DE102008041050A1

DE102008041050A1 - Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks

Info

Publication number: DE102008041050A1
Application number: DE102008041050A
Authority: DE
Inventors: Michael Klank; Joachim Spratte
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks (1), welches ein Gehäuse (4), einen in dem Gehäuse (4) beweglich gelagerten Kugelzapfen (3) und eine Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten (13) umfassende erste Komponente undfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße (B) des von dem Magneten (n zumindest einer Raumrichtung (z) gemessen werden kann, wobei eine der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse (4) und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen (3) befestigt ist, mit den Verfahrensschritten: - Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem ersten Zeitpunkt, in dem keine Kraft oder eine erste Kraft auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum ersten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes erstes Sensorsignal abgibt, - Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem zweiten Zeitpunkt, in dem eine zweite Kraft (22) auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum zweiten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes zweites Sensorsignal abgibt, - Bestimmen eines Verschleißzustands des Kugelgelenks (1) durch Auswerten der gemessenen Sensorsignale.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks, welches ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse beweglich gelagerten Kugelzapfen und eine Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten umfassende erste Komponente und eine einen magnetfeldempfindlichen Sensor umfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds am Ort des Sensors in zumindest einer Raumrichtung gemessen werden kann, wobei eine der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen befestigt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Winkelmesseinrichtung.
Kugelgelenke werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, insbesondere in deren Radaufhängungen. Bislang werden solche Kugelgelenke nicht im eingebauten Zustand auf Verschleiß geprüft, so dass es immer wieder vorkommt, dass Kugelgelenke getauscht werden, obwohl sie in Ordnung sind. Dies verursacht hohe Werkstattkosten und beim Kugelgelenkhersteller hohe Kosten für die Überprüfung der Gelenke. Somit besteht der Bedarf an einer Möglichkeit, den Verschleiß eines Kugelgelenks auch ohne Ausbau aus dem Fahrzeug messen zu können.
Um die Funktionsfähigkeit von Kugelgelenken zu prüfen, wird unter anderem eine Kraft in axialer Richtung (längs des Kugelzapfens) auf das Gelenk aufgebracht und gemessen, wie weit sich dabei der Kugelzapfen in Richtung der Kraft bewegt. Die zurückgelegten Wege dürfen dabei bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Zum Beispiel liegt bei einem Gelenk mit einem Kugeldurchmesser von 27 mm der Grenzwert bei 0,12 mm für eine Kraft von ±1 kN. So kleine Wege sind nur schwer auf kostengünstige Weise zu messen.
Somit besteht ferner der Bedarf an einer Möglichkeit, eine kostengünstige Messung des Wegs realisieren zu können, den ein Kugelzapfen relativ zum Kugelgelenkgehäuse bei axialer Kraftbeaufschlagung zurücklegt.
Die DE 199 27 759 A1 offenbart eine Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung zur Überwachung des Abstands zwischen einem Objekt und einem Organ, das mit Zähnen aus Permanentmagneten besetzt ist oder das aus ferromagnetischem Material besteht. Die Vorrichtung umfasst einen Permanentmagneten, wenigstens einen magneto-elektrischen Wandler und eine Auswerteeinrichtung, wobei eine Polfläche des Permanentmagneten dem Organ zugewandt ist, das Objekt mit dem Permanentmagneten ortsfest verbunden ist, der oder die magneto-elektrischen Wandler an einer Seitenfläche des Permanentmagneten positioniert sind und die dem gezahnten Organ zugewandte Polfläche des Permanentmagneten im Verhältnis zum Polradmodul derart groß ist, dass die Lage der neutralen Zone in dem Permanentmagneten im Wesentlichen unbeeinflusst von der jeweiligen Stellung des Organs ist.
Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass zusätzlich zu einem Sensor zur Erfassung der Bewegung des Organs der magneto-elektrische Wandler an der Seitenfläche des Permanentmagneten positioniert werden muss.
Die DE 10 2004 027 039 B3 beschreibt eine Einrichtung zur berührungslosen Messung von Abständen, insbesondere zur Messung der Rotorlage aktiver Magnetlager, wobei mindestens ein in einem magnetischen Netzwerk angeordneter Permanentmagnet einen magnetischen Fluss erzeugt, welcher seinerseits in Abhängigkeit des Abstands zur Messspur eines Messobjektes einen magnetischen Spannungsabfall erzeugt, der mittels einer Kompensationseinrichtung bestimmt wird.
