センサ装置を備えたボールジョイント及び摩耗測定のための方法
本発明は、例えば自動車の車軸システムのためのボールジョイント、並びにボールジョイントにおける摩耗測定のための方法に関する。このボールジョイントは、環状又は鉢状のジョイントハウジング（１）を有しており、該ジョイントハウジング（１）のほぼ円筒形の内室内にボールソケット（２）が配置されている。該ボールソケット（２）内に、ボールピボット（４）のボール（３）が滑動可能に受容されている。さらにまた、ボールジョイントは、力若しくは負荷を規定するためのセンサ装置（７）を有している。
本発明によるボールジョイントは、前記センサ装置（７）が、曲げ弾性的なプレート（６）上に配置されていることを特徴としている。該プレートは、ジョイントハウジング（１）内に固定されており、この場合、前記センサ装置（７）は、センサプレート（６）の機械的な応力若しくは撓みを測定するように調整されている。前記ボールジョイントはさらに伝達部材を有していて、この伝達部材によって、ボールソケット（２）の変形時に力又は曲げモーメントが前記センサプレート（６）内に導入されるようになっている。
本発明によるボールジョイントは、頑丈で安価に製造可能であって、ボールジョイントに作用する負荷若しくは力を測定することができる。本発明の方法によれば、ボールソケットのプリロードを測定することによってボールジョイントの摩耗状態を永久的に確認することができる。
本発明によるボールジョイントは、前記センサ装置（７）が、曲げ弾性的なプレート（６）上に配置されていることを特徴としている。該プレートは、ジョイントハウジング（１）内に固定されており、この場合、前記センサ装置（７）は、センサプレート（６）の機械的な応力若しくは撓みを測定するように調整されている。前記ボールジョイントはさらに伝達部材を有していて、この伝達部材によって、ボールソケット（２）の変形時に力又は曲げモーメントが前記センサプレート（６）内に導入されるようになっている。
本発明によるボールジョイントは、頑丈で安価に製造可能であって、ボールジョイントに作用する負荷若しくは力を測定することができる。本発明の方法によれば、ボールソケットのプリロードを測定することによってボールジョイントの摩耗状態を永久的に確認することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車の車軸システムのためのボールジョイント（玉継手）であって、ジョイントハウジングを有しており、該ジョイントハウジングの内室内にボールソケットが配置されており、該ボールソケット内に、ボールピボットのボールが滑動可能に受容されており、ボールジョイントがさらに、力若しくは負荷を規定するためのセンサ装置を有している形式のものに関する。また本発明は、ボールジョイントにおける摩耗測定のための方法に関する。
【０００２】
冒頭に述べた形式のボールジョイントは、例えばサポートジョイント又はガイドジョイントとして、もっぱら自動車のホイールハウジング若しくはシャーシにしか使用することができない。この場合、冒頭に述べた形式のボールジョイントは、センサ装置を有しており、このセンサ装置によって、ボールジョイントに作用する力及び負荷を検出若しくは測定することができる。
【０００３】
冒頭に述べた形式の、力若しくは負荷を測定するための装置を備えたボールジョイントは、自動車に使用され、実際の走行運転中に又は試験台上での試験運転中にボールジョイントに作用する力又は曲げモーメントを確実に検出することができるようにするためのものである。このような形式で、自動車のシャーシにおけるボールジョイントの力を測定することによって、自動車の走行力学的な状態（fahrdynamischen Zustand）を推論することができる。これによって特に、例えばＥＳＰ又はＡＢＳ等の走行安全性システムのためのデータベースを改善することができる。従って冒頭に述べた形式のボールジョイントは、特に自動車における走行安全性を改善するために用いられる。
【０００４】
力センサ装置を備えたボールジョイントは、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１０１０７２７９号明細書により公知である。この文献により公知のボールジョイントは、特に、自動車の所定の構成部分に作用する力、例えばタイロッドにおいてシャーシからの反応力に基づいて存在する軸方向力を検出若しくは評価するために用いられる。このためにこの文献によれば、舵取りリンク機構の種々異なる構成部分間に配置されたボールジョイントは、ボールピボットの領域内で伸張測定ストリップ又はピエゾ・圧力センサを備えていて、このセンサの信号を用いて、ボールジョイントの負荷及びひいては舵取りリンク機構に作用する軸方向力を推論するようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような形式の伸張測定ストリップ又はピエゾセンサを備えたボールジョイントの構成は高価なコストを必要とする。まず、一般的にボールピボットに相応の取付け面を形成し、次いでこの取付け面に例えば前記伸張ストリップを接着する必要がある。しかも追加的に、別個の評価エレクトロニクスに電線接続によって電気的に接続する必要があり、この場合、評価エレクトロニクスは、適当な箇所に保護して取り付ける必要がある。このような構成は、費用がかかり、ひいてはこのような形式の負荷センサを備えたボールジョイントの製造コストは高価であり、しかもこのような形式のボールジョイントの露出したセンサ及び配線は繊細であり、従って故障し易いものである。
【０００６】
しかも、力センサ（フォースセンサ）装置を備えたボールジョイントにおいては、この力センサ装置によって、（ボールジョイントの本来の負荷状態を越えた）特にボールジョイントの状態に関するその他の情報を導き出すことは殆どできない。しかしながら、自動車のステアリング又はシャーシの領域内に配置されたボールジョイントは、特に走行中に故障すると重大な結果を招くことになる安全性に関連した構成部分であるので、ボールジョイントの瞬間的な運転状態若しくは摩耗状態に関する情報を永久的に得ることが特に望まれている。
【０００７】
このような背景から、本発明の課題は、従来技術の前記欠点を克服することができるセンサ装置を備えたボールジョイントを提供することである。特に、ボールジョイントは、安価で確実な形式で、並びに構造的に大きい自由度で、ボールジョイントに作用する負荷若しくは力を検出することができるものでなければならない。しかも、ボールジョイントの摩耗状態に関する情報も得ることができるものでなければならないので、ボールジョイントの前記のような故障を早期に認識し、それによってこれを阻止することができるようにしなければならない。
【０００８】
この課題は、請求項１に記載した特徴を有するボールジョイントによって、若しくは、請求項１５に記載したボールジョイントの摩耗測定のための方法によって解決される。有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明によるボールジョイントは、公知の形式でジョイントハウジングを有している。このジョイントハウジングは、大抵の場合は、ほぼ円筒形の内室を有していて、この内室内にボールジョイントのボールソケットが配置されている。このボールソケット内に、ボールジョイントのボールピボットのボールが滑動可能に受容されている。
【００１０】
同様に公知の形式で、ボールジョイントはさらに、ボールジョイントの力若しくは負荷を測定するためのセンサ装置を有している。
【００１１】
本発明によるボールジョイントは、力センサ装置が曲げ弾性的なプレート上に配置されていることを特徴としている。この力センサ装置は、ジョイントハウジング内に位置していて、その他の構成部分に妨害されることなしに、所望の撓みにさらされるように、可動に配置されている。この場合、プレート上の力センサ装置は、プレートの撓み若しくは機械的な応力が力センサ装置によって規定若しくは測定され得るように、構成されている。ボールジョイントはさらに伝達部材を有しており、この伝達部材は、ボールソケットが変形する際に、力若しくは曲げモーメントが曲げ弾性的なプレート内に導入され得るように調整されている。
【００１２】
換言すれば、ボールソケットに作用する力は本発明に従って、力に限定されて常に発生する、弾性的なボールソケットの変形が、伝達部材によってジョイントハウジング内に配置されたプレートに伝達されることによって、検出される。プレート上にはセンサ装置が配置されており、このセンサ装置によって、プレート内に導入された機械的な応力若しくは、それによって生ぜしめられるプレートの撓みを測定することができる。
【００１３】
それによって外部の負荷がボールジョイントに作用すると、一般的に粘弾性的なポリマーより成るボールソケットの形状も少なくとも少しだけ変化する。この形状変化は、ボールジョイントの伝達部材を介して、曲げ弾性的なプレートに伝達され、このプレートに配置されたセンサによって検出される。
