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Die
Erfindung betrifft ein Kugelgelenk zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug
mit einem an einem ersten Maschinenteil durch einen Kugelbolzen
gehaltenen Kugelabschnitt und einer Aufnahme in einen zweiten Maschinenteil,
in der der Kugelabschnitt dreh← und
schwenkbar gelagert ist, und mit einer Geber-/Sensoranordnung zum
Erfassen der Dreh- und Winkellage des Kugelabschnitts, die einen
Permanentmagneten als Geberelement sowie ein magnetfeldempfindliches
Sensorelement aufweist, wobei der Permanentmagnet in den Kugelabschnitt
und das magnetfeldempfindliche Sensorelement in die Aufnahme integriert
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern von Betriebsparametern
eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit
von der relativen Lage eines ersten Lenkelements des Kraftfahrzeugs zu
einem zweiten Lenkelement, bei der das erste Lenkelement und das
zweite Lenkelement mittels eines Kugelgelenks miteinander verbunden
sind und das Kugelgelenk einen an dem ersten Lenkelement gehaltenen
Kugelabschnitt sowie eine Aufnahme in dem zweiten Lenkelement aufweist,
in der der Kugelabschnitt dreh- und schwenkbar gelagert ist, wobei eine
Geber-/Sensoranordnung zum Erfassen der Drehlage des Kugelabschnitts
in die Aufnahme integriert ist, und wobei die Geber-/Sensoranordnung
mit einer Einheit zum Steuern der Betriebsparameter verbunden ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Lenkgestänge für eine Fahrzeuglenkung, mit
Lenkelementen, mit denen lenkbare und gefederte Räder des Fahrzeuges
an ein Lenkgetriebe angelenkt sind, wobei verschiedene Lenkelemente über Kugelgelenke untereinander
mit dem Lenkgetriebe und/oder mit Zwischenhebeln an gefederte und
ungefederte Fahrzeugteile gekoppelt sind, wobei jedes Kugelgelenk ein
mit einem ersten Gestängeteil
starr verbundenes Kugelgelenkgehäuse
mit einer Haltevorrichtung (Aufnahme) aufweist, die einen zumindest
teilweise kugelförmigen
ersten Kugelabschnitt eines Kugelbolzens um den Kugelmittelpunkt
dreh- und schwenkbar im Kugelgehäuse
hält, wobei
das andere Ende des Kugelbolzens mit einem zweiten Gestängeteil
starr verbunden ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Spurstange als Lenkelement, mit
wenigstens einer Aufnahme, die einen Kugelabschnitt eines Kugelbolzens dreh-
und schwenkbar gelagert hält,
und mit einem Bolzenabschnitt zur Herstellung einer lösbar starren Verbindung
der Spurstange mit einem weiteren Maschinenteil.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks mit einem an einem
ersten Maschinenteil durch einen Kugelbolzen gehaltenen Kugelabschnitt
und einer Aufnahme in einem Gehäuseabschnitt
eines zweiten Maschinenteils, in der der Kugelabschnitt dreh- und
schwenkbar gelagert ist, mit den Schritten:
- a)
Einsetzen eines axial zur Kugelbolzenachse und radial zum Mittelpunkt
des Kugelabschnitts ausgerichteten Permanentmagneten als Geberelement
in den Kugelabschnitt des Kugelbolzens; und
- b) Einsetzen eines magnetfeldempfindlichen Sensorelements in
einen Gehäuseabschnitt
des zweiten Maschinenteils derart, daß eine Bewegung des Kugelbolzens
mit dem Permanentmagneten relativ zum Gehäuse eine Änderung des Sensorsignals hervorruft.
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Ein
solches Kugelgelenk, ein solches Verfahren zum Steuern von Betriebsparametern
eines Fahrzeuges, ein solches Lenkgestänge, eine solche Spurstange
sowie ein solches Verfahren zur Herstellung eines Kugelgelenks sind
aus der
EP 0 617,260 A1 bekannt.
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Moderne
Fahrzeuge werden zunehmend mit Stellelementen im Fahrwerksbereich
ausgerüstet. Beispiele
dafür sind
aktive Fahrwerksysteme, Lenkhilfen, Hilfen zur Kompensation unterschiedlicher
Beladungen usw. Zur Entlastung des Fahrers können solche Stellelemente von
einem Steuergerät
verstellt werden, das dazu Signale über den momentanen Fahrwerks-
und Fahrzeugbetriebszustand verarbeitet. Bekannt ist in diesem Zusammenhang
die Verarbeitung der Signale von Vertikal-, Querbeschleunigungs-
und Gierraten-Sensoren zur Dynamik des Fahrzeugs sowie von Weggebern,
die statische Belastungen des Fahrzeugs über eine Erfassung des Abstands
zwischen gefederten und ungefederten Teilen des Fahrzeugs signalisieren.