Bei dieser Einrichtung ist nachteilig, dass zusätzlich zu dem Permanentmagnet und einem magnetfeldempfindlichen Bauelement die Kompensationseinrichtung mit einer Spule eingesetzt werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Verwendung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Verschleißmessung mit möglichst wenig zusätzlichen Bauelementen möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Verwendung nach Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks, welches ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse beweglich gelagerten Kugelzapfen und eine Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten umfassende erste Komponente und eine einen magnetfeldempfindlichen Sensor umfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds am Ort des Sensors in zumindest einer Raumrichtung gemessen werden kann, wobei eine der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen befestigt ist, umfasst die Verfahrensschritte:

– Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors zu einem ersten Zeitpunkt, in dem keine Kraft oder eine erste Kraft auf den Kugelzapfen wirkt, wobei der Sensor wenigstens ein die zum ersten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes erstes Sensorsignal abgibt,
– Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors zu einem zweiten Zeitpunkt, in dem eine zweite Kraft auf den Kugelzapfen wirkt, wobei der Sensor wenigstens ein die zum zweiten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes zweites Sensorsignal abgibt,
– Bestimmen eines Verschleißzustands des Kugelgelenks durch Auswerten der gemessenen Sensorsignale.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die in dem Kugelgelenk vorhandene Winkelmesseinrichtung zur Verschleißmessung genutzt, sodass zusätzliche Bauelemente nicht in das Kugelgelenk integriert werden müssen. Dies ist möglich, da die Lage des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse abhängig von der auf den Kugelzapfen wirkenden Kraft ist. Bei einer Änderung der Lage des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse verändert sich auch der Abstand zwischen dem Magnet und dem magnetfeldempfindlichen Sensor. Diese Abstandsänderung beeinflusst die Stärke des Magenfeldes am Sensorort. Somit lässt sich durch Änderung der an dem Kugelzapfen angreifenden Kraft die von dem Sensor erfasste Magnetfeldgröße variieren und somit auch das von dem Sensor abgegebene Sensorsignal.
Die beiden Kräfte sind vorzugsweise unterschiedlich, insbesondere einander entgegengesetzt orientiert. Ferner wirken die erste und/oder die zweite Kraft bevorzugt in axialer Richtung auf den Kugelzapfen, wobei die axiale Richtung insbesondere die Längsrichtung des Kugelzapfens und/oder des Gehäuses ist. Die erste Kraft ist z. B. eine Zugkraft, und die zweite Kraft ist z. B. eine Druckkraft. Es ist aber auch möglich, dass die erste Kraft eine Druckkraft und die zweite Kraft eine Zugkraft ist. Die erste und/oder die zweite Kraft sind insbesondere nicht null. Die beiden Kräfte können zu einem der Zeitpunkte gleichzeitig wirken. Bevorzugt wirken aber beide Kräfte nicht gleichzeitig zu beiden Zeitpunkten. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung wirkt die erste Kraft nicht zum zweiten Zeitpunkt. Gemäß dieser oder einer anderen möglichen Ausgestaltung wirkt die zweite Kraft nicht zum ersten Zeitpunkt.
Während der Messungen sitzt das Kugelgelenk bevorzugt in einer Halterung, welche das Gehäuse oder den Kugelzapfen fixiert, insbesondere starr festlegt. Vorzugsweise ist oder wird das Gehäuse mittels der Halterung fixiert, wenn die erste und/oder die zweite Kraft in den Kugelzapfen eingeleitet werden. Umgekehrt ist es aber auch möglich, den Kugelzapfen mittels der Halterung zu fixieren und eine Kraft oder Kräfte in das Gehäuse einzuleiten. Auch in diesem Fall wirken die erste und/oder die zweite Kraft auf den Kugelzapfen, und zwar als von der Halterung aufgebrachte und in den Kugelzapfen eingeleitete Gegenkraft bzw. Gegenkräfte. Vorzugsweise werden die erste und/oder die zweite Kraft aber direkt in den Kugelzapfen eingeleitet.
