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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klassifizieren von Kugelgelenken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im nachstehenden werden insbesondere Kugelgelenke bzw. sogenannte Traggelenke für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen betrachtet; relevant können aber auch Radialgelenklager mit ebenfalls sphärischen Gleitflächen sein. Bei Traggelenken wirken im Fahrbetrieb auf den Kugelzapfen statische und dynamische Kräfte, die mit Kipp- und Drehbewegungen aus der Einfederung des Fahrwerks und den Lenkbewegungen überlagert werden. Bei der Auslegung des Gelenks ist unter dem Zusammenwirken dieser Beanspruchungen das Verschleißverhalten des Gelenks, z. B. bestehend aus der Werkstoffpaarung Polyoxymethylen (POM) und Stahl zu analysieren, wobei auch die eingesetzten Schmiermittel wie PTFE oder Schmierfett in die Auswertung eingehen. Auf Verschleiß des Gelenkes bzw. bereits vorliegende Schädigungen kann z. B. durch Steifigkeitsmessungen und/oder Gelenkspielerfassung geschlossen werden.
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Aus der
US 4,038,863 A ist lediglich ein mechanischer Prüfstand bekannt, bei dem mittels Federeinrichtungen eine Radialkraft auf ein Prüflager aufgebracht wird, das als Gleitlager ausgebildet ist, um Kräftepaare zu erzeugen, die an einer Skala abgelesen werden können und aus denen dann ein Reibungskoeffizient ermittelt werden kann.
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Aus der
DE 101 22 797 A1 ist eine Prüfvorrichtung zum Prüfen von Elastomerlagern, Kugelgelenken oder dergleichen beschrieben, die es ermöglichen soll, derartige Bauteile in bis zu sechs unabhängig voneinander aufbringbaren Freiheitsgraden zu beanspruchen. Eine Bewertung von Reibungszuständen in den Bauteilen bzw. Gelenken ist hier nicht vorgesehen und auch nicht möglich. Konkret ist hier vorgesehen, Kräfte und/oder Auslenkwege an einer ersten Seite des zu prüfenden Bauteils einzuleiten, während ein Teil der Momente und/oder Drehwinkel an einer zweiten Bauteilseite eingeleitet werden soll.
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Aus der
DE 197 13 998 A1 ist ein hydraulischer Prüfstand bekannt, mittels dem über die Zylinder Prüfkräfte erzeugt werden können. Eine Testvorrichtung für Lager ist auch aus der
US 2,872,805 A bekannt.
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Weiter ist aus der
DD 98 571 A1 ein Lehrgerät zur Demonstration der Laufeigenschaften und Störungsursachen von Gleit- und Wälzlagern bekannt, während aus der
DD 241 126 A1 eine Anordnung zur Diagnose von Gleitlagerschäden beschrieben ist.
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Schließlich ist aus der
JP 56118640 A eine Diagnosemethode für Lagerabnormitäten bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Klassifizierung von Kugelgelenken vorzuschlagen, mit dem insbesondere die tribologischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffpaarung des Kugelgelenkes verbessert analysierbar und deren Verschleißverhalten und gegebenenfalls Schädigungszustand erfassbar sind. Ferner wird eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen beschreiben jeweils die Unteransprüche. Ferner wird die Aufgabe auch gelöst durch die Verwendung gemäß Patentanspruch 6.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Kugelzapfen beheizt und die Temperatur an der Gleitschicht bei definierten Kipp- und/oder Drehbewegungen mittels eines in eine Lagerschale des Kugelgelenkes einragenden Temperatursensors erfasst wird, so dass anschließend aus diesen Temperaturdaten die Energiedissipation des zusammengebauten Kugelgelenkes bestimmt und zur Bestimmung von Schädigungsmechanismen ausgewertet werden kann. Durch diese Bestimmung der dissipierten Reibungsenergie im Gelenk steht ein Verfahren zur Verfügung, mit dem zumindest versuchstechnisch zuverlässig und kontinuierlich Informationen über den Reibungszustand im Gelenk erfasst und analysiert werden können. Damit können dann Auslegungskriterien für das Kugelgelenk bei spezifischen Anwendungen einfachst bestimmt werden.
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Eine thermische Systemidentifikation eines definierten Kugelgelenkes wird hier somit durch gezielte Beheizung eines Kugelzapfens und Erfassung der Temperatur an der Gleitschicht durchgeführt. Dies ermöglicht die Schaffung einer temperaturabhängigen Matrix der tribologischen Eigenschaften eines definierten Kugelgelenks bzw. einer definierten Werkstoffpaarung mit zuverlässiger Bestimmung des Verschleißzustandes bzw. Schädigungen derartiger Kugelgelenke.