Dies ist beispielsweise aus der
DE 40 29 034 A1 bekannt.
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Ein
aus der
US 4,718,683 bekannter
Weggeber ist als separates Bauteil ausgeführt, was Nachteile beim Einbauplatzbedarf
und bei den Kosten mit sich bringt.
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Die
oben genannte
EP 0
617 260 A1 offenbart einen Fahrzeugniveaugeber mit einem
Kugelkopf, der mit einem Zapfen an einer Radaufhängung eines Fahrzeuges angelenkt
ist und der in einer Aufnahme gelagert ist, die mit dem Chassis
des Fahrzeuges verbunden ist. Die Aufnahme ist als separater Halter
realisiert, der keine weiteren Funktionen, wie etwa Radführungsfunktionen, übernimmt.
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Nach
diesem Dokument trägt
der Kugelkopf einen tangential ausgerichteten Magneten, dessen Feldstärke von
einem magnetfeldempfindlichen Fühler
in der Aufnahme erfaßt
wird. Mit dem Gegenstand der
EP
617 260 A1 sollen Drehbewegungen des Zapfens um seine Längsachse
erfaßt
werden. Die bei Kugelkopfgelenken üblicherweise auftretenden Kipp- und
Schwenkbewegungen, bei denen die Längsachse des Zapfens eine Änderung
ihrer Winkellage zu einer von ihrer Längsachse abweichenden Achse
erfährt,
werden in dieser Schrift als potentielle Störquellen bei der Erfassung
von Drehbewegungen um die genannte Längsachse erwähnt, wobei
gleichzeitig angemerkt wird, daß die
Erfassung des Drehwinkels nach dieser Schrift nicht negativ durch
diese Störquellen
beeinflußt
wird.
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Die
Anordnung des Zapfens erfolgt nach der
EP 0 617 260 A1 in der Art,
daß Lageänderungen
der Kraftfahrzeugkarosserie gegenüber der Radaufhängung und
damit gleichzeitig gegenüber
der Fahrbahn eine Verdrehung des Zapfens mit dem Kugelkopf um die
Längsachse
des Zapfens gegenüber
der Aufnahme hervorrufen. Als Folge ändert sich das Magnetfeld des
tangential ausgerichteten Magneten am Ort des magnetempfindlichen
Fühlers,
da dieses Magnetfeld wegen der tangentialen Nord-Süd-Ausrichtung
nicht rotationssymmetrisch ist.
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Mit
Blick auf die in der
EP
0 617 260 A1 angegebene Verwendung der Kugelgelenke mit
Magnetsensorik als Fahrzeugniveaugeber ergibt sich daraus, daß sich die
Lehre dieser Schrift auf Kugelgelenke richtet, bei denen eine Änderung
des Fahrzeugniveaus relativ zur Straße mit einer Drehung des Kugelzapfens
um seine Längsachse
einhergeht. Neben einem speziell und gewissermaßen allein für die Sensorik
vorgesehenen Kugelgelenk kommen dafür allenfalls Kugelgelenke der
Radaufhängung,
die mit der Federung zusammenwirken, in Frage.
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Kugelgelenke
aus dem Bereich des Lenkgestänges
inklusive der Spurstangen fallen jedoch als Anwendungsbeispiele
dieser Lehre aus, da bei diesen Gelenken eine Drehbewegung des Kugelzapfens
zwar bei Lenkbewegungen, nicht aber bei Fahrzeugniveauänderungen
auftritt. Bei Fahrzeugniveauänderungen
treten in diesen Gelenken vielmehr Kipp- und Schwenkbewegungen des
Kugelzapfens auf.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
einer möglichst
kostengünstigen, einfach
zu fertigenden und speziell im Betrieb von Fahrzeugen möglichst
robusten Sensorik zur Bereitstellung von Betriebsparametern des
Fahrwerks des Fahrzeugs auf der Basis einer Magnetsensorik in einem
oder mehreren Kugelköpfen
einer Radaufhängung,
die eine Erfassung von Kipp- und Schwenkbewegungen des Kugelzapfens
ermöglicht. Dabei
soll die Erfassung der Kipp- und Schwenkbewegungen nicht von möglicherweise
allein auftretenden oder überlagerten
Drehbewegungen des Kugelzapfens um seine Längsachse beeinflußt werden. Weiter
soll auch die Vielzahl der in Spurstangen und Lenkgestänge vorhandenen
Kugelgelenke für
die Lieferung von Fahrwerksparametern nutzbar gemacht werden.
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Bei
einem Kugelgelenk, einer Vorrichtung und einem Verfahren der eingangs
genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Permanentmagnet
in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt des Kugelabschnitts
angeordnet ist.
