KupplungsVorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zur drehgelenkigen Kopplung von zwei Fahrzeugabschnitten, wobei zwei schwenkbar zueinander angeordnete Kupplungselemente vorgesehen sind, die jeweils fest mit einem Fahrzeugabschnitt koppelbar sind, und eine Bremsanordnung zwischen den Kupplungselementen wirkt, um einen einstellbaren Reibschluß zwischen den Kupplungselementen herzustellen und so die Schwenkbarkeit der Fahrzeugabschnitte zueinander zu hemmen.

Solche Konzepte für entsprechende Kupplungsvorrichtungen sind im Nutzfahrzeugbereich bekannt. Insbesondere für die Kopplung einer Zugmaschine mit einem Sattelauflieger sind vielfältige überlegungen angestellt worden.

üblicherweise wird ein Sattelauflieger über seinen Königszapfen mit der an der Zugmaschine angeordneten Sattelkupplung verbunden. Die Sattelkupplung (auch "Fifth Wheel" genannt) besteht aus einer Kupplungsplatte mit einer Ausnehmung, in die der Königszapfen eingeführt wird und dort über ein Schloßstück drehbar verriegelt wird. Die Oberfläche der Kupplungsplatte definiert die Schwenkebene zwischen Zugmaschine und Sattelauflieger und dient gleichzeitig als Reiblager, auf der sich eine den Königszapfen umgebende ebene Platte des Sattelaufliegers gleitend verdrehen kann. Zugmaschine und Auflieger sind über dieses Sattelgelenk gelenkig miteinander verbunden. Bei bestimmten Fahrzuständen, insbesondere bei Bremsmanövern während enger Kurvenfahrten kann es zum gefürchteten Klappmessereffekt kommen, bei dem Zugmaschine und Auflieger um das Sattelgelenk maximal zu- einander verschwenken, so daß das gesamte Fahrzeug unkontrol-

lierbar wird. In anderen Fahrzuständen kann es auch zu einem unkontrollierten Pendeln zwischen Zugmaschine und Auflieger kommen. ähnliche Probleme treten auch bei Gelenkbussen, LKW- Anhängern und gelenkig miteinander verbundenen Fahrzeugabschnitten von Schienenfahrzeugen auf.

Die bekannten Konzepte gehen im Prinzip davon aus, über eine mehr oder weniger stark dämpfende Brems- bzw. Dämpfungsvorrichtung das Sattelgelenk über Bremsanordnungen zu verstei- fen:

US 3,231,295 schlägt beispielsweise eine im Auflieger drehbar angeordnete Königszapfenanordnung vor, die über eine Bremstrommel und eine gemeinsam mit dem Bremssystem des Fahr- zeugs betätigbare Umschlingungsbremse bremsbar ist. Die Betätigung erfolgt hier über ein mit der Fahrzeugbremsanlage gekoppeltes Gestänge. Das Konzept gemäß US 4,065,149 sieht eine um eine vertikale Achse drehbar gelagerte Sattelplatte an der Zugmaschine vor, die über einen Königszapfen mit ova- lern Querschnitt drehfest mit dem Auflieger koppelbar ist. Die Drehung der Sattelplatte kann über eine innenliegende pneumatisch betätigte Trommelbremse gehemmt werden. Auch hier kann die Betätigung über das Bremssystem des Fahrzeugs erfolgen. Aus der GB 2 365 398 ist ein zwischen Zugmaschine und Auflie- ger geschaltetes Dämpfungssystem vorgesehen, welches den Klappmessereffekt verhindern soll. Dazu ist hier ein Hydraulikdämpferelement vorgesehen, dessen Widerstand über das öffnen und Schließen von Ausgleichsleitungen einstellbar ist. Die Dämpfung kann auch viskoelektrisch bzw. viskomagnetisch erfolgen. Die Dämpfung kann in Abhängigkeit vom Winkel der Fahrzeugabschnitte zueinander bzw. von der Bremswirkung der Fahrzeugbremse gesteuert werden. Ein weiteres Konzept ist aus der US 5,690,347 bekannt, bei dem die Bremsvorrichtung mit Bremselementen arbeitet, die direkt zwischen Zugmaschine und Auflieger wirken und als exzentrisch wirkende Bremswalzen

ausgebildet sind. Weitere ähnliche Konzepte sind z.B. aus GB 1 205 314, US 2005/0212256 Al und DE 29 49 933 Al bekannt.

