HOFMANN, Peter (Flurstraße 30, Gauting, 82131, DE)
KLANK, Michael (Meller Straße 153, Osnabrück, 49084, DE)
SPRATTE, Joachim (Hermann-Moormann-Straße 29, Osnabrück, 49090, DE)
VORTMEYER, Jens (Am Bache 5, Preußisch Oldendorf, 32361, DE)
HOFMANN, Peter (Flurstraße 30, Gauting, 82131, DE)
KLANK, Michael (Meller Straße 153, Osnabrück, 49084, DE)
SPRATTE, Joachim (Hermann-Moormann-Straße 29, Osnabrück, 49090, DE)
| Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug Patentansprüche 1. Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug, mit einem mit dem Zugfahrzeug (2) verbundenen Kupplungsschaft (8), einem um eine Hochachse (10) drehbar am Kupplungsschaft (8) gelagerten Kugelkopf (6), der mit einem Kupplungsgegenstück (5) eines Anhängerfahrzeugs (3) kuppelbar ist, einer Winkelmessvorrichtung (22, 23), mittels welcher eine Verdrehung des Kugelkopfes (6) relativ zum Kupplungsschaft (8) um die Hochachse (10) erfassbar ist, gekennzeichnet durch eine Kraftmessvorrichtung (20, 22, 23), mittels welcher eine von dem Kugelkopf (6) auf den Kupplungsschaft (8) in Richtung der Hochachse (10) ausgeübte Kraft (F) erfassbar ist. 2. Anhängevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessvorrichtung (22, 23) und die Kraftmessvorrichtung (20, 22, 23) in den Kupplungsschaft (8) integriert sind. 3. Anhängevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung eine Feder (20) und eine Wegerfassungsvorrichtung (22, 23) umfasst, wobei der Kugelkopf (6) mit dem Kupplungsschaft (8) unter Zwischenschaltung der Feder (20) verbunden ist, gegen deren Federkraft der Kugelkopf (6) in Richtung der Hochachse (10) relativ zu dem Kupplungsschaft (8) verschiebbar ist, und wobei mittels der Wegerfassungsvorrichtung (22, 23) der Weg erfassbar ist, um welchen der Kugelkopf (6) in Richtung der Hochachse (10) relativ zu dem Kupplungsschaft (8) verschoben ist. 4. Anhängevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegerfassungsvorrichtung als ein erstes Bauteil einen Magneten (22) und als ein zweites Bauteil einen magnetfeldempfindlichen Sensor (23) umfasst, wobei eines der Bauteile fest mit dem Kugelkopf (6) und ein anderes der Bauteile fest mit dem Kupplungsschaft (8) verbunden ist. 5. Anhängevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (22) fest mit dem Kugelkopf (6) und der magnetfeldempfindliche Sensor (23) fest mit dem Kupplungsschaft (8) verbunden ist. 6. Anhängevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des magnetfeldempfindlichen Sensors (23) Komponenten des von dem Magnet (22) hervorgerufenen Magnetfelds in wenigstens drei unterschiedlichen Raumrichtungen erfassbar sind, sodass eine Verdrehung des Kugelkopfes (6) relativ zu dem Kupplungsschaft (8) um die Hochachse (10) erfassbar ist. 7. Anhängevorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des Magneten (22) quer zur Hochachse (10) ausgerichtet ist . 8. Anhängevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessvorrichtung (22, 23) und die Kraftmessvorrichtung (20, 22, 23) zu einer gemeinsamen Messvorrichtung zusammengefasst sind. |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug, mit einem mit dem Zugfahrzeug verbundenen Kupplungsschaft, einem um eine Hochachse drehbar am Kupplungsschaft gelagerten Kugelkopf, der mit einem Kupplungsgegenstück eines Anhängerfahrzeugs kuppelbar ist, und einer Winkelmessvorrichtung, mittels welcher eine Verdrehung des Kugelkopfes relativ zu dem Kupplungsschaft um die Hochachse erfassbar ist.