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Bei
einem Lenkgestänge
der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe mit einer in wenigstens
ein Kugelgelenk integrierten Geber-/Sensoranordnung gelöst, welche
die Winkelposition des Kugelbolzens relativ zum Kugelgelenkgehäuse erfaßt und zur
Weiterverarbeitung in einer Steuerelektronik bereithält, und
die einen Permanentmagneten sowie ein magnetfeldempfindliches Element
aufweist, wobei der Permanentmagnet in den Kugelabschnitt und das
magnetfeldempfindliche Element in die Aufnahme integriert ist, und
wobei der Permanentmagnet in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt
des Kugelabschnitts angeordnet ist.
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Bei
einer Spurstange der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
daß eine Geber-/Sensoranordnung
zum Erfassen der Winkellage des Kugelabschnitts in die Aufnahme
integriert ist, und wobei die Geber/Sensoranordnung einen Permanentmagneten
sowie ein magnetfeldempfindliches Element aufweist, und wobei der
Permanentmagnet in den Kugelabschnitt und das magnetfeldempfindliche
Element in die Aufnahme integriert ist, wobei der Permanentmagnet
in radialer Ausrichtung zu einem Mittelpunkt des Kugelabschnitts
angeordnet ist.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen
gelöst.
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Die
Integration der Winkelsensorik in ein Kugelgelenk erfordert im wesentlichen
keinen zusätzlichen
Einbauraum. Außerdem
wird die Sensorik von dem stabilen Kugelkopf vor Beschädigung durch Steinschläge usw.
geschützt,
so daß sich
der Vorteil einer ausgezeichneten Robustheit der Sensoranordnung
ergibt. Dadurch, daß die
Gelenkkörper
gewissermaßen
Wandung und Halterung für
die Sensorik darstellen, ergeben sich weitere Kostenvorteile im Vergleich
zu komplett separaten Sensoren.
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Ein
Permanentmagnet als Geber benötigt vorteilhafterweise
keine (Energieversorgung, Elektrische Zuleitungen für einen
solchen Geber können daher
entfallen. Dies trägt
zu einer einfachen und kostengünstigen
Fertigung bei.
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Das
Geberelement ist in einen Kugelabschnitt integriert, der in einer
Aufnahme drehbar gelagert ist. Der zugehörige Sensor ist in die Aufnahme integriert.
Diese Anordnung liefert den Verteil, daß keine Zuleitung in das Innere
des Kugelgelenks hineingeführt
werden muß.
Die auf jeden Fall erforderliche Signalleitung des Sensors kann
ohne großen Aufwand
aus dem Äußeren des
Kugelgelenks herausgeführt
werden.
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Die
radiale Ausrichtung des Permanentmagneten zu einem Mittelpunkt des
Kugelabschnitts liefert den Vorteil von deutlichen Signaländerungen
bei kippenden und schwenkenden Relativbewegungen des Kugelbolzens
zum Kugelabschnitt, in dem der Kugelbolzen gelagert ist. Drehungen
um die Längsachse
des Kugelbolzens bilden sich dagegen wegen der radialen Anordnung
des Permanentmagneten, die ein rotationssymmetrisches Magnetfeld
zur Folge hat, nicht im Signal des magnetempfindlichen Sensorelementes
ab.
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Dieser
Vorteil wird durch die weitere Maßnahme verstärkt, daß der Geber über eine
Oberfläche
des Kugelabschnitts vorsteht.
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Diese
Vorteile werden weiter verstärkt
durch eine Anordnung des Sensors in dem Gehäuseabschnitt, die ebenfalls
radial zum Mittelpunkt des Kugelabschnitts ausgerichtet ist.
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Es
ist bevorzugt, daß das
magnetempfindliche Element aus zwei Hallsensorplättchen besteht, die um 90° zueinander
versetzt sind.
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Durch
die zueinander senkrechte Anordnung kann das Magnetfeld, z. B. die
Flußdichte
und damit der Schwenkwinkel zwischen dem Kugelkopf und dem Kugelabschnitt
in zwei zueinander senkrechten Richtungen erfaßt werden. Somit kann vorteilhafterweise
die gesamte Kipp← und
Schwenkbewegung des Kugelabschnitts 20 erfaßt werden.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Bohrung im Gehäuseausschnitt,
die den Sensor aufnimmt, doppelt nutzbar ist. Durch diese Bohrung kann
bei der Gelenkherstellung ein aushärtbares Lagermaterial als vorzugsweise
verdrehfest angeordnetes Dauergleitlager zwischen die kugelkalottenförmige Aufnahme
im Gehäuseausschnitt
und den Kugelabschnitt des Kugelbolzens eingespritzt werden. Dadurch
wird ein präzises
und wartungsfreies Kugelgelenk an sich bekannter Bauart erhalten.
Als zweiter Nutzen ergibt sich dann die mögliche Sensoranordnung in demselben
Loch.