【００１４】
この場合、有利な形式で、本発明による配置によって、プレートはセンサ装置と共にジョイントハウジング内で良好に保護されている。またこれによって、非常に頑丈で信頼できる、しかも安価な構造が得られる。センサを別個に取り付ける高価な作業も、また後から評価エレクトロニクスに配線する作業も必要ないので、センサと評価エレクトロニクスとを一緒にプレート上に組み付けることができる。ボールジョイントの形状安定性に不都合な影響を与える、ボールソケット及びジョイントボールの機械的な変更はもはや必要ない。従来必要とされていた費用な省くことができる。
【００１５】
また本発明による測定原理に基づいて、外部からボールジョイントに作用する力の他に、ボールジョイント内部の力に関する情報も得ることができる。この場合特に、ボールソケットのプリロード力（予備荷重）を検出することも考えられる。時間の経過に伴って低下する、ボールソケットのプリロード力の大きさは、ボールジョイントの次第に大きくなる摩耗の程度として考慮することができる。
【００１６】
本発明を実現するために、センサプレートがどのように変形されるか、又はボールソケットの変形をセンサプレートに伝達する手段がどのように構成され、配置されるかは、重要なことではない。本発明の特に有利な実施例によれば、センサプレートは円形又は丸く構成されているか、若しくは伝達部材は、ボールジョイントのほぼ環状の突起によって形成されている。
【００１７】
これは、これによってほぼ直接的な力の検出が行われるので有利である。何故ならばボールソケットの事実上全体的に発生する変形は、環状に延在する突起を介してセンサプレートに確実に伝達されるからである。特にこれによって任意にボールジョイントに作用する力は、ｘ方向及びｙ方向で検出され、この場合、ｚ方向は、ボールソケット若しくはジョイントハウジングの軸線に沿って規定されている。しかしながら、このような形式でボールソケット内にほぼ直接的に作用するプリロード力若しくは、場合によってはｚ方向でボールジョイントに作用する外部の圧力も記録されるか若しくは測定される。しかも、評価エレクトロニクスの適当な回路によって、（著しく変化する）外部のジョイント力を、比較的ゆっくりと変化するジョイント内部のプリロード力に対して確実に区別することができる。
【００１８】
本発明の別の特に有利な実施例によれば、力センサ装置は、センサプレートの撓み若しくは変形の大きさも方向も測定するために構成することができる。換言すれば、このことはつまり、センサプレート上に配置されたセンサ装置は、センサプレートの撓みの強さ以外に、撓みによって生ぜしめられる、ｘ−ｙ平面における曲げモーメントの方向若しくは撓みの方向も確認することができるように、構成されているということである。
【００１９】
このような形式で、ボールジョイントに作用する力の大きさの他に、付加的にこの力の作用方向、若しくはボールジョイントのｘ−ｙ平面における力の作用方向の少なくとも投影（Projektion）も規定することができる。
【００２０】
例えば、ＡＢＳ又はＥＳＰ等の運転者補助システムを備えた自動車においてボールジョイントを使用した場合、ボールジョイントに作用する力の測定は、力の大きさだけではなく、力の方向に関連した有効なデータを提供する。このように構成されたボールジョイントは、自動車のそれぞれの車軸システム若しくはボールジョイントの実際の負荷状態に関する正確なデータを検出するために、例えば試験台上での試験運転中に、又は実際の測定走行においても、有利な形式で使用することができる。
【００２１】
本発明は、ジョイントハウジング内にセンサプレートがどのように配置されているか、若しくはジョイントハウジングとどのように接続されているに関係なく実現することができる。本発明の有利な実施例によれば、センサプレートは、ジョイントハウジングに環状に配置された支持エレメントに当接せしめられるようになっており、この場合、支持エレメントが有利な形式でスペーサリングによって形成されており、このスペーサリングの直径は、ボールソケットの環状の突起の直径とは異なっている。
【００２２】
このような形式で、支持エレメントと伝達部材との協働作業によって、ハサミ状の緊締作用がセンサプレートに環状に加えられる。これによって、ｘ−ｙ平面において任意の方向でボールジョイントに作用する外部の力も、またボールジョイント内で発生するボールソケットのプリロード力も確実に検出することができる。ボールソケットの変形とセンサプレートの撓みとの間の機械による力の拡大率、若しくはそれに基づくセンサ装置の感度は、特にスペーサリングと環状の伝達部材との直径比を相応に調節することによって、及び／又は弾性モジュール若しくはセンサプレートの曲げ強さの変化によって、広い範囲で可変に調節することができる。
【００２３】
本発明の別の有利な実施例によれば、スペーサリングはボールジョイントのハウジングカバーに当接せしめられるようになっているか、若しくはスペーサリングはボールジョイントのハウジングカバーと一体的に構成されている。これによって、ボールジョイントの構造的に簡単かつ頑丈な構造が得られ、測定のために必要な曲げモーメントをセンサプレート内において効果的に導入することができる。
【００２４】
本発明の選択的な実施例によれば、センサプレートは支持エレメントに当接せしめられるようになっており、この支持エレメントは、ジョイントハウジングにではなく、むしろ同様にボールソケットに接続されている。この実施例によれば、その幾何学的な形状に応じて、力の測定に関するより高い感度が得られる。しかもこの実施例によれば、センサプレートをボールソケットに直接、特に簡単に組み付けることができる。
【００２５】
本発明の特に有利な実施例によれば、ボールジョイントはさらに、ジョイントハウジングとボールピボットとの相対角度位置を検出するための角度センサ装置を備えている。この角度センサ装置は、ジョイントボールの表面領域に配置された磁界信号発信器、特に永久磁石、並びにジョイントハウジングに配置された電界若しくは磁界センサ装置、特に磁界センサを有している。
【００２６】
このような形式で、力センサ装置によって測定可能なジョイント力の他にさらに、同一のボールジョイントのジョイントハウジングとボールピボットとの瞬間的な相対角度位置も検出することができる。これによって、例えば自動車の走行安全性又は運転者補助システムのためのデータベースをさらに拡大することができ、これによって、このような装置を備えた自動車の走行安全性における付加的な改善が得られる。
【００２７】
この場合、別の有利な実施例によれば、磁界センサ装置は力センサ装置と共にセンサプレート上に配置されており、この場合、磁界センサ装置と力センサ装置とは、有利な形式でモノリシック集積回路として構成されている。これによって、力及び角度位置のための測定可能性を有するボールジョイントを、著しく安価に、しかも確実かつ頑丈に構成することができる。本発明のこの実施例に応じて、３次元空間内における磁界のための測定可能性も、またｘ方向及びｙ方向のための付加的な力センサ若しくは歪みセンサも、同一のモノリシック回路に集積されている磁界センサ装置を得ることができる。
【００２８】
しかもこのような形式で、同じセンサプレート上に、センサも評価回路も、また場合によっては測定値を最初に処理するための回路及びデジタル化も組み込むことができる。これは同様に、このように構成されたボールジョイントのユニバーサル（万能）な使用可能性、安価な製造可能性及び信頼性のために役立つ。
【００２９】
本発明の有利な実施例によれば、磁界センサ装置はＣＭＯＳホールセンサ装置として構成されているか、若しくはすべての３次元空間方向で磁界を測定するために構成されている。ＣＭＯＳホールセンサは、製造が特に安価で、比較的簡単な形式で評価回路に組み込むことができる。
【００３０】
すべての３次元空間方向で検出することができる（換言すれば、磁界の方向並びに密度を、３次元空間方向で磁界の整列とは無関係に検出することができる）磁界センサ装置を備えたボールジョイントは、特に有利である。何故ならばこのような形式で、１つのボールジョイントにおいて、ｘ成分及びｙ成分から成る傾倒角度若しくは旋回角度の両角度成分も、またボールピボットの回転角度若しくは回動も、同じ軸線を中心として検出することができるからである。ボールジョイント回転角度を付加的に測定することによって、自動車の走行安全システム例えばＡＢＳ及びＥＳＰのための、またヘッドライト又はこれと類似のもののための自動的な光軸調整等にも使用することができる付加的な情報が提供される。
【００３１】
本発明はまた、請求項１５に記載した、ボールジョイントにおける摩耗測定のための方法に関する。本発明による方法は、ボールジョイント製作時に最初に規定された、ジョイントハウジング内のボールソケットのプリロード力の一部が、ボールジョイントの所定の運転期間経過後にどの程度残存しているかを規定するために用いられる。