Die EP 1 796 926 Bl offenbart eine Anhängerkupplung für ein
Kraftfahrzeug, umfassend eine Zugstange mit einem Arm und einer
Kugelpfanne, die mit einer Öffnung versehen ist, ein Kugeldrehgelenk mit einem Kugelkopf und einem Bolzen, wobei das Kugeldrehgelenk drehbar und schwenkbar mit dem Kugelkopf in der Kugelpfanne montiert ist und durch die Öffnung hindurchreicht und aus der Kugelpfanne herausragt, und eine Winkelmessvorrichtung mit einem Signalsender und zwei Sensoren, wobei die Winkelmessvorrichtung in einer Verbindungseinheit angeordnet ist, welche die Kugelpfanne und den Kugelkopf umfasst. Die zwei Sensoren sind in einem rechten Winkel zueinander angeordnet, wobei die
Winkelmessvorrichtung einen Torsionswinkel und einen Rollwinkel zwischen der Zugstange und dem Kugeldrehgelenk misst.
Aus der DE 103 34 000 AI ist eine Anhängerkupplung für ein Zugfahrzeug bekannt, die einen Kupplungskopf zur Ankopplung eines
Kupplungsgegenstücks eines Anhängerfahrzeugs , einen Kupplungsschaft, der mit dem Zugfahrzeug verbunden ist und der im Bereich des Kupplungskopfes eine Hochachse definiert, und einen als Magnetfeldsensor ausgebildeten Winkelsensor aufweist, der in der Anhängerkupplung integriert ist und der eine Relativbewegung des Kupplungsgegenstücks um die Hochachse des Kupplungsschafts und relativ zum Kupplungsschaft aufnimmt. Der Kupplungskopf ist relativ zu dem Kupplungsschaft und um dessen Hochachse drehbar gelagert.
Diese Winkelsensoren werden für Rangierassistenten und
Anhängerstabilisierungssysteme eingesetzt. Für den Anhängerbetrieb ist aber ferner die Kenntnis der Stützlast wünschenswert, die der Anhänger über das Kupplungsgegenstück auf die Anhängevorrichtung ausübt.
Insbesondere darf für einen gefahrlosen Anhängerbetrieb eine maximal zulässige Stützlast nicht überschritten werden, die üblicherweise fahrzeugspezifisch vorgegeben ist.
Derzeit wird die Stützlast nach dem Beladen eines Anhängers z.B. in der Form gemessen, dass der Fahrer den Anhänger abkuppelt und über eine Hilfskonstruktion das Kupplungsgegenstück auf einer Personenwaage absetzt. Alternativ sind in das Stützrad integrierte Stützlastwaagen erhältlich. In beiden Fällen ist jedoch das Abkuppeln des Anhängers erforderlich, was mit nicht unerheblicher Muskelarbeit verbunden ist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Stützlast auf einfachere Weise, insbesondere mit weniger Arbeitsaufwand, ermitteln zu können .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Anhängevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Die erfindungsgemäße Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfasst einen mit dem Zugfahrzeug verbundenen
Kupplungsschaft, einen um eine Hochachse drehbar am Kupplungsschaft gelagerten Kugelkopf, der mit einem Kupplungsgegenstück eines
Anhängerfahrzeugs kuppelbar ist, eine Winkelmessvorrichtung, mittels welcher eine Verdrehung des Kugelkopfes relativ zu dem Kupplungsschaft um die Hochachse erfassbar ist, und eine Kraftmessvorrichtung, mittels welcher eine von dem Kugelkopf auf den Kupplungsschaft in Richtung der Hochachse ausgeübte Kraft erfassbar ist.
Durch die Kraftmessvorrichtung ist es möglich, die Stützlast des
Anhängerfahrzeugs im angekuppelten Zustand zu messen, in welchem die Stützlast über das Kupplungsgegenstück in den Kugelkopf der Anhängevorrichtung eingeleitet wird. Ein Abkuppeln des Anhängerfahrzeugs zum Zwecke der Stützlastbestimmung ist daher nicht mehr erforderlich, sodass die damit verbundene Muskelarbeit entfallen kann.
Die Winkelmessvorrichtung und die Kraftmessvorrichtung sind bevorzugt in eine aus dem Kupplungsschaft und dem Kugelkopf gebildete Baugruppe integriert. Hierdurch ist eine raumsparende Ausbildung der
Anhängevorrichtung erzielbar. Insbesondere sind die Winkelmessvorrichtung und/oder die Kraftmessvorrichtung in den Kupplungsschaft integriert.
Kraftmessvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise kann der Kugelkopf unter Zwischenschaltung eines
piezoelektrischen Kraftsensors mit dem Kupplungsschaft verbunden sein. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kraftmessvorrichtung eine Feder und eine Wegerfassungsvorrichtung, wobei der Kugelkopf mit dem Kupplungsschaft unter Zwischenschaltung der Feder verbunden ist.
Insbesondere ist der Kugelkopf an dem Kupplungsschaft in Richtung der Hochachse verschiebbar geführt. Der Kugelkopf ist somit gegen die Kraft der Feder in Richtung der Hochachse relativ zu dem Kupplungsschaft verschiebbar. Mittels der Wegerfassungsvorrichtung ist der Weg erfassbar, um welchen der Kugelkopf in Richtung der Hochachse relativ zu dem
Kupplungsschaft verschoben ist. Bei Kenntnis der Feder, insbesondere bei Kenntnis von deren Federkonstante, lässt sich unter Anwendung des
Hookeschen Gesetzes, ggf. noch unter Berücksichtigung einer
Federvorspannung, aus dem erfassten Weg die Stützlast berechnen.
Im abgekuppelten Zustand des Anhängerfahrzeugs kann die Feder
spannungsfrei sein. Bevorzugt steht die Feder im abgekuppelten Zustand des Anhängerfahrzeugs aber unter einer Vorspannung. Diese Vorspannung dient z.B. dazu, ein Klappern des Kugelkopfes zu vermeiden und/oder den Arbeitsbereich der Feder optimal einzustellen.
Die Wegerfassungsvorrichtung umfasst bevorzugt als ein erstes Bauteil einen Magneten und als ein zweites Bauteil einen magnetfeldempfindlichen Sensor, wobei eines der Bauteile fest mit dem Kugelkopf und ein anderes der Bauteile fest mit dem Kupplungsschaft verbunden ist. Wird das
Anhängerfahrzeug angekuppelt, so drückt das Kupplungsgegenstück auf den Kugelkopf und verschiebt diesen in Abhängigkeit von der Stützlast gegen die Kraft der Feder. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen dem Magneten und dem magnetfeldempfindlichen Sensor, sodass mittels des Sensors ein die Stützlast charakterisierendes Signal gewonnen werden kann. Die Anordnung von Magnet und Sensor ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Magnet stets im Erfassungsbereich des Sensors bleibt, auch wenn sich aufgrund einer Stützlastvariation der Abstand zwischen Magnet und Sensor ändert. Insbesondere ist der Magnet fest mit dem Kugelkopf und der magnetfeldempfindliche Sensor fest mit dem
Kupplungsschaft verbunden. Der Magnet ist vorzugsweise ein
Permanentmagnet. Somit ist es vermeidbar, sich über die Drehverbindung zwischen dem Kugelkopf und dem Kupplungsschaft erstreckende elektrische Verbindungen zu installieren.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der magnetfeldempfindliche Sensor derart ausgebildet, dass mittels des Sensors Komponenten des von dem Magneten hervorgerufenen Magnetfelds in wenigstens drei
unterschiedlichen Raumrichtungen erfassbar sind. Durch eine derartige Ausbildung des Sensors ist zusätzlich zu der oben beschriebenen
Wegerfassung eine Verdrehung des Kugelkopfes relativ zu dem
Kupplungsschaft um die Hochachse erfassbar. Ein solcher Sensor ist z.B. aus der EP 0 947 846 Bl bekannt. Die Winkelmessvorrichtung und die Kraftmessvorrichtung sind somit zu einer gemeinsamen Messvorrichtung zusammengefasst , die den Magneten, den magnetfeldempfindlichen Sensor und die Feder umfasst. Hierdurch ist gegenüber einer von der
Winkelmessvorrichtung separierten Kraftmessvorrichtung ein nicht unerheblicher Bauraum- und Kostenvorteil erzielbar.
Bevorzugt ist der magnetfeldempfindliche Sensor derart ausgebildet, dass über drei räumliche Feldkomponenten des Magnetfelds der Rotationswinkel des Magneten, z.B. mit einer Tangens-Operation, ermittelbar ist. Ferner ist der in Abhängigkeit von der Stützlast gegen die Kraft der Feder zurückgelegte Weg des Magneten und somit der Federweg der Feder bevorzugt über eine in Richtung der Hochachse verlaufende Feldkomponente des Magnetfelds ermittelbar. Hierdurch kann die Stützlast bestimmt werden, die proportional zu oder linear abhängig von dem Federweg ist.