Die Anforderungen an eine wirksame Kupplungsvorrichtung sind gegenläufig: Zum einen müssen enorme Bremsmomente realisierbar sein, um den Klappmessereffekt bei den hohen Fahrzeuggewichten, die im Nutzfahrzeugbereich üblich sind, zu verhindern, und zum andern ist eine kompakte und gewichtssparende Bauweise erforderlich, um wertvolles Ladevolumen bzw. Nutzlastkapazität zu erhalten. Die oben angegebenen Konzepte erfüllen diese Anforderungen zumindest nur teilweise. Keines konnte sich im großen Stil in der Praxis durchsetzen. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß sich eine bremsbare oder fixierbare Kupplungsvorrichtung in vorhandene genormte Schnittstellen integrieren läßt.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Kupplungsvorrichtung bereitzustellen, welche die oben formulierten Anforderungen besser erfüllt bzw. die bekannten Nachteile zumindest teilweise ausräumt .

Diese Aufgabe löst die Kupplungsvorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Bremsvor- richtung eine einzige Hydraulikzylindereinheit umfaßt, welche auf mehrere radial wirkende Bremselemente wirkt. Diese Lösung erlaubt eine sehr kompakte Bauweise, und ist geeignet die notwendige Leistungsdichte sicherzustellen, die für die erforderliche Bremswirkung nötig ist. Der Einsatz einer einzigen Hydraulikzylindereinheit, die auf mehrere radial wirkende Bremselemente wirkt, erlaubt damit hohe Bremskräfte bei besonders kompakter Bauweise. Gemäß Anspruch 2 wird dabei jedes Bremselement über mehrere Zylinder-/Kolbenelemente angetrieben; dadurch werden die Wirklasten besser auf die Bremselemente übertragen und die zur Verfügung stehenden, den

eigentlichen Reibschluß bildenden Bremsflächen können optimal ausgenutzt werden. Lokale Schwankungen der Flächenpressung werden minimiert; die Wirksamkeit wird erhöht und der Verschleiß vermindert.

Gemäß Anspruch 3 ist ein einziger Zufuhranschluß vorgesehen, durch den die Hydraulikflüssigkeit über eine Verteilerleitung auf die entsprechenden Zylinderhohlräume verteilt wird. So ein System ist besonders leckagefest, leicht zu entlüften und betriebssicher. Gemäß Anspruch 4 ist die Hydraulikzylindereinheit einstückig ausgebildet und damit besonders kompakt und robust ausführbar. Gemäß Anspruch 5 sind vier senkrecht zueinander wirkende Bremselemente vorgesehen, die jeweils über wenigstens zwei Zylinder-/Kolbenelemente angetrieben werden, und so platzsparend innerhalb des verfügbaren Raums - zum Beispiel innerhalb einer ringförmigen Bremsfläche untergebracht werden können.

Nach Anspruch 6 kann die hydraulische Wirkung über kraftver- stärkende Koppelgetriebe zwischen den Zylinder-/Kolbenele- menten und den Bremselementen verstärkt werden. Anspruch 7 betrifft dabei eine Weiterbildung, bei der das Getriebe als Koppelhebel ausgeführt ist, der durch die gelenkige Verbindung zwischen Zylinder-/Kolbenelement und Bremselement be- sonders einfach ausführ- und auslegbar ist.