【００３２】
ボールジョイントのボールソケットは、少なくとも粘弾性的なポリマーより製作されていて、ボールジョイントの耐用年数期間中に、ボール表面とボールソケットとの間の相対運動に基づく表面摩耗にも、またプラスチックのクリープ運動に基づく所定の応力緩和にも晒される。このような表面摩耗及び応力緩和によって、ボールジョイント内のプリロードが時間の経過に伴って緩和され、それによって負荷下においてジョイント遊びが増大するようになっている。
【００３３】
従って、時間が経つにつれて次第に減少するプリロード力の大きさを、瞬間的な状態のための及びボールジョイントの残りの耐用年数のための指標とすることができる。さらにまた、ボールジョイントにおいて短時間で大きく低下するプリロード力から、ボールジョイントの損傷、例えばシールベローズの損傷を推論することができる。シールベローズが損傷すると、後からボールジョイント内に塩水が侵入してボールジョイントの浸食を招くことになる。
【００３４】
本発明による方法を実施するために、第１の方法段階でまず、「力の不変性若しくはボールジョイントの停止状態負荷」、「ジョイントハウジング内のボールピボットの適当な相対位置」、又は「ボールジョイント若しくは自動車の運動停止状態」の条件のうちの１つ又は複数が存在するかどうかをテストする。
【００３５】
これらの条件のうちのより多くの条件を満たすことによって、より確実かつ正確に次の測定を実施することができる。
【００３６】
次の方法段階で、ボールジョイントの力センサ装置によって、ボールソケットとボールハウジングとの間、若しくはボールソケットとジョイントボールとの間のプリロード力の大きさを検出する。次いでさらに次の方法段階で、測定信号から若しくは検出されたプリロード力から、それに対応するボールジョイントの摩擦値を算出する。
【００３７】
最後に、算出された摩擦値をメモリーされている最大値と比較し、場合によっては最大値を超えた時に警告を発信する。
【００３８】
本発明の方法によって、ボールジョイントの状態に関する情報、並びにボールジョイントの予想される耐用年数に関する情報を得ることができる。ボールジョイントの故障が目前に迫っていることも、ボールソケットのプリロード力若しくは摩擦値を本発明に従って監視することによって早期に確認することができるか、若しくは予測することができる。このような形式で、ボールジョンとの運転確実性、若しくはこのようなボールジョイントを備えた自動車の運転確実性が著しく改善される。
【００３９】
以下に本発明を図示の実施例を用いて詳しく説明する。
【００４０】
図１は、本発明の１実施例によるボールジョイントの、側方から力が加えられている状態を示す概略的な縦断面図、
図２は、図１に示したボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１に相当する図、
図３は、本発明の別の実施例によるボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１及び図２に相当する図である。
【００４１】
図１は、本発明の１実施例によるボールジョイントの概略的な縦断面図である。ほぼ鉢状のジョイントハウジング１が示されており、このジョイントハウジング１内に軸受シェル若しくはボールソケット２が配置されている。ボールソケット２の内室内に、ボールピボット４のジョイントボール３が配置されている。
【００４２】
図１によればボールジョイントは、ジョイントボール３とハウジングカバー５との間に配置されたセンサプレート６を有している。このセンサプレート６上に、概略的に示されたセンサ装置７が配置されている。このセンサ装置７は、永久磁石として構成された磁気的な磁界信号発信器８の近傍に位置しており、この磁界信号発信器８は、プラスチック栓９によってジョイントボール３の孔１０内に配置されている。
【００４３】
センサ装置７は、永久磁石８の磁界がすべての空間方向で検出され得るように構成されている。換言すれば、磁界の強さ並びに力線は、３次元空間内での永久磁石の整列状態に関係なしにベクトル的に検出され得る。このような形式で、センサ装置７は、ジョイントハウジング１内のボールピボット４の旋回角度も、また付加的にこの旋回角度によって形成される平面の整列状態も確認することができる。
【００４４】
言い換えれば、ボールピボット４がジョイントハウジング１に対して相対的にどの方向でどの程度旋回せしめられるかを、まず検出することができる。しかしながらセンサ装置７は、永久磁石８の力線の方向及び強さを３次元空間内で規定することができるので、付加的に回転角度の大きさも測定することができる。この回転角度を中心にして、ボールピボット４がジョイントハウジング１内で回転若しくは曲がるようになっている。
【００４５】
１つのセンサ装置７だけによって、旋回角度の大きさ及び方向の測定も、また回転角度の大きさの測定も行うことによって、簡単かつ確実な形式で、例えば試験運転時において非常に広いデータベースが提供されるか、又は本発明によるボールジョイントを備えた自動車の走行安全性及び運転者補助システムのための非常に広いデータベースが提供される。
【００４６】
この場合、本来のフィールドセンサも、また所属の評価エレクトロニクス並びに付加的な回路素子（例えばデジタル化又はデータバス接続部）も、センサ装置７の領域内で、同じセンサプレート６上に安価にかつ保護された状態で組み込むことができる。
【００４７】
しかしながら図１に示したボールジョイントは、旋回及び回転角度のための測定可能性の他に付加的に、ボールジョイントに作用する運転力並びにジョイントハウジング１内のボールソケット２の残留プリロード力を測定若しくは監視する特性も有している。
【００４８】
図１に示されているように、ボールピボット４に、図面で左から右に、ｘ−ｙ平面内に延在する力Ｆが作用する。この力Ｆは、例えば走行力学的な力に基づいて自動車の車軸システム内に発生する。力Ｆによる力の作用に基づいて、粘弾性的（zeahelastisch）なポリマーより成るボールソケット２は弾性的に変形する。図１では見やすくするために、縮尺を変えて誇張して示されている。
【００４９】
ボールピボット４はボール３と共に、力Ｆの作用に基づいてジョイントハウジング１に対して相対的に図面で右方向にずらされる。これによって、図面で見てボールソケット２の右側が圧縮され（符号１１で示されている）、これに対してボールソケット２の左側は負荷軽減される（符号１２で示されている）。近似的な容積不変性若しくはボールソケット２のために用いられた材料の横方向収縮率に基づいて、ボールソケット２の右側の圧力が高くなるか、若しくはボールソケット２の左側が負荷軽減されるが、ボールソケット２のそれぞれの側の伸張は、図面で見て垂直方向若しくはｚ方向に相応に変化する。言い換えれば、ボールソケット２の図面で右側の垂直方向の伸張が大きくなり、これに対してボールソケット２の左側は、破線の矢印１１，１２（形状変形部）で示されているように、圧縮される傾向にある。
【００５０】
しかしながら力Ｆで示された、ボールソケット２の形状変形部１１，１２は、曲げ弾性的なセンサプレート６の特別な緊張に基づいてセンサプレート６に伝播する（図１にも示されている）。センサプレート６は、伝達手段として構成されたボールソケット２の突起１３と、ハウジングカバー５に当接する、支持部材を形成するスペーサリング１４との間に、ハサミ状に緊締されていて、ボールソケット２の突起１３を介してセンサプレート６内に導入される力若しくは変位が、相応の曲げモーメントに変換されるか、若しくはセンサプレート６の相応の撓みを生ぜしめるようになっている。センサプレート６の図示の撓みは、縮尺通りではなく、むしろ分かりやすくするために誇張して示されている。
【００５１】
図１に示したボールジョイントにおいては、センサ装置７は、ベクトルによって作業する磁界センサ及び評価エレクトロニクスの他に、付加的にセンサプレート６の表面における機械的な応力若しくは撓みを検出するためのセンサも有している。プレート表面の機械的な応力若しくは撓みを測定することによって、相応のセンサ較正に従って、まず力Ｆの大きさを推論することができる。
【００５２】
しかしながらセンサ装置７は、撓みの程度だけではなく、撓みの方向若しくは撓みを生ぜしめる、センサプレート６の平面におけるｘ−ｙ方向の曲げモーメントの方向も規定できるように、構成することができる。ボールソケット２の形状変形部１１，１２はその最大値が、変形力Ｆの方向に基づいて、ボールピボット４の軸平面（変形力Ｆも延在する）に展開するので、センサプレート６も、変形力Ｆの方向に基づくそれぞれの特性に従って変形せしめられる。
【００５３】