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Bei
entsprechender Lagermaterialauswahl, beispielsweise einem Polymerwerkstoff
aus einer Kunststoffmatrix mit eingelagertem tribologischen Werkstoff,
ist ein Gebrauch des Kugelgelenks ohne zusätzlichen Schmierstoff möglich.
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Zur
Realisierung dieser Vorteile ist die Bohrung, die den Sensor aufnimmt,
zur dichten Aufnahme einer Kunststoffeinspritzdüse geeignet.
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Es
ist weiter bevorzugt, daß sich
in der Bohrung ein Kunststoffeinsatz befindet, der dort eingespritzt,
eingesteckt oder eingeschraubt ist und der das magnetfeldempfindliche
Element aufnimmt.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks zur Verbindung
von Maschinenteilen, die Lenkelemente einer Kraftfahrzeuglenkung
darstellen. Dies ergibt sich daraus, daß die Dauergleitlager wartungsfrei
sind und präzise
und spielfrei zu fertigen sind. Außerdem besteht bei Kraftfahrzeuglenkungen
und Kraftfahrzeugfederungen ein Bedarf für Informationen aus dem Fahrwerksbereich.
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Vorteilhaft
ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kugelgelenks mit Winkelsensorik zum
Steuern von Betriebsparametern eines Kraftfahrzeugs zur Veränderung
von Federungsparametern, Lenkungsparametern oder Radbrems- und/oder Motorparametern
durch ein elektronisches Steuergerät, beispielsweise zur Fahrzeugstabilisierung.
Vorteile ergeben sich daraus, daß die Verwendung der erfindungsgemäßen Kugelgelenke
mit Winkelsensorik im Fahrwerksbereich Signale über den momentanen Betriebszustand
des Fahrwerks liefern. Dazu werden die erfindungsgemäßen Kugelgelenke
mit Winkelsensorik bei einem Lenkgestänge für eine Fahrzeuglenkung eingesetzt,
wo sie verschiedene Teile des Lenkgestänges mit dem Lenkgetriebe und/oder
mit Zwischenhebeln an gefederte und ungefederte Fahrzeugteile ankoppeln.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, die Gelenke an Spurstangen der Fahrzeuglenkung
anzubringen. Dies eröffnet
beispielsweise die Möglichkeit,
durch einen Ersatz von herkömmlichen
Spurstangen durch Spurstangen mit den erfindungsgemäßen Kugelgelenken
eine Winkelsensorik im Fahrwerksbereich nachzurüsten.
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Bei
der Fertigung der Winkelsensorik wird der Permanentmagnetgeber vorteilhafterweise
axial zur Kugelbolzenachse und radial zum Mittelpunkt des Kugelabschnitts
ausgerichtet. Vorteile ergeben sich daraus, daß auch herkömmliche Kugelbolzen bereits
eine flache Oberfläche
am Kugelabschnitt besitzen, die leicht mit einer Bohrung zur Aufnahme
des Permanentmagneten versehen werden kann. Weitere Vorteile ergeben
sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einem Sensor und einem Geber, die die Winkelposition
des Kugelbolzens relativ zum Gehäuseabschnitt 40 erfassen,
und mit einer ersten Variante der Abdichtung des Kugelbolzens gegenüber der Umgebung;
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2 eine
zweite Variante der Abdichtung in Verbindung mit einer weiteren
Variante der formschlüssigen
Halterung des Kugelbolzens im Gehäuseabschnitt 40;
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3 eine
schematische Darstellung einer Fahrzeuglenkung und Federung unter
Verwendung erfindungsgemäßer Kugelgelenke.
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In 1 bezeichnet
die Nr. 10 insgesamt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks,
dargestellt am Beispiel einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs. Das
Kugelgelenk 10 dient demgemäß z. B. zum gelenkigen Verbinden
einer Spurstange 12 mit einem Lenkhebel 14. Es
versteht sich jedoch, daß die
Erfindung nicht auf dieses Anwendungsbeispiel beschränkt ist.
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Das
Kugelgelenk 10 weist einen Kugelbolzen 16 mit
einer Längsachse 17 auf.
Der Kugelbolzen 16 hat einen länglichen Bolzenabschnitt 18 sowie
einen in 1 unten daran angrenzenden Kugelabschnitt 20.
Dessen Mittelpunkt ist mit 21 bezeichnet.
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In
der Spurstange 12 ist eine sich nach oben verjüngende kegelige
Bohrung 22 eingebracht, in die ein kegeliger Teil 24 des
Bolzenabschnitts 18 paßt. Am
oberen Ende ist der Bolzenabschnitt 18 als Gewindekopf 26 ausgeführt. Auf
diesen ist eine Mutter 28 geschraubt, die gegen eine Oberfläche 30 der Spurstange 12 verspannt
ist. Auf diese Weise wird der Bolzenabschnitt 18 in die
kegelige Bohrung 22 hineingezogen und der Kugelbolzen 16 damit
insgesamt an der Spurstange 12 fixiert.
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Am
in 1 rechten Ende der Spurstange 14 ist
ein Gehäuseabschnitt 40 vorgesehen.
Der Gehäuseabschnitt 40 enthält eine
kugelkalottenförmige Aufnahme 42,
die sich in 1 nach oben öffnet. Im Bereich der nach
oben weisenden Öffnung
ist der Gehäuseabschnitt 40 um
die Aufnahme 42 herum mit einem Sitz für eine ringförmige Stahlscheibe 44 versehen.
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Zur
Montage des Kugelgelenks 10 wird die Stahlscheibe 44 vorab
von oben über
den Bolzenabschnitt 18 des Kugelbolzens 16 gestreift.
Der Kugelabschnitt 20 wird nun in die Aufnahme 42 eingeführt und
die ringförmige
Stahlscheibe 44 in ihren Sitz eingesetzt. Durch eine bei 45 angedeutete
Umbördelung
wird nun die Stahlscheibe 44 an Ort und Stelle fixiert,
so daß der
Kugelabschnitt 20 nach oben hin weitgehend gefaßt ist.
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Die
Anordnung ist dabei so getroffen, daß zwischen dem Kugelabschnitt 20 und
der Aufnahme 42 ein kugelschalenförmiger Zwischenraum von vorbestimmter
Breite verbleibt.
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Zur
Herstellung eines Gleitlagers für
den Kugelabschnitt 20 in der Aufnahme 42 wird
nun ein Kunststoffmaterial 46 in diesen Zwischenraum eingespritzt.
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Zu
diesem Zweck ist der Gehäuseabschnitt 40 auf
seiner in 1 unteren Seite mit einer zylindrischen
Bohrung 48 versehen. In diese Bohrung 48 kann
ein geeignetes Spritzwerkzeug eingeführt werden, um den erwähnten Zwischenraum
mit dem Kunststoffmaterial 46 auszuspritzen.
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Bei
diesem Spritzvorgang kann durch geeignete Maßnahmen an der Oberseite des
Kunststoffmaterials 46 ein kragenartiger Vorsatz 50 ausgebildet werden,
der eine nach außen
weisende Ringnut 51 aufweist. In die Ringnut 51 kann
ein unterer Rand 52 einer Dichtmanschette 54 formschlüssig eingeclipst werden.
Ein oberer Rand 56 der Dichtmanschette 54 ist
in an sich bekannter Weise an einer Unterseite 58 der Spurstange 12 befestigt.
Auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen Spurstange 14 und Lenkhebel 12,
soweit er den Kugelbolzen 16 umgibt, nach außen hin
abgedichtet.
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Aus 1 ist
erkennbar, daß der
Kugelabschnitt 20 an seiner Unterseite eine flache Oberfläche 60 oder
Kappe aufweist. In diese Oberfläche 60 ist
in Richtung der Längsachse 17 ein
Geberelement 62 in den Kugelabschnitt 20 eingesetzt.
Das Geberelement 62 steht mit seinem unteren Ende 64 geringfügig über die
Oberfläche 60 vor.
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In
der zylindrischen Bohrung 48 befindet sich ein Kunststoffeinsatz 70,
der dort eingespritzt oder z. B. auch eingesteckt oder eingeschraubt
sein kann. Der Kunststoffeinsatz 70 nimmt ein Sensorelement 72 auf,
das dem Geberelement 62 gegenübersteht. Mittels eines Anschlußkabels 74 ist
das Sensorelement 72 mit einer Steuerelektronik 86 verbunden.
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Wenn
nun beispielsweise die Spurstange 14 in der mit einem Pfeil 80 angedeuteten
Richtung relativ zum Lenkhebel 12 verschwenkt wird, überträgt sich
diese Schwenkbewegung auf den Kugelabschnitt 20 in der
Aufnahme 42, wie mit einem weiteren Pfeil 82 angedeutet.
Die Bewegung des Kugelabschnitts 20 erfolgt dabei um den
Mittelpunkt 21. In 1 ist dabei
nur eine Bewegung in einer Ebene dargestellt, es versteht sich jedoch,
daß das
Kugelgelenk 10 sich infolge der Kugelgestalt des Abschnitts 20 um
zwei zueinander senkrechte Achsen verdrehen kann.
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Bei
jeder Drehbewegung des Kugelabschnitts 20 in der Aufnahme 42 bewegt
sich das untere Ende 64 des Geberelements 62 im
Zwischenraum 84 zwischen der flachen Oberfläche 60 des
Kugelabschnitts 20 und dem relativ dazu unbewegten Sensorelement 72.