Da es sich bei dem Kugelgelenk vorzugsweise um ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzug handelt, wobei das Kugelgelenk insbesondere an einem Fahrzeugaufbau, in einer Radaufhängung oder in einer Lenkung des Kraftfahrzeugs befestigt ist, kann die Halterung von einem Fahrzeugbauteil, vorzugsweise von dem Fahrzeugaufbau oder von einer Fahrwerks- oder Lenkungskomponente, wie z. B. ein Lenker, ein Radträger, eine Spurstange, eine Lenkstange etc., gebildet sein. In diesem Fall ist eine Verschleißmessung des Kugelgelenks möglich, ohne dieses vollständig aus dem Kraftfahrzeug ausbauen zu müssen. Die Druckkraft wird beispielsweise durch eine Schraubzwinge und die Zugkraft z. B. durch eine Federwaage aufgebracht, mittels der am Gelenk gezogen wird.
Die beiden Zeitpunkte sind insbesondere unterschiedlich. Vorzugsweise liegt der zweite Zeitpunkt hinter dem ersten Zeitpunkt. Alternativ kann aber auch der erste Zeitpunkt hinter dem zweiten Zeitpunkt liegen.
Durch das Auswerten der Sensorsignale wird insbesondere eine Kenngröße bestimmt, die den Verschleiß des Kugelgelenks charakterisiert. Die Kenngröße wird für das Bestimmen des Verschleißzustands vorzugsweise mit einem Wert verglichen, der insbesondere ein Grenzwert ist. Ein Verschleiß liegt bevorzugt dann vor, wenn die Kenngröße den Grenzwert überschreitet. Alternativ kann aber auch ein Verschleiß vorliegen, wenn die Kenngröße den Grenzwert unterschreitet. Dies hängt insbesondere von der Bildung der Kenngröße ab. Der Grenzwert ist insbesondere vorgegeben.
Die Auswertung der Sensorsignale umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
Bilden einer Differenz aus dem ersten und dem zweiten Sensorsignal,
Bilden einer Summe aus dem ersten und dem zweiten Sensorsignal,
Bilden eines Quotienten aus der Differenz und der Summe.
Ergänzend oder alternativ wird von dem ersten Sensorsignal ein erster Wert abgeleitet und von dem zweiten Sensorsignal ein zweiter Wert abgeleitet. Die Differenz wird dann aus dem ersten und dem zweiten Wert gebildet. Ferner wird die Summe aus dem ersten und dem zweiten Wert gebildet. Danach wird der Quotient aus der Differenz und der Summe gebildet.
Zur Bildung des Quotienten wird insbesondere die Differenz durch die Summe geteilt. Alternativ kann zur Bildung des Quotienten aber auch die Summe durch die Differenz geteilt werden. Bevorzugt wird das zweite Sensorsignal oder der zweite Wert von dem ersten Sensorsignal bzw. von dem ersten Wert zur Bildung der Differenz subtrahiert. Alternativ kann aber auch das erste Sensorsignal oder der erste Wert von dem zweiten Sensorsignal bzw. von dem zweiten Wert zur Bildung der Differenz subtrahiert werden.
Der Quotient bildet bevorzugt die Kenngröße, die den Verschleiß des Kugelgelenks charakterisiert. Insbesondere wird der Quotient mit dem Grenzwert verglichen, um den Verscheißzustand festzustellen. Je nachdem, wie der Quotient gebildet wurde, liegt ein Verschleiß dann vor, wenn der Quotient den Grenzwert überschreitet oder unterschreitet. Bevorzug liegt aber ein Verschleiß dann vor, wenn der Grenzwert überschritten wird.
Die Bestimmung des Verschleißzustands erfolgt bevorzugt auf Basis der Magnetfeldgröße in axialer Richtung. Es hat sich herausgestellt, dass selbst eine kleine Lageänderung des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse aufgrund der Kraftbeaufschlagung eine vergleichsweise große Änderung der Magnetfeldgröße in axialer Richtung am Sensorort hervorruft. Die gilt insbesondere bei axialer Kraftbeaufschlagung des Kugelzapfens. Die Magnetfeldgröße ist vorzugsweise die magnetische Flussdichte. Alternativ kann die Magnetfeldgröße aber auch die magnetische Feldstärke sein.
Die Sensorsignale und/oder die davon abgeleiteten Werte repräsentieren bevorzugt den jeweiligen Abstand, den der Magnet zu dem Sensor aufweist, insbesondere in axialer Richtung. Somit können die Messungen der Magnetfeldgröße auch als Abstandsmessungen interpretiert werden. Die gebildete Differenz repräsentiert vorzugsweise den Weg, den der Kugelzapfen relativ zum Gehäuse aufgrund der unterschiedlichen Kraftbeaufschlagung zwischen den Messungen zurückgelegt hat. Insbesondere repräsentiert die gebildete Differenz die Abstandsänderung, die der Kugelzapfen relativ zum Gehäuse aufgrund der unterschiedlichen Kraftbeaufschlagung zwischen den Messungen erfahren hat.
