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WO2006042537A1 - Kraftmesssystem mit zumindest einem kugelgelenk - Google Patents

Kraftmesssystem mit zumindest einem kugelgelenk Download PDF

Info

Publication number
WO2006042537A1
WO2006042537A1 PCT/DE2005/001900 DE2005001900W WO2006042537A1 WO 2006042537 A1 WO2006042537 A1 WO 2006042537A1 DE 2005001900 W DE2005001900 W DE 2005001900W WO 2006042537 A1 WO2006042537 A1 WO 2006042537A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
force
ball
force measuring
joint
measuring system
Prior art date
Application number
PCT/DE2005/001900
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Steinkamp
Martin Kornhage
Alfons Hegemann
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Priority to JP2007537110A priority Critical patent/JP2008517284A/ja
Priority to EP05804440A priority patent/EP1802951A1/de
Priority to US11/577,626 priority patent/US7552653B2/en
Publication of WO2006042537A1 publication Critical patent/WO2006042537A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G7/00—Pivoted suspension arms; Accessories thereof
    • B60G7/005—Ball joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60G17/015—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements
    • B60G17/019—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the type of sensor or the arrangement thereof
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    • 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 force measuring system with at least one ball joint for measuring forces and / or moments, for example in the region of the chassis or the suspension of motor vehicles, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a ball joint with force measuring device, in particular for an inventive Force measuring system, according to the preamble of claim 12.
  • Force measuring devices of the type mentioned are, for example, but not exclusively, used on the motor vehicle to be able to reliably determine the forces or moments occurring in the test mode on the test bench or in real driving.
  • Such a force measuring device is known for example from DE 101 07 279 Al.
  • the force measuring device known from this publication serves to determine or evaluate the force acting in a specific component of a motor vehicle, for example, the axial force present in a track rod due to reaction forces from the chassis.
  • it is provided according to the teaching of this document, inter alia, to provide a arranged between different components of the steering linkage ball joint with a strain gauge and to close on the basis of the signals of this strain gauge on the forces acting in the steering linkage rod or rod axial forces.
  • the utility of this known force measuring device is limited.
  • this force measuring device as described essentially only a force acting in a specific component and in a certain direction can be determined.
  • the known force measuring device is therefore not suitable for detecting more complex load situations, as they are considered, for example, on larger assemblies, or on the motor vehicle as an overall system occur.
  • the force measuring system comprises in a manner known per se at least one ball joint.
  • the ball joint has a joint housing, in which the joint ball of a ball pin is slidably receivable, wherein the ball pin is composed of shaft area and joint ball.
  • a force measuring device is arranged in the shaft region of the ball stud of the at least one ball joint of the force measuring system.
  • the force measuring system is characterized by an evaluation device which is set up such that the signals of the force measuring device are output as a force vector or as a combination of force vector and moment vector in a Cartesian coordinate system.
  • the force measuring system comprises not only a load cell, but rather an arrangement of a plurality of force transducers or force transducers.
  • the force transducer can be arranged, for example, on one and the same ball joint.
  • the force measuring system comprises a plurality of ball joints, on each of which one or more load cells are arranged.
  • the signals of all force transducers or force transducers are processed in such a way that the result of the signal processing is output in the form of a force vector or a combination of force vector and moment vector.
  • the evaluation device is set up in such a way that the origin of the force vector calculated from the signals of the force measuring device lies at the center of the joint ball of the ball joint.
  • a force vector related to the center of the joint ball can be used particularly easily and universally for subsequent force and load calculations.
  • the force measuring device of a ball joint comprises a plurality of force transducers for different directions of force, wherein the force transducers are preferably evenly distributed on the circumference of the shank portion of the ball stud.
  • the force transducers are particularly preferably arranged substantially parallel to the direction of the longitudinal axis of the ball pin.
  • forces can be determined in all three directions of the Cartesian space even with a small number of ball joints, or possibly even with only a single ball joint. If the force transmitters are evenly distributed and arranged in the longitudinal direction of the ball stud on the circumference of the shank region of the ball stud, so the unwanted crosstalk of the individual force transducer is minimized in this way. Furthermore, in this way, the shank region of the ball stud is used in the optimum manner for force measuring transducer as a bending beam so as to be able to determine the acting forces with high accuracy.
  • At least one force transducer is arranged in an axial central bore of the ball stud.
  • the force sensors arranged on the outer circumference of the ball pin shank, in particular, to measure separately the pure tensile or compressive forces acting in the journal-axial direction (z direction), and to measure these from the forces measured in the form of journal bending in x- or y-direction with the least possible signal cross-talk.
  • the force measuring system comprises a plurality of ball joints, each with a force measuring device, wherein the evaluation of the force measuring system is particularly preferably designed such that the signals of the force measuring means of the plurality of ball joints in the form of a force vector or a combination of force vector and moment vector output , Preferably, the origin of the corresponding vectors in the center or in a main reference point of a component or an assembly on the motor vehicle.
