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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug
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Aus der
EP 2 363 307 A2 ist eine Anhängekupplung mit einem Kraftsensor bekannt. Der Kraftsensor ist zwischen einem Tragarm und einem Kuppelkörper angeordnet. Mit dieser Anordnung wird neben der Winkelerkennung eine Zug- und Stützlast detektiert. Die offenbarte Vorrichtung ist vergleichsweise aufwändig und bedingt Relativbewegungen von mechanisch stark beanspruchten Bauteilen, um die Messgrößen zu ermitteln. Die Sensoren sind im Inneren des Tragarms vorgesehen. Ein solcher Tragarm müsste daher relativ groß dimensioniert sein oder würde eine geringere Steifigkeit aufweisen als vergleichbare Tragarme, die im Inneren keine Messvorrichtungen aufweisen.
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Ferner offenbart die
EP 2 727 752 A1 eine Anhängerkupplung mit einem Tragarm, an dem Dehnungsmessstreifen auf der äußeren Oberfläche des Tragarms angebracht sind. Solche Dehnungsmessstreifen müssen an der Oberfläche des Tragarms aufwändig befestigt werden. Die Aufbringung solcher Streifen im Klebeverfahren erfordert eine gewisse Präzision, da Ablösungen immer zu falschen Messergebnissen führen würde. Die Gefahr des Ablösens kann dadurch verringert werden, dass die Messstreifen bündig in das Bauteil eingebracht werden. Das Einbringen im Bauteil schwächt jedoch das Bauteil. Ferner sind diese Dehnungsmessstreifen sowie die Anschlusskabel dieser Dehnungsmessstreifen äußeren Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Die Dehnungsmessstreifen können vergleichsweise einfach durch mechanische Einwirkungen oder durch Witterungseinwirkungen beschädigt werden.
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Die Gesetzgeber schreiben teilweise vor, dass bei ausgefahrenem Tragarm das Zugfahrzeug davon ausgehen muss, dass das Zugfahrzeug im Anhängerbetrieb betrieben wird. Eine Erkennung des Anhängerbetriebs anhand des Steckers für die Anhängerlichtanlage wird von den Gesetzgebern nicht akzeptiert.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu überwinden. Es ist bspw. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanisch robusten und bevorzugt geschützten Sensor bereit zu stellen, mit dem sich die Stütz-, Zug- und/oder Seitenkräfte messen lassen, die ein Anhänger auf das Zugfahrzeug ausübt. Es ist ein Aspekt der hier gezeigten Technologie, die Gesamtstabilität von Fahrzeug und Anhänger zu verbessern. Beispielsweise ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die mechanischen Einwirkungen oder die Witterungseinwirkungen, wie bspw. Steinschlag, Salz, Wasser, etc., zu verringern bzw. zu vermeiden. Eine weitere bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie besteht darin, einen kompakten Sensor bereit zu stellen, der überdies kostengünstig gefertigt werden kann und wenige Abänderungen an den anderen Strukturbauteilen der Anhängevorrichtung erfordert. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zuverlässig die vom Anhänger auf das Zugfahrzeug ausgeübte Kraft in allen drei Richtungen zu ermitteln. Es ist ferner eine Aufgabe, eine zuverlässige Detektion von einem angehängten Anhänger zu offenbaren.
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Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug, bspw. ein Kraftfahrzeug. Die Anhängevorrichtung umfasst einen Tragarm, an dem ein Kuppelkörper vorgesehen ist. Der Kuppelkörper ist dazu ausgebildet, mit einer Anhängerkupplung eines Anhängers lösbar verbunden zu werden. Ein Anhänger kann jegliche Form aufweisen, bspw. ein Anhänger zum Transportieren von Lasten oder ein Wohnwagen.
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Die Anhängevorrichtung umfasst ferner eine Befestigungseinheit. Die Befestigungseinheit verbindet den Tragarm mit dem Zugfahrzeug. Der Tragarm erstreckt sich von der Befestigungseinheit weg, insbesondere in einer Richtung entgegen der Fahrtrichtung X des Zugfahrzeugs.
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Die Anhängevorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung von mindestens einer Kraftkomponente Fx, Fy, Fz einer Anhängerkraft F. Die Anhängerkraft F ist die Gesamtkraft, die der Anhänger auf den Kuppelkörper des Zugfahrzeuges ausübt. Es kann sich dabei um eine resultierende Kraft vor, während oder nach dem Zugbetrieb handeln.
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Die resultierende Anhängerkraft F setzt sich zusammen aus den drei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz. Die Kraftkomponente Fx der resultierenden Anhängerkraft F wird auch als Zug- oder Schubkraft des Anhängers in bzw. gegen die Fahrtrichtung X des Zugfahrzeugs bezeichnet. Die Kraftkomponente Fz der resultierenden Anhängerkraft F entspricht der Stützkraft, die der Anhänger auf den Kuppelkörper der Anhängevorrichtung in vertikaler Richtung ausübt. Fy ist die Komponente der resultierenden Anhängerkraft F, die in Querrichtung zur Fahrtrichtung, also senkrecht zur Fahrtrichtung in horizontaler Richtung, ausgeübt wird. Die Addition aller drei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz ergibt die resultierende Anhängerkraft F, die auf den Kuppelkörper der Anhängevorrichtung wirkt.
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Gemäß der hier offenbarten Technologie ermittelt das Sensorelement die mindestens eine Kraftkomponente Fx, Fy, Fz, basierend auf dem inversen magnetostriktiven Effekt. Das mindestens eine Sensorelement ist insbesondere ausgebildet, Änderungen des magnetischen Zustands eines ferromagnetischen bzw. magnetisch codierten Bereiches (nachstehend: ferromagnetischer Bereich) der Befestigungseinheit und/oder des Zugfahrzeugs zu ermitteln. Die Änderung des magnetischen Zustandes ist dabei durch die mindestens eine Kraftkomponente Fx, Fy, Fz, der Anhängerkraft F verursacht. Mit anderen Worten sind das mindestens eine Sensorelement und der mindestens eine ferromagnetische Bereich derart ausgebildet und angeordnet, dass sie die auf den Kuppelkörper einwirkende Anhängerkraft F bzw. deren Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz, an der Befestigungseinheit und/oder am Zugfahrzeug ermitteln können. Dazu wird die resultierende Anhängerkraft F über den Tragarm auf die Befestigungseinheit und schließlich auf das Zugfahrzeug übertragen.
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Unter dem Begriff Magnetostriktion versteht man, dass durch die Änderung des magnetischen Zustandes eines Körpers eine Änderung einer Dimension des ferromagnetischen Körpers einher geht. Als inversen magnetostriktiven Effekt bezeichnet man in diesem Zusammenhang die Änderung des magnetischen Zustandes eines ferromagnetischen Körpers durch die Änderung der mechanischen Beanspruchung des Körpers. Im Falle von Längendehnungen wird dieser Effekt auch Villari-Effekt genannt. Kraftsensoren, die auf diesem Messprinzip beruhen, werden bspw. von dem Unternehmen NCTE AG angeboten.
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Bevorzugt sind das Sensorelement und der ferromagnetische Bereich ausgebildet, mindestens zwei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz, bevorzugt drei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz der Anhängerkraft zu ermitteln. Ferner bevorzugt werden zwei oder drei Sensorelemente eingesetzt, um die mindestens zwei Kraftkomponenten oder die drei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz der Anhängerkraft F zu ermitteln. Mit anderen Worten werden also bevorzugt ein, zwei oder drei Sensorelement(e) eingesetzt, um die drei Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz der Anhängerkraft zu ermitteln. Das bzw. die ein, zwei oder drei Sensorelement(e) kann/können dabei auch an einem ferromagnetischen Bereich vorgesehen sein.
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Bevorzugt bildet der Querholm des Zugfahrzeugs den ferromagnetischen Bereich aus. Der Querholm bzw. die Quertraverse ist der quer zur Fahrtrichtung verlaufende Träger des Zugfahrzeugs, an dem die Anhängevorrichtung befestigt ist.
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Der ferromagnetische Bereich kann in der Mitte des Querholms oder im Befestigungsbereich zwischen dem Querholm und der Fahrzeugkarosserie angeordnet sein. Die Mitte des Querholms ist vorteilhaft, da dort direkt die Anhängekraft F in den Querholm eingeleitet wird. Die Befestigungsbereiche sind bevorzugte ferromagnetische Bereiche zur Messung der Kraftkomponenten, da der ferromagnetische Bereich bspw. an bzw. in den Befestigungsmitteln, die den Querholm mit der Karosserie verbinden, vorgesehen sein kann.
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Der ferromagnetische Bereich kann vormagnetisiert bzw. magnetisch codiert sein. Ein solcher Vormagnetisierungs- bzw. Codierungsprozess muss bevorzugt nur einmal durchgeführt werden. Das Codieren bzw. Vormagnetisieren bzw. die dauerhafte Speicherung einer in sich geschlossenen Magnetfeldstruktur kann bspw. durch das Verfahren „pulsed current magnetic encoding” erreicht werden. Etwaige durch mechanische Belastung verursachte Feldänderungen sind dann von außen messbar. Der ferromagnetische Bereich wird in der Literatur auch als Primärsensor bezeichnet.
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Solche Feldänderungen des ferromagnetischen Bereiches können von dem mindestens einen Sensorelement erfasst werden. Das mindestens eine Sensorelement ist bevorzugt als Magnetfeldsensor ausgebildet. Als Magnetfeldsensor kann bspw. eine Spule oder ein differenzieller Hall-Sensor Einsatz finden. Bevorzugt kann für eine Erfassung einer Kraft in mehrere Kraftrichtungen eine entsprechende Anzahl von Sensoren zum Einsatz kommen. Je nach Sensorausführung müssen dabei nicht zwingend für die Erfassung von drei Kraftrichtungen drei Sensoren vorgesehen sein. Das mindestens eine Sensorelement wird in der Literatur auch als Sekundärsensor bezeichnet.
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Ein so ausgestaltetes Sensorsystem ist vergleichsweise kompakt und besonders robust. Es lassen sich sicher die Zug-, Stütz- und Seitenkräfte in der erforderlichen Genauigkeit ermitteln, ohne dass die Anhängevorrichtung selbst, d. h. der Kuppelkörper und/oder der Tragarm, strukturell geschwächt werden. Eine aufwändige Befestigung, wie sie bspw. ein Dehnungsmessstreifen erfordert, kann entfallen. Im Sensor selbst sind keine beweglichen Teile angeordnet, die im Dauerbetrieb ermüden könnten. Ferner lässt sich ein solches Sensorsystem bestehend aus dem ferromagnetischen Bereich und dem mindestens einen Sensorelement auch an bestehende, bereits ausgelieferte Anhängevorrichtungen nachträglich anbringen. Die Fertigung des Sensorsystems bzw. der Anhängevorrichtung ist vergleichsweise günstig. Ferner kann das Sensorsystem dazu verwendet werden, um den Anschluss eines Anhängers an dem Zugfahrzeug zu detektieren.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Sensorelement in einer Haltevorrichtung gehaltert. Die Haltevorrichtung kann beispielsweise mittels einer Rastverbindung oder einer Schraubverbindung oder einer kombinierten Verbindung an dem Querholm und/oder an der Befestigungseinheit befestigt sein. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung Rastnasen umfassen oder als Clip ausgestaltet sein. Ein solcher Clip kann bspw. auf den Querholm oder auf die Befestigungseinheit aufgeclipst werden. Alternativ sind andere Befestigungsarten, wie bspw. andere form- oder stoffschlüssige Befestigungsarten vorstellbar. Die Haltevorrichtung kann gleichzeitig als Gehäuse fungieren, welches das Sensorelement zumindest teilweise abdeckt.
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Bevorzugt wird das Sensorelement zumindest bereichsweise zumindest von der Befestigungseinheit verdeckt. Eine so ausgestaltete Anhängevorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, welches vor mechanischen Einflüssen oder vor Witterungseinflüssen geschützt ist. Ferner können die elektrischen Leitungen, die das Sensorelement mit der Elektronik verbindet, ebenfalls versteckt angeordnet sein, etwaige Beschädigungen durch mechanische Einflüsse können somit verringert werden. Bevorzugt befindet sich die Elektronik, die die Messwerte des mindestens einen Sensorelementes auswertet bzw. umwandelt, unmittelbar benachbart zu dem mindestens einen Sensorelement und/oder benachbart zum Querholm und/oder benachbart zu der Befestigungseinheit. Vorteilhaft sind das mindestens eine Sensorelement und die Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
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Bevorzugt ist in der Befestigungsvorrichtung eine Kinematik zum Einfahren und zum Ausfahren des Tragarms vorgesehen.
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Die hier offenbarte Technologie kann ferner die Verwendung der gezeigten Anhängevorrichtung zur Anhängerdetektion umfassen. Eine Anhängerdetektionsvorrichtung kann beispielsweise einen Anhängerbetrieb annehmen, wenn die vom mindestens einen Sensorelement erfasste mindestens eine Kraftkomponente Fx, Fy, Fz der Anhängerkraft F über mindestens einen Schwellwert liegt. Der bzw. die Schwellwert(e) für die Kraftkomponente(n) Fx, Fy, Fz kann jeder geeignete Wert sein, der zuverlässig einen Anhänger erkennt. Beispielsweise kann der statische Schwellwert für die Kraftkomponente Fz ca. 500 N bis 1000 N betragen
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand von Figuren näher erläutert, wobei die Figuren nicht zur einschränkenden Auslegung der hier offenbarten Technologie herangezogen werden kann. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Anhängevorrichtung in der Draufsicht, und
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2 eine schematische Ansicht einer Anhängevorrichtung in der Seitenansicht.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Anhängevorrichtung 100. Die Befestigungsvorrichtung 120 umfasst hier Schraubenverbindungen 122, durch die die Befestigungsvorrichtung 120 an den Querholm 150 des Zugfahrzeugs befestigt ist. Auf der in der Draufsicht dem Querholm 150 abgewandten Seite der Befestigungsvorrichtung 120 erstreckt sich ein Tragarm 110 entgegen der Fahrtrichtung X von der Befestigungsvorrichtung 120 weg. Am anderen Ende des Tragarms 110 ist der Koppel- bzw. Kuppelkörper 114 vorgesehen. Der Kuppelkörper 114 kann jede beliebige Form haben, die geeignet ist, einen Anhänger lösbar an das Zugfahrzeug zu befestigen. Nicht sichtbar ist hier die Kinematik, die im Inneren der Befestigungsvorrichtung 120 angeordnet ist und durch motorischen Betrieb den Tragarm 110 in eine ausgefahrene und in eine eingefahrene Position bewegen kann. Zwischen den Querholm 150 und der Befestigungseinheit 120 ist das mindestens eine Sensorelement 130 angeordnet. Das Sensorelement 130 kann ebenfalls an anderen Bereichen des Querholms 150 und/oder der Befestigungseinrichtung 120 angeordnet sein, bevorzugt derart, dass es vor mechanischen Einflüssen und/oder vor Witterungseinflüssen geschützt ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann das mindestens eine Sensorelement 130 in einem Gehäuse und/oder einer Halterung verbaut sein, welches vor äußeren Einflüssen schützt. Unmittelbar benachbart zum Sensorelement 130 ist der ferromagnetische Bereich 140 angeordnet. Der ferromagnetische Bereich 140 wurde hier vor der Montage in den Querholm 150 mittig eingebracht. Mit anderen Worten wurde der Querholm 150 zuvor magnetisch codiert. Alternativ könnte der ferromagnetische Bereich 140 auch durch Aufbringen einer geeigneten vormagnetisierten Platte auf dem Querholm 150 bereitgestellt sein. Anstatt den ferromagnetische Bereich 140 mittig vorzusehen, könnte dieser ferromagnetische Bereich 140 auch in die Befestigungsmittel 152 integriert sein, die den Querholm 150 mit der Fahrzeugkarosserie 160 verbinden. In einer solchen Ausgestaltung wäre dann auch der mindestens eine Sensor 130 benachbart zu den Befestigungsmitteln 152 ausgebildet, insbesondere derart, dass der mindestens eine Sensor 130 durch eine mechanische Belastung indizierte Magnetfeldänderungen des ferromagnetischen Bereichs 140 erfassen kann. Alternativ oder zusätzlich können mehrere ferromagnetische Bereiche 140 am Querholm 150 oder an der Befestigungseinheit 120 vorgesehen sein, die jeweils mit einem unmittelbar benachbart angeordneten Sensorelement 130 in der Lage sind, mindestens eine Kraftkomponente Fx, Fy, Fz der Anhängerkraft F zu ermitteln. Das mindestens eine Sensorelement ist geeignet, Kraftkomponenten Fx, Fy und Fz in und entgegen den Richtungen X, Y, Z zu ermitteln.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Anhängevorrichtung 100, wobei die Fahrzeugkarosserie 160 weggelassen wurde. Es ist gut ersichtlich, wie das Sensorelement 130 durch die Verbindungseinheit 120 und den Querholm 150 verdeckt wird.
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In den Figuren nicht dargestellt ist die Elektronik, die ebenfalls durch die Verbindungseinheit 120 verdeckt angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2363307 A2 [0002]
- EP 2727752 A1 [0003]