Anspruch 8 betrifft eine besonders einfache Festlegung eines Kupplungselements über eine (genormte) Keilanordnung bezüglich einer (ebenfalls genormten) Sattelplatte einer Zugma- schine. Solche Keilanordnungen werden üblicherweise dazu verwendet, über die Schwenkstellung zwischen Auflieger und an der Zugmaschine fixierter Sattelplatte einen Lenkantrieb anzusteuern, der die nachlaufenden Radsätze des Aufliegers bei Kurvenfahrten auslenkt.

Die Ansprüche 9 bis 11 betreffen eine Kupplungsvorrichtung, die den Arbeitsdruck in der Hydraulikzylindereinheit zum Steuern/Regeln des Reibschlusses zwischen den Kupplungselementen verändern kann. So eine Steuerung kann den Arbeits- druck auf der Grundlage einer oder mehrerer Steuer- /Regelgrößen einstellen: zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit, Schwenkwinkel (Winkelausschlag) und änderungsgeschwindigkeit des Schwenkwinkels zwischen Fahrzeugabschnitten, Fahrzeuggewicht (Ladung) , Lenkeinschlag, Bremswirkung der Fahrzeugbremse. Entsprechend dieser Größen können fahrzeugspezifische Wirkungsprofile ermittelt und eingestellt werden. Gemäß Anspruch 10 sind dazu entsprechende Sensoren zum Erfassen dieser Betriebsgrößen vorgesehen, die entsprechende Informationen an die Steuerung liefern. Zur Bedienung und zur Kontrolle kann die Steuerung mit einer Anzeigeeinrichtung und/oder einer Bedienungseinrichtung gekoppelt werden. Dies geschieht vorzugsweise über einen sogenannten CAN-Bus bzw. über einen anderen geeigneten Feldbus, der eine genormte Informationsübertragung zur und von der Steuerung ermöglicht.

Anspruch 12 betrifft ein Fahrzeug, insbesondere einen LKW, einen Bus oder ein Schienenfahrzeug mit einer Kupplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, darin zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht von unten einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht von hinten der Kupplungsvorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht der Kupplungsvorrich- tung aus Fig. 1 (Schnitt A-A in Fig. 6),

Fig. 4 eine Schnittansicht der Kupplungsvorrichtung aus Fig. 1 (Schnitt B-B),

Fig. 5 eine Explosionsdarstellung der Kupplungsvorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 6 eine Ansicht von oben der Kupplungsvorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 7 eine Darstellung in mehreren Ansichten und Schnitten eines Hydraulikzylinderblocks aus der Kupplungsvorrichtung gemäß Fig. 1 bis 6,

Fig. 8 eine Ansicht von oben eines alternativen

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung, und

Fig. 9 ein Schaltbild einer Steuerung für eine erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung .

Die Fig. 1 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und dienen dazu, Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung 1 zu erläutern.

Richtungsangaben wie vorne, hinten, oben, unten, rechts und links gelten für den Einbauzustand der Kupplungsvorrichtung in einem Fahrzeug bzw. einem Fahrzeugabschnitt und sind aus der Sicht des in Fahrtrichtung sitzenden Fahrzeugführers angegeben.

Die in Fig. 1 dargestellte Unterseite der Kupplungsvorrichtung 1 zeigt die Unterseite des Drehtellers 2, an dem dreh- fest über Schrauben 4 der Königszapfen ("king pin") 6 fixiert