Folglich ist es möglich, über die Anordnung
zwischen Geberelement 62 und Sensorelement 72 die
relative Drehlage des Kugelabschnitts 20 in der Aufnahme 42 und
damit auch die relative Lage zwischen Spurstange 12 und
Lenkhebel 14 zu erfassen. Das entsprechend gewonnene Signal
wird über
das Anschlußkabel 74 der
Steuerelektronik 86 zugeleitet und dort weiter verarbeitet.
Aus den gewonnenen Daten lassen sich z. B. Steuersignale LS, FS
für eine
elektronische Lenkung bzw. Lenkbeeinflussung und/oder eine Beeinflussung
der Federung oder Dämpfung
des Kraftfahrzeugs ableiten.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
kann das Geberelement 62 z. B. ein Permanentmagnet sein.
Das Sensorelement 72 kann hingegen aus zwei Einzelsensoren,
z. B. zwei Hallsensorplättchen
bestehen, die um 90° zueinander versetzt
sind. Einer der beiden Einzelsensoren erfaßt dabei das Magnetfeld, z.
B. die Flußdichte
und damit den Schwenkwinkel in der Zeichenebene von 1,
während
der andere Einzelsensor das Magnetfeld bzw. die Flußdichte
und damit den Schwenkwinkel senkrecht zur Zeichenebene erfaßt. Somit
kann die gesamte Dreh- und Schwenkbewegung des Kugelabschnitts 20 erfaßt werden.
Die Dreh- und Winkellage des Kugelabschnitts 20 kann dabei
in unterschiedlichen Koordinaten angegeben werden.
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Es
versteht sich jedoch, daß auch
andere Sensorarten, beispielsweise kapazitive, optische und sonstige
Sensoren eingesetzt werden können.
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Bei
dem in 1 dargestellten Kugelgelenk 10 dient
das Kunststoffmaterial 46 als wartungsfreies Gleitlager.
Die an sich bekannte Tatsache, ein Gleitlager durch Einspritzen
eines Kunststoffs in den Zwischenraum zwischen dem Kugelabschnitt 20 und
der Aufnahme 42 darzustellen, ist für die Belange der vorliegenden
Erfindung insofern von Wichtigkeit, als sich dadurch streng reproduzierbare
Verhältnisse einstellen
lassen. Wenn nämlich
das Gleitlager in der beschriebenen Weise durch Einspritzen von
Kunststoff hergestellt wird, so lassen sich die beiden gelenkig
miteinander zu verbindenden Teile, nämlich der Bolzenabschnitt 18 einerseits
und der Gehäuseabschnitt 40 des
Gelenkhebels 14 andererseits mit hoher Präzision vorfertigen
und positionieren. Diese hohe Präzision
in der relativen Positionierung wird während der Ausbildung des Gleitlagers,
d. h. während
des Einspritzens des Kunststoffmaterials 46 beibehalten,
anders als bei bekannten Anordnungen, bei denen ein separates Kunststoffteil
als Lagerschale in den Gehäuseabschnitt
des Lenkhebels eingesetzt wird. Eine derartige Montage eines Fremdteils hat
erhebliche Toleranzen zur Folge, so daß eine exakte Erfassung der
relativen Schwenklage mittels einer Sensoranordnung in derartigen
Fällen
nur mit Einschränkungen
möglich
ist. Beim Einspritzen kann man ferner durch entsprechende Formgebung
erreichen, daß das
Kunststoff Gleitlager mit einer verdrehsicheren Lagerschale versehen
ist.
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Darüber hinaus
macht man im Rahmen des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
von der Tatsache Gebrauch, daß die
zylindrische Bohrung 48 ohnehin zum Einspritzen des Kunststoffs
im Gehäuseabschnitt 40 angebracht
werden muß und
daher im Wege eines Doppelnutzens auch als Aufnahme für den Kunststoffeinsatz 70 oder
eine sonstige Umhüllung
des Sensorelements 72 verwendet werden kann.
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2 offenbart
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kugelgelenks. Der
Kugelzapfen nach 2 entspricht dem der 1.
Unterschiede zu 1 ergeben sich durch die Halterung
des Kugelbolzens im Gehäuseabschnitt 40 und
durch die Ausgestaltung der Abdichtung des Kugelgelenks nach außen.
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Der
Gehäuseabschnitt 40 ist
vor der Montage zunächst
becherförmig
gestaltet, wie aus der 2a ersichtlich
ist. Die Innenkontur 42 ist im unteren Teil kugelkalottenförmig geformt
und öffnet
sich in der zeichnerischen Darstellung nach oben soweit, daß der Kugelbolzen
durch den oberen inneren Rand 43 des Gehäuseabschnitts 40 hindurchgeführt werden
kann.
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In
diesen becherförmigen
Gehäuseabschnitt wird
in einem ersten Montageschritt der Kugelbolzen eingesetzt.
