DE10243399B4 - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk - Google Patents
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Abstract
Dreh-
und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk mit einem
in einer Kugelschale (3) dreh- und schwenkbar gelagerten und eine Gelenkkugel
(1a) und einen Zapfen (1b) aufweisenden Kugelzapfen (1), wobei mindestens
ein Magnet (2), insbesondere ein Permanentmagnet in der Gelenkkugel
(1a) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine auf dem magnetooptischen
Effekt basierende Anzeigevorrichtung (4) zum Anzeigen des Magnetfelds
des mindestens einen Magneten (2), eine Bilderfassungseinrichtung
(10) zum Erfassen der von der Anzeigevorrichtung (4) angezeigten
Information und eine Datenverarbeitungseinheit zum Berechnen der Lage
des Kugelzapfens (1) zur Kugelschale (3) anhand der erfassten Informationen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dreh- und Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk.
- Kugelgelenke sind wichtige mechanische Bauteile, da sie drei Freiheitsgrade zulassen. Beispielhaft seien hier nur Joysticks und Fahrzeugbauteile als zwei typische Kugelgelenkanwendungen genannt. Bislang stellt die Messung der Dreh- und Kippwinkel jedoch ein wesentliches Problem für den Einsatz der Kugelgelenke dar. Zur Messung des Drehwinkels sind verschiedenste Drehwinkelsensoren bekannt. Sie verwenden meist ein stationäres Magnetfeld in dem ein Sensor angeordnet ist, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Kugelgelenks verändert. Nachteil dieser Sensoren ist, dass sie ausschließlich die Drehbewegung ermitteln und die Kippbewegung des Kugelgelenks nicht mit erfassen. Soll die Kippbewegung mit erfasst werden, so ist nachteilig eine aufwendige Verkopplung mehrerer Sensoren notwendig.
- So ist aus der europäischen Patentschrift
EP 0 617 260B1 eine Messeinrichtung mit einem magnetoresistiven Sensor zur berührungslosen, kontinuierlichen Messung der Lageänderung einer Kraftfahrkarosserie bekannt, wobei ein Permanentmagnet im oberen Scheitelpunkt eines Kugelkopfes eines Kugelgelenks und der Sensor im Bereich unterhalb des Scheitelpunktes der Öffnung der Kugelgelenkpfanne angeordnet ist. - Sensoren, die auf Basis von Hall-Sensoren funktionieren, weisen nachteilig eine hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Magnetfeldern und Temperaturschwankungen auf. Auch wirkt sich beim Einsatz von Hall-Sensoren nachteilig aus, dass die Alterung der anregenden Magnete nicht kompensiert wird. Ferner ist die Berechnung der Dreh- und Kippwinkel sehr aufwendig, sowie eine Hinterlegung eines Kennfeldes in den meisten Fällen notwendig.
- Darüber hinaus ist aus der
US 5,861,876 A eine Positionserkennungseinrichtung bekannt, welche aus einem rohrförmigen Gehäuse, einer in diesem endseitig geführten und auf der Oberfläche mit Markierungen versehenen vollständig frei drehbaren Kugel besteht. Zudem ist eine Auswerteelektronik vorgesehen, welche die Drehbewegung des auf der Kugeloberfläche befindlichen Markierungsmusters mittels eines von der Kugel reflektierten Lichtstrahles über einen optischen Sensor erfasst und damit die Drehbewegung der Kugel selbst. Der Lichtstrahl als Ausgangssignal wird dabei von einer separaten, außerhalb der Kugel angeordneten Quelle erzeugt. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen in seinem Aufbau relativ einfachen Sensor bzw. einfache Sensoranordnung bereitzustellen, mittels derer die Dreh- und Kippbewegung eines Kugelgelenks ermittelbar ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Kugelgelenks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Kugelgelenks ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
- Die Autoindustrie hat großes Interesse an Sensoren, die die Position des Rades gegenüber der Straße detektieren. Das Kugelgelenk bildet diese Position ab. So werden Kugelgelenke z.B. in der Vorderachse von Fahrzeugen verwendet, wobei das Kugelgelenk beispielsweise zwischen dem Achslenker und dem Radlagergehäuse angeordnet ist. Durch Lenkbewegungen wird das Kugelgelenk gedreht. Beim Einfedern führt es dagegen eine Kippbewegung durch.
- Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht sowohl die Dreh- als auch die Kippbewegung des Kugelgelenks zu ermitteln, wobei vorteilhaft der Sensor berührungslos arbeitet. Die Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Magnet an oder in der Gelenkkugel oder dem Kugelzapfen angeordnet ist. Das erzeugte resultierende Magnetfeld wird mittels des magnetooptischen Effekts sichtbar gemacht. Eine optische Erfassungseinrichtung ermittelt dann das sichtbar gemachte Magnetfeld, wobei durch das gegenüber der Ausgangsposition veränderte Magnetfeld die Verdrehung bzw. Verkippung des Kugelgelenks ermittelt werden kann.
- Vorteilhaft werden zwei Permanentmagnete im Polbereich der Gelenkkugel parallel und in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet. Die Magnete können prinzipiell aus jedem beliebigem Material gefertigt sein und eine beliebige insbesondere stabförmige Form aufweisen. Vorteilhaft werden NdFeB-Magnete verwendet, die einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von 2 mm aufweisen, wobei der eine Magnet mit seinem Nordpol zur Oberfläche der Gelenkkugel und der andere Magnet mit seinem Südpol zur Oberfläche der Gelenkkugel ausgerichtet ist. Es ist möglich, dass der Polbereich der Gelenkkugel abgeflacht ausgebildet ist. Hierdurch entsteht ein Raum zwischen Kugelaußenfläche und Kugelschale, welcher als Fettraum bzw. Fettdepot verwendet werden kann. Sofern dieser Raum mit Schmierfett aufgefüllt ist, garantiert er, dass das Kugelgelenk sich selbst fortwährend schmiert. Bei dieser Ausgestaltung des Kugelgelenks ist es möglich, dass die Anzeigevorrichtung in Form einer magnetooptischen Platte unmittelbar hinter dem Fettraum angeordnet ist oder aber einen Wandbereich des Fettraums selbst bildet. Im letzteren Falle wird vorteilhaft das von den Magneten erzeugte Magnetfeld nicht durch das Material der Lagerschale negativ beeinflusst oder abgelenkt. Hierdurch kann relativ genau das resultierende Magnetfeld des mindestens einen Magneten angezeigt bzw. detektiert werden. Die Anzeigevorrichtung kann auch am Kugelgelenkgehäuse vorgesehen oder mit diesem einstückig ausgebildet sein.
- Die Anzeigevorrichtung hat vorteilhaft eine magnetooptische Sensorschicht, welche wie vorbeschrieben, erfindungsgemäß in unmittelbarer Nähe, insbesondere nur wenige Millimeter bzw. zehntel Millimeter im Abstand zum Magneten angeordnet ist. Die Anzeigevorrichtung kann z.B. während des Herstellungsprozesses der Lagerschale mit in diese integriert bzw. eingeformt werden. Sie kann jedoch auch als getrenntes Modul zusammen mit der optischen Erfassungs- und/oder Auswerteeinrichtung an der Lagerschale fixiert bzw. befestigt werden.
- Damit eine Verdrehung und Kippung des Kugelgelenks besser detektierbar ist, sollten die Magnete nicht zu dicht zueinander angeordnet sein. Der Abstand hängt dabei u.a. auch von dem Abstand und der Dicke der magnetooptischen Sensorschicht ab.
- Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 : eine Querschnittsdarstellung durch ein Kugelgelenk mit erfindungsgemäßer Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung; -
1a : eine alternative Anordnung eines Permanentmagneten in einer Gelenkkugel; -
2 : mittels des magnetooptischen Effekts angezeigtes resultierendes Magnetfeld der beiden in1 dargestellten Permanentmagnete, wobei sich das Kugelgelenk in seiner Ausgangsstellung befindet; -
3 : angezeigtes Magnetfeld bei in X-Richtung gekipptem Kugelgelenk; -
4 : angezeigtes Magnetfeld bei in Y-Richtung gekipptem Kugelgelenk; -
5 : angezeigtes Magnetfeld bei in Y-Richtung gekipptem und gleichzeitig verdrehtem Kugelgelenk; - Die
1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Kugelgelenk mit einer erfindungsgemäßen Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung. Das Kugelgelenk besteht aus einem Kugelzapfen1 , der mit seiner an den Zapfen1b angeformten Gelenkkugel1a in einer Lagerschale (Kugelschale)3 einliegt. Die Polfläche1c der Gelenkkugel1a ist abgeflacht, so dass zwischen Gelenkkugel1a und der Lagerschale3 ein Freiraum3a entsteht, der als Fettraum bzw. Fettdepot verwendet werden kann. In der Gelenkkugel1a sind im Polbereich zwei Permanentmagnete2 parallel zueinander beabstandet angeordnet, wobei der eine Permanentmagnet2 mit seinem Nordpol N und der andere Permanentmagnet2 mit seinem Südpol S in Richtung Polfläche1c ausgerichtet ist bzw. weist. Die Permanentmagnete2 können entweder in Aussparungen eingesetzt und z.B. mittels eines Klebers mit der Gelenkkugel1a fest verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, die Magnete2 während des Herstellungsprozesses des Kugelzapfens1 mit einzuformen bzw. einzugießen. - Unterhalb der Polfläche bzw. in unmittelbarer Nähe zu den Magneten
2 ist die ' Anzeigevorrichtung4 in Form einer magnetooptischen Platte angeordnet. In1 liegt zwischen der Platte4 und den Magneten der Fettraum3a sowie das Material der Lagerschale3 . Es ist in einer alternativen Ausführungsform ebenso möglich, dass die Platte4 einen Wandbereich des Fettraums3a bildet, so dass sich kein Lagerschalenmaterial zwischen Platte4 und den Magneten2 befindet. Entsprechende auf dem magnetooptischen Faraday-Effekt basierende magnetooptische Platten sind hinreichend durch die Literatur beschrieben und werden deshalb hier nicht weiter erläutert. Die optische Platte ändert ihre optischen Eigenschaften je nach magnetischer Feldstärke. Die Magnete2 erzeugen ein Magnetfeld, so dass sich die magnetische Feldstärke über die optische Platte hin ändert. Wird die Platte beleuchtet, so werden die elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit des magnetischen Feldes unterschiedlich reflektiert, so dass sich im reflektierten Strahlengang ein Bild detektieren lässt, welches Rückschlüsse auf das Magnetfeld im Bereich der optischen Platte zulässt, wodurch wiederum die relative Lage des Kugelgelenks berechenbar ist. Zur Beleuchtung der optischen Platte dient ein Leuchtmittel5 , dessen Strahlen S durch eine Linse6 und einen Polarisator7 unter einem Winkel auf die optische Platte4 treffen, von wo sie entsprechend beziehungsweise in Abhängigkeit des jeweils an dem Reflektionspunkt vorherrschenden magnetischen Feldes mehr oder weniger gut reflektiert werden und über einen als Analysator8 bezeichneten Polarisationsfilter und einer Linse9 zum Bilderfassungssensor10 gelangen. Polarisator7 und Analysator8 sind um einen Winkel von 45° gegeneinander verdreht angeordnet. Die Auswerteelektronik, welche anhand der ermittelten Bildinformation die Verdrehung bzw. Verkippung des Kugelgelenks vornimmt, ist in1 nicht dargestellt. Die von dem Bilderfassungssensor bzw. der Bilderfassungseinrichtung10 in digitale Signale umgewandelte Bildinformation ist beispielhaft in den2 bis5 dargestellt. - Das Leuchtmittel
5 kann durch Leuchtdioden (LEDs) oder aber auch durch eine andere extern angeordnete Lichtquelle, deren Strahlen z.B. mittels eines Lichtleiters an den benötigten Ort geleitet werden, gebildet sein. Die Bilderfassungseinrichtung kann z.B. ein handelsüblicher CCD-Chip (CCD = charge coupled device ≈ ladungsgekoppeltes Bauelement) sein. - Die
1a zeigt eine alternative Anordnung eines einzelnen Permanentmagneten2' im Polbereich einer Gelenkkugel1a' . Bei dieser Ausführungsform ist der Magnet2' parallel zur abgeflachten Polfläche angeordnet, so dass dessen Süd- und Nordpol die notwendigen Magnetfeldstärkeunterschiede im Bereich der nicht dargestellten optischen Platte erzeugt. - Die
2 zeigt die ermittelbare Bildinformation11 , welche sich auf der optischen Platte durch die Magnetfeldstärkeunterschiede ergibt. Das Kugelgelenk befindet sich hierbei in seiner Nulllage, d.h. es ist weder verdreht noch gekippt. Der Nordpol des einen Permanentmagneten verursacht eine positive Faradaydrehung, wohingegen der Südpol eine negative Faradaydrehung hervorruft. Dadurch, dass der Polarisator7 und der Analysator8 um 45° gegeneinander verdreht angeordnet sind, ist die Photoresponsekurve linear, wodurch der die Bildinformation ermittelnde Sensor (CCD-Sensor) je nach Vorzeichen der Magnetisierung mehr oder weniger Licht detektiert. Der Nordpol des einen Magneten erzeugt somit einen dunklen Fleck MD und der Südpol einen hellen Fleck MH. Sofern die Ausgangslage der dunklen und hellen Flecken MD und MH bekannt sind, kann wie in den3 bis5 dargestellt, aus deren relativen Verschiebungen die Verdrehung und Verkippung des Kugelgelenks berechnet werden. - In den
3 bis5 sind Ausgangslagen des hellen und dunklen Flecks MD und MH gestrichelt dargestellt. Die Ausgangslagen sind bevorzugt in einem Festwertspeicher nach erfolgter Kalibrierung abgelegt. Die3 zeigt die Verkippung des Kugelgelenks in X-Richtung. Der dunkle Fleck MD' sowie der helle Fleck MH' wandern beide nach rechts bzw. verschieben sich um die Weglänge dx. Aus der Verschiebung dx lässt sich bei bekannter Geometrie des Kugelgelenks sowie der Dreh- und Kippdetektierungseinrichtung die Verkippung berechnen. Analog erfolgt die Verschiebung des dunklen und hellen Flecks MD'' und MH'' in Y-Richtung, wie in4 dargestellt. - Sofern das Kugelgelenk verkippt und verdreht wird, ändert sich die relative Lage der Flecken MD''' und MH''' zur Ausgangslage erneut, wobei durch die relativen Verschiebungen bzw. Entfernungen dx', dx'' sowie dy' und dy'' der Verdrehwinkel α, sowie die Verkippung in X- und Y-Richtung berechenbar ist. Der Verdrehwinkel α des Kugelgelenks ergibt sich dabei durch den Winkel zwischen den Verbindungslinien der verschobenen Flecken MD''' und MH''' sowie der gestrichelt dargestellten Flecken.
- Es versteht sich von selbst, dass auch mehr als zwei Permanentmagnete verwendet werden können. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass der Abstand zwischen den Magneten nicht zu gering gewählt wird, so dass die hellen und dunklen Flecken durch die Bildbearbeitungssoftware noch hinreichend scharf ermittelt werden können, so dass sich genaue Ergebnisse bzgl. der Lage des Kugelgelenks berechnen lassen.
- Die erfindungsgemäße Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung ist selbstverständlich für alle Arten und Bauformen von Kugelgelenken verwendbar.
-
- 1
- Kugelzapfen
- 1a, 1a'
- Gelenkkugel
- 1b
- Zapfen
- 1c
- Polfläche
- 2, 2'
- Permanentmagnet
- 3
- Lagerschale (Kugelschale)
- 3a
- Freiraum
- 4
- Anzeigevorrichtung (magnetooptischen Platte)
- 5
- Leuchtmittel
- 6
- Linse
- 7
- Polarisator
- 8
- Analysator (Polarisationsfilter)
- 9
- Linse
- 10
- Bilderfassungssensor
- 11
- Bildinformation
- S
- Strahlen
- MD, MD', MD''
- dunkler Fleck
- MH, MH', MH''
- heller Fleck
- dx, dx', dx''
- Weglänge in X-Richtung
- dy, dy', dy''
- Weglänge in Y-Richtung
- α
- Verdrehwinkel
Claims (11)
- Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung für ein Kugelgelenk mit einem in einer Kugelschale (
3 ) dreh- und schwenkbar gelagerten und eine Gelenkkugel (1a ) und einen Zapfen (1b ) aufweisenden Kugelzapfen (1 ), wobei mindestens ein Magnet (2 ), insbesondere ein Permanentmagnet in der Gelenkkugel (1a ) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine auf dem magnetooptischen Effekt basierende Anzeigevorrichtung (4 ) zum Anzeigen des Magnetfelds des mindestens einen Magneten (2 ), eine Bilderfassungseinrichtung (10 ) zum Erfassen der von der Anzeigevorrichtung (4 ) angezeigten Information und eine Datenverarbeitungseinheit zum Berechnen der Lage des Kugelzapfens (1 ) zur Kugelschale (3 ) anhand der erfassten Informationen. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Permanentmagnete (
2 ) nebeneinander und zueinander beabstandet in der Gelenkkugel (1a ) angeordnet sind, wobei jeweils mindestens ein Nord- und ein Südpol der Magnete (2 ) zur Oberfläche der Gelenkkugel (1a ) gewandt ist. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetooptische Platte als Anzeigevorrichtung (
4 ) außen an der Kugelschale (3 ) des Kugelgelenks angeordnet ist oder einen integralen Bestandteil der Lagerschale bildet. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Lichtquelle (
5 ) die magnetooptische Platte (4 ) mit polarisierten elektromagnetischen Wellen (S) unter einem bestimmtem Winkel bestrahlt wird, und dass ein optischer Sensor als Bilderfassungseinrichtung (10 ) so angeordnet ist, dass die von der magnetooptischen Platte (4 ) reflektierten elektromagnetischen Wellen (S) nach Durchtritt mindestens eines Polarisationsfilters (8 ) auf den optischen Sensor (10 ) fallen. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Linsen (
6 ,9 ) im Strahlengang der elektromagnetischen Wellen (S) zu deren Bündelung und/oder Fokussierung angeordnet sind. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Datenverarbeitungseinheit der Drehwinkel und/oder Kippwinkel des Kugelgelenks anhand der relativen Änderung und/oder der absoluten Position (dx, dx', dx''; dy, dy', dy'') von mittels der Anzeigevorrichtung (
4 ) angezeigten hellen und/oder dunklen Stellen (MD, MD', MD'', MD'''; MH, MH', MH'', MH'''), welche durch die Magnetfelder von mindestens zwei Polen eines oder mehrerer Magnete(n) (2 ) erzeugt werden, ermittelt wird. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Dreh- und Kippwinkelerfassungseinrichtung die Einfederungshöhe eines Kraftfahrzeugs ermittelbar ist.
- Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (
4 ) einen Fettraum (3a ) nach außen abdichtet. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (
4 ) einen Wandbereich des Fettraums (3a ) bildet. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (
4 ) in die Lagerschale (3 ) eingeformt, eingegossen oder an dieser befestigt ist. - Dreh- und/oder Kippwinkelerfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelzapfen (
1 ) aus ferromagnetischem Material, insbesondere Stahl ist.
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