  • the conversion of the signals originating from the force measuring device of the ball joint or the ball joints into a vector can be done for example by means of a transmission matrix or calibration matrix created by means of calibration.
  • the calibration required for this can be done for the assumed case of detecting the load situation of a wheel suspension or a wheel carrier, for example, in such a way that defined under known laboratory conditions on the wheel in question of the motor vehicle or on the associated wheel, known forces in defined directions and / or defined, known moments are applied.
  • both the signals resulting from the load of the force measuring device (for example changes in the resistance of strain gauges) and the associated actual forces known in this case, or the associated force vectors, are entered into the evaluation device in a calibration mode. From this, the transmission matrix or calibration matrix can then be created, which can be stored in a suitable manner, and from which all future load situations can be determined directly from the measured combination of the signals of the force measuring device and output vectorically.
  • the ball joints provided with force sensors not only under laboratory conditions or in trial operation, for example of motor vehicles, but to provide such a detection of the load situation of chassis parts on the production vehicle.
  • the thus determined in real time load, for example, the suspension of a motor vehicle can then be used advantageously, for example, to expand the database for vehicle dynamics regulations and the like, which can achieve significant improvements in the driving safety of motor vehicles.
  • the force measuring system forms part of a device for preferably permanent monitoring of the load of the vehicle, whereby the costly weighing of commercial vehicles on stationary scales still common in the prior art Determination of the mass of the charge can be omitted.
  • use as a cost-effective life-time sensor for components or subassemblies also makes it possible to set the actual number of load changes actually borne by the respective component in relation to the nominal load cycle number that can theoretically be borne by the corresponding component.
  • the invention further relates to a ball joint with force measuring device.
  • the ball joint on a joint housing and a rotatable and / or pivotable in the joint housing ball pin, wherein the ball pin comprises a joint ball and a shaft portion and having a force measuring device.
  • the ball joint includes a plurality of force transducers, which are arranged in the shaft region of the ball stud and distributed over the circumference of the shaft region.
  • the invention is realized regardless of the specific type and design of the force transducer.
  • the force transmitters of the ball joint are preferably designed as strain gauges. Strain gauges are advantageous in that they are robust and allow high measurement accuracy.
  • the force sensors are arranged on the surface of the shaft region of the ball stud.
  • This embodiment allows an extremely simple and cost-effective production of the ball joint according to the invention, since no structural modifications must be made to the ball joint itself for mounting the force transducer.
  • recesses or planar surfaces for receiving the force transducers are in the shaft region of the ball stud intended. This compared to the above embodiment, only slightly more expensive design has the advantage of even greater achievable precision both in the placement of the force transducer as well as in the detection and evaluation of the strains and forces on the ball joint.
  • a force transducer is arranged in an axial central bore of the ball stud of the ball joint.
  • the pure tensile or compressive forces acting in the journal-axial direction can be separately measured particularly accurately and separated from the forces measured in the x or y direction, for example in the form of journal bends, owing to the particularly low signal cross-talk in this case.
  • FIG. 1 is a schematic isometric view of a ball stud for a
  • FIG. 2 in a schematic representation of the ball stud according to Figure 1 in the
  • FIG. 3 in a figure 1 corresponding representation of a ball pin for a
  • FIG. 4 in a figure 2 corresponding representation of the ball stud according to
  • Figure 1 shows a schematic isometric view of the ball stud 1 of a ball joint, not shown here for a force measuring system according to the present invention.
  • the ball pin 1 corresponds to the arranged in the neck region 2 of the ball stud 1 strain gauges 3 and up to the transverse bore 4 unchanged a standard ball pivot of a ball joint. This means that a ball joint existing, for example, in the region of the wheel suspension of a motor vehicle can already be used with extremely slight and thus cost-effective modifications for the force measuring system according to the invention.
  • strain gauges 3 are distributed around the circumference of the ball stud neck 2 arranged so that two adjacent strain gauges each enclose an angle of 90 degrees. Furthermore, the longitudinal axis of the strain gauges 3 runs parallel to the longitudinal axis of the ball stud 1. In this way, forces acting on the ball stud 1 can already be effected with the illustrated four strain gauges 3 both in the x direction (Fx), in the y direction (Fy) and in FIG z direction (Fz) are determined independently or simultaneously.
  • transverse bore 4 is the bundled and thus simpler and more robust cable management to the individual strain gauges.
  • the ball stud 1 is shown in Figure 1 again in the side view, in which one recognizes both the strain gauges 3 and the transverse bore 4 well.
  • the derivation of the exiting from the transverse bore 4 cable bundle of the strain gauges 3 in the region of the sealing bellows of the associated ball joint, not shown here takes place.
  • This particularly cost-effective embodiment can be used in particular when only slight tilting and / or rotational angle movements occur at the respective ball joint during operation.
  • the ball stud 1 is shown a ball joint for a further embodiment of a force measuring system according to the invention.
  • the ball stud 1 according to FIGS. 3 and 4 differs from the ball stud 1 according to FIGS. 1 and 2 primarily by the flat surfaces 5 milled in the shank region of the ball stud 1, which serve to mount the strain gauges 3, not shown in FIGS.
  • This compared to the embodiment of Figures 1 and 2 only slightly more expensive design has the advantage of greater achievable precision both in the placement of the strain gauges 3 and in the detection and evaluation of the strains and forces on the ball stud. 1
  • the longitudinal bore 6 can be used for two different purposes.
  • the connection cables coming from the strain gauges 3 can be bundled introduced into the transverse bore 4 and discharged by means of the longitudinal bore 6 at the end face of the threaded portion 7 of the ball stud 1.
  • This cable guide has the advantage that in principle arbitrary large tilting and / or rotational angular movements of the respective ball joint can be allowed in this way, without the risk of damaging the cable to the strain gauges 3 in the region of the flat surfaces 5.
  • the other possible use of the longitudinal bore 6 is that in the longitudinal bore 6 in addition to or alternatively to the said cable guide, a further force transducer or strain gauges can be arranged, which preferably serves to determine the forces in the longitudinal direction of the ball stud 1. In this way, an even better decoupling and separation of the signals with respect to the force directions Fx, Fy and Fz is possible.
  • a force measuring system or a ball joint is provided, in particular for use on motor vehicles, which allows the reliable detection of the operating or load state of not only individual components but rather entire assemblies of a motor vehicle.
  • the force measuring system according to the invention can replace other considerably more complex measuring systems such as electronic measuring wheels or built in the motor vehicle tire, wireless sensor systems not only in laboratory or trial operation of a motor vehicle. Rather, it is possible to use the force measuring system or ball joint according to the invention also on the production vehicle for detecting or regulating the driving dynamics. The invention thus makes a significant contribution to the better controllability of complex situations of measured value detection, especially on the motor vehicle as well as in other application areas of metrology.

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk, sowie ferner ein Kugelgelenk zur Kraftmessung. Das Kugelgelenk des Kraftmesssystems weist ein Gelenkgehäuse auf, in dem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens (1) gleitbeweglich aufnehmbar ist. Der Kugelzapfen (l) umfasst Schaftbereich und Gelenkkugel, wobei im Schaftbereich des Kugelzapfens eine Kraftmesseinrichtung (3) angeordnet ist. Das Kraftmesssystem zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine Auswerteeinrichtung aus, die so eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung (3) als Vektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden. Durch die Erfindung wird ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk zur Kraftmessung geschaffen, womit die Erfassung des Betriebs- bzw. Belastungszustands nicht nur einzelner Bauteile, sondern vielmehr ganzer Baugruppen eines Kraftfahrzeugs zuverlässig möglich wird und eine Regelung der Fahrdynamik erfolgen kann.

Description

Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk zur Messung von Kräften und/oder Momenten, beispielsweise im Bereich des Fahrwerks bzw. der Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung, insbesondere für ein erfindungsgemäßes Kraftmesssystem, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Kraftmesseinrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise, keineswegs jedoch ausschließlich, am Kraftfahrzeug eingesetzt, um dort die im Versuchsbetrieb auf dem Prüfstand oder die im realen Fahrbetrieb auftretenden Kräfte bzw. Momente zuverlässig ermitteln zu können.
Eine derartige Kraftmesseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 07 279 Al bekannt. Die aus dieser Druckschrift bekannte Kraftmesseinrichtung dient dazu, die in einem bestimmten Bauteil eines Kraftfahrzeugs wirkende Kraft, beispielsweise die in einer Spurstange aufgrund von Reaktionskräften aus dem Fahrwerk vorhandene axiale Kraft, zu ermitteln bzw. auszuwerten. Hierzu ist es gemäß der Lehre dieser Druckschrift unter anderem vorgesehen, ein zwischen verschiedenen Bestandteilen des Lenkgestänges angeordnetes Kugelgelenk mit einem Dehnungsmessstreifen zu versehen und anhand der Signale dieses Dehnungsmessstreifens auf die im Lenkgestänge bzw. die in der interessierenden Spurstange wirkenden Axialkräfte zu schließen. Der Nutzen dieser bekannten Kraftmesseinrichtung ist jedoch begrenzt. So kann mit dieser Kraftmesseinrichtung wie beschrieben im Wesentlichen lediglich eine in einem bestimmten Bauteil und in einer bestimmten Richtung wirkende Kraft ermittelt werden. Die bekannte Kraftmesseinrichtung eignet sich somit nicht zur Erfassung komplexerer Belastungssituationen, wie sie beispielsweise an größeren Baugruppen, oder am Kraftfahrzeug als Gesamtsystem betrachtet, auftreten.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung zu schaffen, womit sich die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden lassen. Insbesondere soll das Kraftmesssystem bzw. Kugelgelenk auf einfache, verlässliche Weise sowie mit großem konstruktivem Freiheitsgrad eine umfassende vektorielle Ermittlung von Kräften und und/oder Momenten erlauben. Dabei soll ein wesentlicher Schwerpunkt auch auf der unmittelbaren Erfassbarkeit der Belastungssituation von ganzen Baugruppen bzw. gegebenenfalls eines ganzen Kraftfahrzeuges liegen.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftmesssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Kugelgelenk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der Unter anspräche.
