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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Aufliegerkräfte
an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges, wobei der Sattelzug eine
Sattelzugmaschine mit Rahmen und daran befestigter Sattelkupplung
sowie einen über
die Sattelkupplung mit dem Rahmen der Sattelzugmaschine verbundenen
Sattelauflieger umfasst.
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Die
an der Sattelkupplung auftretenden Sattelaufliegerkräfte und
die daraus resultierenden Momente stellen für eine Sattelzugmaschine die
wesentlichen Belastungen dar. Auf die Sattelkupplung wirkt die gesamte
dynamische Kraft zwischen der Sattelzugmaschine und dem Sattelauflieger,
die während
des Betriebs der Sattelzugmaschine erzeugt wird. Für die Auslegung
der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur, die durch den Rahmen
der Sattelzugmaschine gebildet wird, ist daher eine Kenntnis dieser
Belastungen wesentlich, damit eine sicherheitskritische Unterdimensionierung
aber auch eine mit erhöhten
Kosten verbundene Überdimensionierung
vermieden werden kann.
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Die
Auslegung der Sattelkupplung sowie deren Tragstruktur basiert bisher
auf Versuchen und Erfahrenswerten. Eine systematische Erfassung
der Belastungen und daraus resultierend eine fundierte Festlegung
der entsprechenden Dimensionen und sonstiger Auslegungen der Sattelkupplung
sowie deren Tragstruktur ist bisher nicht bekannt. Dies führt dazu,
dass einerseits die Gefahr besteht, dass die Sattelkupplung bzw.
deren Tragstruktur unterdimensioniert werden, was im schlimmsten
Fall zu einem Bruch der Sattelkupplung oder deren Tragstruktur und
damit verbunden zu einem Unfall des Sattelzuges führen kann.
Eine entsprechende Über dimensionierung
führt andererseits
zu erhöhten
Kosten und darüber
hinaus zu einem erhöhten
Gewicht der Sattelzugmaschine, was ebenfalls unerwünscht ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Aufliegerkräfte
an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges anzugeben, mit der eine
fundierte Aussage über die
an der Sattelkupplung im Betrieb bei angekuppeltem Sattelauflieger
wirkenden Belastungen getroffen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, das
ein Basiselement umfasst, das zur Befestigung am Rahmen der Sattelzugmaschine
ausgebildet ist, sowie eine an dem Basiselement befestigte Sattelplatte
umfasst, in der eine Aufnahmeöffnung
zur Aufnahme eines Königszapfens
des Sattelaufliegers ausgebildet ist, wobei zwischen der Sattelplatte
und dem Basiselement zumindest zwei 3-Komponenten-Kraftmesselemente angeordnet
sind, mit denen jeweils die bei einer Bewegung der Sattelplatte
auf das Basiselement übertragenen
Kräfte
messbar sind, und wobei die 3-Komponenten-Kraftmesselemente seitlich
nebeneinander angeordnet sind und jeweils ein 3-Komponenten-Kraftmesselement
auf einer und ein anderes 3-Komponenten-Kraftmesselement auf der
anderen Seite einer im Wesentlichen durch die Aufnahmeöffnung verlaufenden
Längsachse
der Sattelzugmaschine liegt.
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Erfindungsgemäß wird somit
erstmals eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, mit der die
Aufliegerkräfte
an einer Sattelkupplung eines Sattelzuges gemessen werden können, wie
sie im Betrieb bei angekuppeltem Sattelauflieger tatsächlich auftreten. Durch
die Ausbildung des Basiselements derart, dass dieses anstelle der
Sattelkupplung am Rahmen der Sattelzugmaschine befestigt werden
kann, sowie durch die Möglichkeit, den
Sattelauflieger mit seinem Königszapfen,
wie bei vorhandener Sattelkupplung, an der Sattelplatte zu befestigen,
werden realistische Bedingungen geschaffen, die eine Ermittlung
von der Praxis entsprechenden Messwerten ermöglichen.
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Die
ermittelten Aufliegerkräfte
und die daraus abgeleiteten Drehmomente können als Eingangsgrößen für experimentelle
Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, Simulationen und Lebensdauerberechnungen
herangezogen werden. Mit der Erfindung ist es somit erstmals möglich, die
Auslegung der Sattelkupplung sowie der Tragstruktur nicht nur auf
Erfahrungswerte, sondern auf den Praxisbedingungen entsprechende,
gemessene Werte zu stützen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente
jeweils zum Messen von drei senkrecht aufeinander stehenden Kraftkomponenten
der übertragenen
Kräfte
ausgebildet. Über
die gemessenen Kraftkomponenten können zusätzlich die entsprechenden drei
Drehmomente ermittelt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente im Wesentlichen
entlang einer senkrecht zur Längsachse
der Sattelzugmaschine verlaufenden Horizontallinie angeordnet. Die
3-Komponenten-Kraftmesselemente liegen somit in einer Horizontalebene,
so dass die Ermittlung der resultierenden Kräfte und Momente besonders einfach
durchgeführt werden
kann.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist zwischen der Sattelplatte und dem Basiselement
eine Trägerkonsole
angeordnet, über
die die Sattelplatte mit dem Basiselement verbunden ist, wobei die
Sattelplatte an der Trägerkonsole
um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist und die 3-Komponenten-Kraftmesselemente
zwischen der Trägerkonsole
und dem Basiselement angeordnet sind.
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Durch
das Vorsehen einer zwischengelagerten Trägerkonsole ist es möglich, dass
zum einen die Sattelplatte verschwenkbar ausgebildet ist, um die
in der Praxis ebenfalls vorhandene Verschwenkbarkeit der Auflageplatte
einer Sattelkupplung nachzubilden, und dass zum anderen die 3-Komponenten-Kraftmesselemente
so zwischen die Trägerkonsole
und das Basiselement eingebracht wird, dass die bei einer Bewegung
der Sattelplatte auftretenden Kräfte von
den 3-Komponenten-Kraftmesselementen erfasst werden können.
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Vorteilhaft
verläuft
die Horizontallinie parallel zur Schwenkachse und fällt insbesondere
mit dieser zusammen. In diesem Fall können zwar keine Momente um
die Schwenkachse bestimmt werden, was jedoch bei einer freien Verschwenkbarkeit
der Sattelplatte um die Schwenkachse auch nicht erforderlich ist.
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Bevorzugt
ist die Sattelplatte mit der Trägerkonsole über zumindest
ein elastisches Auflager verbunden. Durch dieses elastische Auflager
kann beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Schwenkachse
der Sattelplatte eine quasi starre Verbindung zwischen Sattelplatte
und Trägerkonsole
geschaffen werden, über
die Kräfte
von der Sattelplatte auf die Trägerkonsole
und damit zu den 3-Komponenten-Kraftmesselementen übertragen
werden können.
Das elastische Auflager kann dabei beispielsweise durch entsprechende
Gummielemente oder sonstige geeignete elastische Elemente gebildet werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind
die 3-Komponenten-Kraftmesselemente unter Vorspannung zwischen der
Trägerkonsole
und dem Basiselement angeordnet. Aufgrund der Vorspannung werden
die 3-Komponenten-Kraftmesselemente zwischen der Trägerkonsole
und dem Basiselement eingeklemmt. Durch die Vorspannung wird aufgrund
der auftretenden Reibungskräfte
zwischen den 3-Komponenten-Kraftmesselementen
und der Trägerkonsole
bzw. dem Basiselement erreicht, dass von den 3-Komponenten-Kraftmesselementen
nicht nur Kräfte
in Klemmrichtung, sondern auch senkrecht dazu aufgenommen werden
können.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
die Trägerkonsole
gegenüber
dem Basiselement beabstandet. Trägerkonsole
und Basiselement sind somit lediglich über die vorgespannten 3-Komponenten-Kraftmesselemente miteinander
verbunden, so dass gewährleistet
ist, dass der Kraftfluss ausschließlich über die 3-Komponenten-Kraftmesselementen
verläuft.
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Bevorzugt
sind zwischen der Sattelplatte und dem Basiselement vier 3-Komponenten-Kraftmesselemente
angeordnet. Durch die Anordnung von vier 3-Komponenten-Kraftmesselementen
eindeutig die an der Sattelkupplung auftretenden Kräfte und
Drehmomente in allen möglichen
Richtungen erfassbar.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente symmetrisch
um die Aufnahmeöffnung
herum angeordnet. Aufgrund der symmetrischen Anordnung ist eine
einfache Auswertung der gemessenen Kräfte sowie eine Bestimmung der
entsprechenden Drehmomente in beliebigen ortsfesten Punkten möglich.
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Bevorzugt
sind die 3-Komponenten-Kraftmesselemente als 3-axiale piezoelektrische
Sensoren ausgebildet. Durch die 3-axialen piezoelektrischen Sensoren
werden die aufgenommenen Kräfte in
entsprechende elektrische Messsignale umgewandelt, die einfach über eine
entsprechende Auswerteeinheit ausgewertet werden können.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weisen die 3-Komponenten-Kraftmesselemente jeweils
drei Signalausgänge auf,
an denen den drei gemessenen Kraftkomponenten entsprechende Messsignale
erzeugt werden. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die mit
den Signalausgängen
der 3-Komponenten-Kraftmesselemente verbunden und zum Berechnen
einer resultierenden Kraft und/oder eines resultierenden Drehmoments
in einem vorgegebenen Punkt basierend auf den Messsignalen der 3-Komponenten-Kraftmesselemente
ausgebildet ist. Weiterhin kann die Auswerteeinheit zum Berechnen
des resultierenden Drehmoments basierend auf den Messsignalen sowie
der geometrischen Anordnung der 3-Komponenten-Kraftmesselemente
ausgebildet sein. Anhand der bekannten geometrischen Anordnung der
3-Komponenten-Kraftmesselemente relativ zueinander können aus
den Messsignalen der 3-Komponenten-Kraftmesselemente
nämlich
die resultierenden Drehmomente bestimmt werden. Rechnerisch können die
auftretenden Kräfte
und Momente grundsätzlich
auf einen beliebigen Punkt bezogen werden, beispielsweise auf die
Aufnahmeöffnung
der Sattelplatte. Da im Bereich der Aufnahmeöffnung der Sattelplatte, die
dem Sattelaufliegerpunkt entspricht, die gesamte Kraftübertragung
von dem Sattelauflieger auf die Sattelplatte und damit auch auf
die Sattelkupplung erfolgt, stellen die in diesem Punkt auftretenden
Kräfte
und Drehmomente die relevanten Daten für die Auslegung der Sattelkupplung
sowie deren Tragstruktur dar.
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Vorteilhaft
ist die Auswerteeinheit zum Berechnen von jeweils drei Komponenten
der resultierenden Kraft und/oder des resultierenden Drehmoments
ausgebildet. Durch die Berechnung der einzelnen Kraftkomponenten
in drei insbesondere senkrecht zueinander stehenden Richtungen sowie
der entsprechenden drei Drehmomentskomponenten sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Kräfte
und Momente in allen Richtungen eindeutig und einfach ermittelbar
sowie die ermittelten Kraft- und Drehmomentkomponenten entsprechend
auswertbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
beschrieben; in dieser zeigen:
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1 einen
Sattelzug,
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2 eine
erfindungsgemäße ausgebildete Vorrichtung
und
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3 eine
teilweise geschnitten dargestellte Detailansicht der Vorrichtung
nach 2.
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1 zeigt
einen Sattelzug 1, der eine Sattelzugmaschine 2 sowie
einen Sattelauflieger 3 umfasst. Die Sattelzugmaschine 2 umfasst
in üblicher Weise
ein Führerhaus 4 sowie
einen entgegen der durch einen Pfeil 32 angedeuteten Fahrtrichtung überstehenden
Rahmen 5, an dem Vorder- und
Hinterachsen 6, 7 der Sattelzugmaschine 2 gelagert sind.
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Oberhalb
der Hinterachse 7 ist eine mit dem Rahmen 5 fest
verbundene Sattelkupplung 8 angeordnet, auf der der Sattelauflieger 3 aufliegt.
Die Verbindung zwischen dem Sattelauflieger 3 und der Sattelkupplung 8 erfolgt
dabei über
einen Königszapfen 9,
der in eine nicht dargestellte Aufnahmeöffnung der Sattelkupplung 8 eingreift.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung dargestellt, die zur Bestimmung der Aufliegerkräfte anstelle
der Sattelkupplung 8 mit dem Rahmen 5 der Sattelzugmaschine 2 verbunden,
insbesondere mit diesem verschraubbar ist. Die Befestigung der Vorrichtung
erfolgt dabei bevorzugt identisch, d.h. an derselben Position und/oder
mit denselben Befestigungsmitteln, wie die Befestigung der Sattelkupplung,
um möglichst
praxisnahe Messbedingungen zu gewährleisten.
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Die
Vorrichtung umfasst ein Basiselement 10, das beispielsweise
als Grundplatte ausgebildet sein kann, wie es aus 2 ersichtlich
ist. Das Basiselement 10 ist dabei möglichst steif ausgebildet,
um eine Verfälschung
der Messergebnisse beispielsweise durch Verwinden des Basiselements 10 zu
vermeiden. In dem Basiselement 10 sind Löcher 11 vorgesehen, über die
das Basiselement 10 beispielsweise mittels Schrauben mit
dem Rahmen 5 verbunden werden kann.
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An
der Oberseite des Basiselements 10 sind vier im Wesentlichen
zylinderförmige
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 angeordnet, von denen
in 2 nur zwei sichtbar sind. Die beiden anderen 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 liegen
symmetrisch zu den beiden dargestellten 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 im
in 2 hinteren Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
so dass die vier 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 an den
Ecken eines gedachten Rechtecks positioniert sind.
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Oberhalb
des Basiselements 10 ist eine zweiteilige Trägerkonsole 13 angeordnet,
die jeweils mit vier zum Basiselement 10 hin gerichteten
Bereichen 14 ihrer Unterseite auf den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 aufliegt.
Alternativ könnte
die Trägerkonsole 13 auch
einteilig ausgebildet sein oder aus mehreren Teilen bestehen.
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Weiterhin
ist aus 3 zu erkennen, dass die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 jeweils eine
innen liegende Zentralbohrung 15 aufweisen, durch die jeweils
eine Schraube 16 hindurchgeführt ist. Die Schrauben 16 liegen
jeweils mit ihrem Schraubenkopf 17 in einer Ausnehmung 18 der
Trägerkonsole 13 und
sind mit ihren freien Enden 19 jeweils in in dem Basiselement 10 ausgebildeten
Gewindebohrungen 20 eingeschraubt. Durch entsprechendes
Anziehen der Schrauben 16 wird die Trägerkonsole 13 in Richtung
zu dem Basiselement 10 hin gezogen, so dass die zwischen
dem Basiselement 10 und der Trägerkonsole 13 angeordneten
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 zwischen
der Trägerkonsole 13 und
dem Basisteil 10 eingeklemmt sind und somit unter Vorspannung
stehen.
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Wie
weiterhin aus 3 zu erkennen ist, liegt die
Trägerkonsole 13 ausschließlich auf
den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 auf, da außerhalb
der Bereiche 14 der Trägerkonsole 13 jeweils
ein Abstand 21 zwischen der Trägerkonsole 13 und
dem Basiselement 10 ausgebildet ist. Sämtliche auf die Trägerkonsole 13 wirkenden
Kräfte
werden somit ausschließlich über die
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auf das Basiselement 10 übertragen.
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Im
oberen Mittelbereich der Trägerkonsole 13 sind
zwei hier beispielsweise elastische Auflager 22 ausgebildet, über die
die Trägerkonsole 13 mit
einer aufliegenden Sattelplatte 23 verbunden ist. Alternativ
kann eine Verschwenkbarkeit um eine horizontale Achse auch über eine
gelenkige Verbindung realisiert werden.
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Die
Sattelplatte 23 ist somit um eine Schwenkachse 24 verschwenkbar
gelagert, die senkrecht zur Fahrtrichtung 32 des Sattelzugs 1 verläuft. Die
Schwenkachse 24 entspricht dabei einer entsprechenden Schwenkachse
der Sattelkupplung, welche es erlaubt, dass der Sattelauflieger 3 gegenüber der
Sattelzugmaschine 2 Schwenkbewegungen ausführt, mit
denen beispielsweise Niveauunterschiede der Fahrbahn und sonstige
Unebenheiten ausgeglichen werden können.
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Die
Sattelplatte 23 umfasst weiterhin eine Aufnahmeöffnung 25,
die zur Aufnahme des Königszapfens 9 des
Sattelaufliegers 3 ausgebildet ist. Weiterhin ist in der
Sattelplatte 23 eine V-förmige Ausnehmung 26 vorgesehen,
die eine seitliche Schwenkbewegung des Sattelaufliegers 3 um
den in die Aufnahmeöffnung 25 eingesetzten
Königszapfen 9 ermöglicht.
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Die
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 sind so ausgebildet
und angeordnet, dass jeder von ihnen jeweils drei Kraftkomponenten
(FX, FY, FZ) der von der Trägerkonsole 13 über die
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auf das Basiselement 10 übertragenen
Kräfte
erfasst, wobei die einzelnen Kraftkomponenten jeweils entsprechend
Pfeilen 27, 28, 29 senkrecht aufeinander
stehen. Dabei zeigt der Pfeil 28 in Richtung der Schwenkachse 24,
der Pfeil 27 entgegen der Fahrtrichtung 32 des
Sattelzugs 1 und der Pfeil 29 senkrecht zu der
von dem Pfeil 27 und 28 aufgespannten Ebene. Grundsätzlich können die
3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 auch so angeordnet sein,
dass die einzelnen Kraftkomponenten jeweils in entgegengesetzten
Richtungen oder in völlig
anderen Richtungen bestimmt werden
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Sowohl
während
des Verschwenkens der Sattelplatte 23 um die Schwenkachse 24 auftretende Kräfte als
auch seitliche Schwenkbewegungen der Sattelplatte 23, welche
eine Komprimierung oder Entlastung der elastischen Auflager 22 bewirken
und einem seitlichen Verkippen des Sattelaufliegers 3 bzw.
des Sattelzugs 1 entsprechen, werden von der Trägerkonsole 13 auf
die 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12 übertragen und von diesen erfasst. Gleiches
gilt auch für
zwischen dem Königszapfen 9 und
der Aufnahmeöffnung 25 wirkende
Reibungskräfte,
die bei einem seitlichen Verschwenken des Sattelaufliegers 3 gegenüber dem
Sattelzug 1 (beispielsweise bei einer Kurvenfahrt) auftreten.
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Sämtliche
von den 3-Komponenten-Kraftmesselementen 12 erfassten Kräfte bzw.
deren einzelne X-, Y- und Z-Komponenten werden über eine Leitung 30 zu
einer Auswerteeinheit 31 übertragen. Die Auswerteeinheit 31 berechnet
aus den gemessenen Kraftkomponenten sowie der geometrischen Anordnung
der einzelnen 3-Komponenten-Kraftmesselemente 12, beispielsweise
aus deren Abständen
von der Aufnahmeöffnung 25,
die jeweiligen Drehmomentkomponenten MX, MY und MZ, beispielsweise im
Bereich der Aufnahmeöffnung 25.
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Die
ermittelten Kraftkomponenten FX, FY und FZ sowie die Drehmomentkomponenten
MX, MY und MZ können
als Eingangsparameter für
experimentelle Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, Simulationen und
Lebensdauerberechnungen verwendet werden, um eine korrekte Auslegung
des Rahmens der Sattelzugmaschine 2 sowie der Sattelkupplung 8 zu
ermöglichen.
Zur Bestimmung unterschiedlicher Werte für die einzelnen Kraft- und Drehmomentkomponenten
ist es möglich,
dass ein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgerüsteter
Sattelzug 1 entweder in einem Simulator entsprechend unterschiedlich
simulierter Fahrsituationen beansprucht wird oder dass ein entsprechend
ausgerüsteter
Sattelzug 1 unter realen Bedingungen, das heißt beispielsweise
auf einer Straße
gefahren wird, um der Realität entsprechende
Messwerte zu erhalten. Die gemessenen Messwerte können dabei
laufend oder in bestimmten Abständen
gespeichert werden, um anschließend
ausgewertet zu werden.
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- 1
- Sattelzug
- 2
- Sattelzugmaschine
- 3
- Sattelauflieger
- 4
- Führerhaus
- 5
- Rahmen
- 6
- Vorderachse
- 7
- Hinterachse
- 8
- Sattelkupplung
- 9
- Königszapfen
- 10
- Basiselement
- 11
- Löcher
- 12
- 3-Komponenten-Kraftmesselemente
- 13
- Trägerkonsole
- 14
- Bereiche
der Trägerkonsole 13
- 15
- Zentralbohrung
- 16
- Schrauben
- 17
- Schraubenköpfe
- 18
- Ausnehmungen
- 19
- freie
Enden der Schrauben 16
- 20
- Gewindebohrungen
- 21
- Abstand
- 22
- elastische
Auflager
- 23
- Sattelplatte
- 24
- Schwenkachse
- 25
- Aufnahmeöffnung
- 26
- V-förmige Ausnehmung
- 27
- Pfeil
- 28
- Pfeil
- 29
- Pfeil
- 30
- Leitung
- 31
- Auswerteeinheit
- 32
- Pfeil/Fahrtrichtung