次いで、このような特性的な変形は、センサ装置７によって、その大きさも、またｘ−ｙ平面におけるその方向も検出され、それによって、ｘ−ｙ平面における力Ｆの方向も推論することができる。
【００５４】
図２には、図１に示したボールジョイントが示されており、この場合、図２に示したボールジョイントは、図１のボールジョイントとは異なり、軸方向の力Ｆによって負荷されている。この場合、変形力Ｆに基づくボールソケットの変形１１，１２は、左右対称であるか若しくは環状に均一に行われる。これによって、センサプレート６は、ボールソケット２の変形をセンサプレート６に伝達するための手段として用いられる環状の突起１３を介して、すべての方向で均一に湾曲せしめられる。これは、図２には、センサプレート６の、縮尺通りではない著しく誇張された撓みによって示されている。
【００５５】
こうしてセンサ装置７によって、２つの方向ｘ及びｙで同じ大きさの、センサプレート７の機械的な応力若しくは撓みが記録されると、それが、その瞬間に存在する周辺条件に応じて、ボールソケット２の静力学的なプリロード力又は軸方向の押圧力Ｆ′を表す。
【００５６】
この場合、測定された力がプリロード力として解釈されるために役立つ、注目すべき周辺条件とは、例えば自動車の停止状態及び／又は舵取りリンク機構のニュートラル位置を示すボールソケットとジョイントハウジングとの瞬間的な相対位置、長時間維持されている力の不変性、又は同様にセンサ装置７によって測定されたボールジョイントの運動静止状態である。その他の場合、特に検出された軸方向力に迅速な変動が発生した場合、又はそれと同時に、ボールソケットの同相の運動が発生した場合は、ボールジョイントに外部の可変な力が作用したと推論される。
【００５７】
図３は、本発明によるボールジョイントの別の実施例を示す。図３に示したボールジョイントは、図１若しくは図２に示したボールジョイントにほぼ相当する。図３に示したボールジョイントと、図１若しくは図２に示したボールジョイントとの相違点は、センサプレート６が、ハウジングカバー５に当接するスペーサリング１４（図１若しくは図２参照）と環状の突起１３との間に配置及び緊締されていない、という点にある。図３に示したボールジョイントにおいては、ボールソケット２の変形を曲げモーメントとして維持し、かつセンサプレート６に伝達することは、環状の突起１３′及び同様に環状の、並びに同様にボールソケット２自体に配置された係止突起１５によって行われる。
【００５８】
この実施例は、特に突起１３′及び１５の具体的に選択された幾何学形状に基づいて、センサプレート６若しくはこのセンサプレート６上に配置されたセンサ７の特に高い応答感度が得られ、ひいては、作用する力に関連した、及び／又はボールジョイント内に残存するボールソケット２のプリロード力の検出に関連した特に高い測定分解能が得られる、ということを特徴としている。
【００５９】
従って、本発明によれば、ボールジョイントの運転状態及び負荷状態を確実に検出することができる、ボールジョイントにおける摩耗測定の方法及びボールジョイントが得られる。本発明によるボールジョイントは、安価で確実に、かつ構造的に大きい自由度を有する形式で、力若しくはボールジョイントに作用する負荷を検出することができる。しかも、ボールジョイントの摩耗状態を確実に知らせることもできるので、ボールジョイントの間近に迫った故障を早めに検知し、かつ阻止することができる。
【００６０】
本発明は、特に自動車の、要求の多いサスペンション及び車軸システムの領域にボールジョイントを使用した場合の、ボールジョイントにおける安全性、信頼性及び故障回避を改善するために、並びに運転者補助システムのデータベースの拡大に関連して効果的に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の１実施例によるボールジョイントの、側方から力が加えられている状態を示す概略的な縦断面図である。
【図２】図１に示したボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１に相当する図である。
【図３】本発明の別の実施例によるボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１及び図２に相当する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ ジョイントハウジング、 ２ ボールソケット、 ３ ジョイントボール、 ４ ボールピボット、 ５ ハウジングカバー、 ６ センサプレート、 ７ センサ装置、 ８ 磁界信号発信器、 ９ プラスチック栓、 １０ 孔、 １１，１２ 形状変形部、 １３，１３′ 環状の突起、伝達部材、 １４ スペーサリング、 １５ 環状の係止突起、 Ｆ，Ｆ′ 外部の力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車の車軸システムのためのボールジョイント（玉継手）であって、ジョイントハウジングを有しており、該ジョイントハウジングの内室内にボールソケットが配置されており、該ボールソケット内に、ボールピボットのボールが滑動可能に受容されており、ボールジョイントがさらに、力若しくは負荷を規定するためのセンサ装置を有している形式のものに関する。また本発明は、ボールジョイントにおける摩耗測定のための方法に関する。
【０００２】
冒頭に述べた形式のボールジョイントは、例えばサポートジョイント又はガイドジョイントとして、もっぱら自動車のホイールハウジング若しくはシャーシにしか使用することができない。この場合、冒頭に述べた形式のボールジョイントは、センサ装置を有しており、このセンサ装置によって、ボールジョイントに作用する力及び負荷を検出若しくは測定することができる。
【０００３】
冒頭に述べた形式の、力若しくは負荷を測定するための装置を備えたボールジョイントは、自動車に使用され、実際の走行運転中に又は試験台上での試験運転中にボールジョイントに作用する力又は曲げモーメントを確実に検出することができるようにするためのものである。このような形式で、自動車のシャーシにおけるボールジョイントの力を測定することによって、自動車の走行力学的な状態（fahrdynamischen Zustand）を推論することができる。これによって特に、例えばＥＳＰ又はＡＢＳ等の走行安全性システムのためのデータベースを改善することができる。従って冒頭に述べた形式のボールジョイントは、特に自動車における走行安全性を改善するために用いられる。
【０００４】
力センサ装置を備えたボールジョイントは、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１０１０７２７９号明細書により公知である。この文献により公知のボールジョイントは、特に、自動車の所定の構成部分に作用する力、例えばタイロッドにおいてシャーシからの反応力に基づいて存在する軸方向力を検出若しくは評価するために用いられる。このためにこの文献によれば、舵取りリンク機構の種々異なる構成部分間に配置されたボールジョイントは、ボールピボットの領域内で伸張測定ストリップ又はピエゾ・圧力センサを備えていて、このセンサの信号を用いて、ボールジョイントの負荷及びひいては舵取りリンク機構に作用する軸方向力を推論するようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような形式の伸張測定ストリップ又はピエゾセンサを備えたボールジョイントの構成は高価なコストを必要とする。まず、一般的にボールピボットに相応の取付け面を形成し、次いでこの取付け面に例えば前記伸張ストリップを接着する必要がある。しかも追加的に、別個の評価エレクトロニクスに電線接続によって電気的に接続する必要があり、この場合、評価エレクトロニクスは、適当な箇所に保護して取り付ける必要がある。このような構成は、費用がかかり、ひいてはこのような形式の負荷センサを備えたボールジョイントの製造コストは高価であり、しかもこのような形式のボールジョイントの露出したセンサ及び配線は繊細であり、従って故障し易いものである。
【０００６】
しかも、力センサ（フォースセンサ）装置を備えたボールジョイントにおいては、この力センサ装置によって、（ボールジョイントの本来の負荷状態を越えた）特にボールジョイントの状態に関するその他の情報を導き出すことは殆どできない。しかしながら、自動車のステアリング又はシャーシの領域内に配置されたボールジョイントは、特に走行中に故障すると重大な結果を招くことになる安全性に関連した構成部分であるので、ボールジョイントの瞬間的な運転状態若しくは摩耗状態に関する情報を永久的に得ることが特に望まれている。
【０００７】