Das erfindungsgemäße Kraftmesssystem umfasst in an sich zunächst bekannter Weise zumindest ein Kugelgelenk. Das Kugelgelenk weist ein Gelenkgehäuse auf, in welchem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens gleitbeweglich aufnehmbar ist, wobei der Kugelzapfen sich aus Schaftbereich und Gelenkkugel zusammensetzt. In an sich ebenfalls bekannter Weise ist im Schaftbereich des Kugelzapfens des zumindest einen Kugelgelenks des Kraftmesssystems eine Kraftmesseinrichtung angeordnet.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kraftmesssystem durch eine Auswerteeinrichtung aus, die dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtung als Kraftvektor oder als Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden. Dies bedeutet mit anderen Worten zunächst einmal, dass das Kraftmesssystem nicht nur einen Kraftaufnehmer, sondern vielmehr eine Anordnung aus mehreren Kraftaufnehmern bzw. Kraftmessgebern umfasst. Dabei können die Kraftaufnehmer beispielsweise an ein und demselben Kugelgelenk angeordnet sein. Ebenso gut ist es jedoch möglich und vorgesehen, dass das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke umfasst, an denen jeweils einer oder mehrere Kraftaufnehmer angeordnet sind.
Durch die Auswerteeinrichtung des erfindungsgemäßen Kraftmesssystems werden die Signale aller Kraftaufnehmer bzw. Kraftmessgeber dergestalt verarbeitet, dass das Ergebnis der Signalverarbeitung in Form eines Kraftvektors oder einer Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor ausgegeben wird.
Dies ist insofern vorteilhaft, als auf diese Weise mittels eines vergleichsweise einfachen Kugelgelenks, bzw. gegebenenfalls auch mittels mehrerer Kugelgelenke, jeweils mit Kraftaufnehmern, auch komplexe Belastungssituationen im dreidimensionalen Raum ohne weiteres erfasst werden können.
Es ist dabei für die Erfindung nicht wesentlich, auf welche Stelle des zumindest einen Kugelgelenks bzw. auf welchen Punkt einer Anordnung aus mehreren Kugelgelenken mit Kraftmessgebern der Kraftvektor oder die Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor bezogen ist.
Insbesondere bei Kraftmesssystemen mit lediglich einem Kugelgelenk ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Auswerteeinrichtung so eingerichtet ist, dass der Ursprung des aus den Signalen der Kraftmesseinrichtung berechneten Kraftvektors im Mittelpunkt der Gelenkkugel des Kugelgelenks liegt. Ein auf den Mittelpunkt der Gelenkkugel bezogener Kraftvektor kann besonders einfach und universell für anschließende Kräfte- und Belastungsrechnungen weiterverwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kraftmesseinrichtung eines Kugelgelenks mehrere Kraftmessgeber für unterschiedliche Kraftrichtungen, wobei die Kraftmessgeber vorzugsweise gleichmäßig verteilt am Umfang des Schaftbereiches des Kugelzapfens angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind dabei die Kraftmessgeber im Wesentlichen parallel zur Richtung der Längsachse des Kugelzapfens angeordnet.
Auf solche Weise lassen sich auch mit einer nur geringen Anzahl von Kugelgelenken, bzw. gegebenenfalls sogar mit lediglich einem einzigen Kugelgelenk, Kräfte in allen drei Richtungen des kartesischen Raums ermitteln. Werden die Kraftmessgeber gleichmäßig verteilt sowie in Längsrichtung des Kugelzapfens am Umfang des Schaftbereiches des Kugelzapfens angeordnet, so wird auf diese Weise das unerwünschte Übersprechen der einzelnen Kraftmessgeber minimiert. Ferner wird auf diese Weise der Schaftbereich des Kugelzapfens in der für Kraftmessgeber optimalen Weise als Biegebalken genutzt, um so die wirkenden Kräfte mit hoher Genauigkeit ermitteln zu können.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung des Kugelzapfens angeordnet. Auf diese Weise wird es möglich, alternativ oder zusätzlich zu den am Außenumfang des Kugelzapfenschaftes angeordneten Kraftmessgebern, insbesondere die in zapfenaxialer Richtung (z-Richtung) wirkenden reinen Zug- bzw. Druckkräfte separat exakt zu messen und diese von den in Form von Zapfenbiegungen gemessenen Kräften in x- bzw. y-Richtung anhand möglichst geringer Signalübersprechung zu trennen.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke mit jeweils einer Kraftmesseinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung des Kraftmesssystems besonders bevorzugt dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtungen der mehreren Kugelgelenke in Form eines Kraftvektors oder einer Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor ausgegeben werden. Vorzugsweise liegt dabei der Ursprung der entsprechenden Vektoren im Mittelpunkt bzw. in einem Hauptbezugspunkt eines Bauteils oder einer Baugruppe am Kraftfahrzeug.
Auf diese Weise wird es möglich, beispielsweise sämtliche Anlenkpunkte des Radträgers eines der Räder eines Kraftfahrzeugs mit Kugelgelenken auszustatten, die jeweils mit einer Kraftmesseinrichtung versehen sind. Die Signale sämtlicher Kugelgelenke bzw. die Signale der aus den Kraftmessgebern sämtlicher Kugelgelenke gebildeten gesamten Kraftmesseinrichtung werden dabei der Auswerteeinrichtung zugeführt. Sodann bildet die Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung sämtlicher Eingangssignale einen Kraftvektor bzw. eine Kombination aus Kraft- und Momentenvektor, woraus die vollständige momentane Belastungssituation des entsprechenden Radträgers des Kraftfahrzeugs ermittelbar ist.
Die Umformung der von der Kraftmesseinrichtung des Kugelgelenks bzw. der Kugelgelenke stammenden Signale in einen Vektor kann beispielsweise anhand einer mittels Kalibrierung erstellten Übertragungsmatrix bzw. Kalibriermatrix geschehen.
Die hierzu erforderliche Kalibrierung kann für den angenommenen Fall der Erfassung der Belastungssituation einer Radaufhängung bzw. eines Radträgers zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass unter Laborbedingungen auf das fragliche Rad des Kraftfahrzeugs bzw. auf den zugehörigen Radträger definierte, bekannte Kräfte in definierten Richtungen und/oder definierte, bekannte Momente aufgebracht werden. In die Auswerteeinrichtung werden dabei in einem Kalibriermodus sowohl die aus der Belastung resultierenden Signale der Kraftmesseinrichtung (beispielsweise Widerstandsänderungen von Dehnungsmessstreifen) als auch die zugeordneten, in diesem Fall bekannten tatsächlich wirkenden Kräfte, bzw. die zugeordneten Kraftvektoren eingegeben. Hieraus lässt sich im Anschluss die Übertragungsmatrix bzw. Kalibriermatrix erstellen, die in geeigneter Weise gespeichert werden kann, und anhand derer sämtliche zukünftigen Belastungssituationen direkt aus der gemessenen Kombination der Signale der Kraftmesseinrichtung ermittelt und vektoriell ausgegeben werden können. Auf solche Weise lassen sich auch komplexe Belastungssituationen an gesamten Baugruppen bzw. am Kraftfahrzθug auf einfache, zuverlässige und dabei kostensparende Weise erfassen. Bisher hierfür erforderliche aufwändige Labor- Messsysteme wie beispielsweise extrem kostenintensive Messräder und dergleichen, oder im Kraftfahrzeugreifen selbst angeordnete, drahtlose Sensorsysteme lassen sich somit durch eine Anzahl vergleichsweise einfacher, jeweils mit Kraftmessgebern versehener Kugelgelenke ersetzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die mit Kraftmessgebern versehenen Kugelgelenke nicht nur unter Laborbedingungen bzw. im Erprobungsbetrieb beispielsweise von Kraftfahrzeugen einzusetzen, sondern eine derartige Erfassung der Belastungssituation von Fahrwerksteilen auch am Serienfahrzeug vorzusehen. Die dergestalt in Echtzeit ermittelbare Belastung beispielsweise der Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs kann sodann vorteilhaft beispielsweise zur Erweiterung der Datenbasis für Fahrdynamikregelungen und dergleichen eingesetzt werden, wodurch sich erhebliche Verbesserungen bei der Fahrsicherheit von Kraftfahrzeugen erreichen lassen.
Insbesondere in Bezug auf Nutzfahrzeuge ist es in ähnlicher Weise vorstellbar, dass das Kraftmesssystem gemäß der vorliegenden Erfindung einen Bestandteil einer Einrichtung zur vorzugsweise permanenten Überwachung der Zuladung des Fahrzeugs bildet, wodurch das im Stand der Technik noch gebräuchliche, aufwändige Wiegen von Nutzfahrzeugen auf stationären Waagen zur Feststellung der Masse der Ladung entfallen kann. Auch ein Einsatz als kostengünstiger Lebensdauersensor für Bauteile oder Baugruppen rückt dank der Erfindung in den Bereich des Möglichen, indem die tatsächlich vom jeweiligen Bauteil ertragene IST-Anzahl an Lastwechseln in Beziehung zu der vom entsprechenden Bauteil theoretisch ertragbaren SOLL-Lastwechselzahl gesetzt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Kugelgelenk mit Kraftmesseinrichtung. Dabei weist das Kugelgelenk ein Gelenkgehäuse und einen im Gelenkgehäuse dreh- und/oder schwenkbeweglichen Kugelzapfen auf, wobei der Kugelzapfen eine Gelenkkugel und einen Schaftbereich umfasst sowie eine Kraftmesseinrichtung aufweist. Das Kugelgelenk enthält eine Mehrzahl von Kraftmessgebern, die im Schaftbereich des Kugelzapfens angeordnet und über den Umfang des Schaftbereiches verteilt sind.
Auf diese Weise wird es möglich, bereits mit einem einzigen Kugelgelenk Kräfte vektoriell in allen drei Richtungen des kartesischen Raums zu ermitteln. So werden beispielsweise Zugkräfte in zapfenaxialer Richtung von sämtlichen am Umfang des Schaftbereiches des Kugelzapfens verteilt angeordneten Kraftmessgebern gleichmäßig stark registriert. Diejenigen Kräfte, die in der x-y-Ebene senkrecht zur Längsachse des Kugelzapfens auf das Kugelgelenk wirken, können aufgrund des dabei auftretenden spezifischen Überlagerungmusters der Signale der einzelnen Kraftmessgeber ebenfalls nach Betrag und Richtung bestimmt werden. Der Kugelzapfen stellt im letzteren Belastungsfall einen Biegebalken dar, bei dem die Ermittlung der wirkenden Querkräfte sehr genau beispielsweise anhand einer Messung der Randfaserdehnungen erfolgen kann.
Die Erfindung wird verwirklicht unabhängig von der konkreten Art und Ausführung der Kraftmessgeber. Bevorzugt sind die Kraftmessgeber des Kugelgelenks jedoch als Dehnmessstreifen ausgebildet. Dehnmessstreifen sind vorteilhaft insofern, als sie robust sind und eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kraftmessgeber auf der Oberfläche des Schaftbereiches des Kugelzapfens angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine äußerst einfache und kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks, da am Kugelgelenk selbst zur Montage der Kraftmessgeber keinerlei konstruktive Modifikationen vorgenommen werden müssen. Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind im Schaftbereich des Kugelzapfens Ausnehmungen bzw. plane Flächen zur Aufnahme der Kraftmessgeber vorgesehen. Diese gegenüber der vorstehenden Ausführungsform lediglich geringfügig aufwändigere Bauform besitzt den Vorteil einer noch größeren erreichbaren Präzision sowohl bei der Platzierung der Kraftmessgeber als auch bei der Erfassung und Auswertung der Dehnungen bzw. Kräfte am Kugelgelenk.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung des Kugelzapfens des Kugelgelenks angeordnet ist. Auf diese Weise können insbesondere die in zapfenaxialer Richtung wirkenden reinen Zug- bzw. Druckkräfte separat besonders exakt gemessen sowie von den beispielsweise in Form von Zapfenbiegungen gemessenen Kräften in x- bzw. y- Richtung infolge der in diesem Fall besonders geringen Signalübersprechung getrennt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 in schematischer isometrischer Darstellung einen Kugelzapfen für ein
Kugelgelenk eines Kraftmesssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 in schematischer Darstellung den Kugelzapfen gemäß Figur 1 in der
Seitenansicht;
Fig. 3 in einer Figur 1 entsprechenden Darstellung einen Kugelzapfen für ein
Kugelgelenk einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftmesssystems; und
Fig. 4 in einer Figur 2 entsprechenden Darstellung den Kugelzapfen gemäß
Figur 3 in der Seitenansicht.
Figur 1 zeigt in schematischer isometrischer Darstellung den Kugelzapfen 1 eines hier nicht dargestellten Kugelgelenks für ein Kraftmesssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Kugelzapfen 1 entspricht bis auf die im Halsbereich 2 des Kugelzapfens 1 angeordneten Dehnungsmessstreifen 3 sowie bis auf die Querbohrung 4 unverändert einem Standard-Kugelzapfen eines Kugelgelenks. Dies bedeutet, dass ein beispielsweise im Bereich der Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs vorhandenes Kugelgelenk bereits mit äußerst geringfügigen und damit kostengünstigen Modifikationen für das erfindungsgemäße Kraftmesssystem herangezogen werden kann.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Bereich des Kugelzapfenhalses 2 vier Dehnungsmessstreifen 3 am Umfang verteilt so angeordnet, dass zwei benachbarte Dehnungsmessstreifen jeweils einen Winkel von 90 Grad einschließen. Ferner verläuft die Längsachse der Dehnungsmessstreifen 3 parallel zur Längsachse des Kugelzapfens 1. Auf diese Weise können bereits mit den dargestellten vier Dehnungsmessstreifen 3 auf den Kugelzapfen 1 einwirkende Kräfte sowohl in x- Richtung (Fx), in y-Richtung (Fy) als auch in z-Richtung (Fz) unabhängig voneinander bzw. gleichzeitig ermittelt werden.