Der Sensor ist z. B. ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor. Da der Sensor Teil der Winkelmesseinrichtung ist, mittels welcher z. B. eine Drehung und/oder Auslenkung des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse erfassbar ist, kann der Sensor die Magnetfeldgröße vorzugsweise in mehreren Raumrichtungen erfassen. Dafür sind insbesondere mehrere Sensorelemente in dem Sensor vorgesehen, von denen z. B. jedes einer der Raumrichtungen zugeordnet ist. Vorzugsweise sind die Sensorelemente räumlich unterschiedlich ausgerichtet. Die Sensorelemente nutzen z. B. den Hall-Effekt oder den magnetoresistiven Effekt. Insbesondere kann der Sensor die Magnetfeldgröße in drei Raumrichtungen erfassen. Aber auch dann, wenn der Sensor die Magnetfeldgröße in mehreren Raumrichtungen erfassen kann, erfolgt die Bestimmung des Verschleißzustands bevorzugt auf Basis der Magnetfeldgröße in axialer Richtung. Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Bestimmung des Verschleißzustands sogar ausschließlich auf Basis der Magnetfeldgröße in axialer Richtung.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Winkelmesseinrichtung für die Messung eines Verschleißes eines Kugelgelenks, welches ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse beweglich gelagerten Kugelzapfen und die Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten umfassende erste Komponente und eine einen magnetfeldempfindlichen Sensor umfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds am Ort des Sensors in zumindest einer Raumrichtung gemessen werden kann, wobei einer der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen befestigt ist.
Ein bei der erfindungsgemäßen Verwendung eingesetztes Verfahren zur Messung des Verschleißes ist insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren und kann somit gemäß allen in diesem Zusammenhang beschriebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein. Insbesondere wird:
die Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors zu einem ersten Zeitpunkt gemessen, in dem keine Kraft oder eine erste Kraft auf den Kugelzapfen wirkt, wobei der Sensor wenigstens ein die zum ersten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes erstes Sensorsignal abgibt,
die Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors zu einem zweiten Zeitpunkt gemessen, in dem eine zweite Kraft auf den Kugelzapfen wirkt, wobei der Sensor wenigstens ein die zum zweiten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes zweites Sensorsignal abgibt, und
ein Verschleißzustand des Kugelgelenks durch Auswerten der gemessenen Sensorsignale bestimmt.
Das Kugelgelenk ist insbesondere derart ausgebildet, dass der Kugelzapfen eine Gelenkkugel aufweist, mittels derer der Kugelzapfen drehbar und/oder auslenkbar in dem Gehäuse gelagert ist. Dabei erstreckt sich der Kugelzapfen durch eine in dem Gehäuse vorgesehene Gelenköffnung aus dem Gehäuse heraus. Bevorzugt sitzt der Magnet an oder in dem Kugelzapfen, insbesondere in der Gelenkkugel, wohingegen der magnetfeldempfindliche Sensor am Gehäuse befestigt ist, z. B. mittels einer Leiterplatte. Somit ist insbesondere die erste Komponente an dem Kugelzapfen befestigt, wohingegen die zweite Komponente am Gehäuse befestigt ist. Ferner kann mittels der Winkelmesseinrichtung bevorzugt die Auslenkung des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse erfasst werden. Eine Auslenkung des Kugelzapfens erfolgt insbesondere um den Mittelpunkt der Gelenkkugel.
Die erfindungsgemäße Messung des Verschleißes lässt sich vorzugsweise ohne Änderungen in das bestehende Konzept der magnetischen Winkelmessung für Kugelgelenke integrieren. Es ermöglicht eine einfache Bestimmung des Verschleißes in der Werkstatt, sodass ein unnötiges Tauschen der Gelenke vermieden werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Kugelgelenks,
2 eine andere schematische Schnittansicht des Kugelgelenks, woraus eine axiale Lageänderung des Kugelzapfens relativ zum Gehäuse ersichtlich ist,
3 eine Darstellung des Winkels der magnetischen Feldlinien am Sensorort in Abhängigkeit von der Auslenkung des Kugelzapfens bei unterschiedlichen Kraftbeaufschlagungen,
4 eine Darstellung des Linearitätsfehlers in Abhängigkeit von der Auslenkung des Kugelzapfens bei unterschiedlichen Kraftbeaufschlagungen,
5 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von der Auslenkung des Kugelzapfens bei unterschiedlichen Kraftbeaufschlagungen,
6 ein schematisches Flussdiagramm zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Verschleißmessung,
7 ein schematisches Flussdiagramm zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Verschleißmessung gemäß einer Variante und
8 ein Koordinatensystem zur Beschreibung von räumlichen Magnetfeldkomponenten.