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In
einem zweiten Montageschritt wird der obere Rand 41 des
becherförmigen
Gehäuseabschnitts
nach innen zum Kugelbolzen hin eingeformt, bis sich die in 2b dargestellte Form des Gehäuseabschnitts 40 ergibt.
Dieser zweite Montageschritt kann bspw. durch ein rotationssymmetrisches
Einrollen des oberen Gehäuserandes 41 erfolgen.
Die Umformung erfolgt einerseits soweit, daß der Durchmesser des inneren
oberen Randes 43 kleiner wird als der Außendurchmesser
des Kugelabschnitts 20. Dadurch ist gewährleistet, daß der Kugelbolzen
auch bei einem Defekt des später
eingespritzten Dauergleitlagers nicht aus dem Kugelgelenk ausreißen kann.
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Andererseits
erfolgt das Einrollen des oberen Randes 41 nur soweit,
daß zwischen
dem inneren Rand 43 des Gehäuseabschnitts und der Oberfläche des
Kugelabschnitts 20 noch ein vorbestimmter Abstand bleibt,
der eine ausreichende Lagermaterialstärke gewährleistet. Insgesamt verbleibt
damit zwischen dem Kugelabschnitt 20 und der nach dem Einrollen
kugelkalottenförmigen
Aufnahme 42 ein kugelschalenförmiger Zwischenraum von vorbestimmter
Breite.
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Analog
zur Beschreibung der 1 wird in einem weiteren Montageschritt
ein aushärtendes
Lagermaterial 46, vorzugsweise Kunststoff, in diesen Zwischenraum
eingespritzt. Das Einspritzen erfolgt wie beim Gegenstand der 1 durch
ein Spritzwerkzeug, das für
den Spritzvorgang vorübergehend in
die Bohrung 48 eingeführt
wird.
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Anders
als beim Gegenstand der 1 wird bei dem Spritzvorgang
an der Oberseite des Kunststoffmaterials 46 kein kragenartiger
Fortsatz, sondern eine flanschartige Dichtfläche 53 erzeugt. Dazu wird
das Gleitlagermaterial beim Spritzvorgang über die formschlüssige Halterung
des Kugelbolzens hinausgeführt
und füllt
die umlaufende Aussparung 47 des oberen inneren Randes
des Gehäuseabschnitts 40 aus.
Die umlaufende Aussparung bildet damit gewissermaßen die
Unterseite des Dichtflansches an der kugelabschnittsseitigen Öffnung des
Gehäuseabschnitts 40.
Die Oberseite 53 des Dichtflansches wird beim Spritzvorgang
durch eine Spritzwerkzeugform definiert.
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In
einem weiteren Arbeitsschritt kann dann auf den Dichtflansch 53 eine
Dichtung 55 aus einem zweiten Kunststoffmaterial aufgespritzt
werden. Die Innenkontur der Dichtung 55 wird durch den
Dichtflansch 53 und die Oberfläche des Bolzenabschnitts 19 definiert.
Die Außenform 57 der
aufgespritzten Dichtung 55 wird durch das Gußformwerkzeug
vorgegeben. Die Dichtung 55 besteht wegen der geforderten
Elastizität
vorzugsweise aus einem geschäumten, Öl- und witterungsbeständigen Elastomer,
bspw. Moosgummmi.
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Durch
die Form des unteren Bolzenabschnitts 19 wird die durch
den Spritzvorgang angeformte Dichtung 55 formschlüssig in
ihrer Position auf dem Dichtflansch 53 fixiert. Im dargestellten
Beispiel ergibt sich die formschlüssige Fixierung durch eine kegelförmige Ausgestaltung
des unteren Bolzenabschnitts 19, dessen Durchmesser sich
mit zunehmendem Abstand vom Kugelabschnitt 20 vergrößert.
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In
Verbindung mit einer durch den Gußvorgang erzeugten elastischen
Vorspannung in der Dichtung 55 ergibt sich durch die kegelförmige Ausgestaltung
des unteren Bolzenabschnitts 19 vorteilhafterweise eine
in Richtung Kugelabschnitt 20 wirkende Kraft, die die Dichtung 55 auf
den Dichtflansch 53 preßt. Dadurch wird bereits ohne
Montage des Maschinenteils 12, das durch die Mutter 28 in
Verbindung mit dem Gewindekopf 26 mit dem Kugelbolzen verspannt
wird, eine Dichtwirkung erreicht.
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Die
Dichtwirkung wird im montierten Zustand des Maschinenteils 14 durch
die genannte Verspannung weiter verstärkt. Voraussetzung dafür ist, daß die elastische
Dichtung 55 durch die Montage des Maschinenteils 12 zusammengedrückt wird,
was sich durch eine entsprechende Ausbildung ihrer Höhe beim
Spritzvorgang leicht erreichen läßt.