ist. Weiterhin ist mit dem Drehteller 2 ein Lenkkeil 8 verbunden. Der Drehteller 2 sitzt drehbar gelagert im Trägertopf 10, der beispielsweise an einem Sattelauflieger befestigt (zum Beispiel verschweißt) ist. Der Drehteller 2 wird über den Königszapfen 6 in der Aufnahme einer am Fahrzeug angeordneten Kupplungsplatte verriegelt und überträgt alle horizontal wirkenden Lasten zwischen Fahrzeug und Auflieger. über den Lenkkeil 8 ist der Drehteller 2 drehfest mit der Kupplungsplatte einer Zugmaschine (beide nicht dargestellt) kop- pelbar. Dazu sitzt der Lenkkeil 8 in einer entsprechenden Ausnehmung am hinteren Ende der Kupplungsplatte, durch das zum Ein- bzw. Abkuppeln der Königszapfen 6 eingeführt bzw. ausgeführt werden kann. Die Unterseite des Drehtellers 2 liegt dabei flach auf der nach oben weisenden Gegenfläche der Kupplungsplatte. Im Gegensatz zu normalen Sattelaufliegerfahrzeugen findet bei der dargestellten Kupplungsvorrichtung 1 die Drehung zwischen Auflieger und Zugmaschine nicht zwischen Drehteller 2 und Kupplungsplatte statt (bei Kurvenfahrten oder beim Rangieren) , sondern zwischen Drehteller 2 und Trägerkopf 10, da der Lenkkeil 8 eine Relativbewegung zwischen Drehteller 2 und der Kupplungsplatte am Fahrzeug verhindert.

Die Lagerung zwischen Drehteller 2 und Trägerkopf 10 erfolgt über einen Drehkranz 12, der als Wälzlager ausgebildet ist und sowohl die in horizontaler Richtung wirkenden Zugkräfte aufnimmt als auch die in vertikaler Richtung wirkenden Stützkräfte zwischen Auflieger und Zugmaschine übertragen kann. Dazu ist der Außenring 13 des Drehkranzes 12 über Schrauben 14 im Deckflansch 15 des Trägertopfs 10 fixiert, und der Innenring 16 über Schrauben 17 im Drehteller 2. Bei Kurvenfahrten oder im Rangierbetrieb können sich so die Fahrzeugabschnitte Zugmaschine und Auflieger entsprechend zueinander verschwenken, indem Drehteller 2 und Trägerkopf 10 über den Drehkranz 12 gegeneinander verdreht werden.

Um diese Drehbewegung zu hemmen bzw. zu bremsen, ist folgendes vorgesehen: Im Innern des Trägerkopfs 10 ist ein Hydraulikblock 18 fixiert (siehe auch Fig. 7). Die Befestigung er- folgt kraftschlüssig über vier Anschläge 20, die jeweils über Paßfedern 22 und Schrauben 24 im Deckflansch 15 fixiert sind. über die Hydraulikkolben 25 wirkt der Hydraulikblock 18 auf radial nach außen wirkende Bremsblöcke 26, die an ihren radialen Außenflächen Bremsbeläge 28 aufweisen.

Beim Verschwenken der beiden Fahrzeugabschnitte zueinander in ungebremstem Zustand verdrehen sich der Drehteller 2 zusammen mit dem Innenring 16 des Drehkranzes 12 relativ zu den Bremsblöcken 26 des Hydraulikblockes 18, der am Trägertopf 10 fixiert ist. Beim Bremsen drücken die Kolben 25 die Bremsblöcke 26 radial nach außen. Die Bremsbeläge 28 greifen an den inneren Umfangsflachen des Innenrings 16 an und hemmen entsprechend der über die Kolben 25 aufgebrachten Radialkraft die Drehbewegung. Die auftretenden Kräfte werden dabei über die Bremsblöcke 26, die mit ihren Flanken 29 an den entsprechenden Seitenflächen 27 der Anschläge 20 anliegen, in die Anschläge 20 übertragen und dort über die Schrauben 24 bzw. über die Paßfedern 22 in den Deckflansch 15 und damit in den Trägertopf 10 bzw. in den Sattelauflieger eingeleitet. Die an sich drehgelenkige Lagerung wird versteift. Neben der Lasteinleitung in den Deckflansch 15 haben die Paßfedern 22 noch die Funktion, mit ihren nach innen weisenden Stirnflächen den Hydraulikblock 18 an seinen abgeschrägten Eckbereichen 30 in der Kupplungsvorrichtung zu zentrieren.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das maximale Bremsmoment bis zu ca. 70.000 Nm und der Druck im Hydrauliksystem beträgt dabei ca. 420 bar.

