw. Hydraulikfluid aus der Hydraulikkammer 37 abgelassen werden kann. Alternativ ist es aber auch möglich, als Hydraulikfluid 57 eine elektro- oder magnetoreologische Flüssigkeit zu verwenden, deren Viskosität über ein elektrisches bzw. magnetisches Feld steuerbar ist. Die Ventile 59 und 66 können dann als sogenannte „Rheo- Ventile" ausgebildet sein und ein magnetisches oder elektrisches Feld erzeugen, welches Kanäle 77 und 78 durchsetzt, so dass je nach Stärke des Feldes ein Durchfluss von Hydraulikfluid durch die Kanäle 77 und/oder 78 möglich oder verhindert ist. In diesem Fall ist das zusätzliche Ventil 67 mit den Leitungen 68, 69 zum Ablassen des Drucks aus der Hydraulikkammer 37 nicht erforderlich.
Aus Fig. 5 ist eine schematische Ansicht der hydraulischen Verstellvorrichtung bzw. des Hydraulikkreislaufs gemäß der sechsten Ausführungsform ersichtlich, wobei die
Ventile 59 und 66 bevorzugt als Rheo-Ventile ausgebildet sind, die ein Durchströmen von Hydraulikfluid 57 in beide Richtungen ermöglichen. Für den Fall, dass die Ventile 59 und 66 lediglich Rückschlagventile bilden, sind das zusätzliche Ventil 67 sowie die beiden zusätzlichen Leitungen 68, 69 vorgesehen und gestrichelt angedeutet. Das zusätzliche Ventil 67 ist dabei über die Leitung 68 mit der Hydraulikkammer 37 und über die Leitung 69 mit dem Ausgleichsbehälter 60 verbunden.
Gemäß der sechsten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Druckerzeugung unmittelbar in das Kugelgelenkgehäuse 5 zu integrieren. Dies ist machbar, weil praktisch keine oder lediglich geringfügige Fördervolumen anfallen (max. 1 cm3 plus die
Kompressibilität des Druckmediums) und die notwenigen Drücke relativ klein sind (< 100 bar, durchschnittlich max. 50 bar). Statt einer außenliegenden Anordnung aus Elektromotor, Pumpe, Ventil und Verrohrung wird eine in das untere Gehäuseteil 51 bzw. in den Deckel des Kugelgelenks 20 eingebaute Piezo-Membran als Pumpe 53 benutzt. Diese wird über eine elektrische Spannung in Schwingung versetzt und pumpt die vor dem Kolben 56 stehende Hydraulikflüssigkeit hin und her. Damit ein Pumpeffekt zustande kommt, hat der Pumpenraum zwei Anschlusskanäle bzw. Verbindungen, eine zum Ausgleichsbehälter 60 und die andere zur Hydraulikkammer 37 am Kolben 33 unterhalb der Lagerschale 4. In diesen beiden Verbindungen können Rückschlagventile 59, 66 vorgesehen sein, die bei jedem Hub des Kolbens 56 ein Saugen und Pumpen ermöglichen, ohne die Flüssigkeit 57 nur hin und her zu schieben. Ein Mini-Magnetventil 67 kann mit der Hydraulikkammer 37 verbunden sein, um den Druck aus dieser Kammer 37 abzulassen. Alternativ kann aber auch eine rheologische Flüssigkeit als Druckmittel 57 eingesetzt werden, wobei die beiden Ventile 59 und 66 als Rheo-Ventile ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Verbindungen zum Ausgleichsbehälter 60 und zur Hydraulikkammer 37 über elektrische oder magnetische Felder steuerbar, welche im Takt bzw. im Gleichtakt mit den Schwingungen der Piezomembran abwechselnd eine Strömung des Hydraulikfluids 57 sperren bzw. freigeben. Die Verbindungen haben sehr kleine Durchmesser (1-3 mm) und sind in dem unteren Gehäuseteil 51 vorgesehen. Der Kolben 33, dessen Durchmesser etwas größer als der Durchmesser der Gelenkkugel 1 ist, wird automatisch mit diesem Druck beaufschlagt. Da aber die Fläche des Kolbens 33 ca. 100 mal größer als die Fläche des Kolbens 56 ist, entfalten sich auch ca. 100 mal größere Druckkräfte als die Axialkräfte, die durch den Piezo-Effekt noch erreichbar sind. Der Hub des Kolbens 33 ist sehr klein (zum Beispiel max. 0,3 mm), ist aber dennoch ausreichend, um die von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübte Kraft derart zu steigern, bis dass die Gelenkkugel 1 unbeweglich ist. Im Falle einer Theologischen Flüssigkeit als Hydraulikfluid 57 und des Vorsehens von Rheo-Ventilen 59, 66 ist kein zusätzliches Ventil 67 zum Ablassen des Drucks aus der Kammer 37 erforderlich, da die beiden Kanäle 77 und 78 für den Durchtritt von Hydraulikflüssigkeit 57 freigeschaltet werden können, indem zum Beispiel der durch die Rheo-Ventile 59, 66 fließende und zum Aufbau der magnetischen Felder dienende Strom verringert bzw. abgebaut wird.
Durch die Integration der Piezo-Pumpe 53 in das Kugelgelenkgehäuse 5 und den Einsatz von Theologischen Flüssigkeiten als Hydraulikfluid 57 kann das Drehmoment des Kugelgelenks 20 stufenlos, insbesondere sehr feinfühlig in jeder Position geregelt werden. Die Schwingfrequenzen der Piezo-Pumpe 53 können sehr hoch gewählt werden, wobei eine Sychronisation zwischen der Piezomembran und den beiden Theologischen Ventilen 59, 66 problemlos möglich ist. Der Wirkungsgrad ist sehr hoch und die Laufzeiten wegen der hohen Frequenz sehr klein. Außerdem kann die Piezomembran zum Messen des Drucks benutzt und zum Beispiel in einem Regelkreis als Drucksensor eingesetzt werden.
Aus Fig. 6 ist eine siebte Ausfuhrungsform des erfϊndungsgemäßen Gelenks ersichtlich, welche eine Weiterbildung der fünften Ausführungsform darstellt, wobei die hydraulische Verstellvorrichtung in dem Kugelgelenkgehäuse 5 integriert ist. Insbesondere stellt die siebte Ausführungsform eine Alternative zur sechsten Ausführungsform dar, wobei identische oder ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie bei der fünften und sechsten Ausführungsform bezeichnet sind.
Das Gehäuse 5 weist ein oberes Gehäuseteil 50 und ein unteres Gehäuseteil 51 auf, welches an dem oberen Gehäuseteil 50 festgelegt ist. In dem unteren Gehäuseteil 51 ist eine Hydraulikkammer 55 ausgebildet, die über eine Hydraulikleitung 58 mit der
Hydraulikkammer 37 unterhalb des Kolbens 33 verbunden ist. In der Hydraulikkammer 55 ist ein Primärkolben 56 in Richtung und in Gegenrichtung des Pfeils P verschiebbar geführt, so dass durch eine Bewegung des Primärkolbens 56 das Volumen der Hydraulikkammer 55 variierbar ist. In der Hydraulikkammer 55 ist ein Hydraulikfluid 57 vorgesehen, welches bei einer Bewegung des Primärkolbens 56 in Richtung des Pfeils P durch die Hydraulikleitung 58 in die Hydraulikkammer 37 strömt und den Kolben 33 in Richtung des Pfeils Q anhebt. Der Primärkolben 56 weist eine Ringnut 70 auf, in welcher ein Dichtring 71 sitzt, der den Primärkolben 56 gegenüber der Innenwandung der Hydraulikkammer 55 abdichtet. Der Primärkolben 56 ist über ein Getriebe 72 mit einem Elektromotor 73 verbunden, der an dem unteren Gehäuseteil 51 festgelegt ist. Der Motor 73 ist insbesondere als elektrischer Schrittmotor ausgelegt, der eine Linearspindel 75 schieben kann, die mit dem Primärkolben 56 verbunden ist. Ferner ist in einer Ausnehmung 61 des unteren Gehäuseteils 51 ein mit Hydraulikfluid 57 gefüllter und mit einer elastischen Abdeckung 82 verschlossener Ausgleichsbehälter 60 vorgesehen, die mittels einer Halterung 62 an dem unteren Gehäuseteil 51 gesichert ist. Der
Ausgleichsbehälter 60 ist über einen Kanal 74 mit der Hydraulikkammer 55 verbunden, wobei je nach Stellung des Primärkolbens 56 der Kanal 74 geöffnet oder geschlossen werden kann. Im geöffneten Zustand bildet der Kanal 74 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter 60 und dem mit Hydraulikfluid 57 gefülltem Volumen der Hydraulikkammer 55. Im geschlossenen Zustand des Kanals 74 ist diese hydraulische Verbindung unterbrochen.
Wie bei der sechsten Ausführungsform, ist gemäß der siebten Ausführungsform die Druckerzeugung unmittelbar in das Kugel gel enkgehäuse 5 integriert, was aus den gleichen Gründen wie bei der sechsten Ausführungsform realisierbar ist. Insbesondere ist es möglich, einen kleinen Schrittmotor 73 mit integrierter Linearspindel 75 vorzusehen, der den Primärkolben 56 in Richtung und in Gegenrichtung des Pfeils P hin und her schieben kann. Ein derartiger Schrittmotor 73 mit Linearspindel 75 ist als Handelsware kostengünstig zu beziehen.
Der Primärkolben 56 weist bevorzugt einen kleinen Durchmesser von 3 - 5 mm auf, der in der Hydraulikkammer bzw. Bohrung 55 im unteren Gehäuseteil 51 sitzt. Der Primärkolben 56 hat insbesondere einen Hub von 15 - 30 mm. Die Bohrung 55 ist über den Kanal 58 mit der Kammer 37 und somit mit dem Kolben 33 verbunden. Der Sekundärkolben 33, dessen Durchmesser etwas größer als der Durchmesser der Gelenkkugel 1 ist, wird automatisch mit gleichem Druck beaufschlagt. Da die Fläche des Sekundärkolbens aber ca. 100 mal größer ist als die Fläche des Primärkolbens 56, entfalten sich auch ca. 100 mal größere Druckkräfte. Der Hub des Sekundärkolbens 33 ist zwar ca. 100 mal kleiner als der Hub des Primärkolbens 56, dies ist aber dennoch ausreichend, um das Drehmoment bzw. das Reibmoment des Kugelgelenks 20 bis zur Unbeweglichkeit zu steigern. Zum Senken des Drucks in der Hydraulikkammer 37 ist kein Ventil erforderlich. Die Absenkung des Drucks wird dadurch erreicht, dass der Schrittmotor 73 rückwärts gedreht wird, was zu einer Bewegung des Primärkolbens 56 in Gegenrichtung des Pfeils P führt. Die Ausgleichskammer 60 ist nur in der eingefahrenen Position des Primärkolbens 56 in den Hydraulikkreislauf eingeschlossen, und wird lediglich dafür genutzt, Leckageverluste und temperaturabhängige Druckschwankungen auszugleichen. Unter der eingefahrenen Position wird dabei eine Position verstanden, in welcher der Primärkolben 56 in Gegenrichtung des Pfeils P so weit verschoben ist, bis dass über den Kanal 74 eine hydraulische Verbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter 60 und dem Volumen der Hydraulikkammer 55 gebildet ist.
Im Vergleich zu der fünften und sechsten Ausführungsform können Ventile und
Drucksensoren entfallen. Ferner ist eine Reduzierung der erforderlichen Leitungen und Verschraubungen erzielbar. Das Drehmoment des Kugelgelenks 20 kann stufenlos, sehr feinfühlig in jeder Position geregelt werden. Die Wirkungsgradverluste sind sehr gering, obwohl eine hundertfache Verstärkung mühelos erreicht werden kann. Die Integration des Hydraulikkreislaufs in das Kugelgelenk 20 reduziert die Menge des erforderlichen Druckmittels auf ein Minimum, insbesondere auf den notwendigen Ausgleich der Kompessibilität des Druckmittels.
Aus Fig. 7 ist eine Schnittansicht der Ausführungsform nach Fig. 6 entlang der Schnittlinie 79 ersichtlich, woraus der im Vergleich zur sechsten Ausführungsform vereinfachte Aufbau deutlich wird.
Die Fig. 8 und 9 zeigen Modifikationen des Ausführungsform nach Fig. 3, wobei identische und ähnliche Merkmale mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, wie bei der sechsten Ausführungsform. Zwischen dem in dem oberen Gehäuseteil 50 angeordneten Kolben 33 und dem unteren Gehäuseteil 51 bzw. dem Gehäuseboden ist eine elastische Membran 80 vorgesehen, so dass die über den Hydraulikkanal 58 zugängliche Hydraulikkammer 37 zwischen der Membran 80 und dem Gehäuseboden 51 ausgebildet ist. Wird der Hydraulikkammer 37 über den Hydraulikkanal 58 Hydraulikfluid 57 zugeführt, so dehnt sich die Membran 80 und drückt den Kolben 33 in Richtung des
Pfeils Q. Die elastische Membran 80 ist bevorzugt dichtend am Gehäuse 5 festgelegt, so dass bei diesen Modifikationen auf den aus Fig. 3 ersichtlichen Dichtring 36 zum Abdichten des Kolbens 33 gegenüber der Gehäuseinnenwandung 13 verzichtet werden kann. Ferner kann sich die Membran 80 bis in den Bereich zwischen der Außenumfangsfläche 34 des Kolbens 33 und der Gehäuseinnenandung 13 hineinerstrecken. Gemäß der aus Fig. 8 ersichtlichen ersten Modifikation ist die Membran 80 in einer in der Innenwandung 13 des Gehäuses 5 vorgesehenen Ringnut 81 befestigt. Alternativ kann die Membran 80 aber auch zwischen dem oberen Gehäuseteil 50 und dem unteren Gehäuseteil 51 festgelegt, insbesondere eingeklemmt sein, was aus Fig. 9 ersichtlich ist.
Ferner ist gemäß Fig. 9 ein Kraftsensor 83 zwischen der Lagerschale 4 und dem Gehäuse 5 angeordnet, der ein Signal liefert, welches die aktuelle mechanische Spannung repräsentiert, die von der Lagerschale 4 auf die Gelenkkugel 1 ausgeübt wird. Der Kraftsensor 83 eröffnet somit eine Möglichkeit, eine Regelung für die hydraulische
Verstellvorrichtung zu realisieren. Alternativ kann der Kraftsensor auch als Drucksensor ausgebildet und zum Beispiel in den hydraulischen Kreislauf integriert sein. Der Drucksensor sitzt hierfür zum Beispiel in der Hydraulikkammer 55 oder wird von der Piezo-Membran der Pumpe 53 gebildet.
Obwohl diese Modifikationen als Weiterbildungen der sechsten Ausführungsform erläutert wurden, ist es möglich, bei den anderen Ausführungsformen eine elastische Membran zwischen Kolben 33 und Gehäuseboden 32 bzw. 51 vorzusehen, so dass auch dort auf den Dichtring 36 verzichtet werden kann. Ferner ist der Einsatz eines Kraft- oder Drucksensors in allen Ausführungsformen möglich.
Bezugszeichenliste
Gelenkkugel Zapfenbereich Lagerzapfen / Kugelzapfen Lagerschale Gehäuse Öffnung in Gehäuse Öffnung in Gehäuse Deckel Dichtungsbalg Spannringe Ende des Dichtungsbalg Gehäuseausnehmung Innenwandung des Gehäuse zylindrischer Innenwandungsbereich sich verjüngender Innenwandungsbereich Außenumfangsfläche der Lagerschale zylindrischer Außenumfangsflächenbereich der Lagerschale sich verjüngender Außenumfangsflächenbereich der Lagerschale Längsachse des Kugelgelenks Kugelgelenk Längsachse des Kugelzapfens Spannmittel Stützring Flächenbereich des Spannmittels Außenflächenbereich der Lagerschale Spannmittel Flächenbereich des Spannmittels Außenflächenbereich der Lagerschale Spannmittel Ausnehmung Bereich der Lagerschale aus Verbundwerkstoff Gehäuseboden Spannmittel / Kolben Außenumfangsfiäche des Kolbens Ringnut Dichtring Hydraulikkammer Anschluss Hydraulikleitung hydraulische Verstellvorrichtung Hydraulikfluid Motor Hydraulikpumpe Ausgleichbehälter Ventil kegelstumpfförmiger Flächenbereich des Kolbens kegelstumpfförmiger Außenflächenbereich der Lagerschale kegelstumpfförmiger Außenflächenbereich der Lagerschale kegelstumpfförmiger Innewnandungsbereich des Gehäuses oberes Gehäuseteil unteres Gehäuseteil Gehäuseöffnung Pumpe Ausnehmung im unteren Gehäuseteil Hydraulikkammer Pumpenkolben / Primärkolben Hydraulikfluid Hydraulikkanal Ventil 0 Ausgleichsbehälter bzw. -kammer 1 Ausnehmung im unteren Gehäuseteil 2 Deckel / Halterung 3 Hydraulikkammer 4 Öffnung in Hydraulikkammer 5 Hydraulikleitung 6 Ventil 7 zusätzliches Ventil 8 zusätzliche Hydraulikleitung 9 zusätzliche Hydraulikleitung 0 Ringnut 1 Dichtring 2 Getriebe 3 Motor 4 Kanal 5 Linearspindel 6 Freimachung 7 Kanal 8 Kanal 9 Linie 0 elastische Membran 1 Nut in Gehäuse 2 elastische Abdeckung 3 Kraft- bzw. Drucksensor α Winkel ß Winkel