このような背景から、本発明の課題は、従来技術の前記欠点を克服することができるセンサ装置を備えたボールジョイントを提供することである。特に、ボールジョイントは、安価で確実な形式で、並びに構造的に大きい自由度で、ボールジョイントに作用する負荷若しくは力を検出することができるものでなければならない。しかも、ボールジョイントの摩耗状態に関する情報も得ることができるものでなければならないので、ボールジョイントの前記のような故障を早期に認識し、それによってこれを阻止することができるようにしなければならない。
【０００８】
この課題は、請求項１に記載した特徴を有するボールジョイントによって、若しくは、請求項１５に記載したボールジョイントの摩耗測定のための方法によって解決される。有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明によるボールジョイントは、公知の形式でジョイントハウジングを有している。このジョイントハウジングは、大抵の場合は、ほぼ円筒形の内室を有していて、この内室内にボールジョイントのボールソケットが配置されている。このボールソケット内に、ボールジョイントのボールピボットのボールが滑動可能に受容されている。
【００１０】
同様に公知の形式で、ボールジョイントはさらに、ボールジョイントの力若しくは負荷を測定するためのセンサ装置を有している。
【００１１】
本発明によるボールジョイントは、力センサ装置が曲げ弾性的なプレート上に配置されていることを特徴としている。この力センサ装置は、ジョイントハウジング内に位置していて、その他の構成部分に妨害されることなしに、所望の撓みにさらされるように、可動に配置されている。この場合、プレート上の力センサ装置は、プレートの撓み若しくは機械的な応力が力センサ装置によって規定若しくは測定され得るように、構成されている。ボールジョイントはさらに伝達部材を有しており、この伝達部材は、ボールソケットが変形する際に、力若しくは曲げモーメントが曲げ弾性的なプレート内に導入され得るように調整されている。
【００１２】
換言すれば、ボールソケットに作用する力は本発明に従って、力に限定されて常に発生する、弾性的なボールソケットの変形が、伝達部材によってジョイントハウジング内に配置されたプレートに伝達されることによって、検出される。プレート上にはセンサ装置が配置されており、このセンサ装置によって、プレート内に導入された機械的な応力若しくは、それによって生ぜしめられるプレートの撓みを測定することができる。
【００１３】
それによって外部の負荷がボールジョイントに作用すると、一般的に粘弾性的なポリマーより成るボールソケットの形状も少なくとも少しだけ変化する。この形状変化は、ボールジョイントの伝達部材を介して、曲げ弾性的なプレートに伝達され、このプレートに配置されたセンサによって検出される。
【００１４】
この場合、有利な形式で、本発明による配置によって、プレートはセンサ装置と共にジョイントハウジング内で良好に保護されている。またこれによって、非常に頑丈で信頼できる、しかも安価な構造が得られる。センサを別個に取り付ける高価な作業も、また後から評価エレクトロニクスに配線する作業も必要ないので、センサと評価エレクトロニクスとを一緒にプレート上に組み付けることができる。ボールジョイントの形状安定性に不都合な影響を与える、ボールソケット及びジョイントボールの機械的な変更はもはや必要ない。従来必要とされていた費用な省くことができる。
【００１５】
また本発明による測定原理に基づいて、外部からボールジョイントに作用する力の他に、ボールジョイント内部の力に関する情報も得ることができる。この場合特に、ボールソケットのプリロード力（予備荷重）を検出することも考えられる。時間の経過に伴って低下する、ボールソケットのプリロード力の大きさは、ボールジョイントの次第に大きくなる摩耗の程度として考慮することができる。
【００１６】
本発明を実現するために、センサプレートがどのように変形されるか、又はボールソケットの変形をセンサプレートに伝達する手段がどのように構成され、配置されるかは、重要なことではない。本発明の特に有利な実施例によれば、センサプレートは円形又は丸く構成されているか、若しくは伝達部材は、ボールジョイントのほぼ環状の突起によって形成されている。
【００１７】
これは、これによってほぼ直接的な力の検出が行われるので有利である。何故ならばボールソケットの事実上全体的に発生する変形は、環状に延在する突起を介してセンサプレートに確実に伝達されるからである。特にこれによって任意にボールジョイントに作用する力は、ｘ方向及びｙ方向で検出され、この場合、ｚ方向は、ボールソケット若しくはジョイントハウジングの軸線に沿って規定されている。しかしながら、このような形式でボールソケット内にほぼ直接的に作用するプリロード力若しくは、場合によってはｚ方向でボールジョイントに作用する外部の圧力も記録されるか若しくは測定される。しかも、評価エレクトロニクスの適当な回路によって、（著しく変化する）外部のジョイント力を、比較的ゆっくりと変化するジョイント内部のプリロード力に対して確実に区別することができる。
【００１８】
本発明の別の特に有利な実施例によれば、力センサ装置は、センサプレートの撓み若しくは変形の大きさも方向も測定するために構成することができる。換言すれば、このことはつまり、センサプレート上に配置されたセンサ装置は、センサプレートの撓みの強さ以外に、撓みによって生ぜしめられる、ｘ−ｙ平面における曲げモーメントの方向若しくは撓みの方向も確認することができるように、構成されているということである。
【００１９】
このような形式で、ボールジョイントに作用する力の大きさの他に、付加的にこの力の作用方向、若しくはボールジョイントのｘ−ｙ平面における力の作用方向の少なくとも投影（Projektion）も規定することができる。
【００２０】
例えば、ＡＢＳ又はＥＳＰ等の運転者補助システムを備えた自動車においてボールジョイントを使用した場合、ボールジョイントに作用する力の測定は、力の大きさだけではなく、力の方向に関連した有効なデータを提供する。このように構成されたボールジョイントは、自動車のそれぞれの車軸システム若しくはボールジョイントの実際の負荷状態に関する正確なデータを検出するために、例えば試験台上での試験運転中に、又は実際の測定走行においても、有利な形式で使用することができる。
【００２１】
本発明は、ジョイントハウジング内にセンサプレートがどのように配置されているか、若しくはジョイントハウジングとどのように接続されているに関係なく実現することができる。本発明の有利な実施例によれば、センサプレートは、ジョイントハウジングに環状に配置された支持エレメントに当接せしめられるようになっており、この場合、支持エレメントが有利な形式でスペーサリングによって形成されており、このスペーサリングの直径は、ボールソケットの環状の突起の直径とは異なっている。
【００２２】
このような形式で、支持エレメントと伝達部材との協働作業によって、ハサミ状の緊締作用がセンサプレートに環状に加えられる。これによって、ｘ−ｙ平面において任意の方向でボールジョイントに作用する外部の力も、またボールジョイント内で発生するボールソケットのプリロード力も確実に検出することができる。ボールソケットの変形とセンサプレートの撓みとの間の機械による力の拡大率、若しくはそれに基づくセンサ装置の感度は、特にスペーサリングと環状の伝達部材との直径比を相応に調節することによって、及び／又は弾性モジュール若しくはセンサプレートの曲げ強さの変化によって、広い範囲で可変に調節することができる。
【００２３】
本発明の別の有利な実施例によれば、スペーサリングはボールジョイントのハウジングカバーに当接せしめられるようになっているか、若しくはスペーサリングはボールジョイントのハウジングカバーと一体的に構成されている。これによって、ボールジョイントの構造的に簡単かつ頑丈な構造が得られ、測定のために必要な曲げモーメントをセンサプレート内において効果的に導入することができる。
【００２４】
本発明の選択的な実施例によれば、センサプレートは支持エレメントに当接せしめられるようになっており、この支持エレメントは、ジョイントハウジングにではなく、むしろ同様にボールソケットに接続されている。この実施例によれば、その幾何学的な形状に応じて、力の測定に関するより高い感度が得られる。しかもこの実施例によれば、センサプレートをボールソケットに直接、特に簡単に組み付けることができる。
【００２５】
本発明の特に有利な実施例によれば、ボールジョイントはさらに、ジョイントハウジングとボールピボットとの相対角度位置を検出するための角度センサ装置を備えている。この角度センサ装置は、ジョイントボールの表面領域に配置された磁界信号発信器、特に永久磁石、並びにジョイントハウジングに配置された電界若しくは磁界センサ装置、特に磁界センサを有している。
【００２６】