Dies hängt damit zusammen, dass beispielsweise eine in x-Richtung (Fx) wirkende Kraft lediglich durch die zeichnungsbezogen vorderen sowie hinteren Dehnungsmessstreifen 3 registriert wird, während der zeichnungsbezogen linke bzw. rechte Dehnungsmessstreifen 3 in diesem Fall keine Dehnung feststellt. Denn die neutrale Faser des hier als Biegebalken wirkenden Kugelzapfens 1 verläuft im Belastungsfall Fx durch diejenigen Dehnungsmessstreifen, die zeichnungsbezogen links bzw. rechts vom Kugelzapfen angeordnet sind. Analog gilt dies beim Belastungsfall Fy, wobei in diesem Fall lediglich diejenigen beiden Dehnungsmessstreifen, die sich zeichnungsbezogen links bzw. rechts vom Kugelzapfen befinden, ein entsprechendes Signal abgeben.
Bei einer Belastung in z-Richtung durch Fz hingegen werden alle vier Dehnungsmessstreifen 3 gleichmäßig stark gedehnt, so dass auch dieser Belastungsfall berücksichtigt werden kann. Die Trennung der den Kraftrichtungen Fx, Fy und Fz zugeordneten Signale der Dehnungsmessstreifen 3 kann beispielsweise anhand einer entsprechenden Zusammenschaltung der einzelnen Dehnungsmessstreifen 3 zu einer dem Fachmann geläufigen Brückenschaltung oder dgl. bzw. anhand der genannten Übertragungsmatrix zuverlässig erfolgen.
Außerdem erkennt man in Figur 1 noch eine Querbohrung 4 durch den Kugelzapfen 1. Die Querbohrung 4 dient der gebündelten und damit einfacheren und robusteren Kabelführung zu den einzelnen Dehnungsmessstreifen 3.
In Figur 2 ist der Kugelzapfen 1 gemäß Figur 1 nochmals in der Seitenansicht dargestellt, in der man sowohl die Dehnungsmessstreifen 3 als auch die Querbohrung 4 gut erkennt. Bei dem Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 1 und 2 erfolgt die Ableitung des aus der Querbohrung 4 austretenden Kabelbündels der Dehnungsmessstreifen 3 im Bereich des hier nicht dargestellten Dichtungsbalgs des zugehörigen Kugelgelenks. Diese besonders kostengünstige Ausführungsform kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn im Betrieb nur geringe Kipp- und/oder Drehwinkelbewegungen an dem jeweiligen Kugelgelenk auftreten.
In den Figuren 3 und 4 ist der Kugelzapfen 1 eines Kugelgelenks für eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftmesssystems dargestellt. Der Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 3 und 4 unterscheidet sich von dem Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 1 und 2 primär durch die im Schaftbereich des Kugelzapfens 1 angefrästen Planflächen 5, die zur Anbringung der in den Figuren 3 und 4 nicht dargestellten Dehnungsmessstreifen 3 dienen. Diese gegenüber der Ausführungsform gemäß Figuren 1 und 2 lediglich geringfügig aufwändigere Bauform besitzt den Vorteil einer größeren erreichbaren Präzision sowohl bei der Platzierung der Dehnungsmessstreifen 3 als auch bei der Erfassung und Auswertung der Dehnungen bzw. Kräfte am Kugelzapfen 1.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 3 und 4 und dem Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 1 und 2 liegt darin, dass bei dem Kugelzapfen 1 gemäß Figuren 3 und 4 nicht nur eine Querbohrung 4, sondern darüber hinaus auch eine Längsbohrung 6 vorhanden ist.
Die Längsbohrung 6 kann für zwei unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise können die von den Dehnungsmessstreifen 3 kommenden Anschlusskabel gebündelt in die Querbohrung 4 eingeführt und mittels der Längsbohrung 6 an der Stirnseite des Gewindebereichs 7 des Kugelzapfens 1 abgeführt werden. Diese Kabelführung hat den Vorteil, dass auf diese Weise auch prinzipiell beliebig große Kipp- und/oder Drehwinkelbewegungen des jeweiligen Kugelgelenks zugelassen werden können, ohne dass die Gefahr der Beschädigung der Kabel zu den Dehnungsmessstreifen 3 im Bereich der Planflächen 5 besteht.
Die andere Nutzungsmöglichkeit der Längsbohrung 6 besteht darin, dass in der Längsbohrung 6 zusätzlich oder alternativ zu der genannten Kabelführung auch ein weiterer Kraftaufnehmer bzw. Dehnungsmessstreifen angeordnet werden kann, der vorzugsweise der Ermittlung der Kräfte in der Längsrichtung des Kugelzapfens 1 dient. Auf diese Weise ist eine noch bessere Entkopplung und Trennung der Signale bezüglich der Kraftrichtungen Fx, Fy und Fz möglich.