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Zur Beheizung des Kugelgelenkes kann bevorzugt in den Kugelzapfen ein elektrischer Heizdraht integriert sein. Des weiteren ist in das Gelenkgehäuse zumindest ein Temperatursensor eingesetzt, der in eine Lagerschale des Kugelgelenkes bis nahe zur Gleitfläche einragt, wobei eine Stromquelle und ein die Stromversorgung und den Temperaturverlauf im Kugelgelenk erfassender Messrechner mit einem Messverstärker vorgesehen ist. Zur genauen Erfassung der zugeführten Wärmeenergie kann zudem ein weiterer Temperatursensor im Gelenkgehäuse und nahe der Heizeinrichtung im Kugelzapfen vorgesehen sein. Des weiteren kann am Zapfenabschnitt des Kugelzapfens außerhalb dessen Kugelabschnittes ein weiterer, zu der Heizeinrichtung beabstandeter Temperatursensor angeordnet sein, der eine Verhältnismessung zwischen die in den Kugelabschnitt eingehende Wärmeenergie und die in den Zapfenabschnitt abfließende Verlust-Wärmeenergie und eine entsprechende Korrektur der zugeführten Wärmeenergie ermöglicht. Somit können die zugeführte Wärmeenergie und die Beharrungstemperatur an den Gleitflächen des Kugelgelenkes messtechnisch einfach erfasst und ausgewertet werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung können zusätzlich zur Energiedissipation des Kugelgelenkes die Gelenkelastizität und/oder das Gelenkspiel zur Klassifizierung des Kugelgelenkes herangezogen werden. Damit können neben der tribologischen Auswertung auch andere Gelenkparameter in die Gesamtklassifizierung bzw. die Auslegung des Kugelgelenkes mit einbezogen werden.
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Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung wird vorgeschlagen für ein Traggelenk für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, bei dem der Kugelzapfen aus Stahl mit nitrocarborierter Oberfläche und die Lagerschalen aus POM (Polyacetal, Polyoxymethylen) hergestellt sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
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1 eine Vorrichtung zum messtechnischen Erfassen der Energiedissipation an einem modifizierten Traggelenk für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen, mit einem Messrechner, einem Verstärker und einer Stromquelle zur Beheizung des Traggelenkes;
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2 einen Längsschnitt durch das Traggelenk gemäß 1 mit der integrierten Heizeinrichtung und mehreren Temperatursensoren; und
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3 eine Grafik, die die Beharrungstemperatur an der Gleitschicht des Traggelenkes über der zugeführten Dissipationsleistung darstellt.
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Anhand der 2 sei kurz das Kugelgelenk bzw. Traggelenk 10 für Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen beschrieben, das sich im wesentlichen aus einem Gelenkgehäuse 12, einem Kugelzapfen 14 mit einem Kugelabschnitt 14a und einem Zapfenabschnitt 14b, einer oberen Lagerschale 16 und einer ringförmigen unteren Lagerschale 18 und schließlich einer Schutzmanschette 20 zusammensetzt. Durch entsprechendes Einrollen der Gehäuseöffnung des Gelenkgehäuses 12 sind die Lagerschalen 16, 18 mit dem Kugelzapfen 14 mit definierter Vorspannung spielfrei im Gelenkgehäuse 12 gehalten. Es sei noch betont, dass soweit nicht beschrieben das Kugelgelenk 10 herkömmlicher und bekannter Bauart sein kann. Das Gelenkgehäuse 12 kann in den nicht näher dargestellten Traglenker der Radaufhängung des Kraftfahrzeuges integriert sein. Ferner ist das Traggelenk 10 in üblicher Weise mit einem Schmiermittel befüllt.
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Der Kugelzapfen 14 ist aus Stahl mit nitrocarborierter Oberfläche und definierter Oberflächenqualität hergestellt. Ferner bestehen die Lagerschalen 16, 18 aus Kunststoff bzw. Polyoxymethylen (POM).
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Das dargestellte Traggelenk 10 ist als Identifikations-Traggelenk modifiziert und weist innerhalb einer in den Gelenkzapfen 14 eingebrachten Bohrung 14c eine durch Heizdrähte gebildete, elektrische Heizeinrichtung 22 auf, die im Kugelabschnitt 14a nahe dessen sphärischer Gleitfläche positioniert ist. Die Heizeinrichtung 22 kann durch elektrische Leitungen (nicht dargestellt) innerhalb der Bohrung 14c mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Ferner sind im Gelenkgehäuse 12 einmal seitlich und einmal in Nähe der Heizeinrichtung 22 Temperatursensoren 24, 26 (schwarz ausgemalt) angeordnet, die jeweils in die Lagerschale 16 bis nahe zu den Gleitflächen zwischen Kugelabschnitt 14a und Lagerschale 16 einragen und somit die dortigen Beharrungstemperaturen erfassen.
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Ein weiterer Temperatursensor 28 ist in der Bohrung 14c des Zapfenabschnittes 14b des Kugelzapfens 14 eingesetzt.
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Wie die 1 zeigt, sind die Heizeinrichtung 22 und die Temperatursensoren 24, 26, 28 des Traggelenkes 10 über entsprechende, elektrische Leitungen (ohne Bezugszeichen) und einen Signalverstärker 30 mit einem Messrechner 32 verbunden.
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Über den Messrechner 32 und den Signalverstärker 30 ist ein Relais 34 ansteuerbar, das die Heizeinrichtung 22 zeitweilig mit einer üblichen Stromquelle 36 verbindet und somit den Kugelzapfen 14 gezielt beheizt.
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Das Traggelenk 10 ist dabei zur Aufrechterhaltung einer konstanten Umgebungstemperatur in einer Umhausung 38 (in gestrichelten Linien angedeutet) angeordnet, in der auch ein Temperatursensor 40 vorgesehen ist.
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Die Beheizung des Kugelzapfens 14 kann im feed back mit dem der Heizeinrichtung 22 benachbarten Temperatursensor 26 gezielt gesteuert bzw. kontrolliert werden. Der Verlust-Wärmeabfluss in den Zapfenabschnitt 14b kann dabei entsprechend berücksichtigt werden.
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Die Beharrungstemperatur an dem Kugelabschnitt 14a an dessen äußerer Gleitschicht wird über den seitlichen Temperatursensor 24 erfasst und ebenfalls dessen Werte dem Messrechner 32 zugeführt. Es könnten auch mehrere Temperatursensoren 24 vorgesehen sein, jedoch dürfen die Funktion und die tribologischen Eigenschaften des Traggelenkes 10 zur Erzielung realer Messergebnisse nicht verändert werden.
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Die 3 zeigt das lineare Verhalten zwischen der über die Heizeinrichtung 22 eingebrachten Dissipationsenergie DE in W und der an der Gleitfläche des Kugelabschnittes 14a des Kugelzapfens 14 gemessenen Beharrungstemperatur T in Grad C, wobei die Linie 24a den Temperaturverlauf am Temperatursensor 24 und die Linie 26a den Temperaturverlauf am Temperatursensor 26 darstellt. Dabei sei insbesondere auch auf den großen Temperaturbereich für die Gleitschichttemperatur hingewiesen, für den diese Linearität gilt. Der Ausgangspunkt der Kennlinien 24a, 26a bezeichnet zudem die Umgebungstemperatur, die in der Versuchsanordnung ebenfalls zu erfassen und entsprechend zu berücksichtigen bzw. konstant zu halten ist.
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Durch Messen des thermischen Verhaltens des modifizierten Kugelgelenkes 10 unter Variation der im Einsatzfall möglichen Belastungen (nicht dargestellt) kann nun auf die dissipierte Leistung im Traggelenk 10 rückgeschlossen werden und es können an herkömmlichen Traggelenken 10 oder anderen Kugelgelenken durch Temperaturmessung über der Belastung und in Verbindung mit gegebenenfalls durchgeführten Elastizitätsmessungen und Gelenkspielmessungen Rückschlüsse auf den Gelenkzustand und auf gegebenenfalls drohende Schädigungen gewonnen werden, die insbesondere bei der Konstruktion und Auslegung von Kugel-gelenken weitergehende Erkenntnisse ermöglichen.
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Auf Basis dieser thermischen Systemidentifikation lässt sich zudem über Temperaturmessungen an Traggelenken 10 indirekt die Dissipation im Gelenk abschätzen und der aktuelle, tribologische Zustand (Reibwert, Schmierungszustand, etc.) z. B. während Prüfstandsversuchen oder Fahrzeugmessungen erfassen.