Aus 1 ist ein Kugelgelenk 1 in Schnittdarstellung ersichtlich, wobei ein eine Gelenkkugel 2 aufweisender Kugelzapfen 3 mit seiner Gelenkkugel 2 in einem Gehäuse 4 auslenkbar gelagert ist. Die Gelenkkugel 2 ist gleitbeweglich von einer Lagerschale 5 aufgenommen, die verdrehfest in einer Ausnehmung 6 des Gehäuses 4 sitzt. Der Kugelzapfen 3 erstreckt sich durch eine in dem Gehäuse 4 vorgesehene Öffnung 7 aus dem Gehäuse 4 heraus. Ferner ist ein Dichtungsbalg 8 durch Spannringe 9 an dem Gehäuse 4 gesichert und erstreckt sich von dem Gehäuse 4 bis zu dem Kugelzapfen 3 und liegt an diesem dichtend an. Zu Befestigungszwecken weist der Kugelzapfen 3 an seinem der Gelenkkugel 2 abgewandtem Ende ein Gewinde 10 auf. Der Kugelzapfen 3 ist im nichtausgelenkten Zustand dargestellt, sodass die Längsachse 11 des Kugelzapfens 3 mit der Längsachse des Gehäuses 4 zusammenfällt.
Die Gelenkkugel 2 ist stirnseitig abgeflacht und mit einer Ausnehmung 12 versehen, in der ein Permanentmagnet 13 sitzt. Dem Magnet 13 gegenüberliegend, aber im Abstand zu diesem, ist ein magnetfeldempfindlicher Sensor 14 vorgesehen, der an einer Leiterplatte 15 befestigt ist. Der Sensor 14 ist von dem Magnetfeld des Magneten 13 durchsetzt. Die Leiterplatte 15 greift randseitig in eine umlaufende Nut 16 des Gehäuses 4 ein, in der auch eine radiale Außenschulter 17 der Lagerschale 5 sitzt. Eine zweite Öffnung 18 des Gehäuses 4 ist mittels eines Verschlussdeckels 19 verschlossen, der randseitig ebenfalls in die Nut 16 eingreift. Die Leiterplatte 15, die Außenschulter 17 und der Verschlussdeckel 19 sind mittels eines umgebördelten Gehäuserands 20 in der Nut 16 festgelegt.
Der Magnet 13 und der magnetfeldempfindliche Sensor 14 bilden zusammen eine Winkelmesseinrichtung, mittels der eine Auslenkung des Kugelzapfens 3 relativ zum Gehäuse 4, z. B. in Richtung des Pfeils 21, erfasst werden kann. Dies ist möglich, da das von dem Magneten 13 erzeugte Magnetfeld den Sensor 14 durchsetzt, wobei eine Auslenkung des Kugelzapfens 3 mit einer Veränderung des Magnetfelds am Ort des Sensors 14 einhergeht. Der Sensor 14 kann die magnetische Flussdichte des Magnetfelds in drei Raumrichtungen x, y und z erfassen, die in einem Koordinatensystem schematisch dargestellt sind. Die z-Achse verläuft dabei in Längsrichtung 11. Die magnetische Flussdichte B, die eine vektorielle Größe ist, lässt sich somit am Ort des Sensors 14 gemäß dem dargestellten Koordinatensystem in die drei Komponenten Bx, By und Bz zerlegen, was aus 8 ersichtlich ist. Wird eine Auslenkung des Kugelzapfens 3 relativ zum Gehäuse 4 in der zx-Ebene mit α und eine Auslenkung des Kugelzapfens 3 relativ zum Gehäuse 4 in der yz-Ebene mit β bezeichnet, so lassen sich die Winkel α und β folgendermaßen bestimmen:
Aus 2 ist eine andere Schnittansicht des Kugelgelenks 1 ersichtlich, wobei der Kugelzapfen 3 mit einer Kraft 22 in z-Richtung beaufschlagt wird. Das Gelenkgehäuse 4 wird dabei mittels einer Halterung 23 festgehalten, sodass der Kugelzapfen 3 wegen der Kraft 22 unter Verformung der Lagerschale 5 in das Gehäuse 4 hineingedrückt wird. Der hineingedrückte Zustand des Kugelzapfens 3 ist gestrichelt dargestellt, wohingegen die ursprüngliche Lage des Kugelzapfens 3 vor der Beaufschlagung mit der Kraft 22 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass der Magnet 13 im kraftbeaufschlagten Zustand einen geringeren Abstand zum Sensor 14 aufweist als im kraftfreien Zustand. Daraus resultiert eine messbare Veränderung des Magnetfelds am Ort des Sensors 14. Dieser Effekt wird, wie weiter unten erläutert, für die erfindungsgemäße Verschleißmessung genutzt.