このような形式で、力センサ装置によって測定可能なジョイント力の他にさらに、同一のボールジョイントのジョイントハウジングとボールピボットとの瞬間的な相対角度位置も検出することができる。これによって、例えば自動車の走行安全性又は運転者補助システムのためのデータベースをさらに拡大することができ、これによって、このような装置を備えた自動車の走行安全性における付加的な改善が得られる。
【００２７】
この場合、別の有利な実施例によれば、磁界センサ装置は力センサ装置と共にセンサプレート上に配置されており、この場合、磁界センサ装置と力センサ装置とは、有利な形式でモノリシック集積回路として構成されている。これによって、力及び角度位置のための測定可能性を有するボールジョイントを、著しく安価に、しかも確実かつ頑丈に構成することができる。本発明のこの実施例に応じて、３次元空間内における磁界のための測定可能性も、またｘ方向及びｙ方向のための付加的な力センサ若しくは歪みセンサも、同一のモノリシック回路に集積されている磁界センサ装置を得ることができる。
【００２８】
しかもこのような形式で、同じセンサプレート上に、センサも評価回路も、また場合によっては測定値を最初に処理するための回路及びデジタル化も組み込むことができる。これは同様に、このように構成されたボールジョイントのユニバーサル（万能）な使用可能性、安価な製造可能性及び信頼性のために役立つ。
【００２９】
本発明の有利な実施例によれば、磁界センサ装置はＣＭＯＳホールセンサ装置として構成されているか、若しくはすべての３次元空間方向で磁界を測定するために構成されている。ＣＭＯＳホールセンサは、製造が特に安価で、比較的簡単な形式で評価回路に組み込むことができる。
【００３０】
すべての３次元空間方向で検出することができる（換言すれば、磁界の方向並びに密度を、３次元空間方向で磁界の整列とは無関係に検出することができる）磁界センサ装置を備えたボールジョイントは、特に有利である。何故ならばこのような形式で、１つのボールジョイントにおいて、ｘ成分及びｙ成分から成る傾倒角度若しくは旋回角度の両角度成分も、またボールピボットの回転角度若しくは回動も、同じ軸線を中心として検出することができるからである。ボールジョイント回転角度を付加的に測定することによって、自動車の走行安全システム例えばＡＢＳ及びＥＳＰのための、またヘッドライト又はこれと類似のもののための自動的な光軸調整等にも使用することができる付加的な情報が提供される。
【００３１】
本発明はまた、請求項１５に記載した、ボールジョイントにおける摩耗測定のための方法に関する。本発明による方法は、ボールジョイント製作時に最初に規定された、ジョイントハウジング内のボールソケットのプリロード力の一部が、ボールジョイントの所定の運転期間経過後にどの程度残存しているかを規定するために用いられる。
【００３２】
ボールジョイントのボールソケットは、少なくとも粘弾性的なポリマーより製作されていて、ボールジョイントの耐用年数期間中に、ボール表面とボールソケットとの間の相対運動に基づく表面摩耗にも、またプラスチックのクリープ運動に基づく所定の応力緩和にも晒される。このような表面摩耗及び応力緩和によって、ボールジョイント内のプリロードが時間の経過に伴って緩和され、それによって負荷下においてジョイント遊びが増大するようになっている。
【００３３】
従って、時間が経つにつれて次第に減少するプリロード力の大きさを、瞬間的な状態のための及びボールジョイントの残りの耐用年数のための指標とすることができる。さらにまた、ボールジョイントにおいて短時間で大きく低下するプリロード力から、ボールジョイントの損傷、例えばシールベローズの損傷を推論することができる。シールベローズが損傷すると、後からボールジョイント内に塩水が侵入してボールジョイントの浸食を招くことになる。
【００３４】
本発明による方法を実施するために、第１の方法段階でまず、「力の不変性若しくはボールジョイントの停止状態負荷」、「ジョイントハウジング内のボールピボットの適当な相対位置」、又は「ボールジョイント若しくは自動車の運動停止状態」の条件のうちの１つ又は複数が存在するかどうかをテストする。
【００３５】
これらの条件のうちのより多くの条件を満たすことによって、より確実かつ正確に次の測定を実施することができる。
【００３６】
次の方法段階で、ボールジョイントの力センサ装置によって、ボールソケットとボールハウジングとの間、若しくはボールソケットとジョイントボールとの間のプリロード力の大きさを検出する。次いでさらに次の方法段階で、測定信号から若しくは検出されたプリロード力から、それに対応するボールジョイントの摩擦値を算出する。
【００３７】
最後に、算出された摩擦値をメモリーされている最大値と比較し、場合によっては最大値を超えた時に警告を発信する。
【００３８】
本発明の方法によって、ボールジョイントの状態に関する情報、並びにボールジョイントの予想される耐用年数に関する情報を得ることができる。ボールジョイントの故障が目前に迫っていることも、ボールソケットのプリロード力若しくは摩擦値を本発明に従って監視することによって早期に確認することができるか、若しくは予測することができる。このような形式で、ボールジョンとの運転確実性、若しくはこのようなボールジョイントを備えた自動車の運転確実性が著しく改善される。
【００３９】
以下に本発明を図示の実施例を用いて詳しく説明する。
【００４０】
図１は、本発明の１実施例によるボールジョイントの、側方から力が加えられている状態を示す概略的な縦断面図、
図２は、図１に示したボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１に相当する図、
図３は、本発明の別の実施例によるボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１及び図２に相当する図である。
【００４１】
図１は、本発明の１実施例によるボールジョイントの概略的な縦断面図である。ほぼ鉢状のジョイントハウジング１が示されており、このジョイントハウジング１内に軸受シェル若しくはボールソケット２が配置されている。ボールソケット２の内室内に、ボールピボット４のジョイントボール３が配置されている。
【００４２】
図１によればボールジョイントは、ジョイントボール３とハウジングカバー５との間に配置されたセンサプレート６を有している。このセンサプレート６上に、概略的に示されたセンサ装置７が配置されている。このセンサ装置７は、永久磁石として構成された磁気的な磁界信号発信器８の近傍に位置しており、この磁界信号発信器８は、プラスチック栓９によってジョイントボール３の孔１０内に配置されている。
【００４３】
センサ装置７は、永久磁石８の磁界がすべての空間方向で検出され得るように構成されている。換言すれば、磁界の強さ並びに力線は、３次元空間内での永久磁石の整列状態に関係なしにベクトル的に検出され得る。このような形式で、センサ装置７は、ジョイントハウジング１内のボールピボット４の旋回角度も、また付加的にこの旋回角度によって形成される平面の整列状態も確認することができる。
【００４４】
言い換えれば、ボールピボット４がジョイントハウジング１に対して相対的にどの方向でどの程度旋回せしめられるかを、まず検出することができる。しかしながらセンサ装置７は、永久磁石８の力線の方向及び強さを３次元空間内で規定することができるので、付加的に回転角度の大きさも測定することができる。この回転角度を中心にして、ボールピボット４がジョイントハウジング１内で回転若しくは曲がるようになっている。
【００４５】
１つのセンサ装置７だけによって、旋回角度の大きさ及び方向の測定も、また回転角度の大きさの測定も行うことによって、簡単かつ確実な形式で、例えば試験運転時において非常に広いデータベースが提供されるか、又は本発明によるボールジョイントを備えた自動車の走行安全性及び運転者補助システムのための非常に広いデータベースが提供される。
【００４６】
この場合、本来のフィールドセンサも、また所属の評価エレクトロニクス並びに付加的な回路素子（例えばデジタル化又はデータバス接続部）も、センサ装置７の領域内で、同じセンサプレート６上に安価にかつ保護された状態で組み込むことができる。
【００４７】
しかしながら図１に示したボールジョイントは、旋回及び回転角度のための測定可能性の他に付加的に、ボールジョイントに作用する運転力並びにジョイントハウジング１内のボールソケット２の残留プリロード力を測定若しくは監視する特性も有している。
【００４８】
図１に示されているように、ボールピボット４に、図面で左から右に、ｘ−ｙ平面内に延在する力Ｆが作用する。この力Ｆは、例えば走行力学的な力に基づいて自動車の車軸システム内に発生する。力Ｆによる力の作用に基づいて、粘弾性的（zeahelastisch）なポリマーより成るボールソケット２は弾性的に変形する。図１では見やすくするために、縮尺を変えて誇張して示されている。
【００４９】
ボールピボット４はボール３と共に、力Ｆの作用に基づいてジョイントハウジング１に対して相対的に図面で右方向にずらされる。これによって、図面で見てボールソケット２の右側が圧縮され（符号１１で示されている）、これに対してボールソケット２の左側は負荷軽減される（符号１２で示されている）。近似的な容積不変性若しくはボールソケット２のために用いられた材料の横方向収縮率に基づいて、ボールソケット２の右側の圧力が高くなるか、若しくはボールソケット２の左側が負荷軽減されるが、ボールソケット２のそれぞれの側の伸張は、図面で見て垂直方向若しくはｚ方向に相応に変化する。言い換えれば、ボールソケット２の図面で右側の垂直方向の伸張が大きくなり、これに対してボールソケット２の左側は、破線の矢印１１，１２（形状変形部）で示されているように、圧縮される傾向にある。
【００５０】
しかしながら力Ｆで示された、ボールソケット２の形状変形部１１，１２は、曲げ弾性的なセンサプレート６の特別な緊張に基づいてセンサプレート６に伝播する（図１にも示されている）。センサプレート６は、伝達手段として構成されたボールソケット２の突起１３と、ハウジングカバー５に当接する、支持部材を形成するスペーサリング１４との間に、ハサミ状に緊締されていて、ボールソケット２の突起１３を介してセンサプレート６内に導入される力若しくは変位が、相応の曲げモーメントに変換されるか、若しくはセンサプレート６の相応の撓みを生ぜしめるようになっている。センサプレート６の図示の撓みは、縮尺通りではなく、むしろ分かりやすくするために誇張して示されている。
【００５１】
図１に示したボールジョイントにおいては、センサ装置７は、ベクトルによって作業する磁界センサ及び評価エレクトロニクスの他に、付加的にセンサプレート６の表面における機械的な応力若しくは撓みを検出するためのセンサも有している。プレート表面の機械的な応力若しくは撓みを測定することによって、相応のセンサ較正に従って、まず力Ｆの大きさを推論することができる。
【００５２】
しかしながらセンサ装置７は、撓みの程度だけではなく、撓みの方向若しくは撓みを生ぜしめる、センサプレート６の平面におけるｘ−ｙ方向の曲げモーメントの方向も規定できるように、構成することができる。ボールソケット２の形状変形部１１，１２はその最大値が、変形力Ｆの方向に基づいて、ボールピボット４の軸平面（変形力Ｆも延在する）に展開するので、センサプレート６も、変形力Ｆの方向に基づくそれぞれの特性に従って変形せしめられる。
【００５３】
次いで、このような特性的な変形は、センサ装置７によって、その大きさも、またｘ−ｙ平面におけるその方向も検出され、それによって、ｘ−ｙ平面における力Ｆの方向も推論することができる。
【００５４】
図２には、図１に示したボールジョイントが示されており、この場合、図２に示したボールジョイントは、図１のボールジョイントとは異なり、軸方向の力Ｆによって負荷されている。この場合、変形力Ｆに基づくボールソケットの変形１１，１２は、左右対称であるか若しくは環状に均一に行われる。これによって、センサプレート６は、ボールソケット２の変形をセンサプレート６に伝達するための手段として用いられる環状の突起１３を介して、すべての方向で均一に湾曲せしめられる。これは、図２には、センサプレート６の、縮尺通りではない著しく誇張された撓みによって示されている。
【００５５】
こうしてセンサ装置７によって、２つの方向ｘ及びｙで同じ大きさの、センサプレート７の機械的な応力若しくは撓みが記録されると、それが、その瞬間に存在する周辺条件に応じて、ボールソケット２の静力学的なプリロード力又は軸方向の押圧力Ｆ′を表す。
【００５６】
この場合、測定された力がプリロード力として解釈されるために役立つ、注目すべき周辺条件とは、例えば自動車の停止状態及び／又は舵取りリンク機構のニュートラル位置を示すボールソケットとジョイントハウジングとの瞬間的な相対位置、長時間維持されている力の不変性、又は同様にセンサ装置７によって測定されたボールジョイントの運動静止状態である。その他の場合、特に検出された軸方向力に迅速な変動が発生した場合、又はそれと同時に、ボールソケットの同相の運動が発生した場合は、ボールジョイントに外部の可変な力が作用したと推論される。
【００５７】
図３は、本発明によるボールジョイントの別の実施例を示す。図３に示したボールジョイントは、図１若しくは図２に示したボールジョイントにほぼ相当する。図３に示したボールジョイントと、図１若しくは図２に示したボールジョイントとの相違点は、センサプレート６が、ハウジングカバー５に当接するスペーサリング１４（図１若しくは図２参照）と環状の突起１３との間に配置及び緊締されていない、という点にある。図３に示したボールジョイントにおいては、ボールソケット２の変形を曲げモーメントとして維持し、かつセンサプレート６に伝達することは、環状の突起１３′及び同様に環状の、並びに同様にボールソケット２自体に配置された係止突起１５によって行われる。
【００５８】
この実施例は、特に突起１３′及び１５の具体的に選択された幾何学形状に基づいて、センサプレート６若しくはこのセンサプレート６上に配置されたセンサ７の特に高い応答感度が得られ、ひいては、作用する力に関連した、及び／又はボールジョイント内に残存するボールソケット２のプリロード力の検出に関連した特に高い測定分解能が得られる、ということを特徴としている。
【００５９】
従って、本発明によれば、ボールジョイントの運転状態及び負荷状態を確実に検出することができる、ボールジョイントにおける摩耗測定の方法及びボールジョイントが得られる。本発明によるボールジョイントは、安価で確実に、かつ構造的に大きい自由度を有する形式で、力若しくはボールジョイントに作用する負荷を検出することができる。しかも、ボールジョイントの摩耗状態を確実に知らせることもできるので、ボールジョイントの間近に迫った故障を早めに検知し、かつ阻止することができる。
【００６０】
本発明は、特に自動車の、要求の多いサスペンション及び車軸システムの領域にボールジョイントを使用した場合の、ボールジョイントにおける安全性、信頼性及び故障回避を改善するために、並びに運転者補助システムのデータベースの拡大に関連して効果的に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の１実施例によるボールジョイントの、側方から力が加えられている状態を示す概略的な縦断面図である。
【図２】図１に示したボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１に相当する図である。
【図３】本発明の別の実施例によるボールジョイントの、軸方向で力が加えられている状態を示す、図１及び図２に相当する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ ジョイントハウジング、 ２ ボールソケット、 ３ ジョイントボール、 ４ ボールピボット、 ５ ハウジングカバー、 ６ センサプレート、 ７ センサ装置、 ８ 磁界信号発信器、 ９ プラスチック栓、 １０ 孔、 １１，１２ 形状変形部、 １３，１３′ 環状の突起、伝達部材、 １４ スペーサリング、 １５ 環状の係止突起、 Ｆ，Ｆ′ 外部の力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボールジョイントであって、ジョイントハウジング（１）を有しており、該ジョイントハウジング（１）の内室内にボールソケット（２）が配置されており、該ボールソケット（２）内に、ボールピボット（４）のボール（３）が滑動可能に受容されており、ボールジョイントが、力若しくは負荷を規定するためのセンサ装置（７）を有している形式のものにおいて、
前記センサ装置（７）が、曲げ弾性的なプレート（６）上に配置されていて、該プレート（６）がジョイントハウジング（１）内にフレキシブルに保持されており、前記センサ装置（７）が、センサプレート（６）の機械的な応力若しくは撓みを測定するように調整されており、前記ボールジョイントが伝達部材（１３）を有していて、この伝達部材（１３）によって、ボールソケット（２）の変形時に力又は曲げモーメントが前記センサプレート（６）内に導入され得るようになっていることを特徴とする、センサ装置を備えたボールジョイント。
【請求項２】
前記センサプレート（６）が円形である、請求項１記載のボールジョイント。
【請求項３】
前記伝達部材（１３）が、前記ボールジョイント（２）のほぼ環状の突起によって形成されている、請求項１又は２記載のボールジョイント。
【請求項４】
前記センサ装置（７）が、前記センサプレート（６）の撓み若しくは変形の方向及び大きさを測定するように調整されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項５】
前記センサプレート（６）が、ジョイントハウジング（１）に環状に配置された支持エレメント（１４）に当接せしめられるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項６】