Die Magnetisierung des Magneten ist bevorzugt quer oder senkrecht zur Hochachse ausgerichtet. Insbesondere verläuft die Hochachse mittig oder in etwa mittig durch den Magneten und/oder zwischen den äußeren Polenden des Magneten. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Magnet zylindrisch ausgebildet und vorzugsweise diametral magnetisiert . Der Sensor ist bevorzugt im Abstand zu dem Magneten angeordnet und
insbesondere in Richtung der Hochachse gegenüber diesem versetzt.
Mit der erfindungsgemäßen Anhängevorrichtung ist es möglich, neben der Messung des Verdrehwinkels des Kugelkopfes auch die Stützlast zu messen. Der Verdrehwinkel entspricht in der Regel dem Gespannwinkel eines aus dem Zugfahrzeug und dem Anhängerfahrzeug gebildeten Gespanns. Ein Vorteil der Erfindung gegenüber marktüblichen Lösungen liegt insbesondere darin, dass die Messung der Stützlast am angekuppelten Anhänger erfolgen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gespanns,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Gespann und
Fig. 3 eine schematische und teilweise Schnittansicht einer
Anhängevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung entlang der Schnittline A-A aus Fig. 2.
Aus Fig. 1 ist ein Gespann 1 aus einem Zugfahrzeug 2 und einem
Anhängerfahrzeug 3 ersichtlich, welches eine Deichsel 4 mit einem
Kupplungsgegenstück 5 in Form einer Kugelpfanne umfasst. Das
Kupplungsgegenstück 5 ist mit einem Kugelkopf 6 (siehe Fig. 3) einer Anhängevorrichtung 7 gekuppelt, die mittels eines Kupplungsschafts 8 am Fahrzeugaufbau 9 des Zugfahrzeugs 2 befestigt ist. Der Anhänger 3 übt mittels des Kupplungsgegenstücks 5 in Richtung einer Hochachse 10 eine Stützlast (Kraft) F auf den Kugelkopf 6 und somit auf die
Anhängevorrichtung 7 aus, wobei die Hochachse 10 in Fahrzeughochrichtung z und durch den Mittelpunkt M (siehe Fig. 3) des Kugelkopfes 6 verläuft. Ferner ist die Fahrzeuglängsrichtung x mittels eines Pfeils dargestellt, der auch die gewöhnliche Vorwärtsfahrtrichtung des Zugfahrzeugs 2 kennzeichnet .
Aus Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Gespann 1 ersichtlich, wobei die Längsachse 11 des Zugfahrzeugs 2 mit der Längsachse 12 des
Anhängerfahrzeugs 3 einen Gespannwinkel einschließt. Ferner ist die Fahrzeugquerrichtung y dargestellt.
Aus Fig. 3 ist eine teilweise Schnittansicht der Anhängevorrichtung 7 entlang der aus Fig. 2 ersichtlichen Schnittlinie A-A ersichtlich, wobei der Kupplungsschaft 8 einen nach oben abgewinkelten, hinteren
Endabschnitt 13 aufweist, der in Richtung der Hochachse 10 verläuft und sich in eine in dem Kugelkopf 6 vorgesehene, ringförmige Ausnehmung 14 hineinerstreckt. Im Zentrum der Ausnehmung 14 ist ein Bolzen 15
vorgesehen, der mit dem Kugelkopf 6 fest verbunden ist und in eine in dem Endabschnitt 13 vorgesehene Ausnehmung 16 eingreift. Der Bolzen 15 ist über Drehlager 17 und 18 um die Hochachse 10 drehbar an dem Endabschnitt 13 gelagert, so dass auch der mit dem Bolzen 15 starr verbundene
Kugelkopf 6 um die Hochachse 10 drehbar ist.