Der Abstand zwischen dem Magnet 13 und dem Sensor 14 in z-Richtung ist im kraftfreien Zustand mit D1 und in dem mit der Kraft 22 beaufschlagten Zustand mit D2 gekennzeichnet. Die Differenz aus D1 und D2 beschreibt somit einen Weg, den der Kugelzapfen 3 aufgrund der Beaufschlagung mit der Kraft 22 relativ zum Gehäuse 4 in z-Richtung zurückgelegt hat.
In 3 ist der Winkel der Magnetfeldlinien am Sensorort über der Auslenkung des Kugelzapfens bei unterschiedlichen Kräften 22 aufgetragen. Ferner ist in 4 der Linearitätsfehler für die Magnetfeldmessung mittels des Sensors über der Auslenkung bei unterschiedlichen Kräften 22 aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Auswirkungen der axialen Kraftbeaufschlagung auf die Winkelmessung relativ gering sind. In 5 ist die magnetische Flussdichte (Induktion) am Sensorort, bzw. deren Betrag, über die Auslenkung bei unterschiedlichen Kräften 22 aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass sich die magnetische Flussdichte dabei um mehr als 4 mT in Abhängigkeit von der Kraft 22 ändert. Bei einer typischen Sensorauflösung von 0,3 mT lässt sich somit für die Abstandsmessung zwischen Magnet 13 und Sensor 14 eine Auflösung von 0,01 mm erreichen, was für eine Verschleißmessung ausreichend ist.
Die Kraft 22 wurde zur Ermittlung der in den 3, 4 und 5 gezeigten Darstellungen derart variiert, dass der Kugelzapfen 3 ausgehend von einer unbelasteten Nulllage zum einen um 0,06 mm in positiver z-Richtung und zum anderen um 0,06 mm in negativer z-Richtung verschoben wurde, sodass in allen Darstellungen drei Kurven dargestellt sind. In den 3 und 4 liegen diese Kurven aber so dicht beieinander, dass sie optisch nahezu wie eine einzige Kurve erscheinen. Lediglich in 5 ist ein deutlicher Unterschied zwischen den Kurven ersichtlich, wobei die in Richtung der Flussdichte-Achse mittlere Kurve die Nulllage bei einer Kraft 22 gleich null repräsentiert. Die in Richtung der Flussdichte-Achse untere Kurve und die in Richtung der Flussdichte-Achse obere Kurve sind hingegen bei einander entgegengesetzt orientierten Kräften 22 ungleich null ermittelt worden. Dabei ist die obere Kurve, also die Kurve mit den größten Induktionswerten, dem geringsten Abstand zwischen Magnet und Sensor zugeordnet, also der Verschiebung des Kugelzapfens aus der Nulllage in positiver z-Richtung. Die in den 3 bis 5 verwendeten Zahlenangaben sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
Aus 6 ist ein Flussdiagramm für die erfindungsgemäße Verschleißmessung gemäß einer Ausführungsform ersichtlich, wobei in einem Schritt 24 eine Zugkraft F1 von 1 kN in den Kugelzapfen 3 eingeleitet wird. Der Ausdruck Zugkraft bedeutet, dass diese Kraft in negativer z-Richtung orientiert ist. Bei angreifender Zugkraft F1 wird in einem Schritt 25 die z-Komponente der magnetischen Flussdichte Bz,1 mittels des Sensors 14 gemessen. Der gemessene Wert Bz,1 wird einer Auswerteeinrichtung 26 zugeführt und dort gespeichert. Danach wird in einem Schritt 27 anstelle der Zugkraft eine Druckkraft F2 von 1 kN in den Kugelzapfen 3 eingeleitet. Der Ausdruck Druckkraft bedeutet, dass diese Kraft in positiver z-Richtung orientiert ist. In einem Schritt 28 wird mittels des Sensors 14 die z-Komponente der magnetischen Flussdichte Bz,2 bei angreifender Druckkraft F2 gemessen und der Auswerteeinrichtung 26 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 26 berechnet daraus in einem Schritt 29 eine Kenngröße κ gemäß nachfolgender Beziehung:
In einem Schritt 30 wird die Kenngröße κ mit einem Grenzwert verglichen, wobei das Gelenk 1 als verschlissen gilt, wenn die Kenngröße κ den Grenzwert übersteigt. In diesem Fall wird das Kugelgelenk 1 ausgetauscht. Übersteigt die Kenngröße κ nicht den Grenzwert, so ist das Kugelgelenk 1 nicht verschlissen und wird nicht ausgetauscht.