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Alternativ
zum Anformen der Dichtung 55 durch einen Spritzvorgang
kann eine vorgefertigte elastische Dichtung mit angepaßten Abmessungen auch
von oben, d. h. vom Gewindekopf 26 her, über den
Kugelbolzen 16 auf den Dichtflansch 53 geschoben
werden. Bei entsprechender Dimensionierung läßt sich auch hier eine Anpressung
der Dichtung auf den Dichtflansch 53 durch die Elastizität der Dichtung in
Verbindung mit dem kegelförmig
ausgestalteten Bolzenabschnitt 19 erreichen.
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Die
für das
Einspritzen des Kunststoffmaterials 46 für das Dauergleitlager
benutzte zylindrische Bohrung 48 wird im Ausführungsbeispiel
der 2 mit einer Staubkappe 71 verschlossen,
da dieses Ausführungsbeispiel
keine Winkelsensorik aufweist.
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Alternativ
dazu kann auch dieses Ausführungsbeispiel
mit einer Winkelsensorik, wie sie in 1 dargestellt
ist, kombiniert werden.
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3 stellt
schematisch Ausschnitte aus einer Fahrzeuglenkung und Fahrzeugfederung
dar. Die Ziffer 85 repräsentiert
einen Fahrzeugaufbau, an dem ein Rad 93 über einen
Querlenker 99 gefedert und lenkbar angelenkt ist. Das Federungs/Dämpfungs-Stellelement 91 federt
und dämpft
die Relativbewegungen zwischen Querlenker und Fahrzeugaufbau.
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Rad
und Querlenker sind über
einen Achszapfen 95 und einen Achsschenkel 97 mit
dem Querlenker verbunden. Das Rad dreht sich beim Abrollen auf dem
Achszapfen. Lenkbewegungen des Fahrzeugs werden durch ein Verschwenken
des Achszapfens um den Achsschenkel 97 ermöglicht.
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Die
Lenkbewegung wird von einem Lenkrad 105 über eine
Lenksäule 98 und
ein Lenkgetriebe 88 und ein Lenkgestänge 100, 101, 104, 102 und 103 auf
den Achszapfen übertragen.
Dabei repräsentiert die
Ziffer 100 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Lenkstockhebel.
Die Ziffer 104 steht für
einen Lenkzwischenhebel und die Ziffer 103 steht für einen Lenkspurhebel.
Die Ziffern 101 und 102 bezeichnen eine mittlere
und eine äußere Spurstange.
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Die
einzelnen Lenkelemente 103, 102, 101 und 100 sind über erfindungsgemäße Kugelgelenke 107 verbunden,
von denen wenigstens eines eine integrierte Sensorik 108 enthält.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Kugelgelenke in die Spurstangen integriert und werden durch
Schraubverbindungen mit den übrigen
Lenkelementen und Maschinenteilen verspannt.
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Federbewegungen
des Rades verändern
die Lage der Lenkelemente und damit die Winkelposition von Kugelbolzen
und Gehäuseabschnitt
im Kugelgelenk 107 zueinander. Dies wird von der Winkelsensorik 108 registriert
und als Signal WL der Steuerelektronik 86 zugeführt.
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Die
Steuerelektronik 86 bildet daraus ein Signal FS, mit dem
Federungs- und/oder Dämpfungsparameter
im Federungs/Dämpfungs-Stellelement 91 geändert werden.
Beispielsweise kann bei großer statischer
Belastung durch Zuladung eine Niveauregulierung durch das Signal
WL gesteuert werden.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
kommt eine Verarbeitung des Signals WL bei der Lenkung in Frage.
In der gezeichneten Darstellung erfaßt ein Fahrerwunschgeber 106 die
gewünschte
Lenkrichtung und Lenkgeschwindigkeit. Das Signal des Fahrerwunschgebers 106 wird
der Steuerelektronik 86 zugeführt und dort zu einem Ansteuersignal
LS für
einen Lenkungssteller 89, bspw. einen Elektromotor, der
auf das Lenkgetriebe 88 eingreift, verarbeitet. Die resultierende
Lenkbewegung wird von wenigstens einer Winkelsensorik 108 in
wenigstens einem Kugelgelenk 107 erfaßt und ebenfalls der Steuerelektronik 86 zugeführt. Auf
diese Weise ergibt sich ein geschlossener Signalkreislauf für eine Fahrzeuglenkung
und damit die Möglichkeit
zu einer geregelten Hilfskraft- oder Fremdkraftlenkung (drive by
wire) für ein
Fahrzeug.
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Die
Information über
die Dreh- oder Winkellage der Kugelgelenkkomponenten kann weiterhin auch
als ergänzende
Information in einer Fahrzeugstabilitätsregelung verwendet werden,
die das Fahrzeug durch Radbrems- und/oder Motoreingriffe stabilisiert
(ESP).