Der Bolzen 15 weist einen ringförmigen, radial nach außen gerichteten Vorsprung 19 auf, an dem ein oberes Ende einer Feder 20 abgestützt ist, deren unteres Ende an einem ringförmigen, radial nach innen gerichteten Vorsprung 21 des Endabschnitts 13 abgestützt ist. Der Bolzen 15 und somit auch der Kugelkopf 6 ist in Richtung der Hochachse 10 verschiebbar an dem Endabschnitt 13 geführt, sodass bei ausreichender Stützlast F der
Kugelkopf 6 in Richtung der Stützlast F gegen die Kraft der Feder 20 relativ zu dem Endabschnitt 13 verschoben wird.
Am unteren Ende des Bolzens 15 ist ein Permanentmagnet 22 befestigt, der quer zur Hochachse 10 magnetisiert ist, was durch die eingezeichneten Pole N (Nordpol) und S (Südpol) deutlich wird. In Richtung der Hochachse 10 gegenüber dem Magneten 22 versetzt ist ein magnetfeldempfindlicher Sensor 23 angeordnet, mittels welchem an einem Sensorort 24 Komponenten der magnetischen Flussdichte B des Magnetfelds in x-Richtung, in y- Richtung und in z-Richtung erfassbar sind.
Aus der Komponente der magnetischen Flussdichte B in z-Richtung ist die Höhe des Magneten 22 in Richtung der Hochachse 10 ermittelbar.
Unterscheidet sich die Höhe hl des Magneten 22 bei anliegender Stützlast F gegenüber der Höhe hO des Magneten 22 bei Abwesenheit einer Stützlast um Ah, ist somit auch die mit dem zurückgelegten Weg Ah des Magneten 22 verbundene Änderung des Magnetfelds am Sensorort 24 mittels des Sensors 23 erfassbar. Da das Verhalten der Feder 20 bekannt ist, lässt sich die Stützlast F aus dem Weg Ah berechnen.
Ferner kann mittels des Sensors 23 eine Verdrehung des Magneten 22 und somit auch eine Verdrehung des Kugelkopfes 6 relativ zu dem Endabschnitt 13 um die Hochachse 10 erfasst werden. Dies ist möglich, da die
Magnetisierung des Magneten 22 quer zur Hochachse 10 ausgerichtet ist und die Komponenten der magnetischen Flussdichte B in x-Richtung und in y- Richtung mittels des Sensors 23 erfasst werden können. Da im gekuppelten Zustand der Kugelkopf 6 bezüglich einer Verdrehung um die Hochachse 10 drehfest, insbesondere reibschlüssig, mit dem Kupplungsgegenstück 5 verbunden ist, entspricht der Verdrehwinkel des Kugelkopfes 6 relativ zu dem Endabschnitt 13 um die Hochachse 10 dem Gespannwinkel . Somit ist aus den Komponenten der magnetischen Flussdichte B in x-Richtung und in y-Richtung der Gespannwinkel ermittelbar.
Die Berechnung der Stützlast F und des Gespannwinkels wird mittels einer Auswerteeinrichtung 25 durchgeführt, die über wenigstens eine elektrische Verbindungsleitung 26 mit dem magnetfeldempfindlichen Sensor 23 verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung 25 ist insbesondere im
Zugfahrzeug 2 angeordnet.
Bezugs zeichenliste
1 Gespann
2 Zugfahrzeug
3 Anhängerfahrzeug
4 Deichsel
5 Kupplungsgegenstück
6 Kugelkopf
7 Anhängevorrichtung
8 Kupplungsschaft
9 Fahrzeugaufbau des Zugfahrzeugs
10 Hochachse
11 Längsachse des Zugfahrzeugs
12 Längsachse des Anhängerfahrzeugs
13 Endabschnitt des Kupplungsschafts
14 ringförmige Ausnehmung in Kugelkopf
15 Bolzen
16 Ausnehmung in Endabschnitt
17 Drehlager
18 Drehlager
19 Vorsprung an Bolzen
20 Feder
21 Vorsprung an Endabschnitt
22 Magnet
23 magnetfeldempfindlicher Sensor
24 Sensorort
25 Auswerteeinrichtung
26 Verbindungsleitung
z Fahrzeughochrichtung
x Fahrzeuglängsrichtung
y Fahrzeugquerrichtung
F Stützlast
Gespannwinkel
M Mittelpunkt des Kugelkopfs
B magnetische Flussdichte / Magnetfeld hl Höhe des Magneten bei Last
hO Höhe des Magneten ohne Last
Ah Weg / Höhendifferenz
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