Aus 7 ist ein Flussdiagramm ersichtlich, welches die erfindungsgemäße Verschleißmessung in modifizierter Form zeigt. Im Gegensatz zu der Verschleißmessung gemäß 6 erfolgt im Schritt 31 die Messung der z-Komponente der magnetischen Flussdichte Bz,0 im kraftfreien Zustand des Kugelzapfens 3, sodass der Schritt 24 gemäß 6 entfällt. Alternativ könnte auch davon gesprochen werden, dass die eingeleitete Kraft null ist. Der gemessene Wert Bz,o wird dann der Auswerteeinrichtung 26 zugeführt und gespeichert. Anschließend wird in einem Schritt 32 der Kugelzapfen 3 mit einer Druck- oder Zugkraft F2 von 1 kN beaufschlagt und es erfolgt in einem Schritt 33 die Messung der z-Komponente der magnetischen Flussdichte Bz,2 im kraftbeaufschlagten Zustand. Der gemessene Wert Bz,2 wird der Auswerteeinrichtung 26 zugeführt, die dann im Schritt 29 die Kenngröße κ gemäß nachfolgender Formel berechnet:
In Schritt 30 wird danach ein Vergleich der Kenngröße κ mit einem Grenzwert durchführt, der sich von dem Grenzwert gemäß 6 unterscheiden kann. Übersteigt die Kenngröße κ den Grenzwert, so ist das Gelenk 1 verschlissen und wird ausgetauscht. Übersteigt die Kenngröße κ den Grenzwert nicht, so ist das Gelenk 1 nicht verschlissen und wird nicht ausgetauscht.
Durch die Quotientenbildung bei der Berechnung der Kenngröße κ wird sichergestellt, dass Magnetalterung und Temperatureinflüsse weitgehend kompensiert werden. In praxisgerechter Näherung wird davon ausgegangen, dass die Magnetalterung und die Temperatureinflüsse in folgender Weise in die Messung von Bz einfließen: Bz.gemessen = f(t, T)·Bz
Dabei ist f eine Funktion der Zeit t (Berücksichtigung der Magnetalterung) und der Temperatur T. Bei der Quotientenbildung kürzt sich die Funktion f heraus, sodass die Abhängigkeit von t und T eliminiert ist.
Die zu den 6 und 7 gegebenen Zahlenbeispiele von 1 kN sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.
Aus 8 ist ein Koordinatensystem zur Beschreibung der räumlichen Magnetfeldkomponenten ersichtlich, wobei das Magnetfeld am Ort des magnetfeldempfindlichen Sensors 14, hier repräsentiert durch den Vektor der magnetischen Flussdichte B, mittels des Sensors 14 in die drei räumlichen Komponenten Bx, By und Bz gemäß der Achsen x, y und z aufgelöst werden kann. Die Achse y erstreckt sich in die Blattebene hinein.