Der Hydraulikblock 18 (Fig. 7) hat eine im wesentlichen quadratische Grundfläche und ist in der Mitte ausgenommen (öffnung 32) . über diese öffnung 32 kann er platzsparend den zur Fixierung des Königszapfens am Drehteller 2 vorgesehenen Befestigungssockel 3 aufnehmen. Der Hydraulikblock 18 weist im Innern einen ringförmigen Hydraulikkanal 34 auf, der über mehrere einander kreuzende Durchgangs- und Sackbohrungen ausgebildet ist. Die entsprechenden offenen Enden dieser Bohrungen sind mit Dichtstopfen 36 verschlossen. Zwei Zugangsboh- rungen 38 verbinden den Hydraulikkanal 34 mit entsprechenden Anschlüssen 40.

Der Hydraulikkanal 34 verläuft im oberen Bereich des Hydraulikblocks 18 und schneidet jeweils den Bodenbereich der zylindrischen Ausnehmungen 42, in denen die Druckkolben 25 wirken. Der Hydraulikkanal 34 schneidet die zylindrischen Ausnehmungen 42 jeweils im hinteren (inneren) und oberen Bereich so an, daß er jeweils den höchsten Punkt im Hydrauliksystem des Hydraulikblocks 18 bildet. Diese Anordnung ermöglicht eine sichere und zuverlässige Befüllung und Entlüftung des Hydrauliksystems im Hydraulikblock 18 vor der Inbetriebnahme. Die Druckkolben 25 sind über entsprechende Dichtungen 44 und Abstreifer 46 in ihren Ausnehmungen 42 geführt und eingedichtet.

Die Anschlüsse 40 sind mit Hydraulikleitungen 41 verbunden, die mit entsprechenden Aggregaten 64, 66 (Fig. 9) verbunden sind bzw. zur Entlüftung des Hydraulikblocks 18 dienen.

Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellte Kupplungsvorrichtung weist einen Hydraulikblock gemäß Fig. 7 auf, die auf vier Bremsblöcke 26 über jeweils zwei Kolben 25 wirkt.

Fig. 8 zeigt eine Kupplungsvorrichtung 101, bei der zwei Hydraulikblöcke 118 vorgesehen sind, die jeweils über in ent-

gegengesetzte Richtungen wirkende Hydraulikkolben 125 auf Traversen 127a wirken, die wiederum über die Bremskraft übersetzende Hebelnocken 127b auf Bremsblöcke 126 und Bremsbeläge 128 wirken. Auch hier werden die über die Bremsbeläge 128 und Bremsblöcke 126 aufgenommenen Umfangslasten über entsprechende Anschläge 120 in den Trägertopf 110 eingeleitet. Neben dieser Ausführung mit zwei getrennten Hydraulikblöcken 118 läßt sich das gleiche Prinzip (Hebelübersetzung) auch mit einem einzigen Hydraulikblock (siehe Fig. 1-7) realisieren.

In vielen Fällen soll die Bremswirkung drehwinkelabhängig gesteuert werden. Das heißt, die Bremswirkung soll mit zunehmendem Verdrehwinkel zwischen Drehteller 2 und Trägerkopf 10, also mit zunehmendem Verschwenken der entsprechenden Fahr- zeugabschnitte zueinander verstärkt werden. Dazu ist bei dem in den Fig. 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel ein analoger Wegsensor 48 mit einem Exzenter 50 kombiniert (siehe Fig. 5 und 6) . Der Exzenter 50 ist dabei mit dem Drehteller 2 gekoppelt und der Wegsensor 48 mit dem Hydraulikblock 18. Zwischen dem Meßkopf des Wegsensors 48 und dem Exzenter 50 ist ein Spalt, der durch die dem Wegsensor 48 zugewandte Umfangsflache 52 definiert wird. Der Umfangsflächenverlauf ist so gewählt, daß sich beim Verdrehen des Exzenters 50 relativ zum Wegsensor 48 die Spaltbreite verändert. Diese änderung der Spaltgeometrie erfaßt der Wegsensor 48. Das entsprechende Signal rechnet eine Steuerung 60 (Fig. 9) in eine entsprechende Schwenk- bzw. Drehwinkeländerung der entsprechenden Fahrzeugabschnitte zueinander um, und steuert bzw. regelt den auf die Druckkolben 25 wirkenden Druck ent- sprechend; hier über ein Servoventil 64 und/oder eine Hydraulikpumpe 66.