前記支持エレメントがスペーサリング（１４）によって形成されており、該スペーサリング（１４）の直径が、ボールソケット（２）の環状の突起（１３）の直径とは異なっている、請求項５記載のボールジョイント。
【請求項７】
前記スペーサリング（７）がボールジョイントのハウジングカバー（５）に当接せしめられるようになっている、請求項６記載のボールジョイント。
【請求項８】
前記スペーサリング（１４）が、ボールジョイントのハウジングカバー（５）と一体的に構成されている、請求項６又は７記載のボールジョイント。
【請求項９】
前記センサプレート（６）が、ボールソケット（２）に配置された係止突起（１５）に当接せしめられるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１０】
ジョイントボール（２）の表面領域に配置された磁界信号発信器（８）と、ジョイントハウジングに配置された磁界センサ装置（７）とを備えた角度センサ装置が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１１】
前記磁界センサ装置（７）が力センサ装置（７）と共にセンサプレート（６）上に配置されている、請求項１０記載のボールジョイント。
【請求項１２】
磁界センサ装置と力センサ装置とが、モノリシック集積回路（７）として構成されている、請求項１０又は１１記載のボールジョイント。
【請求項１３】
前記磁界センサ装置（７）がＣＭＯＳホールセンサ装置として構成されている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１４】
磁界センサ装置（７）が、すべての３次元空間方向における磁界を測定するように構成されている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載の特徴を有するボールジョイントにおける摩耗測定のための方法において、
イ）「力の不変性」、「ボールピボット（４）とジョイントハウジング（１）との所定の相対位置」又は「運動停止状態」の条件のうちの１つ又は複数が存在するかどうかをテストし、
ロ）力センサ装置（７）によってボールソケット（２）のプリロード力を測定し、
ハ）その測定信号から摩耗値を算出し、
ニ）この摩耗値を最大値と比較して、最大値を超えた場合に警告を発信する、
方法段階を有していることを特徴とする、摩耗測定のための方法。
【請求項１】
ボールジョイントであって、ジョイントハウジング（１）を有しており、該ジョイントハウジング（１）の内室内にボールソケット（２）が配置されており、該ボールソケット（２）内に、ボールピボット（４）のボール（３）が滑動可能に受容されており、ボールジョイントが、力若しくは負荷を規定するためのセンサ装置（７）を有している形式のものにおいて、
前記センサ装置（７）が、曲げ弾性的なプレート（６）上に配置されていて、該プレート（６）がジョイントハウジング（１）内にフレキシブルに保持されており、前記センサ装置（７）が、センサプレート（６）の機械的な応力若しくは撓みを測定するように調整されており、前記ボールジョイントが伝達部材（１３）を有していて、この伝達部材（１３）によって、ボールソケット（２）の変形時に力又は曲げモーメントが前記センサプレート（６）内に導入され得るようになっていることを特徴とする、センサ装置を備えたボールジョイント。
【請求項２】
前記センサプレート（６）が円形である、請求項１記載のボールジョイント。
【請求項３】
前記伝達部材（１３）が、前記ボールジョイント（２）のほぼ環状の突起によって形成されている、請求項１又は２記載のボールジョイント。
【請求項４】
前記センサ装置（７）が、前記センサプレート（６）の撓み若しくは変形の方向及び大きさを測定するように調整されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項５】
前記センサプレート（６）が、ジョイントハウジング（１）に環状に配置された支持エレメント（１４）に当接せしめられるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項６】
前記支持エレメントがスペーサリング（１４）によって形成されており、該スペーサリング（１４）の直径が、ボールソケット（２）の環状の突起（１３）の直径とは異なっている、請求項５記載のボールジョイント。
【請求項７】
前記スペーサリング（７）がボールジョイントのハウジングカバー（５）に当接せしめられるようになっている、請求項６記載のボールジョイント。
【請求項８】
前記スペーサリング（１４）が、ボールジョイントのハウジングカバー（５）と一体的に構成されている、請求項６又は７記載のボールジョイント。
【請求項９】
前記センサプレート（６）が、ボールソケット（２）に配置された係止突起（１５）に当接せしめられるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１０】
ジョイントボール（２）の表面領域に配置された磁界信号発信器（８）と、ジョイントハウジングに配置された磁界センサ装置（７）とを備えた角度センサ装置が設けられている、請求項１から９までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１１】
前記磁界センサ装置（７）が力センサ装置（７）と共にセンサプレート（６）上に配置されている、請求項１０記載のボールジョイント。
【請求項１２】
磁界センサ装置と力センサ装置とが、モノリシック集積回路（７）として構成されている、請求項１０又は１１記載のボールジョイント。
【請求項１３】
前記磁界センサ装置（７）がＣＭＯＳホールセンサ装置として構成されている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１４】
磁界センサ装置（７）が、すべての３次元空間方向における磁界を測定するように構成されている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載の特徴を有するボールジョイントにおける摩耗測定のための方法において、
イ）「力の不変性」、「ボールピボット（４）とジョイントハウジング（１）との所定の相対位置」又は「運動停止状態」の条件のうちの１つ又は複数が存在するかどうかをテストし、
ロ）力センサ装置（７）によってボールソケット（２）のプリロード力を測定し、
ハ）その測定信号から摩耗値を算出し、
ニ）この摩耗値を最大値と比較して、最大値を超えた場合に警告を発信する、
方法段階を有していることを特徴とする、摩耗測定のための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００８−５４６９５５（Ｐ２００８−５４６９５５Ａ）
【公表日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１６１２１（Ｐ２００８−５１６１２１）
【出願日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００６／００１０１９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３３６８２
【国際公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（５０６０５４５８９）ツェットエフ フリードリヒスハーフェン アクチエンゲゼルシャフト (151)
【氏名又は名称原語表記】ＺＦ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｄ−８８０３８ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００６／００１０１９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１３３６８２
【国際公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（５０６０５４５８９）ツェットエフ フリードリヒスハーフェン アクチエンゲゼルシャフト (151)
【氏名又は名称原語表記】ＺＦ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｄ−８８０３８ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓｈａｆｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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