Im Ergebnis wird somit deutlich, dass dank der Erfindung ein Kraftmesssystem bzw. ein Kugelgelenk insbesondere zum Einsatz am Kraftfahrzeug geschaffen wird, das die zuverlässige Erfassung des Betriebs- bzw. Belastungszustands nicht nur einzelner Bauteile, sondern vielmehr ganzer Baugruppen eines Kraftfahrzeugs erlaubt. Dabei kann das erfindungsgemäße Kraftmesssystem andere erheblich aufwändigere Messsysteme wie beispielsweise elektronische Messräder oder auch im Kraftfahrzeugreifen eingebaute, drahtlose Sensorsysteme nicht nur im Labor- bzw. Erprobungsbetrieb eines Kraftfahrzeugs ersetzen. Vielmehr besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Kraftmesssystem bzw. Kugelgelenk auch am Serienfahrzeug zur Erfassung bzw. Regelung der Fahrdynamik einzusetzen. Die Erfindung leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur besseren Beherrschbarkeit komplexer Situationen der Messwerterfassung insbesondere am Kraftfahrzeug wie auch in weiteren Anwendungsbereichen der Messtechnik.
Bezugszeichenliste
1 Kugelzapfen
2 Halsbereich
3 Dehnungsmessstreifen
4 Querbohrung
5 Planflächen
6 Längsbohrung
7 Gewindebereich
Fx x-Richtung
Fy y-Richtung
Fz z-Richtung

Claims

Kraftmesssystem mit zumindest einem KugelgelenkPatentansprüche
1. Kraftmesssystem mit zumindest einem Kugelgelenk, das Kugelgelenk umfassend ein Gelenkgehäuse, in dem die Gelenkkugel eines Kugelzapfens (1) gleitbeweglich aufnehmbar ist, der Kugelzapfen (1) aufweisend Schaftbereich und Gelenkkugel, wobei im Schaftbereich des Kugelzapfens (1) des zumindest einen Kugelgelenks eine Kraftmesseinrichtung (3) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung, die dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmessernrichtung (3] als Kraftvektor oder als Kombination aus Kraftvektor und Momentenvektor in einem kartesischen Koordinatensystem ausgegeben werden.
2. Kraftmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ursprung des Kraftvektors im Mittelpunkt der Gelenkkugel liegt.
3. Kraftmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (3) eines Kugelgelenks mehrere Kraftmessgeber (3) für unterschiedliche Kraftrichtungen umfasst.
4. Kraftmesssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) gleichmäßig verteilt am Umfang des Schaftbereichs des Kugelzapfens angeordnet sind.
5. Kraftmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) im Wesentlichen parallel zur Richtung der Längsachse des Kugelzapfens (1) angeordnet sind.
6. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kraftmessgeber in einer axialen Zentralbohrung (6) des Kugelzapfens (1) angeordnet ist.
7. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem mehrere Kugelgelenke mit jeweils einer Kraftmesseinrichtung (3) umfasst.
8. Kraftmesssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dergestalt eingerichtet ist, dass die Signale der Kraftmesseinrichtungen (3) mehrerer Kugelgelenke in Form eines Vektors ausgegeben werden.
9. Kraftmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ursprung des Vektors im Mittelpunkt bzw. Hauptbezugspunkt eines Bauteils oder einer Baugruppe eines Kraftfahrzeugs liegt.
10. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem Bestandteil einer Fahrdynamikregelung eines Kraftfahrzeugs ist.
11. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmesssystem Bestandteil einer Einrichtung zur Überwachung der Zuladung eines Kraftfahrzeugs ist.
12. Kugelgelenk mit einem Gelenkgehäuse und einem im Gelenkgehäuse dreh- und/oder schwenkbaren Kugelzapfen (1), der Gelenkkugel und Schaftbereich umfasst sowie eine Kraftmesseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung eine Mehrzahl von Kraftmessgebern (3) umfasst, wobei die Kraftmessgeber (3) im Schaftbereich des Kugelzapfens (l) angeordnet und über den Umfang des Schaftbereichs verteilt angeordnet sind.
13. Kugelgelenk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber als Dehnmessstreifen (3) ausgebildet sind.
14. Kugelgelenk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessgeber (3) auf der Oberfläche des Schaftbereichs des Kugelzapfens (l) angeordnet sind.
15. Kugelgelenk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaftbereich des Kugelzapfens (1) Ausnehmungen zur Aufnahme der Kraftmessgeber (3) vorgesehen sind.
16. Kugelgelenk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich des Kugelzapfens (1) plane Flächen zur Aufnahme der Kraftmessgeber (3) aufweist.
17. Kugelgelenk nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftmessgeber (3) in einer axialen Zentralbohrung (6) des Kugelzapfens (1) angeordnet ist.
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