1: Kugelgelenk
2: Gelenkkugel
3: Kugelzapfen
4: Gehäuse
5: Lagerschale
6: Ausnehmung in Gehäuse
7: Öffnung in Gehäuse
8: Dichtungsbalg
9: Spannring
10: Gewinde
11: Längsachse des Kugelzapfens/Gehäuses
12: Ausnehmung in Gelenkkugel
13: Magnet
14: magnetfeldempfindlicher Sensor
15: Leiterplatte
16: Nut in Gehäuse
17: Außenschulter der Lagerschale
18: Öffnung in Gehäuse
19: Verschlussdeckel
20: umgebördelter Gehäuserand
21: Auslenkung
22: Kraft
23: Halterung
24: Einleiten einer Zugkraft
25: Messung der magnetischen Flussdichte bei Zugkraft
26: Auswerteinrichtung
27: Einleiten einer Druckkraft
28: Messung der magnetischen Flussdichte bei Druckkraft
29: Berechnung der Kenngröße
30: Vergleich der Kenngröße mit einem Grenzwert
31: Messung der magnetischen Flussdichte im kraftfreien Zustand
32: Einleiten einer Druck- oder Zugkraft
33: Messung der magnetischen Flussdichte bei Zug- oder Druckkraft
D1: Abstand zwischen Magnet und Sensor
D2: Abstand zwischen Magnet und Sensor
B: magnetische Flussdichte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19927759 A1 [0005]
- DE 102004027039 B3 [0007]

Claims

Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks (1), welches ein Gehäuse (4), einen in dem Gehäuse (4) beweglich gelagerten Kugelzapfen (3) und eine Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten (13) umfassende erste Komponente und eine einen magnetfeldempfindlichen Sensor (14) umfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße (B) des von dem Magneten (13) erzeugten Magnetfelds am Ort des Sensors (14) in zumindest einer Raumrichtung (z) gemessen werden kann, wobei eine der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse (4) und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen (3) befestigt ist, mit den Verfahrensschritten: – Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem ersten Zeitpunkt, in dem keine Kraft oder eine erste Kraft auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum ersten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes erstes Sensorsignal abgibt, – Messen der Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem zweiten Zeitpunkt, in dem eine zweite Kraft (22) auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum zweiten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes zweites Sensorsignal abgibt, – Bestimmen eines Verschleißzustands des Kugelgelenks (1) durch Auswerten der gemessenen Sensorsignale.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte entgegengesetzt orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Kraft in axialer Richtung auf den Kugelzapfen (3) wirken.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Auswerten der Sensorsignale eine Kenngröße (x) bestimmt wird, die mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der Sensorsignale die folgenden Schritte umfasst: – Bilden einer Differenz aus dem ersten und dem zweiten Sensorsignal oder aus einem von dem ersten Sensorsignal abgeleiteten ersten Wert und einem von dem zweiten Sensorsignal abgeleiteten zweiten Wert, – Bilden einer Summe aus dem ersten und dem zweiten Sensorsignal oder aus dem ersten und dem zweiten Wert, – Bilden eines Quotienten aus der Differenz und der Summe.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Vergleichen des Quotienten mit einem Grenzwert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Verschleißzustands auf Basis der Magnetfeldgröße in axialer Richtung (Bz) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) die Magnetfeldgröße in mehreren Raumrichtungen (x, y, z) erfasst, wobei die Sensorsignale Informationen über die Magnetfeldgröße in axialer Raumrichtung (Bz) umfassen.
Verwendung einer Winkelmesseinrichtung für die Messung des Verschleißes eines Kugelgelenks (1), welches ein Gehäuse (4), einen in dem Gehäuse (4) beweglich gelagerten Kugelzapfen (3) und die Winkelmesseinrichtung umfasst, die eine einen Magneten (13) umfassende erste Komponente und eine einen magnetfeldempfindlichen Sensor (14) umfassende zweite Komponente aufweist, mittels welchem eine Magnetfeldgröße (B) des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds am Ort des Sensors (14) in zumindest einer Raumrichtung (z) gemessen werden kann, wobei eine der Komponenten an oder ortsfest zu dem Gehäuse (4) und die andere der Komponenten an oder ortsfest zu dem Kugelzapfen (3) befestigt ist.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – die Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem ersten Zeitpunkt gemessen wird, in dem keine Kraft oder eine erste Kraft auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum ersten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes erstes Sensorsignal abgibt, – die Magnetfeldgröße am Ort des Sensors mittels des Sensors (14) zu einem zweiten Zeitpunkt gemessen wird, in dem eine zweite Kraft auf den Kugelzapfen (3) wirkt, wobei der Sensor (14) wenigstens ein die zum zweiten Zeitpunkt gemessene Magnetfeldgröße charakterisierendes zweites Sensorsignal abgibt, – ein Verschleißzustand des Kugelgelenks durch Auswerten der gemessenen Sensorsignale bestimmt wird.
Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Winkelmesseinrichtung die Auslenkung (21) des Kugelzapfens (3) relativ zum Gehäuse (4) erfasst werden kann.