M Mittelpunkt der Gelenkkugel
P Pfeil
O Pfeil

Claims

Gelenk für ein KraftfahrzeugPatentansprüche
1. Gelenk für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (5), einer in dem Gehäuse (5) angeordneten Lagerschale (4), einem einen Lagerbereich (1) und einen Zapfenbereich (2) aufweisenden Lagerzapfen (3), der mit dem Lagerbereich (1) in der Lagerschale (4) schwenkbar und/oder drehbar gelagert ist und wenigstens einem in dem Gehäuse (5) angeordneten und als Festkörper ausgebildeten Spannmittel (33), von welchem eine von der Lagerschale (4) auf den Lagerbereich (1) ausgeübte mechanische Spannung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Lagerschale (4) zumindest bereichsweise federelastisch ausgebildet und von dem Spannmittel (33) federelastisch deformierbar ist.
2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (33) außerhalb der Lagerschale (4) angeordnet ist und an einem ersten Außenflächenbereich (47) der Lagerschale (4) angreift.
3. Gelenk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außenflächenbereich (47) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
4. Gelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (33) wenigsten einen kegelstumpfförmigen Flächenbereich (46) aufweist und über diesen an dem ersten Außenflächenbereich (47) angreift.
5. Gelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) mit einem zweiten kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereich (48) versehen ist, wobei das Gehäuse (5) eine Innenwandung (13) mit einem kegelstumpfförmig ausgebildeten Innenwandungsbereich (49) aufweist, an dem der zweite Außenflächenbereich (48) anliegt.
6. Gelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kegelstumpfförmig ausgebildeten Außenflächenbereiche (47, 48) der Lagerschale (4) sich mit zunehmendem Abstand voneinander verjüngen.
7. Gelenk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbereich (1) zumindest teilweise zwischen den beiden Außenflächenbereichen (47, 48) der Lagerschale (4) angeordnet ist.
8. Gelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (22, 26, 29, 31) Carbon-Nano-Tubes oder einen piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Werkstoff aufweist.
9. Gelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmittel (33) ein in dem Gehäuse (5) verschiebbar gelagerter Kolben ist.
10. Gelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (5) eine hydraulische Verstellvorrichtung zumindest teilweise angeordnet ist, von welcher der Kolben (33) in dem Gehäuse (5) verschiebbar ist.
11. Gelenk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstellvorrichtung eine elektro- oder magnetorheologische Hydraulikflüssigkeit (57) und wenigstens eine Hydraulikleitung (77) aufweist, die von einem elektrischen oder magnetischen Feld durchsetzt ist.
12. Gelenk nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstellvorrichtung eine an oder in dem Gehäuse (5) angeordnete Hydraulikpumpe (53) aufweist.
13. Gelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstellvorrichtung einen an oder in dem Gehäuse (5) angeordneten elektrischen Motor (73) und einen Primärkolben (56) aufweist, der von dem Motor (73) verschiebbar ist.
14. Gelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolben (33) und dem Gehäuse (5) eine elastische Membran (80) angeordnet ist.
15. Gelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstellvorrichtung einen in das Gehäuse (5) integrierten Ausgleichbehälter aufweist.
16. Gelenk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (60) eine elastische Abdeckung (82) aufweist.
17. Gelenk nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Verstellvorrichtung vollständig in das Gelenk integriert ist.
18. Gelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk ein Kugelgelenk (20) und der Gelenkbereich eine Gelenkkugel (1) ist.
19. Gelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (4) einteilig ausgebildet ist.
20. Gelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (5) ein Drucksensor und/oder ein Kraftsensor (83) vorgesehen ist.
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