Eine entsprechende Steuerung zeigt Fig. 9.

Hier ist die Steuerung 60 über einen sogenannten CAN-Bus mit einem Anzeige-/Bedienungsgerät 62 verbunden. Die Steuerung 60 ist mit dem Wegsensor 48 (Schwenkwinkel) verbunden und mit einem Drucksensor 54, der den Druck im Hydrauliksystem (Hydraulikkanal 34, Hydraulikleitung 41) erfaßt. Eine Stromversorgung V versorgt das Anzeige-/Bediengerät 62 und die Steuerung 60 mit einer Versorgungsspannung von 10 bis 32 Volt. Die Steuerung 60 ist ebenfalls mit einem Druckregelventil 64 verbunden, das den Versorgungsdruck in der Hydrau- likleitung 41 steuert und über den Hydraulikmotor 66 mit Hydraulikflüssigkeit versorgt wird und diese dem Hydraulikblock 18 zuführt. Der Hydraulikmotor 66 wird über einen Leistungsschalter 68 ebenfalls von der Steuerung 60 angesteuert. Neben den Drehwinkelsignalen aus dem Sensor 48 und den Drucksignalen vom Drucksensor 54 kann die Steuerung auch über den CAN-Bus weitere verfügbare Signale aufnehmen, die beispielsweise über die Leitung G an das Anzeige-/Bedie- nungsgerät geliefert werden. Das Anzeige-/Bedienungsgerät 62 verfügt über eine Anzeige 70, die beispielsweise den Schwenkwinkel zwischen den Kupplungselementen bzw. den Fahrzeugabschnitten anzeigt. Weiterhin können verschiedene Bedienelemente 72 vorgesehen sein, um unterschiedliche Betriebszustände abzufragen bzw. einzustellen. Neben dem angegebenen CAN-Bus können auch andere Feldbusverbindungen realisiert sein (zum Beispiel CANopen, DeviceNet, J1939, CLe ANopen, LIN-Bus, K-Bus, KWP2000) . Der hier verwendete Begriff Steuerung ist nicht auf eine Steuerung im klassischen Sinne beschränkt, sondern soll auch Regeleinrichtungen umfassen, bei denen die Ausgangsgröße Bremskraft bzw. Hydraulikdruck über einen oder mehrere Regelkreise eingestellt werden kann

(neben den bereits angegebenen Regelgrößen wie Schwenk-/Dreh- winkel (Winkelausschlag) und änderungsgeschwindigkeit des

Schwenkwinkels, Geschwindigkeit und Druck können auch Größen wie Fahrzeuggewicht (Ladung) , Ladegewicht, Bremswirkung der

Fahrzeugbremsen oder ähnliches einzeln oder in Kombination berücksichtigt werden.

Neben dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Kupplungseinrichtung über den Königszapfen 6 mit der Kupplungsplatte an einer Zugmaschine gekoppelt wird, gibt es auch Ausführungen, bei denen der Drehteller 2 direkt mit einem Fahrzeugabschnitt verbunden (z.B. verschraubt, verschweißt) ist. Solche Ausführungen sind für Gelenkbusse, LKW-Anhänger und mehrgliedrige Schienenfahrzeuge (Straßenbahnen) geeignet.

Weitere Variationen und Ausführungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche.