(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つのボールジョイントを備えた力測定システムと、さらに力測定のためのボールジョイントとに関する。力測定システムのボールジョイントは、ジョイントケーシングを有していて、このジョイントケーシング内にボールスタッド（１）のジョイントボールは滑動可能に収容可能である。ボールスタッド（１）は、軸部領域とジョイントボールとから成っていて、この場合、ボールスタッド（１）の軸部領域に力測定装置（３）が配置されている。力測定システムは、本発明によれば評価システムにより特徴づけられている。力測定装置（３）の信号を、デカルト座標系におけるベクトルとして出力するように構成された評価装置が設けられている。  本発明により、力測定システムもしくはボールジョイントは、力測定のために改良され、これによって、自動車の個々の構成部材だけでなくむしろ全構成群の駆動状態もしくは負荷状態の検出が確実に可能になり、ビークルダイナミックスのコントロールを行うことができる。
2008517284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのボールジョイントを備えた力測定システムであって、ボールジョイントが、ジョイントケーシングを有しており、該ジョイントケーシング内にボールスタッド（１）のジョイントボールが滑動可能に収容可能であり、ボールスタッド（１）が、軸部領域とジョイントボールとを有しており、少なくとも１つのボールジョイントのボールスタッド（１）の軸部領域に、力測定装置（３）が配置されている形式のものにおいて、
力測定装置（３）の信号を、デカルト座標系における力ベクトルとしてまたは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せとして出力するように構成された評価装置が設けられていることを特徴とする、少なくとも１つのボールジョイントを備えた力測定システム。
【請求項２】
力ベクトルの原点が、ジョイントボールの中心点に位置している、請求項１記載の力測定システム。
【請求項３】
ボールジョイントの力測定装置（３）が、種々異なる力方向に対する複数の力測定発信器（３）を有している、請求項１または２記載の力測定システム。
【請求項４】
力測定発信器（３）が、ボールスタッドの軸部領域の周面に均等に分配されて配置されている、請求項３記載の力測定システム。
【請求項５】
力測定発信器（３）が、ボールスタッド（１）の長手方向軸線の方向に対してほぼ平行に配置されている、請求項３または４記載の力測定システム。
【請求項６】
少なくとも１つの力測定発信器が、ボールスタッド（１）の軸方向の中心孔（６）内に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の力測定システム。
【請求項７】
当該力測定システムが、それぞれ１つの力測定装置（３）を備えた複数のボールジョイントを有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の力測定システム。
【請求項８】
複数のボールジョイントの力測定装置（３）の信号が、ベクトルの形で出力されるように、評価装置が調整されている、請求項７記載の力測定システム。
【請求項９】
ベクトルの原点が、自動車の構成部材または構成群の中心点もしくは主基準点に位置している、請求項８記載の力測定システム。
【請求項１０】
当該力測定システムが、自動車のビークルダイナミックスコントロールの構成要素である、請求項１から９までのいずれか１項記載の力測定システム。
【請求項１１】
当該力測定システムが、自動車の加重を監視するための装置の構成要素である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の力測定システム。
【請求項１２】
ジョイントケーシングと、該ジョイントケーシング内で回動可能なかつ／または旋回可能なボールスタッド（１）とを備えたボールジョイントであって、ボールスタッド（１）が、ジョイントボールと軸部領域とから成っていて、力測定装置を有している形式のものにおいて、
力測定装置が、複数の力測定発信器（３）を有しており、これらの力測定発信器（３）が、ボールスタッド（１）の軸部領域に配置されていて、該軸部領域の周面にわたって分配されて配置されていることを特徴とする、ボールジョイント。
【請求項１３】
力測定発信器が、歪み測定ゲージ（３）として形成されている、請求項１２記載のボールジョイント。
【請求項１４】
力測定発信器（３）が、ボールスタッド（１）の軸部領域の表面に配置されている、請求項１２または１３記載のボールジョイント。
【請求項１５】
ボールスタッド（１）の軸部領域に、力測定発信器（３）を取り付けるための切欠きが設けられている、請求項１２または１３記載のボールジョイント。
【請求項１６】
ボールスタッド（１）の軸部領域が、力測定発信器（３）を取り付けるための平坦な面を有している、請求項１５記載のボールジョイント。
【請求項１７】
１つの力測定発信器（３）が、ボールスタッド（１）の軸方向の中心孔（６）内に配置されている、請求項１２から１６までのいずれか１項記載のボールジョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、たとえば自動車の走行機構もしくはホイールサスペンションの領域において、力および／またはモーメントを測定するための、少なくとも１つのボールジョイントを備えた力測定システムに関する。さらに、本発明は、請求項１２の上位概念部に記載した、特に本発明による力測定システムのための力測定装置を備えたボールジョイントに関する。
【０００２】
冒頭で述べた形式の力測定装置は、決して専らというわけではないが、たとえば自動車で使用され、これにより自動車では、試験台上での試し運転または実際の走行運転において生じる力もしくはモーメントが確実に検出され得る。
【０００３】
このような力測定装置は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１０７２７９号明細書から公知である。この刊行物から公知の力測定装置は、自動車の所定の構成部材において作用する力、たとえば、走行機構からの反力に基づき、タイロッドに存在する軸方向の力を検出するかもしくは評価するために働く。さらにこの刊行物の構成によれば、特に、操舵リンク機構のそれぞれ異なる構成要素の間に配置された、歪み測定ゲージを有するボールジョイントが備えられていて、この歪み測定ゲージの信号に基づき、操舵リンク機構もしくは対象とするタイロッドにおいて作用する軸方向力を推量するということが提案されている。
【０００４】
しかし、この公知の力測定装置の利用は制限されている。したがって、この力測定装置では、既述のように、所定の構成部材および所定の方向で作用する力だけしか実質的に検出され得ない。したがって公知の力測定システムは、より大きな構成群に、またはシステム全体として見なされる自動車に生じるような複雑な負荷状況の検出には適してない。
【０００５】
このような背景を踏まえて、本発明の課題は、力測定システムもしくは力測定装置を備えたボールジョイントを改良して、これによって、先行技術の前記欠点を克服することができるようにすることである。特に力測定システムもしくはボールジョイントによって、簡単で確実に、ならびに大きな構造自由度を伴って、力の広範囲なベクトル検出と、力および／またはモーメントの広範囲なベクトル検出とが可能となることが望ましい。この場合、主たる重点が、構成群全体もしくは場合によっては自動車全体の負荷状況の直接的な検出可能性にあることも望ましい。
【０００６】
この課題は、請求項１に記載した特徴を備えた力測定システムによって解決されるかもしくは請求項１２に記載した特徴を備えたボールジョイントによって解決される。有利な構成は、それぞれ従属請求項に記載されている。
【０００７】
本発明による力測定システムは、自体差し当たり公知な形式では、少なくとも１つのボールジョイントを有している。このボールジョイントはジョイントケーシングを有していて、このジョイントケーシング内にボールスタッドのジョイントボールが滑動可能に収容可能である。この場合、ボールスタッドは軸部領域とジョイントボールとから構成される。同様に自体公知には、力測定システムの少なくとも１つのボールジョイントのボールスタッドの軸部領域に、力測定装置が配置されている。
【０００８】
本発明によれば、力測定システムは評価装置により特徴づけられる。力測定装置の信号を、デカルト座標系における力ベクトルとしてまたは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せとして出力するように構成された評価装置が設けられている。
【０００９】
このことは換言すればまず第１に、力測定システムはただ１つの力検出器だけではなく、むしろ複数の力検出器もしくは力測定発信器からなるアッセンブリを有しているということを意味する。この場合、これらの力検出器はたとえば同一のボールジョイントに配置され得る。しかし、力測定システムが複数のボールジョイントを備えていて、これらのボールジョイントに、それぞれ１つまたは複数の力検出器が配置されているということも良好に可能であり、提案されている。
【００１０】
本発明による力測定システムの評価装置により、全ての力検出器もしくは力測定発信器の信号は、信号処理の結果が、力ベクトルまたは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せの形で出力されるように処理される。
【００１１】
このことは、このようにして、それぞれ力検出器を備えた比較的簡単な１つのボールジョイントもしくは場合により、複数のボールジョイントによっても、３次元の空間における複雑な負荷状況を容易に検出することもできる点で有利である。
【００１２】
この場合、本発明にとっては、少なくとも１つのボールジョイントのどの位置に、もしくは力測定発信器を備えた複数のボールジョイントから成るアッセンブリのどの点に、力ベクトルまたは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せが関連付けられているかということは重要ではない。
【００１３】
しかし、特に１つのボールジョイントだけしか備えていない力測定システムでは、力測定装置の信号から計算された力ベクトルの原点が、ボールジョイントのジョイントボールの中心点に位置するように、評価装置が調整されていると有利である。ジョイントボールの中心点に関連した力ベクトルを、続く力計算および負荷計算のために、特に簡単にかつ普遍的に引き続き使うことができる。
【００１４】
本発明の有利な構成によれば、ボールジョイントの力測定装置は、種々異なる力方向に対する複数の力測定発信器を有している。この場合、これらの力測定発信器は、ボールスタッドの軸部領域の周面に有利には均等に分配されて配置されている。この場合、特に有利には、力測定発信器は、ボールスタッドの長手方向軸線の方向に対してほぼ平行に配置されている。
【００１５】
このようにして、ほんの僅かな数のボールジョイントでも、もしくはそれどころか場合によっては唯一のボールジョイントだけでは、デカルト空間の全３方向の力を検出することができる。力測定発信器が均等に分配されて、ボールスタッドの長手方向でボールスタッドの軸部領域の周面に配置されると、このようにして個々の力測定発信器の不都合なクロストークは最小限にされる。さらにこのようにしてボールスタッドの軸部領域は、力測定発信器にとって最適には曲げビームとして使用され、これにより作用力は高い正確性で検出することができる。
【００１６】
本発明のさらに有利な構成によれば、少なくとも１つの力測定発信器が、ボールスタッドの軸方向の中心孔内に配置されている。このようにして、ボールスタッド軸部の外周面に配置された力測定発信器に対して択一的にまたは付加的に、特にスタッド軸方向（ｚ方向）で作用する純粋な張力もしくは押圧力を精確に別々に測定することが可能になり、これらの張力もしくは押圧力を、ｘ方向もしくはｙ方向でスタッド撓みとして測定された力から、可能な限り僅かな信号クロストークに基づき区別することが可能になる。
【００１７】
本発明のさらに有利な構成によれば、力測定システムは、それぞれ１つの力測定装置を備えた複数のボールジョイントを有している。この場合、力測定システムの評価装置は特に有利には、複数のボールジョイントの力測定装置の信号が、力ベクトルまたは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せの形で出力されるように調整されている。この場合、有利には、相応なベクトルの原点は、自動車の構成部材または構成群の中心点もしくは主基準点に位置する。
【００１８】
このようにして、たとえば自動車の１つのホイールのホイール支持体の全枢着点に、ボールジョイントを備え付けることが可能になる。これらのボールジョイントは、それぞれ力測定装置を備えている。この場合、全ボールジョイントの信号、もしくは全ボールジョイントの力測定発信器から形成された全力測定装置の信号は、評価装置に供給される。さらに、評価装置は、全入力信号を考慮して力ベクトルもしくは力ベクトルとモーメントベクトルとの組合せを形成し、これにより、自動車の相応なホイール支持体の目下の完全な負荷状況が検出可能である。
【００１９】
１つのボールジョイントもしくは複数のボールジョイントの力測定装置から発生する信号をベクトルに変えることは、たとえば校正によって形成された伝達マトリックスもしくは校正マトリックスに基づき行われ得る。
【００２０】
このために必要な校正は、仮にホイールサスペンションもしくはホイール支持体の負荷状況を検出する場合、たとえば次のように行われ得る。つまり実験室条件下では、自動車の問題のホイールもしくは所属のホイール支持体に、規定された方向で規定された公知の力および／もしくは規定された公知のモーメントを加えることができる。この場合に評価装置に所定の校正モードで、負荷により生ぜしめられる、力測定装置の信号（たとえば歪み測定ゲージの抵抗変化）と、この事例では公知の実際に作用する割り当てられた力もしくは割り当てられた力ベクトルとが入力される。これにより続いて、適切に記憶され得る伝達マトリックスもしくは校正マトリックスを形成することができる。この伝達マトリックスもしくは校正マトリックスに基づき、将来的な全負荷状況は、力測定装置の信号の測定された組合せから直接検出でき、ベクトルにより出力できる。
【００２１】
このようにして、全構成群もしくは自動車のおける複雑な負荷状況も、容易に確実にひいては低コストに検出することができる。これまでこのために必要であった手間のかかる、たとえば極端にコスト高な測定ホイール（Ｍｅｓｓｒａｅｄｅｒ）およびそれに類似のもの、または自動車タイヤ自体に配置された、ワイヤレスのセンサシステムのような実験測定システムは、したがってそれぞれ力測定発信器を備えた比較的単純な複数のボールジョイントと交換することができる。
【００２２】
本発明の別の構成によれば、力測定発信器を備えたボールジョイントを、実験室条件下もしくは、たとえば自動車の試験運転において使用するだけではなく、走行機構部分の負荷状況のこのような検出を、大量生産車両においても行うことが提案されている。実時間においてこうして検出可能な、たとえば自動車のホイールサスペンションの負荷は、この場合に有利には、たとえばビークルダイナミックスコントロールおよびそれに類似のもののためのデータベースの拡張のために使用され得る。これにより、自動車の走行安全性における著しい改善を得ることができる。
【００２３】
特に商用車に関連して、本発明による力測定システムは、車両の加重を有利には永続的に監視するための装置の構成部材を形成するということが、類似の形式で提案可能である。これにより、先行技術においてなお汎用で手間のかかる、積載物の質量を測定するための定置の計量器における商用車の計量を省くことができる。実際に各構成部材によって耐えられる負荷交番の実際数が、相応な構成部材によって理論上耐え得る目標負荷交番数に関連して設定されることで、構成部材または構成群のための廉価な寿命センサとしての使用も本発明のおかげで実施可能な範囲内になる。
【００２４】
本発明は、さらに力測定装置を備えたボールジョイントに関する。この場合、ボールジョイントは、ジョイントケーシングと、このジョイントケーシング内で回動可動なかつ／または旋回可動なボールスタッドとを有している。この場合、ボールスタッドはジョイントボールと軸部領域とから成っていて、力測定装置を有している。ボールジョイントは、多数の力測定発信器を有していて、これらの力測定発信器は、ボールスタッドの軸部領域に配置されていて、軸部領域の周面にわたって分配されている。
【００２５】
このようにして、既に唯一のボールジョイントで、デカルト空間の全３方向の力をベクトルにより検出することが可能になる。したがって、たとえばスタッド軸方向の張力が、ボールスタッドの軸部領域の周面に全体的に分配されて配置された力測定発信器によって、均等に著しく記録される。ｘ−ｙ平面でボールスタッドの長手方向軸線に対して垂直にボールジョイントに作用する力は、個々の力測定発信器の信号のこの場合に生じる特殊な重畳パターンに基づき、同様に量と方向とに応じて規定することもできる。ボールスタッドは、ｘ方向およびｙ方向の負荷事例では曲げビームであり、この曲げビームでは作用する横方向力の検出を、極めて正確にたとえば縁面歪みの測定に基づき行うことができる。
【００２６】
本発明は、力測定発信器の具体的な形式と構成とから独立して実現される。しかし有利には、ボールジョイントの力測定発信器は歪み測定ゲージとして形成されている。歪み測定ゲージが、頑丈で高い測定正確性を可能にするという点で有利である。
【００２７】
本発明の有利な構成によれば、力測定発信器は、ボールスタッドの軸部領域の表面に配置されている。この構成により、本発明によるボールジョイントの極めて単純で低コストの製造が可能になる。なぜならばボールジョイント自体に力測定発信器を組付けるために、構造に関しては変更する必要がないからである。本発明の択一的な構成によれば、ボールスタッドの軸部領域には、切欠きもしくは平坦な面が、力測定発信器を取り付けるために設けられている。前記構成に比べてほんの僅かにしか手間のかからないこの構造は、ボールジョイントにおいて力測定発信器の位置決めをする際にも、歪みもしくは力を検出し評価する際にも、より高い正確性が達成可能であるという利点を有している。
【００２８】
本発明の別の構成によれば、力測定発信器が、ボールジョイントのボールスタッドの軸方向の中心孔内に配置されていることが提案されている。このようにして、特にスタッド軸方向で作用する純粋な張力もしくは押圧力は、特に精確に別々に測定され、たとえばスタッド撓みとしてｘ方向もしくはｙ方向で測定された力から、この事例では特に僅かな信号クロストークに基づき区別することができる。
【００２９】
以下に、本発明を図示の実施例にのみ基づき詳細に説明する。
【００３０】
図１には、本発明による力測定システムのためのボールジョイント（ここでは図示せず）のボールスタッド１が概略的な等測図で示してある。
【００３１】
ボールスタッド１は、ボールスタッド１の頸部領域２に配置された歪み測定ゲージ３と横方向孔４とを除き、ボールジョイントの標準ボールスタッドにそのまま相当する。このことは、たとえば自動車のホイールサスペンションの領域に設けられたボールジョイントが、既に本発明による力測定システムのために極めて僅かなひいては廉価な変更で使用され得るということを意味する。
【００３２】
図１に示した実施例では、ボールスタッド頸部２の領域に４つの歪み測定ゲージ３は、隣り合う２つの歪み測定ゲージがそれぞれ９０°の角度を成すように、周面に分配されて配置されている。さらに、歪み測定ゲージ３の長手方向軸線は、ボールスタッド１の長手方向軸線に対して平行に延びている。このようにして既に、図示の４つの歪み測定ゲージ３でｘ方向（Ｆｘ）、ｙ方向（Ｆｙ）およびｚ方向（Ｆｚ）でボールスタッド１に作用する力を、互いに独立してもしくは同時に検出することができる。
【００３３】
このことは、たとえばｘ方向（Ｆｘ）で作用する力が、図面で見て前方および後方の歪み測定ゲージ３によってのみ記録され、これに対して、図面で見て左側と右側の歪み測定ゲージ３はこの場合には、歪みを確認しないということに関係する。なぜならば、ここで曲げビームとして作用するボールスタッド１の中立面は、負荷事例Ｆｘにおいては、図面で見てボールスタッド１の左側もしくは右側に配置されている歪み測定ゲージを通って延びているからである。このことは負荷事例Ｆｙにおいても相応に当てはまる。この場合、この事例では、図面で見てボールスタッド１の左側もしくは右側に位置する両歪み測定ゲージしか相応の信号を出力しない。
【００３４】
これに対してＦｚによるｚ方向の負荷時には、全ての４つの歪み測定ゲージ３が均等に著しく伸張されるので、この負荷事例も考慮され得る。力方向Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに割り当てられた、歪み測定ゲージ３の信号の区別は、たとえば、当業者には自明のブリッジ回路またはそれに類似のものへの、個々の歪み測定ゲージ３の相互接続に基づくか、もしくは既述の伝達マトリックスに基づき確実に行うことができる。
【００３５】
さらになお図１からは、ボールスタッド１を貫く横方向孔４が認識される。この横方向孔４は、個々の歪み測定ゲージ３への、束ねられたひいては比較的単純で丈夫なケーブルガイドのために働く。
【００３６】
図２には、図１のボールスタッド１が側面図で再度示してある。この側面図から歪み測定ゲージ３と横方向孔４とが認識される。図１および図２のボールスタッド１の場合、横方向孔４から突出する、歪み測定ゲージ３のケーブル束の導出は、所属のボールジョイントのシールベローズ（図示せず）の領域で行われる。特に廉価なこの実施例は、運転中に僅かな傾動角運動および／または回動角運動しか各ボールジョイントに生じない場合に特に使用することができる。
【００３７】
図３および図４には、本発明による力測定システムの別の実施例用のボールジョイントのボールスタッド１が示してある。図３および図４のボールスタッド１は、図１および図２のボールスタッド１とは、第一に、ボールスタッド１の軸部領域にフライス削りされた平坦面５の点で異なる。この平坦面５は歪み測定ゲージ３（図３および図４には図示せず）を取り付けるために働く。図１および図２の実施例に対して、ほんの僅かにしかより手間のかからないこの構造は、ボールスタッド１での歪み測定ゲージ３の位置決めの際にも、歪みもしくは力の検出および評価の際にも、より高い正確性が達成可能であるという利点を有している。
【００３８】
図３および図４のボールスタッド１と、図１および図２のボールスタッド１との間の別の相違は、図３および図４のボールスタッド１には横方向孔４だけではなく、さらに長手方向孔６も設けられているという点にある。
【００３９】
長手方向孔６は異なる２つの目的のために使用され得る。たとえば、歪み測定ゲージ３から出る接続ケーブルは、束ねられて横方向孔４に導入され、長手方向孔６によってボールスタッド１のねじ山領域７の端面側で導出することができる。このようにして、平坦面５の領域に設けられている歪み測定ゲージ３に対するケーブルが損壊する恐れなしに、原則的に任意に各ボールジョイントの大きな傾倒角運動および／または回動角運動を可能にすることもできる、という利点をこのケーブルガイドは有している。
【００４０】
長手方向孔６の他の利用可能性は、既述のケーブルガイドに対して付加的にまたは択一的に、別の力検出器もしくは歪み測定ゲージを長手方向孔６内に配置することもできるということにある。これらの力検出器もしくは歪み測定ゲージは有利には、ボールスタッド１の長手方向の力の検出のために働く。このようにして、力方向Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに関連した信号のさらに改善された分離と区別とが可能になる。
【００４１】
したがって結果として、本発明のおかげで力測定システムもしくはボールジョイントは、特に自動車での使用のために改良されるということが明らかになる。力測定システムもしくはボールジョイントは、自動車の個々の構成部材だけではなくむしろ全構成群の運転状態もしくは負荷状態の確実な検出を可能にする。この場合、本発明による力測定システムは、たとえば電子的な測定ホイールのような著しく手間のかかる他の測定システム、または自動車ホイールに組み込まれたワイヤレスのセンサシステムの代わりに、１台の自動車の実験室運転もしくは試験運転においてだけではなく使用することができる。むしろ、本発明による力測定システムもしくはボールジョイントは、大量生産車両でも、ビークルダイナミックスの検出もしくはコントロールのために使われるという可能性がある。
【００４２】
これによって本発明は、特に自動車および測定技術の別の使用領域でも、測定値検出の複雑な状況をより良好にコントロール可能であることに著しく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による、力測定システムのボールジョイントのためのボールスタッドの概略的な等測図である。
【図２】図１のボールスタッドの概略的な側面図である。
【図３】本発明による力測定システムの別の実施例のボールジョイントのためのボールスタッドを、図１に相応するように示した図である。
【図４】図３のボールスタッドを、図２に相応するように示した側面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  ボールスタッド、  ２  頸部領域、  ３  歪み測定ゲージ、  ４  横方向孔、  ５  平坦面、  ６  長手方向孔、  ７  ねじ山領域、  Ｆｘ  ｘ方向、  Ｆｙ  ｙ方向、  Ｆｚ  ｚ方向
【図１】
2008517284.tif 000003
【図２】
2008517284.tif 000004
【図３】
2008517284.tif 000005
【図４】
2008517284.tif 000006
【国際調査報告】
2008517284.tif 000007
2008517284.tif 000008
2008517284.tif 000009
2008517284.tif 000010
2008517284.tif 000011
2008517284.tif 000012